JP2016036060A - 時刻同期方法、時刻同期システム - Google Patents

Abstract

【課題】ＩＥＥＥ１５８８規格のＰＴＰ通信の高精度な時刻同期が実現可能な環境でネットワーク負荷の削減を図る。【解決手段】マスター装置から「Ａｎｎｏｕｎｃｅメッセージ」がスレーブ装置にマルチキャスト送信されるＳ０１。また、両装置間において「Ｓｙｎｃメッセージ」および「Ｆｏｌｌｏｗ＿ｕｐメッセージ」がマルチキャストで送受信されるＳ０２，Ｓ０３，Ｓ１１，Ｓ１２。さらに両装置間では「Ｄｅｌａｙ＿ｒｅｑメッセージ」および「Ｄｅｌａｙ＿ｒｅｓｐメッセージ」がユニキャストで送受信されるＳ１４，Ｓ１５，Ｓ０４，Ｓ０６。この「Ｓｙｎｃメッセージ」および「Ｄｅｌａｙ＿ｒｅｑメッセージ」の送受信の時刻情報に基づきスレーブ装置の時刻をマスター装置の時刻に同期させるＳ１６。【選択図】図３

Description

本発明は、ＩＥＥＥ１５８８規格のＰＴＰ（Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｔｉｍｅ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）通信によるマスター装置・スレーブ装置間での時刻同期通信の技術に関する。

ネットワーク上のコンピュータ間において時刻（クロック）を同期させる技術としては、特許文献１，２が公知となっている。この特許文献１には、ＮＩＰ（Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｔｉｍｅ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）による時刻同期方法が記載されている。

特許文献１の時刻同期方法によれば、ＮＩＰサーバには各端末から送信される時刻問い合わせ要求数に閾値が設定されている。このときＮＩＰサーバは、時刻問い合わせ要求数が前記閾値よりも多ければマルチキャストで時刻応答する一方、前記閾値よりも少なければユニキャストで時刻応答する。

特許文献２には、ＩＥＥＥ１５８８の規格で定められたＰＴＰ通信を用いたクロック同期方法が記載されている。ここではマスター装置は、スレーブ装置から通知されたクロック変動量に基づきマルチキャストとユニキャストとを選択して同期メッセージ（Ｓｙｎｃメッセージ，Ｆｏｌｌｏｗ＿ｕｐメッセージ）を送信している。

特開２００３−１１０５６２ 特開２０１２−２０４９１２

しかしながら、特許文献１の時刻同期方法は、ＮＩＰ通信を対象にするため、ＰＴＰ通信のような高精度な時刻同期（μ秒精度）には対応できない。

一方、特許文献２のクロック同期方法は、ＰＴＰ通信を対象とするものの、マスター装置の絶対時間をスレーブ装置に伝える同期メッセージのみで同期させているため、同じく高精度な時刻同期が困難なおそれがある。

また、同期メッセージ（Ｓｙｎｃメッセージ，Ｆｏｌｌｏｗ＿ｕｐメッセージ）は、マスター装置からスレーブ装置に通知される時刻情報なため、すべてのスレーブ装置で共通に必要なメッセージといえる。そのため、スレーブ装置の台数が増加した場合、前記同期メッセージをユニキャストで各スレーブ装置に送信するとネットワークへの負荷が増大し、同期性能が低下するおそれがある。

本発明は、このような従来の問題を解決するためになされ、ＩＥＥＥ１５８８規格のＰＴＰ通信の高精度な時刻同期が実現可能な環境でネットワーク負荷の削減を図ることを解決課題としている。

本発明の一態様は、ＰＴＰ通信によるマスター装置とスレーブ装置との間における時刻同期方法であって、マスター装置が、複数のスレーブ装置に同期メッセージをマルチキャストで送信し、該送信の時刻を記録する同期メッセージ送信ステップと、スレーブ装置が、前記同期メッセージを受信し、該受信の時刻を記録する同期メッセージ受信ステップと、スレーブ装置が、マスター装置に遅延要求メッセージをユニキャストで送信し、該送信の時刻を記録する遅延要求メッセージ送信ステップと、マスター装置が、前記遅延要求メッセージを受信し、該受信の時刻を記録する遅延要求メッセージ受信ステップと、マスター装置が、スレーブ装置に遅延応答メッセージをユニキャストで送信する遅延応答メッセージ送信ステップと、スレーブ装置が、前記遅延応答メッセージの受信後に前記各記録のタイムスタンプに基づきマスター装置の時刻に同期させる同期処理ステップと、を有する。

