KR20100016364A - 한 네트워크 구성요소의 클록을 다른 네트워크 구성요소의 클록과 동기화시키기 위한 방법 및 이를 위한 네트워크 구성요소 - Google Patents

한 네트워크 구성요소의 클록을 다른 네트워크 구성요소의 클록과 동기화시키기 위한 방법 및 이를 위한 네트워크 구성요소 Download PDF

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에두아르트 지멘스
안드레아스 아우스트
옌스 브로케
프랑크 그래저
랄프 쾨러
슈테판 쿱쉬
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톰슨 라이센싱
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Abstract

본 발명은 한 네트워크 구성요소(A)의 클록을, 네트워크 내의 상기 네트워크 구성요소(A)에 통신 방식으로 연결된 다른 네트워크 구성요소(B)의 클록에 동기화시키기 위한 방법 및 네트워크 구성요소에 관한 것이며, 상기 방법은 다음의 단계들, 즉, 상기 네트워크 구성요소(A)로부터 상기 다른 네트워크 구성요소(B)로의 메시지들의 송신에 대한 순방향 전이 지연들의 집합 및 상기 다른 네트워크 구성요소(B)로부터 상기 네트워크 구성요소(A)로의 메시지들의 송신에 대한, 대응하는 역방향 전이 지연들의 집합을 결정하는 단계, 상기 순방향 전이 지연들의 집합으로부터 최소 순방향 전이 지연(minF)을 선택하는 단계, 상기 역방향 전이 지연들의 집합으로부터 최소 역방향 전이 지연(minB)을 선택하는 단계, 선택된 최소 순방향 전이 지연(minF)과 최소 역방향 전이 지연(minB)으로부터 상기 네트워크 구성요소(A)의 클록과 상기 다른 네트워크 구성요소(B)의 클록 사이의 오프셋에 대한 추정된 값을 유도하는 단계, 그리고 오프셋 추정에 대해 추정된 값에 따라서 상기 네트워크 구성요소(A)의 클록을 조정하는 단계를 포함한다.

Description

한 네트워크 구성요소의 클록을 다른 네트워크 구성요소의 클록과 동기화시키기 위한 방법 및 이를 위한 네트워크 구성요소{METHOD FOR SYNCHRONIZING A CLOCK OF A NETWORK COMPONENT WITH A CLOCK OF FURTHER NETWORK COMPONENT AND NETWORK COMPONENT THEREFOR}
본 발명은 한 네트워크 구성요소의 클록을 다른 네트워크 구성요소의 클록과 동기화시키기 위한 방법, 및 네트워크 구성요소에 관한 것이다.
많은 수의 분산 컴퓨팅 응용예에서 그리고 특히 패킷 교환 방식의 네트워크에서의 실시간 응용예에서, 정보를 기준 시간으로, 예컨대 이러한 정보가 생성된 시간으로 정확하게 매칭시키는 것은 대단히 중요하다. 예컨대, 패킷 기반의 네트워크에서, 데이터는 송신 네트워크 구성요소에 의해 실시간으로 생성되어, 추가적인 처리(procuring)를 위해 수신 네트워크 구성요소로 송신될 수도 있다. 이러한 목적을 위해, 데이터는, 각각의 패킷이 데이터의 부분들을 포함하는, 패킷들로 모아지고, 수신 네트워크 구성요소에 제공되며, 상기 수신 네트워크 구성요소에서 데이터 부분들은 합쳐진다.
송신 경로 및 대기열 정체(queueing holdup)에서의 변동으로 인해, 상이한 패킷에 의해 체험되는 송신 지연은, 비-결정론적인(non-deterministic) 방법으로, 상당히 달라질 수 있다. 극단적인 경우, 먼저 송신된 패킷이 나중에 송신된 패킷보다 더 늦은 시간에 도착할 수도 있다. 수신 네트워크 구성요소가 패킷들을 올바르게 처리하는 것이 가능하도록 하기 위해서, 포함된 데이터 부분에 대한 기준 시간에 대응하는 타임 스탬프(time stamp)가 각각의 패킷에 첨부될 수도 있다. 이러한 경우, 수신 네트워크 구성요소는 데이터 부분들을 대응하는 기준 시간들로 정확하게 매칭시킬 수 있을 것이다.
상기 예시의 경우, 송신 네트워크 구성요소의 클록과 수신 네트워크 구성요소는 동기화되어야 한다. 개괄적으로 말해, 고-정밀 시간 측정은, 임의의 고-성능 분산 컴퓨팅 응용의 개발을 가능하게 하기 위한 중요한 전제조건이다. 응용에 따라서, 정밀한 절대 시간 기준{예컨대 협정 세계시(coordinated universal time) 즉 UTC 시간} 또는 상대 시간 기준 중의 하나가 유지되어야 한다.
또한, 전송 프로토콜의 흐름 제어 및 혼잡(congestion) 제어는, 송신 네트워크 구성요소 즉 송신자와 수신 네트워크 구성요소 즉 수신자 사이에서 교환되는 데이터 패킷의 측정된 왕복 시간(RTT: round trip time) 및/또는 전이 시간{단-방향 지연, OWD(one-way delay)}에 크게 의존한다. 예컨대 타임 스탬프 형태의, 기준 시간 정보를 공급하는 데에는 일정한 또는 가변적인 양의 시간이 소요되므로, 송신자와 수신자 사이의 이러한 정보의 송신 지속길이의 추정은 패킷 교환 방식의 네트워크에서의 시간 동기화의 주요 사안이다. 이러한 사안을 다루기 위해, 패킷 교환 방식의 네트워크 상에서의 네트워크 구성요소들의 로컬 클록(local clock)들을 동기화시키기 위해, 1992년 3월, IEFT, RFC 1305, D.L. Mill, "The Network Time Protocol (Version 3) Specification, Implementation and Analysis{네트워크 시간 프로토콜 (버전 3) 규격, 구현 및 분석}"에 상세하게 개시된, 이른바 네트워크 시간 프로토콜(NTP: Network Time Protocol)이 설계되었다.
