JP4472994B2 - インターネット、イントラネットまたは類似物などの通信ネットワークを介して協調する少なくとも2つの測定コンピュータの時間同期化のための方法 - Google Patents

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Description

本発明は、インターネット、イントラネットまたは類似物などの通信ネットワークを介して協調する少なくとも2つの測定コンピュータにおける時間同期化のための、方法、および、この方法を行うためのデバイスに関する。
IPネットワークにおける片方向遅延、IP遅延変動およびパケット・ロスなどのインターネット・プロトコル(IP)パフォーマンス・パラメータを測定するための測定システムは、事前に公開されていないドイツ特許出願第DE100 46 240.5号から知られている。事前に公開されていないドイツ特許出願第DE101 28 927.8号の主題は、基準クロックへのアクセスが短時間に渡って阻止されるときでも、基礎となる測定システムでタイム・スタンプを生成できるようにする方法である。
これらの特許出願の根本となる測定システムは分散測定システムであり、すなわち、個々のシステム・コンポーネントは空間的に分散され、通信ネットワークを介して相互接続される。この測定システムは、少なくとも2つの測定コンピュータ、測定結果および測定システムの構成が格納されるデータベース、測定結果を決定するために測定コンピュータを制御する制御コンピュータ、ならびに、詳細には測定システムを構成し、得られた測定結果を視覚化するための様々なグラフィカル・ユーザ・インターフェースを含む。
測定方法を行うために、単一方向測定パスが少なくとも2つの測定コンピュータの間で確立される。この測定パス上で、測定パケットが第1の測定コンピュータから第2の測定コンピュータへ、設定可能な時間の分散を有して送信される。
そのプロセスで、第1の測定コンピュータからの測定パケットの出発が記録され、すなわち、第1のタイム・スタンプが生成される。この第1のタイム・スタンプは第2の測定コンピュータに、測定パケット、および、連続番号などの他のデータと共に送信される。第2の測定コンピュータは測定パケットの到着を記録し、第2のタイム・スタンプを生成する。2つのタイム・スタンプの差の結果として生じる片方向遅延を十分な精度で決定できるようにするために、測定コンピュータによって生成されたタイム・スタンプを、十分な精度で時間同期化させる必要がある。
技術的な実施態様は、例えば、タイム・ソースとしての機能を果たすGPS(全地球測位システム)などの衛星システムを使用した、タイム・スタンプの生成である。そのプロセスで、測定コンピュータは継続的に、GPSアンテナを介して、複数の衛星によって送信されたUTC時間(万国標準時)を受信する。測定コンピュータに統合されたGPS地図を使用すると、このようにタイム・スタンプを+/−0.5μsの誤差で生成することが可能である。
タイマとして使用されるGPS衛星システム、および、さらなるコンポーネントのGPSアンテナおよびGPS地図を共により簡単に、以下でGPSクロックと称する。
測定結果は、第2の測定コンピュータから測定データとして制御コンピュータによって取り出され、データベースに格納され、データベースでこれらのデータは視覚化のために使用可能にされる。測定結果およびシステム状況をオプショナルで、オフライン表示またはオンライン表示を介して表示することができる。これに関連して、「オフライン表示」は、測定結果の表示がWWWブラウザを介して手動で開始されなければならないことを意味するが、オンライン表示の場合は、表示が自動的に更新され、ある時間間隔で表示される。
上述のグラフィカル・ユーザ・インターフェースはこのために使用される。
測定システムの構成もまた、前述のグラフィカル・ユーザ・インターフェースを使用して行われる。このために、ユーザは測定のタイプおよびコースについての情報を入力する。入力された情報はデータベースに格納され、制御コンピュータはこのデータをデータベースから読み取り、それに応じて測定コンピュータを構成し、このデータに従って測定接続を開始または停止する。
先に述べたように、第1および第2のタイム・スタンプが十分な精度で時間同期化されることは、得られる測定結果の質のためにきわめて重要である。第1および第2のタイム・スタンプが十分な精度で同期化されない場合、したがって、2つのタイム・スタンプの差として測定された片方向遅延も正確に決定することはできない。