本発明の他の態様は、ＰＴＰ通信によるマスター装置とスレーブ装置との間における時刻同期システムであって、マスター装置は、複数のスレーブ装置に同期メッセージをマルチキャストで送信し、該送信の時刻を記録する同期メッセージ手段と、スレーブ装置の要求に応じて遅延応答メッセージをユニキャストで送信する遅延応答メッセージ送信手段と、を備える一方、スレーブ装置は、前記同期メッセージを受信し、該受信の時刻を記録する同期メッセージ受信手段と、前記遅延応答メッセージを要求する遅延要求メッセージをマスター装置にユニキャストで送信し、該送信の時刻を記録する遅延要求メッセージ送信手段と、前記遅延応答メッセージの受信後に前記各記録のタイムスタンプに基づきマスター装置の時刻に同期させる同期処理手段と、を備える。

なお、前記各態様において、前記遅延要求メッセージにスレーブ装置の状態を付加して送信してもよく、また前記遅延応答メッセージにマスター装置の状態を付加して送信してもよい。

本発明によれば、ＩＥＥＥ１５８８規格のＰＴＰ通信の高精度な時刻同期が実現可能な環境でネットワーク負荷の削減を図ることができる。

本発明の実施形態に係る時刻同期システムの全体構成図。 同 ＰＴＰ通信の概略図。 （ａ）はマスター装置側の処理を示すフローチャート、（ｂ）はスレーブ装置側の処理を示すフローチャート。 異常時の通知を示す概略図。

≪システム構成例≫
図１に基づき本発明の実施形態に係る時刻同期システム１の構成例を説明する。図１中の２はマスター装置（サーバ）を示し、３はマスター装置２に接続されたルーターを示している。

また、図１中の４−１，４−２，４−３．．．．４−ｎは、ＬＡＮによりルーター３に接続されたｎ個のスレーブ装置（クライアント）４を示し、マスター装置２とスレーブ装置４とが１対多の関係となっている。なお、スレーブ装置４−１，４−２，４−３．．．．４−ｎは、以下スレーブ装置４ｎと省略する。

ここではマスター装置２の時刻を基準にＩＥＥＥ１５８８規格のＰＴＰ通信による時刻同期（μ秒精度）が運用されている。このマスター装置２の時刻源としては、ＧＰＳ衛星やＣＤＭＡ携帯電話の基地局などが使用でき、ＧＰＳ衛星を時刻源とする場合にはマスター装置２は図示省略のＧＰＳ受信機を備えるものとする。

ＰＴＰ通信では、図２に示すように、両装置２，４ｎ間ではマスター／スレーブ階層の確立のため、マスター装置２から「Ａｎｎｏｕｎｃｅメッセージ」がスレーブ装置４ｎに送信され、その後に時刻転送プロセスが実行される。

すなわち、両装置２，４ｎ間において、「Ｓｙｎｃメッセージ（同期メッセージ）」，「Ｆｏｌｌｏｗ＿ｕｐメッセージ（同期メッセージ）」，「Ｄｅｌａｙ＿ｒｅｑメッセージ（遅延要求メッセージ）」，「Ｄｅｌａｙ＿ｒｅｓｐメッセージ（遅延応答メッセージ）」が交換される。

なお、「Ｓｙｎｃメッセージ」，「Ｆｏｌｌｏｗ＿ｕｐメッセージ」，「Ｄｅｌａｙ＿ｒｅｑメッセージ」の送受信の時刻ｔ１〜ｔ４が、マスター装置２／スレーブ装置４ｎの記憶装置（ＲＡＭなど）に記憶される。