NTP의 핵심 구성요소는 이른바 크리스티안 알고리즘(CA: Cristian Algorithm) 기반의 클록 오프셋 계산 루틴이며, 이는 다음에서 요약되어 설명될 것이다. 요청 네트워크 구성요소는 시간 요청을 포함하는 데이터 패킷을 송신 시간(TS)에 응답 네트워크 구성요소로 송신한다. 응답 네트워크 구성요소는 최대한 빠르게 응답하고 응답 패킷에 포함되는 수신 타임 스탬프(TR)를 송신하며, 상기 응답 패킷은 응답 수신 시간(TRR)에 수신된다. 이러한 시간 값들로부터 순방향(forward) 전이 지연 즉 순방향에서의 단방향 지연(OWDf) 및 역방향(backward) 전이 지연 즉 역방향에서의 단방향 지연(OWDb)이 OWDf = TR - TS 그리고 OWDb = TRR - TR로 계산된다. 또한, 양 방향에서의 실제의 단방향 지연들은 동일한 것으로 가정되며, OWDf와 OWDb 사이의 차이는 전적으로 요청 네트워크 구성요소의 클록과 응답 네트워크 구성요소의 클록 사이의 오프셋에 기인한 것으로 가정된다. 이러한 동기화 오프셋(synchronisation offset)은 (OWDf - OWDb)/2로 계산된다.
크리스티안 알고리즘은, 실제의 순방향 전이 지연이 실제의 역방향 전이 지연과 동일할 때에만 동기화 오프셋에 대한 추정이 정확하다는 중대한 불리함을 갖는다. 이는, 두 개의 네트워크 구성요소 사이의 통신이 대칭적일 때이다. 그러나, 비대칭 지연이 존재할 때, 계산은 틀릴 것이다. 실제의 네트워크에서, 비대칭 디지털 가입자 회선(ADSL 회선)과 비대칭 경로(route)와 같은, 비대칭적인 네트워크 토폴로지, 및/또는 네트워크 구성요소 내의 확률론적인(stochastic) 패킷 지연으로 인해, 단방향 지연은 주로 비대칭적이다. 여기서, 비대칭 네트워크 토폴로지에 의해 발생되는 시스템적인 오차(systematic error)는, 예컨대 가변적인 대기열 지연으로 인한, 가변적인 단방향 지연에 의해 발생되는 확률론적인 패킷 지연에 의한 오차보다 실시간 응용예에서 훨씬 덜 치명적이다.
따라서, 본 발명의 목적은, 네트워크 내의 상이한 네트워크 구성요소들의 클록 사이의 더욱 정확한 동기화가 달성될 수 있는 방법 및 네트워크 구성요소를 제공하는 것이다.
상기 목적은 독립항인 청구항 1에 따른, 한 네트워크 구성요소의 클록을 다른 네트워크 구성요소의 클록과 동기화시키기 위한 방법 및, 독립항인 청구항 8에 따른 네트워크 구성요소에 의해 달성된다.
본 발명의 한 양상에 따라서, 네크워크 내의 한 네트워크 구성요소의 클록을, 상기 네트워크 구성요소에 통신방식으로 연결된 다른 네트워크 구성요소의 클록에 동기화시키기 위한 방법이 제공되며, 상기 방법은: 상기 네트워크 구성요소로부터 상기 다른 네트워크 구성요소로의 메시지의 송신에 대한 순방향 전이 지연들의 집합 및 상기 다른 네트워크 구성요소로부터 상기 네트워크 구성요소로의 메시지의 송신에 대한 역방향 전이 지연들의 독립적인 집합을 결정하는 단계, 순방향 전이 지연들의 집합으로부터 최소 순방향 전이 지연을 선택하는 단계, 역방향 전이 지연들의 집합으로부터 최소 역방향 지연을 선택하는 단계, 선택된 최소 순방향 전이 지연과 최소 역방향 전이 지연으로부터 상기 네트워크 구성요소의 클록과 상기 다른 네트워크 구성요소의 클록 사이의 오프셋에 대한 추정된 값을 유도하는 단계, 그리고 오프셋 추정을 위해 추정된 값에 따라서 상기 네트워크 구성요소의 클록을 조정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 양상에 따라서, 네트워크 구성요소가 제공되며, 상기 네트워크 구성요소는, 클록, 네트워크 내의 적어도 하나의 다른 네트워크 구성요소로의 연결을 제공하도록 구성된 통신 수단, 상기 통신 수단에 연결된 그리고 상기 다른 네트워크 구성요소로의 요청을 생성 및 전송하도록 구성된 요청 수단, 상기 통신 수단에 연결된 그리고 상기 다른 네트워크 구성요소로부터 요청에 대한 응답을 수신하도록 구성된 수신 수단, 상기 수신 수단 및 상기 클록에 연결된 그리고 수신된 응답을 분석하고, 전이 지연들의 집합들을 결정하며, 그리고 클록 동기화 오프셋에 대한 추정을 계산하도록 구성된 분석 수단, 상기 분석 수단에 연결된 그리고 상기 전이 지연들의 집합들을 저장하도록 구성된 메모리, 그리고 상기 분석 수단에 연결된 그리고 상기 계산된 오프셋 추정에 따라서 상기 클록을 조정하도록 구성된 클록 조정 수단을 포함한다.
