JP4884199B2 - ネットワークの時間同期化方法 - Google Patents

Description

本発明は、ネットワークの時間同期化における遅延変動の除去である。

様々な装置が、時刻（ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｄａｙ）を維持するローカルクロックを含むことができる。ローカルな時刻クロックを備える装置の例には、コンピュータシステム、試験装置、産業用制御装置、環境制御装置、及び家庭用電気製品が含まれる。

時間同期化プロトコルを使用することにより、装置内のローカルクロックを同期化することができる。時間同期化プロトコルは、ローカルクロックが通信ネットワークを介して基準クロックとタイミングパケットを交換するタイプのものであってよい。タイミングパケットの送信及び受信時間を使用することにより、ローカルクロックと基準クロック間の時間オフセットを判定することができ、その結果、ローカルクロックを調節して基準クロックの時間にマッチングさせることができる。タイミングパケットの交換を含む時間同期化プロトコルの一例が、ＩＥＥＥ１５８８の時間同期化プロトコルであり、別の例がＮＴＰ（Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｔｉｍｅ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）である。

タイミングパケットの交換から導出される時間オフセットは、通信ネットワーク上におけるタイミングパケットの転送と関連したネットワーク遅延を含むことができる。このネットワーク遅延は、時間オフセットをローカルクロックに適用する前に、時間オフセットから除去される。例えば、一連のタイミングパケットにおけるネットワーク遅延の移動平均を判定し、この移動平均を時間オフセット計算から減算することができる。

タイミングパケットのネットワーク遅延は、ネットワークの状態の変化に応答して変動可能である。例えば、ネットワークトラフィックが相対的に大きい期間中に転送されるタイミングパケットは、ネットワークトラフィックが相対的に小さい期間中に転送されるタイミングパケットと比べて、格段に大きなネットワーク遅延を有することになる。ネットワーク遅延の変動により、時間同期化プロトコルの精度が低下することになる。例えば、ネットワーク遅延の移動平均を大幅に上回るネットワーク遅延を有するタイミングパケットにより、ローカルクロックに対する不要な調節が生じることになる。

過度なネットワーク遅延を有したタイミングパケットによってローカルクロックに対す
る不要な調節が生じないように、ネットワークの時間同期化から遅延変動を除去する技法
が開示される。この技法によるネットワーク時間同期化を有するシステムは、通信ネットワークを介してタイミングパケットを送信する第１の装置と、通信ネットワークを介してタイミングパケットを受信すると共に、タイミングパケットに応答してネットワーク遅延を判定し、ネットワーク遅延が調節可能な閾値を超える場合に、タイミングパケットを破棄する第２の装置と、を備える。調節可能な閾値により、時間的な同期を維持するために十分な遅延計測の回数に対して、遅延変動の観点において遅延計測の品質をバランスさせることができる。

本発明のその他の特徴及び利点については、以下の詳細な説明を参照することにより、明らかとなろう。

本発明は、その特定の模範的な実施例に関して記載され、それに従い添付の図面が参照される。

図１は、本開示内容に従ってネットワークの時間同期化における遅延変動を除去するためのメカニズムを含む一対の装置１０及び１２を示している。本装置１０及び１２の実施例には、コンピュータシステム、試験装置、産業用制御装置、環境制御装置、家庭電気製品などが含まれている。

装置１０は、ローカルクロック１４を含んでおり、装置１２は、ローカルクロック１６を含んでいる。装置１０及び１２は、それぞれ時間同期化回路４０及び４２を含んでおり、これらは、通信ネットワーク３０を介してタイミングパケット（例えば、タイミングパケット２０−２２の組）を交換することにより、ローカルクロック１４及び１６内における時間的な同期を維持している。

一実施例において、時間同期化回路４０及び４２は、ＩＥＥＥ１５８８の時間同期化プロトコルに従って時間的な同期を維持している。図示の例において、時間同期化回路４２は、ローカルクロック１６内の時刻（ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｄａｙ）を調節することにより、装置１０のローカルクロック１４内に保持されている時刻に一致させている（即ち、ローカルクロック１４がマスタークロックであり、ローカルクロック１６は、スレーブクロックである）。