これに関連して、GPSアンテナの問題、アンテナ・フィーダの接触の問題などにより、GPSクロックに障害があるとき、タイム・スタンプの欠如のために測定を実行することができないことは、特に不利であることがわかる。
ドイツ特許出願第DE100 46 240.5号 ドイツ特許出願第DE101 28 927.8号 本出願人によって本出願に鑑みて同日に出願された「METHOD FOR THE TRANSMISSION OF MEASURED DATA FROM A MEASURING COMPUTER TO A CONTROL COMPUTER IN A MEASURING SYSTEM」という名称の特許出願 本出願人によって本出願に鑑みて同日に出願された「METHOD FOR THE OUTPUT OF STATUS DATA」という名称の特許出願
本発明の目的は、インターネット、イントラネットまたは類似物などの通信ネットワークを介して協調する少なくとも2つの測定コンピュータの時間同期化のための方法を、GPSクロックに障害があるときでも測定を実行することができると同時に上述の欠点を回避するような方法で、さらに発展させることである。
この目的は、請求項1のプリアンブルで列挙された特徴と共に、本発明を特徴づける請求項1の特徴による方法、および、請求項24によるデバイスについて達成される。
本発明は、複数の独立したタイム・ソースを個々の測定コンピュータで提供することによって、タイム・ソースを読み取ることができない確率が最小限にされ、したがってタイム・スタンプが読み出されることが保証されるという発見に基づく。
したがって、本発明によれば、異なる精度のいくつかのタイム・ソースが、各測定コンピュータにとって、タイム・スタンプをタイム・ソースから読み取るために使用可能にされる。必要とされるタイム・スタンプを生成するために使用されるタイム・ソースの選択は、使用可能なタイム・ソースの精度に応じて測定コンピュータによって行われる。このタイム・ソースの冗長性は、タイム・スタンプをタイム・ソースから生成または読み出すことが簡単な方法で保証されるという利点を有する。タイム・スタンプの欠如による測定失敗のリスクは、第1のタイム・ソースに障害がある場合にタイム・スタンプが第2のタイム・ソースから読み取られることを保証することによって、最小限にされる。
最良の可能な測定結果を得るために、測定コンピュータは最初に、タイム・スタンプをタイム・ソースから読み取るための最高精度のタイム・ソースを選択する。
測定コンピュータがより高い精度のタイム・ソースを読み取ることができない場合、測定コンピュータは自動的に次に最良の精度のタイム・ソースを選択する。タイム・ソースの選択に関するこの階層的方法により、最良の可能な測定結果を、所与の状況、すなわち、より精度の高いタイム・ソースに障害がある状況下で得ることができる。
本発明の一実施形態によれば、GPS(全地球測位システム)などの衛星システムの信号が、最高精度のタイム・ソースとして使用される。
衛星システムの信号は、測定コンピュータに統合されたローカルGPSレシーバによって受信される。GPSレシーバは特に、GPS地図およびGPSアンテナをコンポーネントとして含み、以下でより簡単に「GPSクロック」と称する。GPSクロックを最高精度のタイム・ソースとして使用すると、+/−0.5μsの許容差が、タイム・スタンプの読み出しに対して簡単な方法で保証される。
好ましくは、測定コンピュータはそれぞれローカル・クロックを有し、ローカル・クロックは継続的にローカルGPSレシーバに、NTP(ネットワーク・タイム・プロトコル)を介して同期化される。すなわち内部同期化される。NTPを介した内部同期化は、2番目に精度の高いタイム・ソースを生成するための簡単な方法を提供する。
測定コンピュータのこれらの内部同期化されたクロックは、2番目に高い精度のタイム・ソースとして使用される。
本発明の一実施形態では、衛星システムの信号が第1の測定コンピュータのローカルGPSレシーバに存在しないとき、第1の測定コンピュータのローカル・クロックはNTP(ネットワーク・タイム・プロトコル)を介して、少なくとも1つの所定の第2の測定コンピュータのローカル・クロックに、所定の時間間隔の後に同期化され、すなわち外部同期化である。これは、測定コンピュータのGPSクロックに、より長い期間に渡って障害があり、したがってこのGPSクロックが2番目に高い精度の内部同期化されたタイム・ソースの障害を含むとき、第3のタイム・ソースが生成されるという利点を有する。
本発明によれば、第1の測定コンピュータのローカル・クロックが第2の測定コンピュータのローカル・クロックに外部同期化された後の時間間隔は、自由に調整可能である。