종래 기술에 대한 본 발명의 한 이점은, 최소 값들이 선택되는, 전이 시간들의 집합들을 획득하기 위한 전이 시간들의 다수의 측정이 수행된다는 것이다. 그러므로, 개별적인 측정들 내의 변동으로 인한 오프셋 추정 내의 오차는 최소화될 수 있다. 그러한 변동들은 네트워크를 통과하는 메시지들에 대한 송신 경로의 변화로부터 발생할 수도 있으며, 또는 예컨대 네트워크 구성요소들의 입력 및 출력 대기열들에서의, 메시지들에 대한 상이한 정체 시간으로 인해 발생할 수도 있다. 다른 중요한 특징은 순방향 및 역방향에서의 최소 전이 지연이 순방향 및 역방향 전이 지연들의 각각의 집합들로부터 독립적으로 선택된다는 것이다. 이는 최소 순방향 전이 지연은 최소 역방향 전이 지연에 대응하는 순방향 전이 지연일 필요는 없다는 것을 의미한다. 이는, 일반적으로 최소 순방향 전이 지연을 체험하는 메시지가 또한 최소 역방향 전이 지연을 반드시 체험하지는 않는다는 사실 때문이다. 그러므로, 본 발명은 보다 엄격한 오차 범위를 가지고 오프셋에 대한 추정이 계산될 수 있다는 이점을 갖는다.
역방향 전이 지연 및 대응하는 순방향 전이 지연에 대해 논함으로써, 순방향 전이 지연과 역방향 전이 지연은, 요청 메시지와 응답 메시지를 포함하는 동일한 통신 주기에 속하는 것으로 의도되었다. 예컨대, 만일 한 네크워크 구성요소로 송신된 메시지가 특정한 순방향 전이 지연을 체험한다면, 그러한 메시지에 대한 응답 메시지에 의해 체험되는 전이 지연은 대응하는 역방향 전이 지연이다. 또한, 메시지를 처리하고 응답을 생성하기 위한 네트워크 구성요소에서의 처리 시간은 무시할만하다고 가정하면, 왕복 시간을 획득하기 위해, 순방향 전이 지연과 대응하는 역방향 전이 지연이 함께 더해질 수 있다.
본 발명의 한 이로운 실시예에서, 순방향 전이 지연들의 집합 및 대응하는 역방향 전이 지연들의 집합을 결정하는 단계는, 네트워크 구성요소 및 다른 네트워크 구성요소 사이의 통신에 대한 연속적인 왕복 시간들을 결정하되, 본질적으로 왕복 시간들은 대응하는 순방향 전이 지연과 대응하는 역방향 전이 지연의 합인데, 미리 결정된 수의 연속적으로 결정된 왕복 시간들을 포함하는 안정적인 왕복 시간들의 집합이 발견되어 상기 왕복 시간들의 집합 내의 왕복 시간들이 상기 왕복 시간들의 집합 내의 최소 왕복 시간으로부터, 미리 결정된 최대 편차보다 작은 편차를 가질 때까지의 합인, 연속적인 왕복 시간들을 결정하고, 상기 왕복 시간들의 집합 내의 왕복 시간들에 대응하는 순방향 전이 지연 지연들을 순방향 전이 지연들의 집합에 기록하며, 그리고 상기 왕복 시간들의 집합 내의 왕복 시간에 대응하는 역방향 전이 지연들을 역방향 전이 지연들의 집합에 기록하는 단계를 더 포함한다.
그러므로 최소 왕복 시간 및 이러한 최소 왕복 시간 주위의 안정적인 영역(stable region)이 결정된다. 안정적인 영역을 획득하는 것은, 대응하는 순방향 및 역방향 전이 지연들이 이용되어, 보다 높은 수준의 정확도로 오프셋 추정을 계산할 수 있도록 보장한다. 충분히 작은 미리 결정된 최대 편차를 선택함으로써, 안정적인 영역 내의 왕복 시간들 및 대응하는 순방향 및 역방향 전이 지연들은 두 네트워크 구성요소 사이의 통신에서의 가능한 급격한 변화에 의해 영향을 받지 않는다는 것이 확인될 수 있다. 예컨대 패킷 기반의 통신의 경우, 미리 결정된 최대 편차는 수 밀리초(millisecond) 정도일 수도 있으며, 이는, 10-30ms 정도일 수도 있는 패킷 대기열의 채움(filling) 또는 비움(emptying)에 의한 전이 지연 변동보다 훨씬 작고, 심지어, 수십 밀리초 정도일 수도 있는 통신 경로 변화에 의한 전이 지연 변동보다 더 작을 수도 있다.
본 발명의 다른 개발예에서, 순방향 전이 지연 및 대응하는 역방향 전이 지연을 결정하는 단계는, 요청 시간에 하나의 네트워크 구성요소로부터 다른 네트워크 구성요소로의 요청을 송신하는 단계, 응답 시간에 상기 다른 네트워크 구성요소로부터 상기 하나의 네트워크 구성요소로 상기 요청에 대한 응답을 송신하는 단계, 상기 하나의 네트워크 구성요소가 응답 수신 시간에 상기 응답을 수신하는 단계, 상기 응답 시간으로부터 상기 요청 시간을 뺌으로써(subtracting) 순방향 전이 지연을 계산하는 단계 및 상기 응답 수신 시간으로부터 상기 응답 시간을 뺌으로써 대응하는 역방향 전이 지연을 계산하는 단계를 포함한다. 그러므로, 순방향 및 역방향 전이 지연을 결정하기 위한 단순한 방법이 제공된다.