≪処理内容≫
図３に基づき前記時刻同期システム１におけるマスター装置２・スレーブ装置４ｎ間の時刻同期の処理内容（処理手順）を説明する。すなわち、双方向のＰＴＰ通信においては、マスター装置２とスレーブ装置４ｎとが１対多の関係の場合、通常すべてのメッセージをマルチキャストで送信する。これに対して前記時刻同期システム１ではすべてのスレーブ装置４ｎに必要なメッセージはマルチキャストで送信する一方、特定のスレーブ装置４ｎ／マスター装置２のみが必要とするメッセージはユニキャストで送信する。

まず、図３（ａ）に基づきマスター装置２側の処理内容を説明する。マスター装置２は処理が開始されると、前述のように「Ａｎｎｏｕｎｃｅメッセージ」をスレーブ装置４ｎにマルチキャストで送信する（Ｓ０１）。

その後にマスター装置２は、「Ｓｙｎｃメッセージ（同期メッセージ）」をスレーブ装置４ｎにマルチキャストで送信し（Ｓ０２）、該送信の時刻ｔ１を記憶する。ここで記憶された時刻ｔ１を含む「Ｆｏｌｌｏｗ＿ｕｐメッセージ（同期メッセージ）」を、スレーブ装置４ｎにマルチキャストで送信する（Ｓ０３）。

また、マスター装置２は、スレーブ装置４ｎから「Ｄｅｌａｙ＿ｒｅｑメッセージ（遅延要求メッセージ）」を受信し（Ｓ０４）、該受信の時刻ｔ４を記憶する。このＳ０４のメッセージ受信が、あらかじめ設定されたタイムアウト時間内であれば、送信元のスレーブ装置４ｎのアドレス（スレーブアドレス）を記憶する（Ｓ０５）。

ここで記憶したアドレス宛てに、時刻ｔ４を含む「Ｄｅｌａｙ＿ｒｅｓｐメッセージ（遅延応答メッセージ）」をユニキャストで送信（Ｓ０６）し、その後に処理を再開する。なお、タイムアウト時間内にＳ０４の受信ができなければ、Ｓ０５，Ｓ０６の処理を経ずに、処理が再開される。

つぎに図３（ｂ）に基づきスレーブ装置４ｎ側の処理内容を説明する。スレーブ装置４ｎは、Ｓ０２の「Ｓｙｎｃメッセージ（同期メッセージ）」をマルチキャストで受信し（Ｓ１１）、それぞれ受信の時刻ｔ２を記憶する。

また、スレーブ装置４ｎは、Ｓ０３の「Ｆｏｌｌｏｗ＿ｕｐメッセージ（同期メッセージ）」をマルチキャストで受信し（Ｓ１２）、それぞれ送信元のマスター装置２のアドレス（マスターアドレス）を記憶する（Ｓ１３）。併せて「Ｆｏｌｌｏｗ＿ｕｐメッセージ（同期メッセージ）」から時刻ｔ１を抽出し、これを記憶する。

その後に各スレーブ装置４ｎは、マスター装置２に「Ｄｅｌａｙ＿ｒｅｑメッセージ（遅延要求メッセージ）」をユニキャストで送信し（Ｓ１４）、該送信の時刻ｔ３を記憶する。

このＳ１４の送信に対するマスター装置２の応答、即ちＳ０６の「Ｄｅｌａｙ＿ｒｅｓｐメッセージ」をユニキャストで受信する（Ｓ１５）。この受信メッセージから時刻ｔ４を抽出し、時刻ｔ１〜ｔ４のタイムスタンプに基づきマスター装置２の時刻との同期処理を実施する（Ｓ１６）。すなわち、時刻ｔ１〜ｔ４のタイムスタンプに基づきメッセージ往復の遅延時間と、両装置２，４ｎ間の時刻差（クロックのオフセット）とを算出し、各スレーブ装置４ｎの時刻を補正する。その後に再度の処理が開始され、複数回の処理を繰り返すことによりマスター装置２とスレーブ装置４ｎとの時刻同期を維持する。