測定コンピュータのこれらの外部同期化されたローカル・クロックは、3番目に高い精度のタイム・ソースとして使用される。測定コンピュータの同期化されないローカル・クロックはしたがって、4番目に高い順番のタイム・ソースと呼ばれる。
測定コンピュータのローカル・クロックの外部同期化で高い精度を保証するために、測定コンピュータのローカル・クロックの外部同期化は、2番目に高い精度のタイム・ソースによってのみ行われる。
生成されたタイム・スタンプの精度の解釈は、測定コンピュータのローカル・クロックが内部または外部同期化されるときに、各同期化タイプならびにそのプロセスで得られた同期化精度が格納される点で、主に可能にされる。
本発明の一実施形態によれば、測定パケット、詳細にはUDP測定パケット(ユーザ・データグラム・プロトコル)は、測定コンピュータの間で遅延測定のために送信される。UDPはコネクションレスのインターネット・トランスポート・プロトコルであり、このプロトコルは、インターネットでのデータ送信のための基本プロトコル(IP)に基づく。好ましくは、一方の測定コンピュータは送信側として使用され、他方の測定コンピュータは受信側としての機能を果たす。
送信側測定コンピュータは、発信する測定パケットの出発の時間、すなわち送信タイム・スタンプを記録する。送信タイム・スタンプに関連付けられた他のデータが生成され、受信側測定コンピュータへ、測定パケット、および場合によっては連続番号などのさらなるデータと共に送信される。
好ましくは、送信タイム・スタンプに関連付けられたデータは、そこから送信タイム・スタンプが読み取られた、使用されたタイム・ソース、同期化のタイプ、同期化の精度、ならびに、生成された送信タイム・スタンプの精度の推定値についての情報に関係する。
これに対して、受信側測定コンピュータは、測定パケットの到着の時間、すなわち受信タイム・スタンプを第2のデータとして記録し、受信タイム・スタンプに関連付けられた他のデータを生成する。
好ましくは、受信タイム・スタンプに関連付けられたデータは、受信タイム・スタンプを読み取るために使用されたタイム・ソース、同期化のタイプ、同期化の精度、ならびに、生成された受信タイム・スタンプの精度の推定値についての情報に関係する。
好ましくは、第1のデータおよび第2のデータは所定の評価に割り当てられ、この結果として、質が所定のレベルより下に下がるとき、これらの第1および第2のデータはさらに考慮されないことになる場合がある。
測定結果は、なお存在する第1のデータおよび第2のデータから決定される。
好ましくは、使用される方法は、第DE100 46 240.5号、第DE101 28 927.8号および/または、本出願人によって本出願に鑑みて同日に出願された「METHOD FOR THE TRANSMISSION OF MEASURED DATA FROM A MEASURING COMPUTER TO A CONTROL COMPUTER IN A MEASURING SYSTEM」および「METHOD FOR THE OUTPUT OF STATUS DATA」という名称の特許出願に記載の方法を含む。
インターネット、イントラネットまたは類似物などの通信ネットワークを介して協調する少なくとも2つの測定コンピュータにおける時間同期化のための本発明のさらなる利点、特徴および可能な用途は、以下の説明、および図面に示す例示的実施形態から明らかになるであろう。
以下で本発明をより詳細に、図面に示す例示的実施形態を参照して説明する。後方で与える参照番号のリストで使用する用語および関連する参照番号を、本明細書内、特許請求の範囲内、要約書内および図面内で使用する。
図面においては、以下の通りである。
図1は、中継線26を介して相互接続された複数の交換デバイス12乃至24を含む、通信ネットワーク10を概略的に示す。通信ネットワーク10は、例えばインターネットである。
交換装置12に第1の測定コンピュータ28が割り当てられる。複数の衛星30を含む衛星システム(GPS)によって出された信号を受信するため、第1の測定コンピュータ28は、GPSアンテナ32およびGPS地図(ここでは明示的に図示せず)を、受信信号を処理するために有する。GPSアンテナ32、および、明示的に図示しないGPS地図は共に、GPS信号を受信するために必要とされる第1の測定コンピュータ28のローカルGPSレシーバを形成する。また、ローカル・クロック34は第1の測定コンピュータ28に組み込まれる。
交換装置16に接続された第2の測定コンピュータ36もまた、GPSアンテナ38およびローカル・クロック40を有する。GPS信号を受信するために必要とされる第2の測定コンピュータ36のローカルGPSレシーバは、GPSアンテナ38およびGPS地図で構成され、GPS地図は第2の測定コンピュータ36内に統合されるが、ここでは図示しない。