例えば、時間同期化回路４０は、タイミングパケット２０を生成し、これを通信ネットワーク３０を介して時間同期化回路４２に転送し、時間同期化回路４２は、タイミングパケット２２を生成し、これを通信ネットワーク３０を介して時間同期化回路４０に転送する。時間同期化回路４０は、タイミングパケット２０の送信時間（Ｔ１）を計測し、時間同期化回路４２は、タイミングパケット２０の受信時間（Ｔ２）を計測する。同様に、時間同期化回路４２は、タイミングパケット２２の送信時間（Ｔ３）を計測し、時間同期化回路４０は、タイミングパケット２２の受信時間（Ｔ４）を計測する。ローカルクロック１６に適用される時間オフセット（ＯＦＦＳＥＴ）は、（一実施例においては、ＩＥＥＥ１５８８の時間同期化プロトコルに従って）タイムスタンプＴ１〜Ｔ４から導出される。

一実施例において、タイミングパケット２０のネットワーク遅延（即ち、マスターからスレーブへのネットワーク遅延（ＭＳＤ））は、タイミングパケット２２のネットワーク遅延（即ち、スレーブからマスターへのネットワーク遅延（ＳＭＤ））に等しいと仮定される。ローカルクロック１６用の時間オフセットは、次のとおりである。

ＯＦＦＳＥＴ＝Ｔ２−Ｔ１−ＯＮＥ ＷＡＹ ＤＥＬＡＹ （式１）

ここで、ＯＮＥ ＷＡＹ ＤＥＬＡＹ＝（ＭＳＤ＋ＳＭＤ）／２であり、ＭＳＤ及びＳＤＭは、次のとおりである。

ＭＳＤ＝（Ｔ２−ＯＦＦＳＥＴ）−Ｔ１ （式２）
ＳＭＤ＝Ｔ４−（Ｔ３−ＯＦＦＳＥＴ）

式１は、ローカルクロック１６に適用される時間オフセットが、装置１０及び１２間の通信ネットワーク３０を介して搬送されるタイミングパケットが有するネットワーク遅延の関数であることを示している。タイミングパケットが有するネットワーク遅延は、搬送されているネットワークトラフィックの量に応じて変動することになる可能性が高い。例えば、通信ネットワーク３０は、（図示されていない）その他の装置のトラフィックを処理することが可能であり、或いは、装置１０及び１２のタイミングパケットではないアプリケーション固有の機能のデータパケットを処理することもできる。ときどきの大量ネットワークトラフィックに起因して、装置１０及び１２によって交換されるタイミングパケットのいくつかは、過大な遅延を有することになる。例えば、タイミングパケットは、大量のトラフィックが存在している期間中に通信ネットワーク３０の通信スイッチのキュー内で待機することにより、実質的に非常に大きな遅延を有する可能性がある。タイミングパケットに課されるキューイング遅延により、式１に従って過大な時間オフセットがローカルクロック１６に適用されることになり、過剰に遅延したタイミングパケットによって生成される時間オフセットは、ローカルクロック１６の時間同期化精度を低下させることになる。

ネットワークの遅延変動を除去する本技法は、過剰な遅延の調節可能な閾値を使用することにより、過大なネットワーク遅延を有したタイミングパケットを破棄する段階を含む。過剰なネットワーク遅延を有したタイミングパケットを破棄することにより、ローカルクロック１６に対する不要な時間調節が回避される。例えば、式２を使用することにより、タイミングパケットのネットワーク遅延が判定可能であり、この結果、そのネットワーク遅延が、過剰なネットワーク遅延を有してしていない装置１０及び１２によって交換されるタイミングパケットと関連したネットワーク遅延を実質的に上回っている場合に、そのタイミングパケットは破棄される。タイミングパケットが破棄された場合、そのタイミングパケットから導出されたタイミング情報を使用することなくローカルクロック１６に適用する時間オフセットを判定する。