본 발명의 한 유리한 향상은, 상기 다른 네트워크 구성요소로부터 상기 하나의 네트워크 구성요소로 송신되는 각각의 응답에, 응답 시간을 포함하는 타임 스탬프를 포함시키는 단계를 더 포함한다. 타임 스탬프는, 다른 계산을 위해 하나의 네트워크 구성요소로 응답 시간을 제공하기 위한 단순하고 효과적인 도구이다. 타임 스탬프는 응답 내의 주요한 정보일 수도 있다. 대안적으로, 응답은, 응답 시간과 함께, 네트워크 구성요소에 의해 요청된 다른 정보 또는 데이터를 포함할 수도 있다.
본 발명의 한 유리한 실시예는, 동일한 시간 간격으로 요청을 송신하는 단계를 더 포함한다. 본 발명의 한 이로운 개발예에서, 요청 및 응답은 데이터 패킷으로서 송신된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 순방향 전이 지연들 및 역방향 전이 지연들의 집합들은 연속적으로 갱신된다. 여기서, 한 집합을 갱신하는 것은 상기 집합 전체를 폐기하는 단계와 새로운 엔트리(entry)를 갖는 새로운 집합을 재-결정하는 단계를 포함할 수도 있다. 대안적으로, 상기 갱신 절차는, 새로운 측정들이 수행됨에 따라서, 연속적인 시간 간격으로 새로운 결정된 값들을 상기 집합에 추가하는 단계를 포함할 수도 있다.
다음으로, 도면들을 참조하는 이로운 실시예들에 의해 본 발명이 설명될 것이다.
도 1은, 네트워크 노드 A와 노드 B 사이에서 송신되는 패킷들에 의해 체험되는 시간 지연들을 도시하는 시간 도표.
도 2는, 네트워크 노드 A와 노드 B 사이에서 송신되는 패킷들에 의해 체험되는 시간 지연들을 도시하는, 다른 시간 도표.
도 3은, 네트워크 노드 A와 노드 B 사이에서 송신되는 일련의 패킷들에 대한 시간 도표.
도 4는, 도 3과 동일한 시간 도표로서, 다른 특성이 도시된, 시간 도표.
도 5는, 상이한 접근방법을 이용하는 왕복 시간 측정들의 플롯을 도시하는 도면.
도 6은, 도 5에 도시된 측정들을 기초로 하여 계산된 동기화 오프셋 추정의 플롯을 도시하는 도면.
도 7은, 왕복 시간의 안정적인 영역의 측정을 기초로 하여 계산된 동기화 오 프셋 추정의 플롯을 도시하는 도면.
도 8 및 9는, 비교를 위해, 세 개의 상이한 접근방법을 이용하여 계산된 동기화 오프셋 추정에 대한 오차 범위의 플롯을 도시하는 도면.
도 10은, 통계적 오차 범위의 플롯을 도시하는 도면.
다음에서, 먼저, 네트워크 노드 A 또는 단순히 노드 A인, 한 네트워크 구성요소의 클록과, 네트워크 노드 B 또는 단순히 노드 B인, 다른 네트워크 구성요소의 클록 사이의 오프셋을 추정하는 알려진 방법이 설명된다. 이러한 방법은 일반적으로 크리스티안 알고리즘(Cristian Algorithm)으로 알려져 있다. 노드 A와 노드 B는 네트워크 연결을 통해 연결되어있으며, 예컨대 인터넷 환경에서, 데이터 패킷을 통해 통신한다.
도 1은, 노드 A와 노드 B 사이에서 송신되는 데이터 패킷에 대한 시간 도표를 도시한다. 시간 변수(tA)를 갖는 시간 선은 노드 A의 클록에 속하며, 시간 변수 (tB)를 갖는 다른 시간 선은 노드 B의 클록에 속한다. 한 시간 선으로부터 다른 시간 선을 가리키는 화살표는 한 노드로부터 다른 노드로의 패킷 송신을 나타낸다. 도 1에 도시된 것과 같이, 노드 A는, 노드 B로의 시간 요청을 포함하는 데이터 패킷을 시간(TS(A))에 송신한다. 노드 B는 상기 데이터 패킷을 시간(TR1(B))에 수신한다. 상기 요청 패킷을 처리한 후, 응답 시간(TR2(B))에 노드 B는 최대한 빨리 응답하고, 수신 시간(TR1(B))을 표시하는 수신 타임 스탬프를 포함하는 데이터 패킷을 송신자 노드 A로 다시 송신한다. 상기 타임 스탬프를 갖는 데이터 패킷은 노드 A에 의해 시간(TRR(A))에 수신된다. TR1(B)와 TR2(B) 사이의 시간차는 노드 B에서의 처리 시간이고 일반적으로 시간(TRR(A)와 TS(A)) 사이의 시간차보다 매우 짧으며, 무시될 수도 있다. 그러므로 TR1(B) = TR2(B) = TR(B)로 가정될 수 있다. 이러한 관계는 도 2에 도시되어 있다.
참조되는 시간들은 노드 A 및 노드 B의 각각의 클록에 의해 측정된다는 것을 주의해야 한다. 즉, 시간(TRR 및 TS)은 노드 A의 클록에 의해 측정되며, 시간(TR(B))은 노드 B의 클록에 의해 측정된다. 일반적으로, 각각의 클록의 오프셋 및 뒤틀림(skew)으로 인해, 기준 시간의 동일한 지점에서 노드 A와 노드 B는 상이한 시간을 측정한다. 도 1 및 도 2의 상이한 시간 변수(tA와 tB)를 이용함으로써 이러한 양상은 명확해진다. 그러므로, 만일 시간의 특정한 지점에서 노드 B의 클록이 노드 A의 클록으로부터 K의 오프셋만큼의 편차를 갖는다면, 이러한 편차는 TR(B)의 측정에 영향을 미친다. 계속해서, 만일 TS(A), TR(B), 그리고 TRR(A)를 이용하여 전이 지연 또는 단방향 지연(OWD)이 계산된다면, 이는 사실상의 또는 실제의 OWD로부터 K의 값만큼 달라진다. 크리스티안 알고리즘을 적용하기 위해서는, 측정된 OWD들과는 상반되게, 순방향에서의 실제 OWD는 역방향에서의 실제 OWD와 동일한 것으로 가정되어야 한다.
