JP3493433B2 - コンピュータネットワークの時刻同期方法 - Google Patents

コンピュータネットワークの時刻同期方法

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JP3493433B2
JP3493433B2 JP2001238141A JP2001238141A JP3493433B2 JP 3493433 B2 JP3493433 B2 JP 3493433B2 JP 2001238141 A JP2001238141 A JP 2001238141A JP 2001238141 A JP2001238141 A JP 2001238141A JP 3493433 B2 JP3493433 B2 JP 3493433B2
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忠広 後藤
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独立行政法人通信総合研究所
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本願発明は、コンピュータネ
ットワークとくにインターネットに接続されたコンピュ
ータ間の時刻同期を行なう方法に関する。
【0002】
【従来の技術】インターネットに接続されたコンピュー
タの時刻同期を行なう方法として、現在ネットワークタ
イムプロトコル(Network Time Prot
ocol、以下「NTP」という)が最も一般に使用さ
れている。NTPはサーバクライアント方式の階層(s
tratum)構造をもった時刻同期プロトコルで、最
も上位に位置するサーバ(stratum−1)の時系
にNTPネットワーク内のコンピュータの時計を同期さ
せることが可能である。クライアントは複数のサーバを
参照可能で、最も安定していると思われるサーバをst
ratum−1として選択し、自分の時計を同期させ
る。インターネットに時刻を供給するstratum−
1サーバが同一の時系を供給すれば、クライアントは自
由にサーバを選択することが可能になる。NTPはイン
ターネット内の時系を協定世界時に統一するために、s
tratum−1サーバの参照する基準時計(stra
tum−0)としてジーピーエス(GPS)受信機や標
準電波受信機からの信号を取り込む仕組みを実装してい
る。
【0003】NTPは図6に示すti-3からtiの4個の
タイムスタンプを使用して時刻同期を行なう。1はサー
バコンピュータ、3はクライアントコンピュータであ
り、両者はインターネット5を介して接続されている。
7はパケットPの往路を示し、9はパケットPの復路を
示す。各タイムスタンプの意味は次の通りである。 ti-3 クライアントからサーバーにNTPパケットを
送信した時刻 ti-2 サーバーがパケットを受信した時刻 ti-1 サーバーからクライアントにパケットを送り返
した時刻 ti クライアントがパケットを受信した時刻
【0004】このとき、2台のコンピュータの時刻差
(θ)とネットワークのパケット往復時間(δ)と各タ
イムスタンプの間には、パケットPが時間的に同一な経
路を通過したと仮定すれば式(101)、式(102)
の関係が成り立つ。
【0005】
【数12】
【0006】この式から分かるように、NTPのアルゴ
リズムは「パケットが時間的に同一な経路を通過する」
ことを前提に成り立っている。しかし実際のネットワー
クではこの仮定はコンピュータ内部の時間的変動やネッ
トワーク経路の時間的変動により成り立たず、NTPの
同期誤差となって現れる。
【0007】NTPに実装されているstratum−
1サーバーは、GPS受信機などから取り込んだ時刻を
直接供給することはせず、一度コンピュータ内のソフト
ウェア時計を同期させ、その時刻を供給する。このた
め、コンピュータ内のソフトウェア時計の安定度、外部
基準信号の取り込み誤差、NTP処理プログラムによる
処理時間の変動などがstratum−1サーバーの供
