JP3820275B2 - タイムスタンプの同期化方法および装置 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明はネットワークにおいてタイムスタンプクロックを高精度に同期化する方法および構成の関し、そしてネットワークにおいてパケット送信遅延を高精度に測定する構成に関する。
発明の背景
遅延は、ネットワークにおいて一つのノードから他のノードにパケットを交換する際、パケット交換ネットワークにおいて生ずる。これらの遅延は非常に意味ありげに変化でき、とりわけ、ネットワークおよび個々のノードにおける利用の程度によるものであり、そしてまた、到達の際のパケットの転送における異なるノードのポリシーによるものである。
例えば、ネットワークを整理できるよう、またネットワークのどの部分がより大きいまたはより小さい遅延をうけているかを確かめることができるよう、遅延を測定することができることが望ましい。遅延は、パケットをタイムスタンプすることにより、即ちパケットがノードから離れる際の時間を表す値をパケットに記憶することにより測定される。パケットは次にネットワークにおける別のノードに送られ、そしてこのノードは記憶された値を読み取り、それ自身のノードにおけるタイムスタンプクロック上の値と前記の値を比較する、即ちいわゆる二つの時間測定である。これにより遅延の値が提供される。この方法を十分満足に機能させるために、二つのノードにおけるタイムスタンプクロックは同一の絶対時間を正確に示さなければならない、即ちそれらは同期しなければならない。
別の遅延測定プロセス、一つの時間測定プロセスにおいては、受信ノードはそれ自身遅延を計算する必要はなく、単にパケットを直ちにオリジナルのノードに送り返す。パケットに記憶された値はオリジナルノードにおいて読み込まれ、そしてタイムスタンプクロックの現在の値と比較される。このことは、ただ一つのタイムスタンプクロックが用いられているので二つのタイムスタンプクロックを同期させる必要を取り除いている。得られた測定値はパケットをあちこち交換する際の遅延を示している。一方向の遅延は値を二分することにより得られる。このことは遅延が対称的である時は非常に良好な値に帰着する。あいにく、このことはしばしば起こるケースではない。何故ならば、パケットは２つの異なる経路に沿って、そしていちじるしく異なるノードを有するネットワークの部分においてあちこち移動できるからである。このことは、特にＡＴＭネットワーク（Asynchronous Transfer Mode）の場合に断言されている。
１つの時間と２つの時間の測定プロセスの例は、ＣＤＤ（Cell Transfer Delay）とＣＤＶ（Cell Delay Variation）である。
ＡＴＭネットワークにおいては、性能管理機能（ＰＭ）は数多くのパケットをブロックに分割する。ＰＭパケットは各ブロックに従い、そして異なる属性関連の大きさを伝達し、それはソースノードのタイムスタンプクロックの値を有する。この値は目標ノードにおいて遅延を測定するために用いられる。もしも高速のリンク、例えば、６２２メガバイト/秒と小さなブロックサイズ、例えば、１２８パケットが用いられたとしたら、このことは目標ノードに対して数多くのＰＭパケットを生ずる。このことは目標ノードのプロセス容量について大きな要求を課するものとなる。接続の数もまたプロセッサ容量の要求の一因となる場合がある。
タイムスタンプクロックの同期化はこの分野においては良く知られた問題である。インターネット上でのタイムスタンプを同期化するために用いられるＮＴＰ(Network Time Protocol)はこの点において例として引用できる。ＮＴＰはおよそ１ミリ秒の精度を有し、したがって例えばＡＴＭには不十分である。
チャンネル遅延測定技術というアメリカ特許５，２８０，６２９からは、ネットワークにおいて二つのノード間の時間遅延を測定する目的のためにタイムスタンプクロックを同期させるためにＧＰＳ装置（Global Positioning System）を用いることが知られている。