다음에서, 노드 A와 노드 B 사이의 계산된 시간 오프셋은 Δ로 표시된다. 이는, Δ는 K에 대한 추정이라는 것을 의미한다. 또한, 순방향 및 역방향에서 측정된 단방향 지연들은 OWDf과 OWDb로 각각 표시된다. 이들은 다음의 식 (1)과 (2)에 따라서 계산될 수 있다.
OWDf = TR (B) - TS (A) (1)
OWDb = TRR (A) - TR (B) (2)
크리스티안 알고리즘에 따라서, Δ는 다음의 식 (3)에 나타난 것과 같이 계산될 수 있다.
ΔCA = (OWDf - OWDb)/2 (3)
오직 대칭적 순방향 및 역방향의 단방향 지연들이 수행될 때에만 ΔCA는 K와 동일하다는 것을 주의해야 한다. 그러나, 비대칭적 지연들이 존재하면, 순방향 및 역방향에서의 실제 OWD들이 동일하지 않으며, 상기 추정은 잘못된 결과들을 초래할 것이다. 상술된 바와 같이, 실제의 네트워크에서 OWD들은 일반적으로 비대칭적이 다. 이에 의해, 비대칭적 네트워크 토폴로지에 의해 발생되는 시스템적인 오차들은 실시간 응용예의 경우 가변적인 OWD들에 의해 발생되는 오차들보다 훨씬 덜 치명적이다. 실제의 네트워크에서, 대칭적인 단방향 지연들에 대한 보증이 제공될 수 없으므로, 오직 세 개의 사건의 시간 인과관계, 즉 노드 A가 패킷을 송신하고, 노드 B가 상기 패킷을 수신하고 응답 패킷을 송신하는 것이 서술될 수 있으며, 이는 TS(A) < TR(B) < TRR(A)의 부등식을 초래한다. 그러므로, 만일 TR(B)가 시점(TRR(A)와 TS(A)) 사이의 중간에 있는 것으로 추정되면, 크리스티안 알고리즘에 따른 추정된 동기화 오프셋에 대한 최대 계산 오차 또는 오차 범위(δ)는 다음의 식 (4)를 충족시킬 것이다.
δ = (TRR(A)-TS(A))/2 = RTT/2 (4)
이하에서 설명될 방법의 측정들을 수행하는 것이 가능하도록 하기 위해, 몇몇 선행조건들이 충족되는 것이 유리하다. 첫 번째로, 네트워크 토폴로지는 측정 주기 내에서 변화하지 않아야 한다. 두 번째로, 노드 A와 노드 B의 클록의 클록 주파수의 차이로 인한, 시간 드리프트(time drift)는 매우 작아서, 클록들 사이의 시간차는 측정 주기 동안 변화하지 않아야 한다. 만일 측정 주기가 수 초의 크기 정도 내에 있다면, 이러한 선행조건들은 거의 항상 충족된다.
시간 동기화를 위해, 도 2에 따른 측정들이 반복적으로 수행된다. 도 3은, 그러한 측정들을 수행하기 위해 노드 A와 노드 B 사이에서 송신되는 일련의 요청 및 응답 패킷들의 시간 도표의 한 예시를 도시한다. 예시의 목적을 위해, 오직 네 개의 통신 주기가 도시되어있으며, 각각의 주기는, 노드 A로부터 노드 B로 송신되는 요청 패킷과 노드 B로부터 노드 A로 송신되는 응답 패킷을 포함한다. 도 3에 도시된 노드 A에 의해 송신되는 요청 패킷들은 시간(TS(A)1, TS(A)i, TS(A)k, 그리고 TS(A)l)에 송신된다. 각각의 통신 주기에 대한 단방향 지연들은 상기 식 (1) 및 식 (2)에 따라서 계산될 수 있고, 왕복 시간(RTT)은, 대응하는 OWD들의 합으로서 계산될 수 있으며, 또는 대안적으로 RTT = TRR(A)i - TS(A)i로서 보다 단순하게 계산될 수 있다. 측정될 통신 주기의 수는 실제로는 훨씬 더 많으며, 예컨대 수백 개의 측정이다.
측정된 최소 왕복 시간(minRTT) 근처의 RTT들의 집합이 결정될 때까지, 요청 및 응답 패킷들은 노드 A 및 노드 B 사이에서 교환된다. 이러한 집합은 minRTT 주위의 안정적인 영역이라 불린다. 이러한 목적을 위해, 먼저, 주어진 네트워크 토폴로지에 적합한 최대 편차(dmax) 및 최소 영역 폭(wmin)이 선택되어야 한다. minRTT 주위의 안정적인 영역은, minRTT와 동일한 RTT를 갖는 샘플을 포함하는 적어도 wmin 개의 연속적인 샘플이, minRTT로부터의 dmax보다 작은 또는 dmax와 동일한 편차를 갖는 RTT 값들을 갖는다는 것을 의미한다.
안정적인 영역은 다음의 절차에 의해 발견될 수 있다. 먼저 초기화 프로세스 동안 minRTT가 무한대(infinity)로 설정된다. 그 후, 각각의 RTT 통신 주기 즉 요 청 및 응답 패킷들의 쌍에 대해 RTT가 계산되고 저장된 minRTT 값과 비교된다. 만일 측정된 RTT가 저장된 minRTT보다 작으면, minRTT는 상기 측정된 RTT로 설정된다. 추가적으로, 현재의 minRTT 값으로부터 dmax보다 작은 편차를 갖는 측정된 RTT 값들의 수가 기록된다. 일단, minRTT로부터 dmax보다 작은 편차를 갖는 적어도 wmin 개의 연속적인 RTT들이 기록되면, 이러한 RTT 값들은 안정적인 RTT 값들의 집합으로서 기록된다. 대응하는 단방향 지연들이 또한 기록되고, 노드 A와 노드 B의 클록들 사이의 동기화 오프셋에 대한 추정을 획득하기 위한 다른 계산에서 이용된다.