対応する周辺デバイス、すなわち、GPSアンテナ42およびローカル・クロック44は、交換装置20に接続された第3の測定コンピュータ46に関連付けられる。ここでもまた、GPS地図(さらに図示せず)およびGPSアンテナ42は、出されたGPS信号を受信するために必要とされる第3の測定コンピュータ46のローカルGPSレシーバを形成する。
測定コンピュータ28、36および46は継続的に、UTC時間(万国標準時)を、以前に導入されたローカルGPSレシーバを介して受信する。簡単にするために、測定コンピュータ28、36、46のGPSレシーバを上述のようにGPSクロックと称する。
第1の測定コンピュータ28から交換装置12、14および16を介して第2の測定コンピュータ36への中継線26は、測定パス48を形成し、これを図面で例示のために2点鎖線として示す。
データベース52と対話する制御コンピュータ50は、交換デバイス24に割り当てられる。制御コンピュータ50は、測定コンピュータ28、36を制御するために使用される。
測定を行うために、片方向遅延を測定するための測定プログラムは各測定コンピュータ28および36にインストールされる。
測定システムの目標は、第1の測定コンピュータ28から測定パス48を介して第2の測定コンピュータ36への測定パケットのパケット遅延を決定することである。したがって、測定接続は単一方向測定接続であり、ここでは別々の測定パケットが第1の測定コンピュータ28から測定コンピュータ36へ送信される。
片方向遅延の測定は、以下の簡略化されたスキームに従って行われる。
測定パケットは第1の測定コンピュータ28から第2の測定コンピュータ36へ、測定パス48を介して、すなわち中継線26、交換装置12、交換装置14および交換装置16を介して送信される。そのプロセスで、測定パケットは、ユーザ・データグラム・プロトコル(UDP)を使用してディスパッチされる。UDPは、IPに基づいたコネクションレスのインターネット・トランスポート・プロトコルである。測定パケットは特に、タイム・スタンプおよび連続番号を含む。
簡潔には、第1の測定コンピュータ28が測定パケットの最初のビットを送信する前に、いわゆる「送信タイム・スタンプ」が読み出される/設定される。送信タイム・スタンプのこの値、すなわち、測定パケットの送信時間は、第2の測定コンピュータ36へ、測定パケットと共に送信される。
第2の測定コンピュータ36で、測定パケットの到着が検出される。そのプロセスで、いわゆる「受信タイム・スタンプ」が、テスト・パケットの最終ビットが第2の測定コンピュータ36で受信された直後に、生成される。
求められた測定結果、すなわち、片方向遅延は、2つのタイム・スタンプの差にほぼ対応し、制御コンピュータ50によって、後に視覚化するためにデータベース52に格納される。
タイム・スタンプの欠如によって引き起こされる測定失敗の確率を最小限にするために、段階的な精度を有する複数の異なるタイム・ソースが、以下で説明するように構成され、これらのタイム・ソースは、測定コンピュータ28、36および46によってタイム・スタンプを生成するためにアクセス可能である。しかし、このシステムは常に最初にタイム・スタンプを最高精度のタイム・ソースから読み取るように試みる。
測定コンピュータ28、36および46のすでに説明したGPSクロックは、最高精度のタイム・ソースとして使用される。これらのGPSクロックを使用して、測定コンピュータ28、36および46はタイム・スタンプを±0.5μsの誤差で生成することができる。
測定コンピュータ28、36および46にとって使用可能な2番目に高い精度のタイム・ソースは、それらのローカル・クロック34、40および44であり、ローカル・クロック34、40および44は継続的にNTP(ネットワーク・タイム・プロトコル)を介してGPSクロックまたはローカルGPSレシーバに、このために同期化される。ローカル・クロック34、40および44を、NTPを介して測定コンピュータ28、36および46のローカルGPSレシーバに同期化させることを、本明細書でより簡単に「内部同期化」とも称する。図面では、第1の測定コンピュータ28のローカル・クロック34の内部同期化を、矢印54で表す。第2の測定コンピュータ36で、第2の測定コンピュータ36のローカルGPSレシーバへのローカル・クロック40の内部同期化を矢印56で表し、第3の測定コンピュータ46で、第3の測定コンピュータ46のローカルGPSレシーバへのローカル・クロック44の内部同期化を矢印58で表す。