給精度を劣化させる(コンピュータ内部に起因する誤
差)。また、ネットワークに起因する誤差がある。これ
は前者による誤差に比べて特定することが困難であり、
コンピュータの処理能力があがってきた現在の状況で
は、同期精度の劣化を招く実質的な原因になっていると
考えられる。
【0008】ネットワーク経路の影響を取り除くには、
パケットの往復に要する時間を一定にするか、パケット
の往復時間差を実際に測定するか、いずれかの方法が考
えられる。しかし、前者の方法は現在のIPV4のネット
ワークでは実現不可能である。後者の方法は、LANや
静的経路制御がなされた特定のネットワークならば、経
路の特定を行うことができるので測定可能な場合もある
が、動的経路制御がなされるWANでは経路を特定する
ことが不可能であり、その時間差を測定することができ
ない。
【0009】本願発明は上記背景に鑑み、複雑な網を形
成するコンピュータネットワークとくにインターネット
に接続されたコンピュータ間の時刻同期を正確に行なう
ことを目的とする。また、経路制御方式の如何を問わ
ず、正確な時刻同期をする方法を提供することを目的と
する。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記目的達成のため、本
願発明によるコンピュータネットワークの時刻同期方法
は、基準時刻を有するコンピュータ(サーバコンピュー
タ)にインターネットを介して時刻を同期したいコンピ
ュータ(クライアントコンピュータ)を接続した場合に
おいて、上記サーバコンピュータがクライアントコンピ
ュータ側から一定の時的間隔で複数個連続して送信され
たパケットを受信した後、同一の条件でクライアントコ
ンピュータ側に上記パケットを連続して送信し、上記に
よるクライアントコンピュータの送信時刻及び受信時刻
並びにサーバコンピュータの送信時刻及び受信時刻を各
計測し、上記計測値を夫々[数7]及び[数8]の式に
導入して送信経路上での連続パケットの到達時間差及び
受信経路上での連続パケットの到達時間差を算出し、
上記算出値[数5]の式にて表わされる1個のパケ
ットの往復時間とを用いて[数1]の式により送信経路
の所要時間δsを推定し、また[数2]の式により受信
経路の所要時間δrを推定し、さらに[数3]の式より
クライアントコンピュータとサーバコンピュータとの時
刻差θを推定することを特徴とする。
【数1】 ただしδ:パケットの往路時間
【数2】
【数3】 ただし t:クライアントコンピュータが送信した最初のパケ
ットPのクライアントコンピュータにおける送信時刻 t:サーバコンピュータがクライアントコンピュータ
から受信した最初のパケットPのサーバコンピュータに
おける受信時刻 t:サーバコンピュータがクライアントコンピュータ
に返信した最初のパケットPのサーバコンピュータにお
ける送信時刻 t:クライアントコンピュータがサーバコンピュータ
から受信した最初のパケットPのクライアントコンピュ
ータにおける受信時刻
【数5】
【数7】
【数8】 また、請求項1記載のコンピュータネットワークの時刻
同期方法において、クライアント側のコンピュータが単
一であることを特徴とする。また、請求項1記載のコン
ピュータネットワークの時刻同期方法において、クライ
アント側のコンピュータが複数であることを特徴とす
る。また、請求項1記載のコンピュータネットワークの
時刻同期方法において、上記パケットはサーバコンピュ
ータへの送信時に連続して2個であり、クライアントコ
ンピュータの受信時に連続して2個の計4個であること
を特徴とする。
【0011】
【発明の実施の形態】次に、実施の形態を示す図面に基
づき本願発明によるコンピュータネットワークの時刻同
期方法をさらに詳しく説明する。なお、便宜上同一の機
能を奏する部分には同一の符号を付してその説明を省略
する。
【0012】図1は本願発明によるコンピュータネット
ワークの時刻同期方法の概念を示す図である。サーバコ
ンピュータ1とクライアントコンピュータ3とはインタ
ーネット5を介して接続されている。7はパケットP、