アメリカ特許５，２８０，６２９にしたがってタイムスタンプクロックを同期させるためにＧＰＳを用いるさい一つの問題は、もしもＧＰＳ信号が例えば大気干渉と外乱により消えた場合には同期化が非常に早く失われることである。
発明の開示
本発明はネットワークにおいて、好ましくはＡＴＭネットワークにおいて如何にタイムスタンプクロックを十分な精度と信頼性をもって同期化するかの問題に焦点をあてるものである。
本発明が取り組む別の問題はＧＰＳ装置において如何に同期化を妨害に対して無感覚とするかである。
本発明が取り組む別の問題はプロセッサー容量の最小値を必要とするタイム値交換フォーマットを如何に提供するかである。
本発明が取り組む別の問題はパケット交換ネットワーク、好ましくはＡＴＭネットワークにおいて如何にパケット交換における遅延を十分な精度と信頼性をもって測定できるかである。
従って、本発明の目的はネットワークにおいて、好ましくはＡＴＭネットワークにおいて異なるノードのタイムスタンプクロックを十分な精度と信頼性をもって同期化することである。
本発明の別の目的はパケット交換ネットワークにおいて、好ましくはＡＴＭネットワークにおいて十分な高精度と十分な信頼性をもってパケット交換遅延を測定できるようにすることである。
本発明のさらに別の目的はネットワークにおいて二つのノードの間で交換されるタイム値の処理を容易にするものである。
本発明に従えば、ネットワークにおける異なるノードのタイムスタンプクロックを同期化することに関連した問題は、ネットワークー同期化クロックにクロックを位相ロック(Phase-locked)し、そしてタイムスタンプクロックがＧＰＳ受信機から絶対時間を得ることにより解決される。
タイム値の処理を容易化する問題もまた、本発明に従って、前記タイム値の送信において翻訳することなしに時間差を直接計算するのに使用できるフォーマットを挿入することにより解決される。
より具体的には、その解決はＴＯＤ（Time Of Day）とＰＰＳ(Pulse Per Second)を同期化機能に供給するＧＰＳ受信機を含む。同期化機能はＴＯＤを用いてノードのタイムスタンプクロックへ絶対時間を提供する。従って、異なるノードにおけるタイムスタンプクロックの間での同期化された絶対時間が１秒の解像度で得られる。ＰＰＳパルスはクロック間で１マイクロ秒の精度の度合いを得るために用いられる。ネットワークにおける異なるノードのクロックはネットワーク同期化クロックに位相ロックされる。ネットワーク同期化クロックは電気通信ネットワークにおいて物理的なインターフェースの通常の同期化階層においてクロックされる。すべてのネットワーク要素はネットワーク同期化階層において位相ロックされているので、すべてのタイムスタンプクロックが位相ロックされることが保証される。いかなる選択された高解像度も各秒内でタイムスタンプクロックの周波数を決定することにより得ることができる。絶対時間の精度はＰＰＳの精度により決定される。
タイムスタンプクロックはＧＰＳではなくネットワーク同期化クロックに位相ロックされているので、たとえＧＰＳ装置が誤動作しても、もしくはＧＰＳ衛生からの信号が混乱してもタイムスタンプクロックは高精度の度合いを持ち続ける。
本発明により提供されるひとつの利点はタイムスタンプクロックの同期化が高精度であり、信頼性の高いものであることである。
別の利点は本発明がＧＰＳ装置における欠陥に対して無感覚であることである。
別の利点は非常に多くのタイム値が効果的に一度にそして同時に処理でき、そして絶対時間が送信と受信のために得ることができることである。
さて、本発明を好ましい実施例とともにそして添付の図面とともに詳細に述べる。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明の一実施例によるネットワークの概観図である。