3番目に高い順番のタイム・ソースとして使用されるタイム・ソースは、測定コンピュータ28、36および46のローカル・クロック34、40および44であり、ローカル・クロック34、40および44はNTPを介して、他の測定コンピュータ28、36、46の内部同期化されたクロックに、このために同期化される。以下で、このさらなる同期化を「外部同期化」とも称し、以下でさらに説明する。
例えば、第2の測定コンピュータ36で、例えば欠陥のあるGPSアンテナ38のために、GPS信号の受信は可能ではない。結果として、ある時間の後、ローカル・クロック40を内部で同期化させることはもはや可能ではない。図面では、内部同期化の失敗を参照番号60によって示す。次いで、ローカル・クロック40はNTPを介して、第3の測定コンピュータ46の内部同期化されたローカル・クロック44に外部同期化され、これを図面で破線62によって示す。
測定コンピュータ28、36および46の同期化されていないローカル・クロック34、40および44を、4番目に高い順番のタイム・ソースと称する。
この例では、第1の測定コンピュータ28は送信タイム・スタンプをGPSクロック、すなわち、最高精度のクロックから読み取る。この送信タイム・スタンプは測定パケットに書き込まれる。次いで、状況「タイム・スタンプGPS正確」が状況フィールドに格納される。
第1の測定コンピュータ28、すなわち、送信側測定コンピュータ、および、第2の測定コンピュータ36、すなわち、受信側測定コンピュータはそれぞれ、それらの状況エントリのための状況フィールドで使用可能な別の領域を有する。
この例のように、第2の測定コンピュータ36のGPSクロックに障害がある場合、受信タイム・スタンプを最高精度のタイム・ソースから読み取ることはできない。したがって、測定プログラムは第2の測定コンピュータ36のローカル・クロック40を読み取る。そのプロセスで、測定プログラムは、ローカル・クロック40が同期化されるかどうか、NTPがそれに同期化するソース、および同期化の精度を検出する。NTPは内部同期化の状況を数分間維持するので、タイム・スタンプ読み取りは、GPSクロックのタイム・スタンプとほぼ同じ程度に正確である。読み取られた精度が1ミリ秒未満である場合、「NTP同期化された、正確」という値が状況フィールドに書き込まれる。読み取られた精度が2ミリ秒未満である場合、「NTP同期化された、不正確」という値が状況フィールドに書き込まれる。
GPSクロックをより長い期間、例えば約5分より長い期間に渡って読み取ることができなかった場合、NTPは自動的に外部同期化に切り替える。このモードでは、タイム・スタンプ読み取りの精度は明らかに、内部同期化の場合よりも悪い。したがって、システムは、NTPの精度が2ミリ秒未満かどうかのみをチェックする。次いで、「NTP同期化された、不正確」が状況フィールドに書き込まれる。
GPSクロックを読み取ることができず、NTPの精度が2ミリ秒よりも悪い場合、第2の測定コンピュータ36のローカル・クロック40のタイム・スタンプが実際に測定パケットに書き込まれるが、特殊な値が状況フィールドに書き込まれて、この測定パケットは遅延計算のための後の評価で考慮されないようになる。
したがって、以下の状況フィールド・エントリが、使用されたタイム・ソースおよび得られた精度に応じて生成される。
Figure 0004472994
本発明の特徴は、GPSクロックに障害があるときにタイム・スタンプを異なるタイム・ソースから読み取ることができるようにし、したがって、タイム・スタンプの欠如による測定失敗の確率を最小限にすることである。
本発明による方法を行うための、異なるタイム・ソースを有する複数の測定コンピュータを含む、通信ネットワークの概略的表現の図である。
符号の説明
10 通信ネットワーク
12 交換装置
14 交換装置
16 交換装置
18 交換装置
20 交換装置
22 交換装置
24 交換装置
26 中継線
28 第1の測定コンピュータ
30 衛星
32 GPSアンテナ、第1の測定コンピュータ
34 第1の測定コンピュータのローカル・クロック
36 第2の測定コンピュータ
38 第2の測定コンピュータのGPSアンテナ
40 第2の測定コンピュータのローカル・クロック
42 GPSアンテナ、第3の測定コンピュータ
44 第3の測定コンピュータのローカル・クロック
46 第3の測定コンピュータ
48 第1および第2の測定コンピュータの間の測定パス
50 制御コンピュータ
52 データベース
54 第1の測定コンピュータのローカル・クロックの内部同期化
56 第2の測定コンピュータのローカル・クロックの内部同期化