P’の往路を示し、9はパケットP、P’の復路を示
す。
【0013】ここで、往復の経路に時間差が生ずる原因
を考えると、往復の経路が距離的に異なる、トラフィッ
クの差により時間的に往復の経路に差が生ずる、帯域幅
の異なる経路を経由することにより時間的に差が生ず
る、などが考えられる。本願発明はこのうち、帯域幅の
違いを推定する方法に基づく。
【0014】図2に帯域幅を推定する方法の原理を示
す。2個のパケットP、P’を連続して時間tの間隔で
送信した場合、帯域幅が狭い経路nが途中に存在する
と、パケットP、P’の到着時間は間隔t’に拡大す
る。
【0015】往路と復路の帯域幅に差がある場合は、図
3に示すように、送信用のパケットP、P’と受信用の
パケットP、P’の到着にはそれに応じた時刻差が生ず
る。
【0016】送信用のパケットP、P’と受信用のパケ
ットP、P’とが往路及び復路を同一の条件で通過する
場合、以下の説明及び式で示すように、往復の経路の違
いは全体の遅延時間を連続したパケットP、P’の到着
時間差で比例配分したものと等しくなる。
【0017】図4において、横方向は時間の経過を示
し、縦方向は上方から時刻あわせのためのパケットが流
れる方向を示す。また、各パラメータの意味は次の通り
であり、いずれも計測により求められる。 t0:クライアントコンピュータが送信した最初のパケ
ットPのクライアントコンピュータにおける送信時刻 t1:サーバコンピュータがクライアントコンピュータ
から受信した最初のパケットPのサーバコンピュータに
おける受信時刻 t2:サーバコンピュータがクライアントコンピュータ
に返信した最初のパケットPのサーバコンピュータにお
ける送信時刻 t3:クライアントコンピュータがサーバコンピュータ
から受信した最初のパケットPのクライアントコンピュ
ータにおける受信時刻 t’ii=0,3各tiに対応する2番目のパケット
P’の送受信時刻
【0018】ここで、求めたい未知パラメータは次のも
のである。 δs:クライアントコンピュータからサーバコンピュー
タへの到達経路の経由時間(送信経路の所要時間) δr:サーバコンピュータからクライアントコンピュー
タへの到達経路の経由時間(受信経路の所要時間) θ:クライアントコンピュータとサーバコンピュータと
の時刻差
【0019】図4からわかるように、既知パラメータと
未知パラメータの間には次の関係が成り立つ。
【0020】
【数4】
【0021】ここで、δs−δr≒0とおいて、式
(1)、(2)を書き直すと、次の通りである。
【0022】
【数5】
【0023】
【数6】
【0024】実際のネットワークではδsとδrが同一に
なることはない。既知パラメータより未知パラメータを
特定することは不可能なことから、既知パラメータ数を
増やして未知パラメータの推定を行なう。よって、次の
如くなる。
【0025】
【数7】
【0026】
【数8】
【0027】
【数9】
【0028】ここで
【数10】 とすれば、求める未知パラメータは、次の通りに算出さ
れる。
【0029】
【数11】
【0030】パケットP、P’が帯域幅の広い経路から
狭い経路nに入った場合、伝送速度が低下するので、最
初のパケットPと2番目のパケットP’の間には伝送速
度が低下した分に相当する時間差が加わって受信側に伝
わる。このため、送信側ではt秒しかなかった時的間隔
が受信側では(t+伝送速度低下分)となって到達す
る。これが時的間隔tがt’に拡大する理由及び往路と
復路に時刻差が生ずる理由である。
【0031】図5に本願発明方法により測定した時刻差
のグラフを示す。比較のため、図7に従来のNTP法に
より測定した時刻差のグラフを示す。測定は平成12年
12月22日乃至平成13年1月6日までの間行った。
【0032】これらのグラフから判るように100ms
から200msにかけてばらついて見られる時刻差は、
本願発明方法によれば殆んど消え、0点付近に集約して
いる。全体を通しての平均値と標準偏差についても、従
来方法では、平均値が3.8ms、標準偏差が23.6
msであるのに対し、本願発明方法では、平均値が0.
