KR20190072745A - 안정적인 네트워크 기반 시간동기화 방법 - Google Patents

안정적인 네트워크 기반 시간동기화 방법 Download PDF

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Abstract

시간 동기화 기술인 IEEE 802.1AS GPTP의 구현 시 발생할 수 있는 동기화 오류를 최소화하고, 안정적으로 동기화된 시간을 획득하는 방법이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 시간동기화 방법은 동기화 오류가 발생하면, 패킷의 전파지연과 문턱값을 비교하는 단계; 전파지연이 문턱값을 초과하면, 동기화 관련 파라미터를 저장하는 단계; 및 저장된 동기화 관련 파라미터를 이용하여, 동기화 시간을 재설정하는 단계;를 포함한다.
이에 의해, GPTP 구현 시, 응용프로그램에 안정적인 동기화 시간을 제공할 수 있으며, 동기화 오류를 최소화하고 응용프로그램에 연속성 있는 시간동기화 서비스를 제공할 수 있게 된다.

Description

안정적인 네트워크 기반 시간동기화 방법{Stable Network-based Time Synchronization Method}
본 발명은 AVB(Audio Video Bridging) 관련 기술에 관한 것으로 AVB 프로토콜 그룹 중 시간 동기화에 관한 IEEE 802.1AS GPTP(Generalized Precision Time Protocol)의 구현에 관한 것이다.
IEEE 802.1AS GPTP는 Layer2 이더넷 프로토콜을 기반으로 네트워크 케이블로 연결된 두 포트 사이의 시간을 네트워크 상의 그랜드마스터 시간에 동기화 시킨다. 그랜드마스터는 선정과정에는 네트워크 상의 스위치 및 단말장치가 모두 참여하며, 가장 우수한 품질의 클럭을 제공하는 장치가 그랜드마스터로 선정된다. GPTP는 연결된 포트 사이의 경로지연(propagation delay)을 측정한다. 경로지연을 알아야만, 마스터 포트에서 현재 시간을 전송해 주면 수신된 시점에서 경로지연 만큼을 보상해서 로컬 포트의 현재 시각을 마스터 시간에 동기화할 수 있다. 따라서 동기화를 위해 가장 먼저 진행하는 것이 경로지연을 측정하는 것이다. 또한, AVB에서는 이 경로지연을 측정하는 과정에서 현재 연결된 포트가 802.1AS을 지원하는지 확인할 수 있는 수단으로 사용된다.
도 1은 두 단말장치 사이의 전파지연을 측정한 방식을 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 로컬 포트에서 전파경로지연(propagation path delay)을 측정하기 위해서는 PDelayReq 메시지를 송신하고 인접한 디바이스의 포트로부터 PDelayResp 및 PDelayRespFollowUp 메시지를 수신하여야 한다. 로컬 포트에서 직접 측정할 수 있는 시간은 PDelayReq 송신한 시점의 local_egress 타임스탬프와, 마스터에서 보낸 PDelayResp를 수신한 시점의 local_ingress 타임스탬프이다.
반면, 마스터 포트에서도 PDelayReq를 수신한 시점의 master_ingress 타임스탬프와 PDelayResp를 송신한 시점의 master_egress 타임스탬프를 측정할 수 있다. master_ingress 타임스탬프는 PDelayResp를 통해 local 포트에 전송하며, master_egress 타임스탬프는 추가로 전송되는 PDelayRespFollowUp 메시지에 실려 전송된다. 설정에 따라 다르지만, 통상적으로 PDelayReq 메시지는 1초에 한번 전송된다.
주의할 점은 PDelayResp 및 PDelayRespFollowUp 메시지를 통해 전송된 마스터 포트 타임스탬프는 마스터 PTP 시간기준이기 때문에 로컬 클럭(오실레이터)를 기준으로 측정된 시간은 마스터 기준의 시간으로 변환되어야 한다. 이를 위해서는 로컬 클럭의 주파수와 마스터 포트 클럭의 주파수가 얼마나 차이가 있는지가 계산되어야 한다.
송수신 경로가 대칭적이라면, 다음과 같은 식을 통해 단방향 순시 경로지연을 계산할 수 있다.
[수학식 1]
τ = ((Tlocal-ingress - Tlocal-egress) - (Tremote-ingress - Tremote-egress))/2
여기서 Tlocal-egress, Tlocal-ingress는 각각 PDelayReq를 송신한 시각과 PDelayResp가 수신된 시각을 로컬포트에서 측정한 값을 마스터 기준 시간으로 변환한 것이다.