いくつかの実施例において、ローカルクロック１６に保持されている時刻は、比較的スムーズに進むことができる。このような実施例において、時間同期化のサーボ機構が一旦安定した後には、変位に対して正確に追随する必要はない。ローカルクロック１６に対する更新は、比較的に低い帯域幅であってよく、十分な時間同期化をそのまま維持することができる。即ち、遅延計測の品質と遅延計測の回数の間のバランスを、相対的に高い品質と低頻度の遅延計測で調整可能である。

タイミングパケットは、時折、キューイング遅延を伴わない通信ネットワーク３０に通じた経路に遭遇する。この経路を辿るすべてのタイミングパケットは、実質的に類似した量のネットワーク遅延を有している。キューイングされたタイミングパケットは、キューイング遅延を有していないタイミングパケットが有するネットワーク遅延と比べて、格段に大きなネットワーク遅延を有しており、これにより、キューイングされたタイミングパケットを識別することができる。

装置１０及び１２は、それぞれ通信サブシステムを含んでおり、前記通信サブシステムは、通信リンク３０を介した通信に適合されて、時間同期化回路４０及び４２による通信リンク３０を介したタイミングパケットの交換を実現している。例えば、前記通信サブシステムは、通信ネットワーク３０の実装に応じて、ＭＡＣ（Ｍｅｄｉａ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）及びＰＨＹ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）要素などを含むことができる。時間同期化回路４０及び４２は、ネットワークプロトコルを実装すると共に、タイミングパケットを生成し、且つ、タイミングパケットからタイミング情報を取得するプロセッササブシステムを含むことができる。また、タイミング同期化回路４０及び４２は、インバウンド及びアウトバウンドのタイミングパケットを認識すると共に、これらにタイムスタンプを付与する時間パケット認識回路を含まれていてもよい。

図２は、本開示内容に従ってネットワークの時間同期化における遅延変動を除去するための方法を示している。図示されている方法段階を使用することにより、装置１０及び１２間の通信ネットワーク３０を介して搬送されるタイミングパケットにおける最小ネットワーク遅延経路を判定することが可能であり、この結果、装置１０及び１２によって交換される過剰な遅延を有したタイミングパケットを選択し、破棄することができる。以下においては、最小ネットワーク遅延を変数δによって表している。調節可能な閾値であるεは、キューイング遅延を伴わない通信ネットワーク３０上における予想ネットワーク遅延ジッタを含んでいる。

まず、δについて、相対的に大きな初期値を選択する。δの大きな初期値の一例は、ネットワークを介して世界中にタイミングパケットを送信する時間の推定値である。

段階１００において、到来するタイミングパケットと関連したタイミング情報（例えば、計測及び／又は搬送されたタイムスタンプ）を使用することにより、装置１０及び１２間のネットワーク遅延を判定する。一実施例において、段階１００で判定されるネットワーク遅延は、往復ネットワーク遅延である。段階１００におけるネットワーク遅延は、ＩＥＥＥ１５８８による計算又はＮＴＰによる計算、或いは、特定の実施例に応じたその他の類似の時間同期化プロトコルに従って判定可能である。

段階１０２において、段階１００からのネットワーク遅延が「δ＋ε」を上回っている場合には、対応するタイミングパケットは破棄される（即ち、無視されて、ローカルクロック１６の調節に使用する時間オフセットの判定には使用されない）。

段階１０４において、段階１００からのネットワーク遅延がδを中心として±ε内にある場合には、δは、段階１００からのδの以前の値とネットワーク遅延との平均値に設定される。例えば、指数平均などの任意の移動平均が使用可能である。

段階１０６において、段階１００からのネットワーク遅延が「δ−ε」を下回っている場合には、以前に演算されている移動平均（存在する場合）を破棄し、δを、段階１００からのネットワーク遅延に設定する。

以上のプロセスをそれぞれの到来するタイミングパケットごとに反復する。

過剰なネットワーク遅延を有するタイミングパケットを破棄することにより、時間同期化に利用可能なタイミングパケットの数は減少する。本技法は、調節可能な閾値を使用してタイミングパケットの破棄を制御する段階を含んでいるので、時間更新のないときに、ローカルクロック１６の時間の同期を維持する性能をもっていたならば、必要な計測の回数に対して遅延計測の品質をバランスさせることができる。