다음 단계에서, 최소 순방향 단방향 지연(minF)과 최소 역방향 단방향 지연(minB)이 다음 식 (5)와 (6)에 따라서 계산된다. 그러므로 최소 순방향 단방향 지연은, 순방향 단방향 지연들의 집합 내에 기록된 최소 값이며, 최소 역방향 단방향 지연은, 역방향 단방향 지연들의 집합에 기록된 최소 값이다. 노드 A와 노드 B사이에서 교환되는 데이터 패킷들의 수가 증가하면, 데이터 패킷들이 대기열(queue)을 거쳐갈 확률이 증가하며, 상기 대기열은 완전하게 비어있으며 노드들 내에서의 최소 처리 시간들을 초래한다. 그러므로 순방향 및 역방향에서의 최소 단방향 지연은, 단방향 지연들에 대한 물리적인 제한을 나타낼 가능성이 크다. 물리적 제한에 의해, 대기열들과 같은 요소들은 단방향 지연에 영향을 미치지 않는 것으로 되어있다.
minF = min(TR(B)j - TS(A)j), 1<= j <= wmin (5)
minB = min(TRR(A)n - TR(B)n), 1<= n <= wmin (6)
그 후, 이른바 가상 최소 RTT(VirtMinRTT)가 다음 식 (7)에 의해 계산된다.
VirtMinRTT = minF + minB (7)
그러므로, minF와 minB가, 데이터 패킷이 체험할 수 있는 가장 작은 물리적으로 가능한 단방향 지연이라고 가정하면, VirtMinRTT는, 노드 A로부터 노드 B로 그리고 다시 노드 B로부터 노드 A로 송신되는 패킷에 대한, 물리적 범위에 의해 강제된, 최저 왕복 시간을 정의한다.
도 5는, 노드 A로부터 노드 B로 그리고 반대로 송신되는 일련의 데이터 패킷들에 대한 minRTT와 VirtMinRTT의 플롯을 도시한다. 여기서, 가로축은 측정들의 수를 도시한다. 각각의 측정은, 안정적인 영역을 찾는 그리고 minRTT와 VirtMinRTT를 계산하는 상술된 프로세스를 이용하여 수행된다. 일반적으로, VirtMinRTT는 minRTT와 동일하지 않다. 이는, 노드 A로부터 노드 B로의 순방향 경로에서의 최소 대기열 또는 처리 지연을 체험한 패킷은 노드 B로부터 노드 A로의 역방향 경로에서의 최소 지연을 체험한 패킷과 동일한 패킷이 아니라는 것을 의미한다. 도 5로부터 알 수 있는 것과 같이, VirtMinRTT는 일관되게 minRTT보다 더 낮다.
전제조건으로서, 측정 주기 동안 일정한(constant) 네트워크 토폴로지가 가정되었으므로, minF와 minB는, 물리적으로 범위가 정해진 최소 단방향 지연과 동일하거나 또는 적어도 대략적으로 동일하다. 그러나, 노드 B의 클록은 노드 A의 클록에 동기화되어있지 않으므로, minF와 minB는, 실제의 또는 사실상의 지연이 아닌, 측정된 단방향 지연을 도시한다. 만일 노드 B의 클록이, 노드 A의 클록에 대한, 알려지지 않은 클록 동기화 오프셋(K)을 갖는다면, 실제의 단방향 지연(minFr과 minBr)은 다음의 식 (8)과 식 (9)를 이용하여 계산될 수도 있다. 이는, 동기화 오프셋(K)만큼 정정되면, minFr과 minBr은 각각 순방향 및 역방향에서의 사실상의 최소 단방향 지연이라는 것을 의미한다.
minFr = minF - K (8)
minBr = minB + K (9)
다음의 식 (10)에 도달하기 위해 식 (8)과 식 (9)가 식 (7)에 삽입될 수 있으며, 식 (10)은, VirtMinRTT에 대한 값은 동기화 오프셋에 독립적이라는 것을 나타낸다.
VirtMinRTT = minF + minB = minFr + minBr (10)
VirtMinRTT에 대응하는 순방향 및 역방향의 단방향 지연(minF와 minB)을 이용함으로써, 동기화 오프셋에 대한 추정이 식 (11)에 따라서 계산될 수 있다.
Δ = (minF - minB)/2 (11)
도 6은 Δ의 계산된 값들의 플롯(점선)을 도시한다. 동기화 오프셋에 대한 추정을 제공하는 이러한 방법은 개선된 크리스티안 알고리즘(ICA: Improved Cristian Algorithm)으로 불릴 수도 있다. 상기 개선된 크리스티안 알고리즘은 상술된 크리스티안 알고리즘(CA)과 상당히 상이하다. 먼저, ICA에 따른 방법은 일련의 측정을 기초로 하지만, CA는 단일 측정을 기초로 한다. 또한, ICA에 따른 계산은 순방향 및 역방향의 단방향 지연의 최소 값들인, minF와 minB를, 독립적으로, 결정하는 것에 기초하지만, CA에서 이용되는 순방향 및 역방향의 단방향 지연인, OWDf와 OWDb는, 노드 A로부터 노드 B로 그리고 다시 노드 A로 패킷을 송신함으로써, 하나의 동일한 통신 주기에서 결정되는 값들이다. 결과적으로, 비교를 위해 동일한 집합의 측정들에 대해 계산된 ΔCA 값들이 플로팅된 도 6으로부터 알 수 있는 것과 같이, Δ는 ΔCA보다 더욱 일정하며, 따라서, 동기화 오프셋 K에 대한 더욱 정확한 추정을 제공한다.