Tremote-ingress, Tremote-egress는 각각 원격지에서 PDelayReq 메시지를 수신한 시점을 측정하여 PDelayResp 메시지로 전송한 값과 PDelayResp 메시지를 송신한 시점을 PDelayRespFollowUp 메시지로 전송한 값을 나타낸다.
IEEE 802.1AS 규격에서는 마스터 클럭에 동기화하기 위해서 로컬 클럭을 직접 변경하는 것을 권장하지 않으며, 대신에 주파수 오차율 및 경로지연을 업데이트하고 이를 통해 마스터 클럭에 동기화하는 것을 권장하고 있다. 마스터 포트의 현재 시간은 도 2에 도시된 바와 같이 Sync 메시지 및 FollowUp 메시지로부터 얻을 수 있다.
이 두 메시지로부터 획득된 그랜드마스터 시간을 Tm라 하고 해당 메시지가 수신된 시점의 로컬 시간을 Tl라 정의한다. 로컬 포트에서 현재 시간 Ti을 그랜드마스터 기준 시간으로 변환하려면 다음과 같은 계산 과정이 필요하다.
[수학식 2]
Tm' = Tm + (1 + R)·(Ti - Tl)
여기서 R은 로컬 시간을 마스터 시간으로 변환하기 위한 조정값으로, 그랜드마스터 클럭과 로컬 클럭 사이의 주파수 오차를 의미한다. 도 2에서 마스터 포트와 로컬 포트 사이에 클럭 오차가 0이라면 master_diff = local_diff는 동일한 값을 지닌다. 만일 둘 사이에 클럭 오차가 존재하면 error=master_diff-local_diff 만큼의 오차가 발생할 것이다. 이를 기반으로 R을 추정한다.
패킷이 송신되거나 수신되는 정확한 시점에 타임스탬프를 기록하기 위해서는 이더넷 PHY 칩 혹은 MAC(Medium Access Control)에 타임스탬퍼(timestamper)가 존재해야 한다. 따라서 GPTP를 구현하기 위해서는 PHY나 MAC이 필수적으로 타임스탬퍼 기능을 필수적으로 지원해야 한다. PC의 경우에 보통 NIC(Network Interface Card) 드라이버를 통해 이들 타임스탬퍼에 접근할 수 있는 통로를 마련한다.
GPTP가 운영되면 총 3가지 클럭이 동시에 사용된다. 가장 중요한 클럭은 이더넷 패킷을 송수신 시점을 기록하는 로컬(local) 클럭이며, PHY나 MAC에서 구현된다. 다음으로 원격지에 존재하며 그랜드마스터의 클럭을 제공하는 마스터 클럭(자신의 클럭 품질이 가장 우수한 경우, 로컬 클럭이 마스터 클럭이 될 수 있다). 마지막으로 응용프로그램의 시스템 클럭을 제공하는 CPU의 클럭이다.
통상 GPTP는 하나의 프로세스 형태로 구현되어 실행되며, 가장 최근 Sync 메시지 수신한 시점의 로컬 시간(Tl) 정보와, 이 로컬 시간과 마스크 시간의 오프셋(Tmlo), 로컬 클럭과 마스터 클럭의 주파수 비율(γml), 로컬 시간과 CPU 시간의 오프셋(Tlso), 로컬 클럭과 시스템(CPU) 클럭의 주파수 비율(γls)을 지속적으로 갱신한다. 또한, 이를 동기화 정보는 다른 응용프로그램이 IPC(Inter-Process Communication)을 통해 요청 시, 제공되도록 구현될 수 있다.
도 3은 응용프로그램이 GPTP 프로세스로부터 마스터에 동기화된 PTP 시간을 획득하는 과정을 설명한 것이다.
도 3에서 2개의 프로세스(process)가 존재한다. 앞서 설명한 바와 같이 GPTP 프로세스는 데몬프로그램처럼 운영되며, 주기적으로 Sync 메시지와 FollowUp 메시지를 통해 마스터 클럭에 로컬 클럭을 동기화 시킨다. 하지만, 응용프로그램에서 획득할 수 있는 시간정보는 CPU 기반의 시간정보뿐이다. 만일, 응용프로그램에서 GPTP 프로세스에서 맞춰놓은 PTP 시간을 사용하려면 GPTP 프로세스에 시간정보를 IPC를 통해 요청하고 다음 과정과 같이 보정 단계를 거쳐야 한다.