このように前記時刻同期システム１によれば、「Ａｎｎｏｕｎｃｅメッセージ」，「Ｓｙｎｃメッセージ」，「Ｆｏｌｌｏｗ＿ｕｐメッセージ」は、すべてのスレーブ装置４ｎに必要なため、マルチキャストで送信される（Ｓ０１〜Ｓ０３）。一方、「Ｄｅｌａｙ＿ｒｅｑメッセージ」および「Ｄｅｌａｙ＿ｒｅｓｐメッセージ」は、特定のスレーブ装置４ｎ／マスター装置２しか必要としないため、ユニキャストで送信される（Ｓ０６，Ｓ１５）。

したがって、「Ｄｅｌａｙ＿ｒｅｑメッセージ」および「Ｄｅｌａｙ＿ｒｅｓｐメッセージ」は、マスター装置２・スレーブ装置４ｎ間において１対１で送受信され、該メッセージが必要な特定のスレーブ装置４ｎ／マスター装置２のみが受信可能となっている。

その結果、前記時刻同期システム１によれば、Ｓ０１〜Ｓ０３，Ｓ１２におけるマルチキャストと、Ｓ０４，Ｓ０６，Ｓ１４，Ｓ１５におけるユニキャストとを組み合わせた通信とすることにより、ＰＴＰ通信の高精度な時刻同期を実現可能な環境でネットワークへの負荷の大幅な削減を図ることができる。また、スレーブ装置４ｎへの負荷も大幅に削減でき、時刻同期性能も大幅に向上できる。

また、マスター装置２は、Ｓ０４の受信後に送信元のスレーブアドレス宛てに「Ｄｅｌａｙ＿ｒｅｓｐメッセージ」を送信するため（Ｓ０６）、図４の矢印Ｐに示すように、マスター装置２側に異常が発生した場合に同メッセージに異常ステータスを付加して送信することができる。

同様にスレーブ装置４ｎは、Ｓ１２の受信後に送信元のマスターアドレス宛てに「Ｄｅｌａｙ＿ｒｅｑメッセージ」を送信するため（Ｓ１４）、矢印Ｑに示すように、スレーブ装置４ｎ側に異常が発生した場合に同メッセージに異常ステータスを付加してマスター装置２のみに送信可能となる。

このように異常ステータスを付加することで送信先のマスター装置２／スレーブ装置４ｎ側において異常監視が可能となる。さらに前記時刻同期システム１によれば、特許文献１，２に対して以下の利点が得られる。

（１）すなわち、特許文献１は、ＮＴＰ通信による時刻同期なため、高精度な時刻同期（μ秒精度）は実現できないが、前記時刻同期システム１はＰＴＰ通信なため、高精度な時刻同期が実現できる。

（２）また、特許文献２は、ＰＴＰ通信ではあるものの、マスター装置からスレーブ装置への下り回線における同期メッセージ送信なため、上下回線を考慮した同期方法ではなく、高精度な時刻同期は難しい。これに対して前記時刻同期システム１は、図３（ａ）（ｂ）に示すように、上下回線を考慮したＰＴＰ通信を利用するため、より高精度な時刻同期が実現できる。

（３）さらに特許文献２によれば、マスター装置は、スレーブ装置のクロック変動量に基づきマルチキャストとユニキャストとを選択して同期メッセージ（Ｓｙｎｃメッセージ，Ｆｏｌｌｏｗ＿ｕｐメッセージ）を送信する。

そのため、前記クロック変動量によっては各スレーブ装置の共通情報である「Ｓｙｎｃメッセージ」および「Ｆｏｌｌｏｗ＿ｕｐメッセージ」がユニキャストで送信されるおそれがある。これではスレーブ装置の台数が増加するとネットワークの負荷が増大し、同期性能が低下してしまう。

これに対して前記時刻同期システム１によれば、「Ｓｙｎｃメッセージ」および「Ｆｏｌｌｏｗ＿ｕｐメッセージ」の送信は、マルチキャストに固定されているため（Ｓ０２，Ｓ０３）、スレーブ装置４ｎの台数が増加してもネットワーク負荷を大幅に削減できる。

≪産業上の利用分野≫
前記時刻同期システム１は、試験や測定あるいは産業用の制御システムに利用することができる。例えば変電所における電子化された電力系統保護システムでの時刻同期に利用することができる。