대안으로서, ICA에서의 VirtMinRTT에 대응하는 단방향 지연들을 이용하는 대신, 최소 왕복 시간(RTT)에 대응하는 순방향 및 역방향의 단방향 지연을 이용하여, 동기화 오프셋(ΔCAmin)의 상이한 추정이 계산될 수도 있다. 이러한 방법은 CAmin 방법으로서 언급될 것이다. 도 7에, 한 집합의 측정들에 대한 이러한 계산의 결과들이, 동일한 집합의 측정들에 대한 ICA를 이용하여 계산된 Δ와 함께 플로팅 되어있다. 도 7로부터 알 수 있는 것과 같이, Δ(실선)는 일관되게 ΔCAmin(점선)보다 더 낮은 또는 동일한 범위(Δ들의 평균에 더 가까움)를 갖는다.
Δ의 계산은 측정 삼각형의 중간에 추정치를 제시하는 것을 기초로 한다. 이에 의해, 계산 오차의 결정론적인 범위(δ1)는, 도 4에 도시된, 지연(TS(A), TR(B), 그리고 TRR(A))에 관한 이벤트의 시간 인과관계를 기초로 한다. 결정론적 범위(δ1)는 식 (12)를 이용하여 계산될 수 있다.
δ1 = VirtMinRTT/2 (12)
VirtMinRTT, minRTT 그리고 RTTi(임의의 단일 왕복 시간 값을 나타냄)의 값들에 대해, 다음의 부등식 (13)이 적용된다.
VirtMinRTT <= minRTT <= RTTi (13)
이러한 부등식은, 오차 범위(δ1)는 적어도, 종래의 크리스티안 알고리즘을 이용하여 추정된 오차 범위만큼 양호하다는 것을 의미한다. 또한, 만일 VirtMinRTT가 minRTT와 동일하지 않다면, 임의의 다른 측정 지점을 이용하는 것에 비해, 보다 엄격한 오차 범위가 획득된다. 이러한 결론은 제안된 알고리즘에 결정론적으로 적용될 수 있으므로, δ1은 결정론적 오차 범위로 언급된다.
도 8은, 종래의 크리스티안 알고리즘에 따른 오프셋 추정에 대한 오차 범위(δCA)의 플롯을 도시하며, 도 9는, 상술된 CAmin 방법 및 ICA 방법에 따라 획득된 추정에 대한 오차 범위{δCAmin(거친 점선) 및 δICA(미세한 점선)}의 플롯을 각각 도시한다. 도 8과 도 9를 비교함으로써 알 수 있는 것과 같이, 크리스티안 알고리즘은 가장 높은 오차 범위 수치들을 초래하고, 한편 ICA 방법은 가장 낮은 오차 범위 수치들을 초래하며, 따라서, 동기화 오프셋에 대한 가장 정확한 추정을 제공한다.
확률론적인 관점으로부터, 이벤트들의 시간 범위를 더욱 가깝게 묶을 수 있다. 만일 minF와 minB가 단방향 지연의 물리적 범위를 나타낸다는 가정이 적용된다면, 오차 범위는, 다음의 식 (14)에 나타난 것과 같이, minRTT와 VirtMinRTT 사이의 차의 절반과 동일한 것으로 한정될 수 있다. 이러한 오차 범위는 이때 통계적 오차 범위로서 언급된다.
δ2 = (minRTT - VirtMinRTT)/2 (14)
도 10은 계산된 통계적 오차 범위의 플롯을 도시한다. 통계적 오차 범위는 다음의 의미를 갖는다. 추정된 동기화 오프셋(Δ)이 실제 동기화 오프셋(K)으로부터의 통계적 오차 범위(δ2) 내에 있을 확률은 값(minF와 minB)이 실제로 물리적으로 범위가 정해진 단방향 지연일 확률 이상이다. 다른 말로 하면, minF와 minB가 패킷 송신에 대한 가장 낮은, 물리적으로 가능한 단방향 지연이 아니라고 해도, δ2는, 추정된 동기화 오프셋(Δ)에 대한 오차 범위에 대한 유용한 수치이다. 도 9와 도 10 사이의 비교로부터 알 수 있는 것과 같이, 통계적 오차 범위(δ2)에 따라서, 추정된 동기화 오프셋(Δ)은, 결정론적 오차 범위(δ1)에 의해 제안되는 것 보다, K에 대한 훨씬 나은 추정일 수 있다.
위의 설명에, 청구항들에 그리고 도면에 개시된 본 발명의 특징들은 본 발명의 다양한 실시예들의 개별적인 구현 및 임의의 희망하는 결합으로의 구현 모두를 위해 중요할 수도 있다.
본 발명은 한 네트워크 구성요소의 클록을 다른 네트워크 구성요소의 클록과 동기화시키기 위한 방법, 및 네트워크 구성요소에 이용 가능하다.