응용프로그램에서 CPU 시간으로 Ts 시간을 마스터에 동기화된 PTP 타임으로 변환하는 과정을 고려해 보자. 먼저 로컬 시간과 CPU 시간의 오프셋을 이용하여 최근 갱신된 로컬 시간을 CPU 시간으로 보정한다.
[수학식 3]
Ts' = Tl - Tlso
이제 마지막으로 Sync 메시지를 수신한 후 CPU 클럭 기준으로 얼마나 지났는지를 계산한다.
[수학식 4]
ΔTs = Ts' - Ts
이 경과 시간을 마스터 클럭 기준으로 변경한다. 이때, 마스터와 CPU 클럭 사이의 주파수 오차를 보정한다.
[수학식 5]
ΔTAS = ΔTs·γml·γls
마지막으로 로컬 시간을 마스터 시간으로 변환 후, 경과시간 만큼 반영하여 최종 동기화된 시간을 계산한다.
[수학식 6]
Tm' = Tl - Tmlo + ΔTAS
만일 전파지연 측정 시 오류가 발생하면, 도 4에 도시된 바와 같이 상대 장치의 802.1AS 지원 여부를 나타내는 asCapable이 비활성화 되면서, GPTP 정보가 초기화시키고, 재동기화를 수행한다. 특히, 단말장치가 슬레이브 모드에서 운영되었을 경우에, 마스터 시간으로 시간 정보를 제공하다가 오류가 발생하면 갑자기 로컬 시간을 바뀌기 때문에 급격한 시간 변화가 발생한다. 또한, 재동기화가 완료될 때까지는 정상적인 시간 정보를 획득할 수 없다.
이에, 위에서 언급한 종래기술의 문제점을 해결하고, 보다 안정적인 동기화 시간을 제공할 수 있는 방안의 모색이 요청된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 시간 동기화 기술인 IEEE 802.1AS GPTP의 구현 시 발생할 수 있는 동기화 오류를 최소화하고, 안정적으로 동기화된 시간을 획득하는 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 시간동기화 방법은 동기화 오류가 발생하면, 패킷의 전파지연과 문턱값을 비교하는 단계; 전파지연이 문턱값을 초과하면, 동기화 관련 파라미터를 저장하는 단계; 및 저장된 동기화 관련 파라미터를 이용하여, 동기화 시간을 재설정하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따른 시간동기화 방법은 전파지연이 문턱값 이하이면, 동기화 시간을 재설정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
측정된 전파지연의 문턱값 초과는, 일시적으로 발생하는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 시간동기화 방법은 재설정 단계가 완료되면, 저장된 동기화 관련 파라미터를 폐기하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 시간동기화 방법은 로컬 시간 획득에 실패하면, CPU 클럭을 기반으로 보정 시간을 획득하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
보정 시간 획득 단계는, 마지막 로컬 시간을 갱신한 시점에 저장된 CPU 시간에 측정된 경과시간을 이용하여 보정 시간을 획득하는 것일 수 있다.
경과 시간은, CPU 클럭을 기반으로 측정하되, 로컬 클럭 대비 CPU 클럭의 비율을 기초로 보정하는 것일 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, AV 시스템은 패킷을 송수신하는 통신부; 및 동기화 오류가 발생하면 패킷의 전파지연과 문턱값을 비교하고, 전파지연이 문턱값을 초과하면 동기화 관련 파라미터를 저장하며, 저장된 동기화 관련 파라미터를 이용하여 동기화 시간을 재설정하는 프로세서;를 포함한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, GPTP 구현 시, 응용프로그램에 안정적인 동기화 시간을 제공할 수 있으며, 동기화 오류를 최소화하고 응용프로그램에 연속성 있는 시간동기화 서비스를 제공할 수 있게 된다.
도 1은 전파지연 측정 방법,
도 2는 시간동기화 방법,
도 3은 응용프로그램에서 PTP 시간 획득 방법,
도 4는 오류 시 재동기화 과정,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 타임스탬프 획득 오류 처리 절차의 설명에 제공되는 흐름도,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 타임스탬프 획득 오류 처리 절차의 설명에 제공되는 흐름도, 그리고,
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 AV 시스템의 블럭도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시예에서는, 안정적인 네트워크 기반 시간동기화 방법을 제시한다. 본 발명의 실시예에 따른 시간동기화 방법에서는, IEEE 802.1AS GPTP를 구현 시, 오류 발생에도 안정적으로 응용프로그램에 동기화된 시간을 제공한다.