図２は本発明の一実施例の概要図である。
図３は本発明の別の実施例の概要図である。
図４は同期化を示すブロック概要図である。
好ましい実施例の説明
図１の参照符号１０１はネットワークにおける第１ノードを示す。ノード１０１はパケット１０２を目標ノードと呼ばれるノード１０３に送信するさいの遅延を測定するソースノードである。パケット１０２はノード１０１において第１タイムポイントとして示されており、参照符号１０２ａとされている。この時点において、ノード１０１のタイムスタンプクロックの値はパケットに記憶されていて、パケットはリンク１０４を介してネットワーク１０５に送信される。ネットワーク１０５は、リンク１０６を介して第２タイムポイント１０２ｂでノード１０３に到達するまえにパケット１０２が数多くのノードを通過するＡＴＭネットワークである。タイムスタンプクロック値はパケット１０２が到達するのと同時にノード１０３において読み込まれる。この値はパケット１０２に記憶されている値と比較され遅延を計算できるようにする。参照符号１０７はネットワーク同期化階層におけるネットワーク同期化クロックを示す。
ノード１０１，１０２にパルスを供給するのは同一のネットワーク同期クロック１０７であることは図１より明らかであるが、この場合そのような必要はないことが理解できるであろう。これらのパルスはネットワークにおいて様々なノードにパルスを供給する異なる相互に位相ロックされた同期クロックにより等しく伝達されてよい。
ノード１０１，１０３におけるタイムスタンプクロックはネットワーク同期クロック１０７に位相ロックされている。ノード１０３もまたＧＰＳ衛星１０８からのＴＯＤとＰＰＳを含む信号を受信するためのＧＰＳ受信機を含む。
ＡＴＭネットワークにおいてタイム値はＴＳＴＰと指示されるフィールドにおけるＰＭパケット１０２において送信される。ＴＳＴＰフィールドは３２ビットから構成されタイム値は１９７２年１月１日００：００：００以来経過したマイクロ秒の数字の最下位３２ビットとして記憶される。タイム値は記憶される際コード化されないので、受信するノードはたとえば時間差を計算するために読み出し、減算するだけでよい。これは、プロセッサーにたいする負荷の計算を増加させるコードのいくつかの形態の使用を除外して、時間遅延を計算する際の処理を容易化する。
タイムスタンプクロックの同期化は図２から容易に明らかである。ノード２０１はノード２０１とノード２０２の間の遅延を測定する際のソースノードである。ノード２０２は遅延測定プロセスにおける目標ノードである。パケット２０３はＡＴＭネットワーク２０４を介して交換される。番号２０５はネットワーク同期化クロックを示し、番号２０６はＴＰＳ衛星を示す。図１に示す実施例と同様にノード２０１と２０２は２つの物理的に異なるが相互に位相ロックされた図２の実施例におけるネットワーク同期化クロックからパルスが供給される。図１と図２におけるナンバリングの比較は以下の表で与えられる。

番号２０７はノード２０１におけるＧＰＳ受信機を示す。受信機２０７はＧＰＳ衛星２０６により送信された信号からＴＯＤとＰＰＳを受信する。同様にノード２０２におけるＧＰＳ受信機２０８は同一のＧＰＳ衛星２０６からＴＯＤとＰＰＳを受信する。ＧＰＳ受信機２０７はＴＯＤとＰＰＳに関連する情報を同期化機能２０９に送信する。機能２０９はタイムスタンプクロック２１３の一部を形成するデータストアーにＴＯＤの値を記憶する。ノード２０２における同期化機能２１０はタイムスタンプクロック２１４と同様の方法で機能する。次のＰＰＳを受信するとき正確にＴＯＤに１秒プラスして記憶することにより１マイクロ秒の正確さの度合いですべてのノードにおいて同一である絶対時間が得られる。ＴＯＤはＧＰＳ衛星２０６から１秒の解像度で得られ、そしてＰＰＳは１マイクロ秒もしくはそれ以上の精度の度合いで得られる。各ノード２０１，２０２におけるＰＬＬ(Phase Locked Loop)２１１，２１２はネットワーク同期化階層におけるネットワーク同期化クロック２０５に位相ロックされている。ＰＬＬ２１１，２１２はタイムスタンプクロック２１３，２１４にパルス列を供給する。タイムスタンプクロック２１３，２１４は到着する各パルスとともにカウントアップされる。ＰＬＬ２１１，２１２が１Ｍｈｚの周波数を有するとき、各カウントは１マイクロ秒に対応する。
