JP5127482B2 - タイミング同期方法、同期装置、同期システム及び同期プログラム - Google Patents
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Description
[ソフト実行遅延時間(送信処理)]
送信処理におけるソフト実行遅延時間とは、ソフトウェアが生成した時刻同期フレームが、機器から通信回線に発信されるまでに生じる遅れ時間である。この遅延時間には、他の処理の動作頻度や時刻同期処理の優先度によって変動するゆらぎが発生する。
伝送路遅延時間とは、通信回線に一定間隔で設置される中継(信号増幅)装置の信号中継時間である。ネットワーク機器であるリピータ、ブリッジ、ルータなどが中継装置に該当する。リピータは中継時間が一定であるが、ブリッジやルータは装置内部にてフレーム優先度に応じたバッファリングを行うため、遅延時間が変動するゆらぎが発生する。
受信処理におけるソフト実行遅延時間とは、時刻同期フレームが機器に着信してから、実際にソフトウェアにより取り込まれ処理されるまでに生じる遅れ時間である。ソフトウェアによるフレーム取り込み処理を割込み駆動にすることで、遅延時間の変動を小さくすることができる。また、フレーム着信の有無を、ポーリングで実施する処理構成の場合、ポーリング間隔を短くすることで、遅延時間を小さくすることができる。
(1)ハードウェア機構によるフレーム送信タイミングの固定化
(2)専用回線による伝送路遅延時間の安定化
(3)フレーム受信タイミングを取得しラッチ(保持)する機構
RFC(Request for Comments)958:NTP(Network Time Protocol)
[1.第1の実施形態]
[1−1.構成]
[1−1−1.全体構成]
本実施形態は、図1に示すように、サンプリングパルス発振回路300、汎用ネットワーク制御回路310、フレーム送受信タイミング制御回路320、CPU330及びコネクタ340等を有している。
サンプリングパルス発振回路300は、クロック発振回路を具備し、発振クロックを分周して機器内部の基準パルスを生成する回路である。このサンプリングパルス発振回路300は、請求項の基準タイミング発振部に相当し、基準タイミングとして基準パルスを用いる。
汎用ネットワーク制御回路310は、上記の従来技術と同様に、NIC313、送信バッファメモリ311、受信バッファメモリ312を備えたネットワーク制御部である。汎用ネットワーク制御回路310の代表的な一例は、パーソナルコンピュータ用のネットワークインタフェースカードであるが、本発明はこれには限定されない。
フレーム送受信タイミング制御回路320は、物理レイヤ制御回路321,322、送信フレーム保留バッファメモリ323、送信タイミング制御回路324、受信フレーム種別検定回路325、カウンタ計数回路332、水晶発振器327等を有している。
CPU330は演算回路であり、ソフトウェアを含めてタイミング同期装置全体を制御する手段として機能する。このCPU330は、内部バスにより、汎用ネットワーク制御回路310、カウンタ計数回路326及びサンプリングパルス発振回路300に接続されている。そして、CPU330は、所定のプログラムによって、ズレ値算出部331、補正判定部332、基準タイミング補正部333としての機能を有している。
以上のような構成を有する本実施形態の作用を、図3〜12を参照して説明する。ここでは、図3に示すように、タイミング同期装置をそれぞれ備えたマスタ局Mとスレーブ局Sとが、1:1で接続された構成を前提とし、スレーブ局Sのタイミング同期装置が、自らの基準タイミングを補正する場合を説明する。
まず、タイミング同期装置間で送受信されるフレームのフィールド構成例は、図4に示す通りであり、その詳細は次の通りである。なお、dst_mac、src_mac、ether_type及びFCSは、イーサネットのフレームフォーマットに準拠している。
src_mac:発信局MACアドレス
ether_type:イーサネットフレーム種別
ズレ値:同期用フレームの着信タイミングと基準タイミングとのズレ
(差分)若しくはズレ幅
機器間連絡情報:任意の連絡情報
FCS:フレームチェックシーケンスコード
IPV4(Internet Protocol version 4) :0800
ARP(Address Resolution Protocol) :0806
SNMP(Simple Network Management Protocol) :814C
NetBIOS(Network Basic Input Output System):8191
次に、フレーム送信時の動作を、図5のフローチャートを参照して説明する。CPU330によって生成された送信フレームデータは(ステップ501)、生成順に送信バッファメモリ311に保存される(ステップ502)。その後、CPU330が、NIC313に送信指令を出すことによって、NIC313の内部処理によるフレーム送信動作が開始される(ステップ503)。