NIC를 기반으로 GPTP를 구현할 경우에 전파지연 측정 시 오류가 발생하는 원인을 분석해 보면 다음과 같이 2가지로 정리할 수 있다.
- 일시적으로 측정된 전파지연이 규격에서 정한 문턱값을 초과하는 경우
- 송·수신 패킷의 타임스탬프를 정상적으로 획득하지 못하였을 경우
본 발명의 실시예에서는, 위의 두 가지 원인에 의한 문제를 해결하기 위한 동기화 방식을 제안한다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 시간동기화 방법에서는, 일시적으로 측정된 전파지연이 문턱값을 초과하는 경우에도, 동기화가 재설정될 때까지 기존 동기화 정보를 통해 동기화 시간 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 시간동기화 방법에서는, 송·수신 패킷의 타임스탬프를 정상적으로 획득하지 못하였을 경우, CPU 기반의 클럭 기반의 클럭 보정을 수행한다.
이하에서 각각에 대해 상세히 설명한다.
1. 일시적으로 측정된 전파지연이 규격에서 정한 문턱값을 초과하는 경우
이 문제는 정상적으로 패킷의 타임스탬프를 획득하였으나 측정된 전파지연이 규격에서 정한 문턱값을 초과하는 경우 발생된다. 이러한 문제는 드라이버의 안정성 및 네트워크 문제가 복합적으로 작용하여 간헐적으로 발생된다. 오류가 발생되면 전술한 도 4에 도시된 바와 같은 과정을 거쳐 동기화 시간이 재설정되는데, 이 과정에서 단말장치가 GPTP에서 슬레이브(slave) 모드로 운영되어 원격지로부터 시간정보를 수신하고 있었다면, 동기화된 시간 정보에 급격한 변화가 발생되어 응용프로그램에서 정확한 시간을 확보할 수 없다.
이에, 응용프로그램에 안정적이고 연속성 있는 시간동기화 서비스를 제공하기 위해서 도 5에 도시된 바와 같은 추가 절차를 수행한다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 타임스탬프 획득 오류 처리 절차의 설명에 제공되는 흐름도이다.
구체적으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 동기화 오류가 발생하면, 일시적인 문제인지를 파악하기 위해서 전파지연이 문턱값을 넘는지 확인한다. 전파지연은 포트와 포트 사이 링크의 전파지연을 측정하기 때문에 거리에 대한 영향이 가장 크다. 정상적이라면, 측정된 전파지연은 변동폭이 작아야 한다. 이 전파지연이 갑자기 커진다는 것은 드라이버 등에서 발생한 문제일 수 있다. 이는 일시적인 것이기 때문에 재설정 과정에서 해결이 될 것이다. 전파지연이 갑자기 커진 경우에, 기존 동기화 관련 파라미터를 저장하고, 재동기화 과정에서 변경되지 않도록 한다. 재동기화 과정에서 응용프로그램이 동기화 정보를 요청한다면 저장된 동기화 관련 파라미터로부터 제공한다. 재동기화 과정이 완료되면, 저장된 파라미터는 파기하고 새로운 동기화 파라미터로부터 서비스를 시작한다.
이러한 절차를 통해 일시적으로 측정된 전파지연이 규격에서 정한 문턱값을 초과하는 경우에 응용프로그램에 안정적인 동기화 시간을 제공할 수 있다.
2. 송·수신 패킷의 타임스탬프를 정상적으로 획득하지 못하였을 경우
GPTP는 PHY나 MAC에서 패킷에 대한 타임스탬프를 제공할 수 있는 시스템에서만 구현이 가능하며, 항상 타임스탬프를 제공해야만 한다. 그러나, 드라이버 접근을 통해 타임스탬프를 획득하기 때문에 오류가 발생할 수 있으며, 이는 전파지연 측정에 심각한 오류로 전달 될 수 있다.
로컬 시간을 정상적으로 획득했는지에 대한 정보는 사전에 확보할 수 있으므로, 로컬 시간 획득에 실패한 경우엔, CPU 클럭을 기반으로 보정된 시간을 사용한다. 이를 위하여 마지막으로 로컬 클럭을 갱신한 시점에 저장된 CPU 시간을 Ts p라 하면 이를 기반으로 경과시간을 측정한다.
[수학식 7]
ΔT = Ts - Ts p
측정된 경과시간을 마지막에 저장된 로컬 시간 Tl p을 기반으로 갱신한다. 이때, 경과 시간은 CPU 클럭을 기반으로 측정되었기 때문에, 로컬 대비 CPU 클럭의 비율 γls를 통해 주파수 오차를 보정한다.