ＰＰＳ信号の精度は数多くの異なる事柄、とりわけ用いられる受信装置と、異なる訂正のタイプに依存している。概して、達成される精度の最低の度合いは、洗練された機器と位置的な条件とともによりよい値を得ることができるけれども１マイクロ秒である。
タイムスタンプクロック２１３，２１４は、例えば１０分毎に一度やカレンダーの日毎に一度新しいＴＯＤ値が記憶されるときほとんど同期化されない。同期化はもしもＰＬＬ２１１，２１２がＧＰＳと同一の周波数を正確に有していないとしたら、例えばＰＬＬ２１１，２１２が次のＰＰＳパルスが到着するとき９９９マイクロ秒をカウントするだけのときエラーを生じる。このことは１マイクロ秒のギャップを生じる。このエラーはたくさんの異なる方法で訂正できる。例えば、メッセージは同期化がすでに実施されたことを示す遅延測定のための次のパッケットとともに送信される。別の選択は数多くの測定の効果が消失するのでエラーを無視することである。第３の選択は１マイクロ秒よりエラーが小さくなるように十分に同期化を繰り返すことであり、このことは測定に影響を与えない。
図示の実施例においては、ＰＬＬ２１１，２１２は１Ｍｈｚの周波数を有していて、それがネットワーク同期化クロック２０５に位相ロックされていることを維持することによって、すべてのタイムスタンプクロックは同一の時間を維持していることが保証されている。ＰＬＬ２１１は毎マイクロ秒ごとにパルスをタイムスタンプクロック２１３に供給する。上述の時間測定は１マイクロ秒の解像度と精度を有するタイムスタンプクロックを得るために結びついている。タイム値のミリ秒とマイクロ秒の部分はＰＬＬ２１１によってカウントされ、そしてＴＯＤとＰＰＳの絶対時間は同期化において得られる。ＰＬＬ２１２はノード２０２において対応する方法で機能する。
別の実施例においてはＰＬＬ２１１，２１２は１０Ｍｈｚの周波数を有する。このことは絶対解像度と相対解像度との間に差異を生ずる結果となる。絶対解像度は依然としてＰＰＳ信号によって与えられる１マイクロ秒であり、これは絶対時間遅延を測定するための解像度は依然として１マイクロ秒であることを意味する。一方すべての相対的な大きさは０．１マイクロ秒の解像度で測定でき、例えば遅延変動、ＣＤＶなどがある。
ＰＬＬ２１１と２１２はネットワーク同期化階層に位相ロックされているのでＰＰＳパルスはＰＬＬ２１１と２１２の精度を維持するのには必要ではない。たとえＰＰＳパルスが消失するとしても、ＰＬＬ２１１と２１２は非常に長い期間同期化されたままである。
パッケット２０３がノード２０２に到着したとき比較機能２１５はパケット２０３からタイム値を読み出しこの値をタイムスタンプクロック２１４の値と比較する。これによって例えばＣＤＶとＣＴＤが計算できる。
図３に示される実施例はＰＬＬの使用を欠いていて、２つのタイムスタンプクロック３１０，３１１はネットワーク同期化階層におけるネットワーク同期化クロック３０５から直接パルスを得る。図１と図２の実施例と同様に、図３の実施例における様々なノード３０１，３０２もまた２つの物理的に異なるが相互に位相ロックされたネットワーク同期化クロックによりパルスを供給される。図３の実施例においてはＧＰＳ受信機３０７はノード３１３において局在されることによって集中化されている。ＰＰＳ信号における精度を失うことなしにＧＰＳ受信機３０７が衛星３０６からのＧＰＳ信号を２つのノード３０１と３０２に交換できる事実は十分な精度をもって同期化の実施を可能とする。