Claims (8)

  1. 네트워크 구성요소(A)의 클록(clock)을, 네트워크 내의 상기 네트워크 구성요소(A)에 통신 방식으로 연결된 다른 네트워크 구성요소(B)의 클록에 동기화시키기 위한 방법으로서,
    - 상기 네트워크 구성요소(A)로부터 상기 다른 네트워크 구성요소(B)로의 메시지들의 송신에 대한 순방향 전이 지연들의 집합 및 상기 다른 네트워크 구성요소(B)로부터 상기 네트워크 구성요소(A)로의 메시지들의 송신에 대한 역방향 전이 지연들의 집합을 결정하는 단계,
    - 상기 순방향 전이 지연들의 집합으로부터 최소 순방향 전이 지연(minF)을 선택하는 단계,
    - 상기 역방향 전이 지연들의 집합으로부터 최소 역방향 전이 지연(minB)을 선택하는 단계,
    - 선택된 최소 순방향 전이 지연(minF)과 최소 역방향 전이 지연(minB)으로부터, 상기 네트워크 구성요소(A)의 클록과 상기 다른 네트워크 구성요소(B)의 클록 사이의 오프셋에 대해 추정된 값을 유도하는 단계, 그리고
    - 오프셋 추정에 대해 추정된 값에 따라서 상기 네트워크 구성요소(A)의 클록을 조정하는 단계
    를 포함하는, 한 네트워크 구성요소의 클록을 다른 네트워크 구성요소의 클록에 동기화시키기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 순방향 전이 지연들의 집합 및 상기 역방향 전이 지연들의 집합을 결정하는 단계는, 상기 네트워크 구성요소(A)와 상기 다른 네트워크 구성요소(B) 사이의 통신에 대한 연속적인 왕복 시간들을 결정하되, 본질적으로 상기 왕복 시간들은, 대응하는 순방향 전이 지연 및 대응하는 역방향 전이 지연의 합인데, 미리 결정된 수의 연속적으로 결정된 왕복 시간들을 포함하는 안정적인 왕복 시간들의 집합이 발견되어 상기 안정적인 왕복 시간들의 집합 내의 왕복 시간들이 최소 왕복 시간(minRTT)으로부터, 미리 결정된 최대 편차(dmax)보다 작은 편차를 가질 때까지의 합인, 연속적인 왕복 시간들을 결정하며, 상기 안정적인 왕복 시간들의 집합 내의 왕복 시간들에 대응하는 순방향 전이 지연들을 상기 순방향 전이 지연들의 집합에 기록하고, 그리고 상기 안정적인 왕복 시간들의 집합 내의 왕복 시간들에 대응하는 역방향 전이 지연들을 상기 역방향 전이 지연들의 집합에 기록하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 한 네트워크 구성요소의 클록을 다른 네트워크 구성요소의 클록에 동기화시키기 위한 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 순방향 전이 지연 및 대응하는 역방향 전이 지연을 결정하는 단계는, 요청 시간(TS)에 상기 네트워크 구성요소(A)로부터 상기 다른 네트워크 구성요소(B)로 요청을 송신하는 단계, 응답 시간(TR)에 상기 다른 네트워크 구성요소(B)로부터 상기 네트워크 구성요소(A)로 상기 요청에 대한 응답을 송 신하는 단계, 응답 수신 시간(TRR)에 상기 네트워크 구성요소(A)가 상기 응답을 수신하는 단계, 상기 응답 시간(TR)으로부터 상기 요청 시간(TS)을 뺌으로써 순방향 전이 지연을 계산하는 단계 및 상기 응답 수신 시간(TRR)으로부터 상기 응답 시간(TR)을 뺌으로써, 대응하는 역방향 전이 지연을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 한 네트워크 구성요소의 클록을 다른 네트워크 구성요소의 클록에 동기화시키기 위한 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 다른 네트워크 구성요소(B)로부터 상기 네트워크 구성요소(A)로 송신되는 각각의 응답에, 상기 응답 시간(TR)을 포함하는 타임 스탬프(time stamp)를 포함시키는 단계를 더 포함하는, 한 네트워크 구성요소의 클록을 다른 네트워크 구성요소의 클록에 동기화시키기 위한 방법.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 동일한 시간 간격으로 요청들을 송신하는 단계를 더 포함하는, 한 네트워크 구성요소의 클록을 다른 네트워크 구성요소의 클록에 동기화시키기 위한 방법.
  6. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 요청 및 상기 응답은 데이터 패킷으로서 송신되는 것을 특징으로 하는, 한 네트워크 구성요소의 클록을 다른 네트워크 구성요소의 클록에 동기화시키기 위한 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 순방향 전이 지연들 및 역방향 전이 지연들의 집합은 연속적으로 갱신되는 것을 특징으로 하는, 한 네트워크 구성요소의 클록을 다른 네트워크 구성요소의 클록에 동기화시키기 위한 방법.
  8. 네트워크에 배치하기 위한 네트워크 구성요소(A)로서,
    - 클록(clock),
    - 네트워크 내의 적어도 하나의 다른 네트워크 구성요소(B)로의 연결을 제공하도록 구성된 통신 수단,
    - 상기 통신 수단에 연결된, 그리고 요청을 생성하여 상기 다른 네트워크 구성요소(B)로 송신하도록 구성된, 요청 수단,
    - 상기 통신 수단에 연결된, 그리고 상기 다른 네트워크 구성요소(B)로부터의 요청에 대한 응답을 수신하도록 구성된, 수신 수단,
    - 상기 수신 수단 및 상기 클록에 연결된, 그리고 수신된 응답을 분석하고, 전이 지연들의 집합들을 결정하며, 클록 오프셋에 대한 추정 값을 계산하도록 구성된, 분석 수단,
    - 상기 분석 수단에 연결된, 그리고 상기 전이 지연들의 집합들을 저장하도록 구성된, 메모리, 그리고
    - 상기 분석 수단에 연결된, 그리고 계산된 오프셋 추정 값에 따라서 상기 클록을 조정하도록 구성된, 클록 조정 수단
    을 포함하는, 네트워크 구성요소.
KR1020097023368A 2007-05-10 2008-05-08 한 네트워크 구성요소의 클록을 다른 네트워크 구성요소의 클록과 동기화시키기 위한 방법 및 이를 위한 네트워크 구성요소 KR20100016364A (ko)

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