例えば、通信ネットワーク３０を通じてタイミングパケットが辿る経路は、一連のキュー（即ち、一連のｉ個の遅延要素であり、それぞれの遅延要素が実際的な最小値を有する遅延分布を有する。）として表現できる。これらの遅延要素は、互いに独立しており、且つ、実質的に類似した遅延分布を有するとみなすことができる。遅延推定間のとりうる時間にわたって平均化されたそれぞれの遅延要素によって導入される遅延は、ｄ１、ｄ２…ｄｎである。εの値は、εにｄ１を加算し、次いで、ｄ２を加算し、次いで、ｄ３を加算することにより（以下同様）調節することができる。この調節は、残りのｎ−ｉ個の要素が、それらの最小遅延を同時に導入する確率が十分に大きくなるまで（即ち、破棄されないタイミングパケット間の予想時間が十分に小さくなるまで）行う。

通信ネットワーク内において大きな遅延を発生させている遅延要素の数が判明していない場合がある。遅延ｄｉがεの値にマッピングされていれば、最小及び最大遅延変動を推定することができ、最小値と最大値の間の区間をｎ個の範囲に分割することができる。この結果、ネットワーク遅延の補正の頻度と変化の間のバランスを調節することができる。

タイミングパケットの転送において最大ネットワーク遅延をサブ分割する前述の技法により、調節可能な閾値内において一組の制御段階が得られる。調節可能な閾値に使用される制御段階の数は、ローカルクロック１６が順調に稼動する効率（即ち、十分な同期化を維持するために、ローカルクロック１６に対する時間更新が必要とされる頻度）によって決まる。

段階１００〜１０６を実施するプロセスでは、いくつかの部分（インスタンス、instance）を並行して実行することができる。それぞれのインスタンスは、異なるｉの値を有することができ、これらのインスタンスによって得られるネットワーク遅延推定に対して異なる重みを割り当てることができる。ｉ＝１を有するインスタンスは、最低の頻度でネットワーク遅延推定を生成することになるが、最も大きな重みを有している。ｉ＝ｎを有するインスタンスは、すべての到来するタイミングパケットについてネットワーク遅延推定を生成することになるが、最小の重みを有している。

通信ネットワーク３０を介して受信したそれぞれの到来タイミングパケットに応答して、ローカルクロック１６に適用する時間オフセットを判定する。時間オフセットが相対的に大きい場合には（即ち、εを大幅に上回っている場合には）、大きな時間オフセットは、補正を要するローカルクロック１６の突然の異常な動作ではなく、タイミングパケット内における過剰なネットワーク遅延の結果であると見なすことができる。従って、極端に大きな時間調節値は破棄することができる。

図３は、本開示内容に従って、ローカルクロック１６に適用される時間オフセット調節値から変動を除去するための方法を示している。

まず、εの値を選択する。εの初期値は、遅延していないタイミングパケットにおける予想時間オフセット変動の推定値である。εの初期値は、時間同期化のためにそれまで使用されていたタイミングパケットからの時間オフセットの標準偏差であってよい。最初の１つ又は２つのタイミングパケットの場合には、これは非常に大きな値であってよい。

段階１２０において、タイミングパケットに応答し、時間オフセットを判定する。例えば、時間オフセットは、前述の式１を使用して判定することができる。

段階１２２において、段階１２０からの時間オフセットの絶対値が、εを代数的に上回る場合には、タイミングパケットを無視し、時間オフセットを破棄する。

段階１２４において、段階１２０からの時間オフセットが、０を中心として±ε内にある場合には、時間オフセットをローカルクロック１６に適用する。

段階１２６において、段階１２０からの時間オフセットの絶対値が、εを代数的に下回る場合には、以前に演算されている移動平均を破棄し、時間オフセットをローカルクロック１６に適用する。

破棄されるタイミングパケットは、時間同期化に有用な情報を含む。キューイング遅延を有するタイミングパケットは、通信ネットワーク３０上のトラフィックに応じて時間に伴う変動をし得る集合的な分布（例えば、ポアソン分布）を特徴としている。この分布は、有限な数（例えば、１）のパラメータを有する分布ファミリの一つのメンバとしてモデル化可能である。この結果、破棄されるものを含めて、すべてのタイミングパケットが有するネットワーク遅延を使用することにより、パラメータを推定し、ネットワーク遅延の観点において次の使用可能なタイミングパケットまでの時間を予測することができる。