[수학식 8]
Tl = Tl p + ΔT·γls
마지막으로 갱신된 시점의 로컬 시간 및 CPU 시간을 저장한다. 수학식 9는 로컬 클럭을 오류 없이 획득하였을 경우에도 항상 저장한다.
[수학식 9]
Ts p = Ts
Tl p = Tl
이 과정을 도 6에 도시된 바와 같이, 송신 혹은 수신 패킷에 대한 타임스탬프가 필요할 때마다 수행한다. 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 타임스탬프 획득 오류 처리 절차의 설명에 제공되는 흐름도이다.
3. 안정적인 네트워크 기반 시간동기화 방법이 적용된 AV 시스템
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 AV 시스템의 블럭도이다. 본 발명의 실시예에 따른 AV 시스템은, 전술한 타임스탬프 획득 오류 처리 방법을 수행할 수 있는 시스템으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 통신부(110), 프로세서(120), 출력부(130) 및 저장부(140)를 포함한다.
통신부(110)는 네트워크를 통해 AVB 브리지에 액세스하여 다른 기기들(그랜드 마스터 기기, 마스터 기기, 슬레이브 기기, Talker 기기 등)과 통신하는 통신 수단이다.
프로세서(120)는 통신부(110)를 통해 수신한 AV를 처리하여 출력부(130)를 통해 재생하는 한편, 전술한 도 5와 도 6에 도시된 기법을 반영한 시간동기화를 수행한다.
저장부(140)는 프로세서(120)가 동작함에 있어 필요한 저장공간을 제공하는 메모리와 저장매체이다.
지금까지, 안정적인 네트워크 기반 시간동기화 방법에 대해 바람직한 실시예들을 들어 상세히 설명하였다.
본 발명의 실시예에 따르면, 동기화 방식을 통해 일시적으로 측정된 전파지연이 규격에서 정한 문턱값을 초과하거나, 송·수신 패킷의 타임스탬프를 정상적으로 획득하지 못하였을 경우 발생할 수 있는 동기화 오류를 최소화 하고 응용프로그램에 안정적이고 연속성 있는 동기화 시간을 제공할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 장치와 방법의 기능을 수행하게 하는 컴퓨터 프로그램을 수록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있음은 물론이다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 기술적 사상은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 기록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드 형태로 구현될 수도 있다. 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터에 의해 읽을 수 있고 데이터를 저장할 수 있는 어떤 데이터 저장 장치이더라도 가능하다. 예를 들어, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광디스크, 하드 디스크 드라이브, 등이 될 수 있음은 물론이다. 또한, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 저장된 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드 또는 프로그램은 컴퓨터간에 연결된 네트워크를 통해 전송될 수도 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
110 : 통신부
120 : 프로세서
130 : 출력부
140 : 저장부

Claims (8)

  1. 동기화 오류가 발생하면, 패킷의 전파지연과 문턱값을 비교하는 단계;
    전파지연이 문턱값을 초과하면, 동기화 관련 파라미터를 저장하는 단계; 및
    저장된 동기화 관련 파라미터를 이용하여, 동기화 시간을 재설정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 시간동기화 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    전파지연이 문턱값 이하이면, 동기화 시간을 재설정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시간동기화 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    측정된 전파지연의 문턱값 초과는,
    일시적으로 발생하는 것을 특징으로 하는 시간동기화 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    재설정 단계가 완료되면, 저장된 동기화 관련 파라미터를 폐기하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시간동기화 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    로컬 시간 획득에 실패하면, CPU 클럭을 기반으로 보정 시간을 획득하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시간동기화 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    보정 시간 획득 단계는,
    마지막 로컬 시간을 갱신한 시점에 저장된 CPU 시간에 측정된 경과시간을 이용하여 보정 시간을 획득하는 것을 특징으로 하는 시간동기화 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    경과 시간은,
    CPU 클럭을 기반으로 측정하되, 로컬 클럭 대비 CPU 클럭의 비율을 기초로 보정하는 것을 특징으로 하는 시간동기화 방법.
  8. 패킷을 송수신하는 통신부; 및
    동기화 오류가 발생하면 패킷의 전파지연과 문턱값을 비교하고, 전파지연이 문턱값을 초과하면 동기화 관련 파라미터를 저장하며, 저장된 동기화 관련 파라미터를 이용하여 동기화 시간을 재설정하는 프로세서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 AV 시스템.
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