次に、フレーム受信時の動作を、図6のフローチャートを参照して説明する。物理レイヤ制御回路322は、コネクタ340を介して受信したアナログ信号を(ステップ601)、デジタル信号に変換した受信フレームを生成して(ステップ602)、受信フレーム種別検定回路325に渡す。
次に、基準タイミングの補正の手順を、図7のフローチャートを参照して説明する。まず、上記のように、ラッチ指令は、サンプリングパルス発振回路300及び受信フレーム種別検定回路325から入る構成となっている。すなわち、サンプリングパルス発振回路300は、サンプリングパルスの立ち上がりエッジでラッチ指令を出す(ステップ701,702)。すると、カウンタ計数回路326におけるラッチ回路32が、サンプリングパルスの立ち上がりエッジのタイミングを、機器内部の基準タイミングとして、ラッチレジスタA33に格納する(ステップ703)。
ズレ幅α≠ズレ幅β
である。
ズレ幅α=ズレ幅β
となる。
基準幅T:サンプリングパルスの幅であり、入力クロックを固定値で分周し生成される時間幅である。マスタ局Mでは補正を行わないので、基準幅を維持する。
補正幅Ts:基準幅Tの生成に用いる分周値−1で生成した時間幅である。
以上のような本実施形態によれば、特別なサーバや機構を必要とせず、基準タイミングと受信タイミングとのズレと、これにより生じるパルスのズレ幅を算出し、パルス幅を調整するという簡単な処理により、基準タイミングを補正し、正確に同期させることが可能となる。また、ズレ幅の計算に用いるタイミング値をラッチさせておくことによって、CPU330のソフトウェア処理遅れに影響されることなく、低優先度での動作でも、高精度な同期制御が実現できる。
[2−1.構成]
本発明の第2の実施形態を、図12〜14を参照して説明する。すなわち、本実施形態は、基本的には上記の第1の実施形態と同様である。但し、図12に示すように、第1の実施形態で用いた同期用フレームに、時刻情報を付加する点が異なる。この時刻情報は、発信する自局の時刻を示している。なお、本実施形態においては、図13に示すように、CPU330が、所定のプログラムにより時刻演算部334、時刻補正部335としても機能する。
以上のような本実施形態においては、マスタ局Mにおける同期用フレーム生成時に、ズレ値と同時に時刻情報を乗せる。スレーブ局SにおけるCPU330は、マスタ局Mとの同期を確立できたことを確認したら、マスタ局Mから受信した同期用フレーム中の時刻情報に基づいて、時刻演算部334が時刻を演算し、時刻補正部335が自局の時刻を書き換える。
z = b − a
z’= d − c
y =z + x
y’=z’− x’
・カウンタ歩進幅 x=x’
・カウンタズレ幅 y=y’
となる。
y=(b−a)+x または y =(d−c)−x
2y=(b−a)+x+(d−c)−x
2y=(b−a)+(d−c)
よって、カウンタのズレ幅yは、
y=((b−a)+(d−c))/2
となる。
伝送遅延時間α = x × 時刻変換計数nであり、であり、上記から、
x=y−z=((b−a)+(d−c))/2 −(b−a)
よって伝送遅延時間αは、
α={((b−a)+(d−c))/2−(b−a)}×n
となる。
本発明の第3の実施形態を、図15〜16を参照して説明する。本実施形態は、図15の局構成例に示すように、マスタ局Mに対して、複数のスレーブ局S1〜Sxがある構成を前提とする。かかる場合には、それぞれのスレーブ局S1〜Sxが発信した同期用フレームの受信タイミングと、マスタ局Mの基準タイミングとのズレ値を計測し、それぞれのスレーブ局S1〜Sxに通知する必要がある。
dst_mac:宛先局MACアドレス
マスタ局Mからの発信=全スレーブ局Sが受信可能な
マルチキャストアドレス
スレーブ局Sからの発信=マスタ局Mだけが受信可能
なマルチキャストアドレス又はユニキャストアドレス
マスタ局M =A000
スレーブ局S1=B001
スレーブ局S2=B002
スレーブ局Sx=B00x
本発明の第4の実施形態を、図18〜20を参照して説明する。すなわち、本実施形態においては、図18に示すように、各スレーブ局S1〜SxにおけるCPU330が、マスタ局Mからの同期用フレームが正常受信できている(図19)か否かを監視する監視部336と、異常が発生した場合に(図20)、代理マスタへの切り換えを行う切換部337とを有している。
本発明の第5の実施形態を、図21を参照して説明する。すなわち、本実施形態は、図21に示すように、通信ネットワークの接続構成を、マスタ局M→サブマスタ局(マスタ局と同等の機能を持つスレーブ局)SM→スレーブ局S1〜Sx、マスタ局M→サブマスタ局(マスタ局と同等の機能を持つスレーブ局)SM’→スレーブ局S1’〜Sx’といった階層構造で接続し、一つのマスタ局Mに接続されるスレーブ局の数を、一定数に抑えたものである。
本発明は、上記のような実施形態に限定されるものではない。例えば、上記の実施形態では、スレーブ局Sのサンプリングパルス幅を補正幅Tsとして各サンプリング毎に微小補正する動作としている。しかし、差分である「ズレ」は取得できているので、次のサンプリングパルスを、基準幅T−ズレ、として、1発で合わせ込むことも可能である。
32…ラッチ回路
33…ラッチレジスタA