この場合、ＰＴＰ通信の高精度な時刻同期が実現可能な環境の下、マスター装置２としてのＭＵ（Ｍｅｒｇｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、スレーブ装置４ｎとしてのＩＥＤ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）とが同一時刻の時計を共有でき、またＭＵからＩＥＤへの時刻配信時のネットワーク負荷も削減できる。

特に、「Ｄｅｌａｙ＿ｒｅｑメッセージ」あるいは「Ｄｅｌａｙ＿ｒｅｓｐメッセージ」に異常ステータスを付加すれば、送信先のＭＵ／ＩＥＤ側で異常監視が可能となる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、各請求項に記載された範囲内で変形して実施することができる。例えば前記時刻同期システム１の実装方式としては、前記各装置２，４ｎにインストールされたソフトウェアがＳ０１〜Ｓ０６，Ｓ１１〜Ｓ１６の処理を実行させるソフトウェア方式でもよく、前記各装置２，４ｎに実装されたハードウェアが該処理を実行するハードウェア方式でもよい。この各方式によりマスター装置２／スレーブ装置４ｎは、Ｓ０１〜Ｓ０６，Ｓ１１〜Ｓ１６の処理を実行する手段を備える。

１…時刻同期システム
２…マスター装置
３…ルーター
４…スレーブ装置

Claims (6)

1. ＰＴＰ通信によるマスター装置とスレーブ装置との間における時刻同期方法であって、
   マスター装置が、複数のスレーブ装置に同期メッセージをマルチキャストで送信し、該送信の時刻を記録する同期メッセージ送信ステップと、
   スレーブ装置が、前記同期メッセージを受信し、該受信の時刻を記録する同期メッセージ受信ステップと、
   スレーブ装置が、マスター装置に遅延要求メッセージをユニキャストで送信し、該送信の時刻を記録する遅延要求メッセージ送信ステップと、
   マスター装置が、前記遅延要求メッセージを受信し、該受信の時刻を記録する遅延要求メッセージ受信ステップと、
   マスター装置が、スレーブ装置に遅延応答メッセージをユニキャストで送信する遅延応答メッセージ送信ステップと、
   スレーブ装置が、前記遅延応答メッセージの受信後に前記各記録のタイムスタンプに基づきマスター装置の時刻に同期させる同期処理ステップと、
   を有することを特徴とする時刻同期方法。
2. 前記遅延要求メッセージ送信ステップにおいて、
   スレーブ装置の状態を前記遅延要求メッセージに付加して送信可能なことを特徴とする請求項１記載の時刻同期方法。
3. 前記遅延応答メッセージ送信ステップにおいて、
   マスター装置の状態を前記遅延応答メッセージに付加して送信可能なことを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の時刻同期方法。
4. ＰＴＰ通信によるマスター装置とスレーブ装置との間における時刻同期システムであって、
   マスター装置は、複数のスレーブ装置に同期メッセージをマルチキャストで送信し、該送信の時刻を記録する同期メッセージ送信手段と、
   スレーブ装置の要求に応じて遅延応答メッセージをユニキャストで送信する遅延応答メッセージ送信手段と、を備える一方、
   スレーブ装置は、前記同期メッセージを受信し、該受信の時刻を記録する同期メッセージ受信手段と、
   前記遅延応答メッセージを要求する遅延要求メッセージをマスター装置にユニキャストで送信し、該送信の時刻を記録する遅延要求メッセージ送信手段と、
   前記遅延応答メッセージの受信後に前記各記録のタイムスタンプに基づきマスター装置の時刻に同期させる同期処理手段と、を備える
   ことを特徴とする時刻同期システム。
5. 前記遅延要求メッセージ送信手段は、スレーブ装置の状態を前記遅延要求メッセージに付加して送信可能なことを特徴とする請求項４記載の時刻同期システム。
6. 前記遅延応答メッセージ送信手段は、マスター装置の状態を前記遅延応答メッセージに付加して送信可能なことを特徴とする請求項４または５のいずれか１項に記載の時刻同期システム。

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