この実施例は他の点においても上述の実施例と類似している。同期化機能３０８はＴＯＤ，ＰＰＳとタイムスタンプクロック３１０におけるネットワーク同期化クロック３０５からのパルスを対等にし、このことはパケット３０３にタイム値を記憶する。図３は第１のタイムポイントｃｏｈにおけるパケット３０３を示し、この第１のタイムポイントは３０３ａと符号がつけられ、そして第２のタイムポイントでは３０３ｂと符号がつけられている。パケット３０３はネットワーク３０４を介してノード３０２に送信され、パケットに記憶されたタイム値は上記ノードで読まれる。比較機能３１２はノード３０２に局在されたタイムスタンプクロック３１１の値をパケット３０３から得られたタイム値と比較する。比較機能３１２は次いでＣＤＴ，ＣＤＶそして他の関心あるデータを計算できる。同期化機能３０９はノード３０１と同様の方法によって、ノード３０２においてＴＯＤ，ＰＰＳとパルスを対等にする。
図４はＴＯＤ，ＰＰＳとＰＬＬからの信号の組み合わせを詳細に示す。番号４０１は入力４０２上の各パルスに対して進むカウンターを示す。パルス列は図２のＰＬＬ２１１から入力４０２に到着する、即ちネットワーク同期化階層における図３のネットワーク同期化クロック３０５から直接到着する。番号４０３はＴＯＤ情報が記憶されたレジスターを示す。ＴＯＤがＧＰＳ信号から到着するとき１秒が追加して得られたＴＯＤの値はレジスター４０３に記憶される。信号４０４は１に設定され、このことによってＱ−出力４０５が１に設定され、そして次ぎのＰＰＳパルスが入力４０６に到着するとき、ＡＮＤゲート４０８の両方の入力は１であり、このことはラッチ入力４０７に１を与え、そしてＴＯＤレジスター４０３の値がカウンター４０１に書き込まれる。
本発明は上述および図示の実施例に限定されるものではなく以下の請求の範囲内で変更ができることは理解されるであろう。

Claims (14)

1. 少なくとも１つのタイムスタンプクロックを他の多くのタイムスタンプクロックにネットワークにおいて同期させる方法でありパルスは前記タイムスタンプクロック（２１３，２１４；３１０，３１１）に一定の間隔で到着し、ＧＰＳ受信機（２０７，２０８；３０７）はＰＰＳ情報(Pulse Per Second)とＴＯＤ情報(Time Of Day)を同期化機能（２０９，２１０；３０８，３０９）に送信し、そして前記同期化機能はＰＰＳ，ＴＯＤそしてパルスから前記タイムスタンプクロックの値を計算する方法であって、ＰＬＬ（２１１，２１２）はパルスをタイムスタンプクロック（２１３，２１４）に送信し、そして前記ＰＬＬはネットワーク同期化クロック（２０５）に位相ロックすることを特徴とする前記方法。
2. 請求項１記載の方法において、ネットワーク同期化クロック（３０５）は直接パルスを前記タイムスタンプクロック（３１０，３１１）に送信することを特徴とする前記方法。
3. 請求項１記載の方法において、前記ＰＬＬ（２１１，２１２）はパルスを前記タイムスタンプクロック（２１３，２１４）に１ＭＨｚの周波数で送信することを特徴とする前記方法。
4. 請求項１記載の方法において、前記ＰＬＬ（２１１，２１２）はパルスを前記タイムスタンプクロック（２１３，２１４）に１０ＭＨｚの周波数で送信することを特徴とする前記方法。
5. 請求項１記載の方法において、前記同期化機能（２０９，２１０；３０８，３０９）はＴＯＤプラス１秒をレジスター（４０３）に記憶し、前記同期化機能はデーターを前記レジスターにＴＯＤプラス１秒を記憶した後にカウンター（４０１）に書き込み可能として、前記レジスターの値は次ぎのＰＰＳの到着に際し前記カウンターに書き込まれ、前記レジスターの値を前記カウンターに書き込むことは前記第２レジスターへの書き込みを不可能とし、そして前記カウンターは受信する各パルスごとに歩進させられることを特徴とする前記方法。