5ms、標準偏差が12.2msと格段に向上してい
る。なお、0点付近に集約された時刻差に対しては統計
的処理を行うことになる。
【0033】よって、上記実施の形態によれば、伝送経
路の帯域幅の違いを吸収することができるので、インタ
ーネットに接続されたコンピュータ間の正確な時刻同期
を行なうことができる。
【0034】また本願発明においては、サーバコンピュ
ータは、クライアントコンピュータからの時刻同期用の
パケットに対し、返信用のパケットを作成してそのまま
送り返すだけである。このため、アルゴリズムの検証に
はサーバ側のコンピュータに特段の変更を加える必要が
ない。よって、パケットを連続して送信し、戻ってきた
タイムスタンプを記録する簡単なプログラムを作成する
だけで足りるため、システム導入が容易であり、かつ経
済的であるという効果がある。
【0035】さらに、パケットの伝送経路の制御が静的
なものであるか動的なものであるかを問わないため、適
用対象が広いという効果がある。
【0036】
【発明の効果】このように、本願発明によれば、インタ
ーネットに接続されたコンピュータ間の正確な時刻同期
を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本願発明によるコンピュータネットワークの時
刻同期方法の実施の形態に用いるコンピュータネットワ
ークを示す概念図である。
【図2】本願発明によるコンピュータネットワークの時
刻同期方法の原理を説明するために用いた図で、ネット
ワークの帯域幅の推定を示す図である。
【図3】本願発明によるコンピュータネットワークの時
刻同期方法の原理を説明するために用いた図で、終路時
間差の推定を示す図である。
【図4】本願発明によるコンピュータネットワークの時
刻同期方法の原理を説明するために用いた図である。
【図5】本願発明によるコンピュータネットワークの時
刻同期方法により測定した時刻差のグラフである。
【図6】従来の方法に用いるコンピュータネットワーク
を示す概念図である。
【図7】従来の方法により測定した時刻差のグラフであ
る。
【符号の説明】
1 サーバコンピュータ 3 クライアントコンピュータ 5 インターネット 7 往路 9 復路 P 最初のパケット P’ 2番目のパケット n 狭い経路
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G04G 5/00 H04L 7/00

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基準時刻を有するコンピュータ(サーバ
    コンピュータ)にインターネットを介して時刻を同期し
    たいコンピュータ(クライアントコンピュータ)を接続
    した場合において、上記サーバコンピュータがクライア
    ントコンピュータ側から一定の時的間隔で複数個連続し
    て送信されたパケットを受信した後、同一の条件でクラ
    イアントコンピュータ側に上記パケットを連続して送信
    し、上記によるクライアントコンピュータの送信時刻及
    び受信時刻並びにサーバコンピュータの送信時刻及び受
    信時刻を各計測し、上記計測値を夫々[数7]及び[数
    8]の式に導入して送信経路上での連続パケットの到達
    時間差及び受信経路上での連続パケットの到達時間差を
    算出し、上記算出値[数5]の式にて表わされる
    1個のパケットの往復時間とを用いて[数1]の式によ
    り送信経路の所要時間δsを推定し、また[数2]の式
    により受信経路の所要時間δrを推定し、さらに[数
    3]の式よりクライアントコンピュータとサーバコンピ
    ュータとの時刻差θを推定することを特徴とするコンピ
    ュータネットワークの時刻同期方法。 【数1】 ただしδ:パケットの往路時間 【数2】 【数3】 ただし t:クライアントコンピュータが送信した最初のパケ
    ットPのクライアントコンピュータにおける送信時刻 t:サーバコンピュータがクライアントコンピュータ
    から受信した最初のパケットPのサーバコンピュータに
    おける受信時刻 t:サーバコンピュータがクライアントコンピュータ
    に返信した最初のパケットPのサーバコンピュータにお
    ける送信時刻 t:クライアントコンピュータがサーバコンピュータ
    から受信した最初のパケットPのクライアントコンピュ
    ータにおける受信時刻 【数5】 【数7】 【数8】
  2. 【請求項2】 請求項1記載のコンピュータネットワー
    クの時刻同期方法において、クライアント側のコンピュ
    ータが単一であることを特徴とするコンピュータネット
    ワークの時刻同期方法。
  3. 【請求項3】 請求項1記載のコンピュータネットワー
    クの時刻同期方法において、クライアント側のコンピュ
    ータが複数であることを特徴とするコンピュータネット
    ワークの時刻同期方法。
  4. 【請求項4】 請求項1記載のコンピュータネットワー
    クの時刻同期方法において、上記パケットはサーバコン
    ピュータへの送信時に連続して2個であり、クライアン
    トコンピュータの受信時に連続して2個の計4個である
    ことを特徴とするコンピュータネットワークの時刻同期
    方法。
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