34…ラッチレジスタB
35…ラッチレジスタC
36…ラッチレジスタx
102…送信バッファメモリ
103…受信バッファメモリ
106,340…コネクタ
201…バッファインデックス
211〜214…バッファディスクリプタ
202,215〜218…バッファ本体
300…サンプリングパルス発振回路
310…汎用ネットワーク制御回路
311…送信バッファメモリ
312…受信バッファメモリ
314…MACレイヤ制御回路
315…物理レイヤ制御回路
320…フレーム送受信タイミング制御回路
321,322…物理レイヤ制御回路
323…送信フレーム保留バッファメモリ
324…送信タイミング制御回路
325…受信フレーム種別検定回路
326…カウンタ計数回路
327…水晶発振器
331…ズレ値算出部
332…補正判定部
333…基準タイミング補正部
334…時刻演算部
335…時刻補正部
336…監視部
337…切換部
Claims (11)
- ネットワーク制御部を介して通信ネットワークに接続され、基準タイミングを発振する基準タイミング発振部を備えたタイミング同期装置によって、基準タイミングを同期させるタイミング同期方法において、
前記タイミング同期装置は、基準タイミング保持部、受信タイミング保持部、ズレ値算出部及び基準タイミング補正部を有し、
前記受信タイミング保持部は、通信ネットワークとネットワーク制御部の間に設けられ、
前記基準タイミング保持部が、前記基準タイミングを保持し、
前記受信タイミング保持部が、通信ネットワークを介してネットワーク制御部より先に受信した同期用フレームの受信タイミングを保持し、
前記ズレ値算出部が、前記基準タイミング保持部に保持された基準タイミングと前記受信タイミング保持部に保持された受信タイミングとに基づいて、基準タイミングのズレに関する値であるズレ値を算出し、
前記基準タイミング補正部が、前記ズレ値に基づいて、前記基準タイミング発振部による基準タイミングを補正することを特徴とするタイミング同期方法。 - ネットワーク制御部を介して通信ネットワークに接続されたタイミング同期装置において、
基準タイミングを発振する基準タイミング発振部と、
前記基準タイミングを保持する基準タイミング保持部と、
通信ネットワークとネットワーク制御部の間に設けられ、通信ネットワークを介してネットワーク制御部より先に受信した同期用フレームの受信タイミングを保持する受信タイミング保持部と、
前記基準タイミング保持部に保持された基準タイミングと前記受信タイミング保持部に保持された受信タイミングとに基づいて、基準タイミングのズレに関する値であるズレ値を算出するズレ値算出部と、
を有することを特徴とするタイミング同期装置。 - 前記ズレ値を含む同期用フレームを生成して送信するネットワーク制御部を有することを特徴とする請求項2記載のタイミング同期装置。
- 前記基準タイミングに基づいて、前記同期用フレームの送信タイミングを制御する送信タイミング制御部を有することを特徴とする請求項3記載のタイミング同期装置。
- 前記ズレ値に基づいて、前記基準タイミング発振部の基準タイミングを補正する基準タイミング補正部を有することを特徴とする請求項2〜4のいずれか1項に記載のタイミング同期装置。
- 通信ネットワークを介して受信した同期用フレームに含まれるズレ値と、前記ズレ値算出部により算出されたズレ値とに基づいて、前記基準タイミングによる補正の要否を判定する補正判定部を有することを特徴とする請求項2〜5のいずれか1項に記載のタイミング同期装置。
- 前記基準タイミングに基づいて、内部時刻を演算する時刻演算部と、
前記同期用フレームに含まれる時刻情報に基づいて、前記内部時刻を補正する時刻補正部と、
を有することを特徴とする請求項2〜6のいずれか1項に記載のタイミング同期装置。 - 通信ネットワークを介して接続されたマスタ局と複数のスレーブ局とが、それぞれ請求項2〜7のいずれか1項に記載のタイミング同期装置を有し、
前記マスタ局は、前記スレーブ局に同期用フレームのマルチキャスト配信を行うことを特徴とするタイミング同期システム。 - 前記スレーブ局をマスタ局に切り換える切換部を有することを特徴とする請求項8記載のタイミング同期システム。
- 前記マスタ局と同等の機能を持つサブマスタ局を介して、複数のスレーブ局が接続されていることを特徴とする請求項8又は請求項9記載のタイミング同期システム。
- ネットワーク制御部を介して通信ネットワークに接続され、基準タイミングを発振する基準タイミング発振部を有するコンピュータに、基準タイミングの同期を実行させるタイミング同期プログラムにおいて、
前記コンピュータに、
前記基準タイミングを保持させ、
通信ネットワークを介してネットワーク制御部より先に受信した同期用フレームの受信タイミングを保持させ、
前記基準タイミングと前記受信タイミングとのズレに関する値であるズレ値を算出させ、
前記ズレ値に基づいて、前記基準タイミング発振部による基準タイミングを補正させることを特徴とするタイミング同期プログラム。
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