58 第3の測定コンピュータのローカル・クロックの内部同期化
60 第2の測定コンピュータのローカル・クロックの内部同期化の失敗
62 第2の測定コンピュータのローカル・クロックの外部同期化

Claims (11)

  1. 信ネットワーク(10)を介して協調する複数の測定コンピュータ(28、36、46)の時間同期化方法であって
    前記複数の測定コンピュータのうちの1つの測定コンピュータにおいて、
    最高精度のタイム・ソースを選択する段階と、
    前記最高精度のタイム・ソースに障害があるときには、前記最高精度のタイム・ソースに継続的に同期していたローカル・クロックをタイム・ソースとして選択する段階と、
    前記最高精度のタイム・ソースに所定の期間、障害が継続したときには、前記ローカル・クロックを前記1つの測定コンピュータ以外の測定コンピュータのローカル・クロックと同期して、同期したローカル・クロックをタイム・ソースとして選択する段階と、
    を含むことを特徴とする方法。
  2. 前記最高精度のタイム・ソースはGPS(全地球測位システム)などの衛星システム(30)の信号である請求項1に記載の方法。
  3. 前記衛星システムの信号は、前記測定コンピュータ(28、36、46)に統合されたローカルGPSレシーバによってそれぞれ受信される、請求項に記載の方法。
  4. 前記1つの測定コンピュータ以外の測定コンピュータのローカル・クロックは、継続的に最高精度のタイム・ソースに同期したローカル・クロックである、請求項に記載の方法。
  5. 前記測定コンピュータ(28、36、46)の前記ローカル・クロック(34、40、44)が同期化されるときには、前記同期化のタイプならびに得られた前記同期化の精度が格納される、請求項1に記載の方法。
  6. 記測定コンピュータ(28)は、発信するパケットの送信タイム・スタンプを第1のデータとして記録し、前記送信タイム・スタンプに関連付けられたデータを生成し、このデータを、前記パケット、および場合によっては連続番号などのさらなるデータと共に送信する、請求項に記載の方法。
  7. 記測定コンピュータ(36)は、着信するパケットの受信タイム・スタンプを第2のデータとして記録し、前記受信タイム・スタンプに関連付けられたデータを生成する、請求項に記載の方法。
  8. 前記送信タイムスタンプまたは前記受信タイム・スタンプに関連付けられた前記データは、使用された前記タイム・ソース、同期化の前記タイプ、前記同期化の前記精度、ならびに、前記タイム・スタンプの前記精度についての情報に関係する、請求項6または7に記載の方法。
  9. 前記第1のデータおよび前記第2のデータは所定の評価に割り当てられる、請求項6乃至8のいずれか1項に記載の方法。
  10. 前記第1のデータおよび前記第2のデータの質が所定のレベルより下に下がるとき、これらのデータはさらに考慮されない、請求項に記載の方法。
  11. 測定結果は、第1のデータおよび第2のデータから決定される、請求項6乃至8のいずれか1項に記載の方法。
JP2003575236A 2002-03-12 2003-02-21 インターネット、イントラネットまたは類似物などの通信ネットワークを介して協調する少なくとも2つの測定コンピュータの時間同期化のための方法 Expired - Lifetime JP4472994B2 (ja)

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DE10210711A DE10210711A1 (de) 2002-03-12 2002-03-12 Verfahren zur Zeitsynchronisation von zumindest zwei miteinander über ein Telekommunikationsnetz, wie Internet, Intranet oder dergleichen, zusammenwirkenden Messrechnern
PCT/DE2003/000540 WO2003077086A2 (de) 2002-03-12 2003-02-21 Verfahren zur zeitsynchronisation von zumindest zwei miteinander über ein telekommunikationsnetz, wie internet, intranet oder dergleichen, zusammenwirkenden messrechnern

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