破棄されない次のタイミングパケットが、あまりに遠い将来のものであれば、この結果、パラメータの推定が不正確となり、予測も不正確なものとなる場合には、適切なアクションをとることができる。アクションの一例は、前述の一連の遅延要素内のｉの値を変更することである。ｉの値は、統計が改善された際に元に戻すことができる。アクションの別の例は、増大されたレートにおけるフォワード又はリバース時間同期化計測を一時的に要求することである。リバース計測は、ローカルクロック１６を有している装置１２によって実行される。フォワード計測の場合には、利用可能なアクションは、クロック同期化プロトコルによって左右される。ＮＴＰの場合には、フォワードタイミングパケットは、常にスレーブによって要求される。ＩＥＥＥ１５８８の時間同期化の場合には、スレーブは、追加的な又は更に容易なリバース計測を要求する。

アクションの別の例は、受け付けられたタイミングパケットの過去の統計を使用して時間オフセットを推定することである。これは、遅延タイミングパケットが同期化タイミングパケットよりも低頻度で到来する場合に、ＩＥＥＥ１５８８の時間同期化における通常の動作である。この予測を使用することにより、εの最適値を選択することができる。例えば、モデル化された分布は、εを下回るキューイング遅延を有するタイミングパケットが３０秒のインターバル内に９５％の確かさで到来すると主張できる。ローカルクロックが望ましい精度で３０秒にわたって順調に稼動できる場合に、εは、十分に大きい。クロックが１０秒しか正確に順調稼動できない場合には、使用可能なパケットが１０秒以内に到来することをモデルが９５％の確かさで予測するまで、εを増大させることができる。同様に、モデルを使用することにより、使用可能なパケットが望ましいインターバル内に到来するという９９％の確率が存在するように、εを選択することも可能である。

本発明の以上の詳述した説明は、例示を目的として提供したものであり、本発明のすべてを網羅したり、或いは、開示された実施例そのままに本発明を限定することを意図するものではない。従って、本発明の範囲は、添付の請求項に定義される。

本開示内容に従ってネットワークの時間同期化における遅延変動を除去するためのメカニズムを含む一対の装置を示す図である。 本開示内容に従ってネットワークの時間同期化における遅延変動を除去するための方法を示す図である。 本開示内容に従って時間オフセット調節値から変動を除去するための方法を示す図である。

符号の説明

１６ ローカルクロック
４２ 時間同期化回路

Claims (2)

1. 最小ネットワーク遅延δと、調節可能な閾値εを用いたネットワークの時間同期化方法において、
   タイミングパケットと関連したネットワーク遅延を計測する段階と、
   前記ネットワーク遅延が前記最小ネットワーク遅延δと前記調節可能な閾値εとの和を上回っている場合には、前記タイミングパケットを破棄する段階と、
   前記ネットワーク遅延が前記最小ネットワーク遅延δを中心として前記調節可能な閾値の±εの範囲内にある場合には、前記最小ネットワーク遅延δを、前記最小ネットワーク遅延δの値と前記ネットワーク遅延との平均値に設定する段階と、
   前記ネットワーク遅延が前記最小ネットワーク遅延δから前記調節可能な閾値εを差し引いた値より下回っている場合には、前記最小ネットワーク遅延δを前記ネットワーク遅延に設定する段階と、
   キューイング遅延を伴わない予想ネットワーク遅延ジッタに、前記タイミングパケットが辿る経路中のキューによる一連の遅延要素のうちの一部の遅延要素の遅延を導入して前記調節可能な閾値εを調節し、前記調節可能な閾値εを使用してタイミングパケットの破棄を制御する段階と
   を有することを特徴とする方法。
2. 前記タイミングパケットの破棄を制御する段階は、
   前記ネットワーク遅延の複数の推定値を判定する段階と、
   それぞれの推定値に対して重みを割り当てる段階と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
   

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