6. 第１ノードにおける少なくとも１つのタイムスタンプクロックを数多くの第２タイムスタンプクロックに同期させる構成であって、少なくても１つの同期化クロック（１０７；２０５；３０５）を含み、前記第１ノード（１０１，１０３；２１０，２０２；３０１，３０２）はＴＯＤ情報とＰＰＳ情報を含むＧＰＳ信号を受信する手段を有し、前記第１ノードはパルス受信手段を有し、そして前記第１ノードは前記タイムスタンプクロック（２１３，２１４；３１０，３１１）の値を計算するために、前記パルスをＴＯＤとＰＰＳに対等なものにする同期化機能（２０９，２１０；３０８，３０９）を有する構成であって、ＰＬＬ（２１１，２１２）は前記ネットワーク同期化クロック（２０５）に接続され、そして前記ＰＬＬは前記タイムスタンプクロック（２１３，２１４）に接続されていることを特徴とする前記構成。
7. 請求項６記載の構成において、前記タイムスタンプクロック（３１０，３１１）は前記ネットワーク同期化クロック（３０５）に直接接続されていることを特徴とする前記構成。
8. 請求項６記載の構成において、前記第１ノード（２０１，２０２）はＧＰＳ受信機（２０７，２０８）を有し、そして前記ＧＰＳ受信機は前記同期化機能（２０９，２１０；３０８，３０９）に接続されていることを特徴とする前記構成。
9. 請求項６記載の構成において、第２ノード（３１３）はＧＰＳ受信機（３０７）を有し、そして前記ＧＰＳ受信機は前記同期化機能（２０９，２１０；３０８，３０９）に接続されていることを特徴とする前記構成。
10. ネットワークにおいてパケット交換する際、遅延を測定する構成であり、前記ネットワークは少なくとも２つのノードを有し、ネットワーク（１０５；２０４；３０４）は少なくとも１つのネットワーク同期化クロック（１０７；２０５；３０５）を有し、前記ノード（１０１，１０３；２０１，２０２；３０１，３０２）はＧＰＳ信号からＴＯＤとＰＰＳを受信する手段を有し、前記ノードはパルス受信手段を有し、前記ノードは各ノードに局在するタイムスタンプクロック（２１３，２１４；３１０，３１１）の値を計算するために前記パルスをＴＯＤとＰＰＳに対等なものとするための同期化機能（２０９，２１０；３０８，３０９）を有し、前記第１ノード（１０１；２０１；３０１）はパケット（１０２；２０３；３０３）に前記タイムスタンプクロックのタイム値を記憶する手段および前記パケットを前記ネットワークを介して前記第２ノード（１０３；２０２；３０２）に交換する手段を有し、前記第２ノードはパケット内のタイム値を読み出す手段を有し、そして前記第２ノードは前記パケットから読み出されたタイム値を前記第２ノードにおける前記タイムスタンプクロック（２１４；３１１）のタイム値と比較する手段（２１５；３１２）を有する構成であり、ＰＬＬ（２１１，２１２）は前記ネットワーク同期化クロック（２０５）に接続され、そして前記ＰＬＬは前記タイムスタンプクロック（２１３，２１４）に接続されていることを特徴とする前記構成。
11. 請求項１０記載の構成において、前記タイムスタンプクロック（３１０，３１１）は前記ネットワーク同期化クロック（３０５）に直接接続されていることを特徴とする前記構成。
12. 請求項１０記載の構成は各ノード（２０１，２０２）に位置するＧＰＳ受信機（２０７，２０８）を特徴とし、前記ＧＰＳ受信機は前記同期化機能（２０９，２１０；３０８，３０９）に接続されていることを特徴とする前記構成。
13. 請求項１０記載の構成はＧＰＳ受信機（３０７）を有する第３ノード（３１３）を特徴とし、前記ＧＰＳ受信機は前記第１ノード（３０１）と前記第２ノード（３０２）に接続されていることを特徴とする前記構成。
14. 請求項１０記載の構成において、１９７２年１月１日００：００：００以来経過したマイクロ秒の数字を表わす数の最下位３２ビットとしてタイム値がパケットに記憶されることを特徴とする前記構成。

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