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クロック同期は、コンピュータサイエンスとエンジニアリングの分野で、本来は独立しているクロックを調整することを目的としています。最初に正確に設定されていても、実際のクロックは、わずかに異なる速度で時間をカウントするクロックによって引き起こされるクロックドリフトにより、一定時間が経過すると異なります。クロックレートの違いの結果として発生する問題はいくつかあり、解決策もいくつかありますが、特定の状況では、他の解決策よりも受け入れやすいものがあります。[1]
用語
シリアル通信では、クロック同期は、完全な位相同期とは対照的に、周波数同期を実現するクロックリカバリを指すことがあります。このようなクロック同期は、電気通信の同期や自動ボーレート検出に使用されます。[2]
プレシオクロナスまたはアイソクロナス動作とは、周波数同期と位相同期の緩い制約を備えたシステムを指します。同期動作は、周波数に加えて時間に基づくより厳密な同期を意味します。
問題
小規模なシステムでは時間管理が困難なため、クロックのずれに関連する問題がいくつかあり、複数のコンピュータが同じグローバル時間を実現する必要のある分散コンピューティングでは、この問題はより複雑になります。たとえば、 Unixシステムでは、 makeコマンドを使用して新しいコードや変更されたコードをコンパイルし、変更されていないコードの再コンパイルを回避します。makeコマンドは、実行されているマシンのクロックを使用して、どのソース ファイルを再コンパイルする必要があるかを判断します。ソースが別のファイル サーバー上に存在し、2 つのマシンのクロックが同期されていない場合、makeプログラムは正しい結果を生成しない可能性があります。[3]
ストリーミング メディアを正確に再生するには同期が必要です。クロック同期は、イーサネット オーディオシステムの重要な要素です。
ソリューション
中央サーバーを備えたシステムでは、同期ソリューションは簡単です。サーバーがシステム時間を決定します。Cristian のアルゴリズムとBerkeley アルゴリズムは、この環境におけるクロック同期の問題に対する潜在的なソリューションです。
分散コンピューティングでは、グローバルな時間を簡単に知ることができないため、問題はさらに複雑になります。インターネットで最もよく使用されるクロック同期ソリューションは、ネットワーク タイム プロトコル(NTP) です。これは、ユーザー データグラム プロトコル(UDP) メッセージの受け渡しに基づく階層化されたクライアント サーバー アーキテクチャです。Lamportタイムスタンプとベクター クロックは、分散コンピューティングにおける論理クロックの概念です。
無線ネットワークでは、無線媒体上での同期パケットの衝突の可能性と、低コストの無線デバイスのクロックのドリフト率が高いため、問題はさらに困難になります。 [4] [5]
バークレーアルゴリズム
バークレー アルゴリズムは、電波時計が存在しないシステムに適しています。このシステムでは、グローバル平均時間をグローバル時間として維持する以外に、実際の時間を確認する方法はありません。タイム サーバーは、すべてのタイム クライアントから定期的に時間を取得し、その結果を平均化して、平均を達成するためにローカル クロックに必要な調整をクライアントに報告します。このアルゴリズムは、内部クロックは、含まれる時間だけでなくクロック レートも変化する可能性があるという事実を強調しています。
クロックサンプリング相互ネットワーク同期
クロックサンプリング相互ネットワーク同期 (CS-MNS) は、分散型およびモバイル アプリケーションに適しています。間接的にリンクされた隣接していないノードを含むメッシュ ネットワーク上でスケーラブルであることが示されており、IEEE 802.11および同様の標準と互換性があります。数マイクロ秒のオーダーの精度を実現できますが、隣接ノード間のリンクで無視できるリンク遅延 (1 マイクロ秒未満) を伴う直接的な物理的なワイヤレス接続が必要であり、隣接ノード間の距離は数百メートルに制限されます。[6]
クリスティアンのアルゴリズム
クリスティアンのアルゴリズムは、タイムサーバーの存在に依存しています。[7] タイムサーバーは、ラジオクロックまたはその他の正確な時間ソースを使用してクロックを維持し、システム内の他のすべてのコンピューターはそれに同期します。タイムクライアントは、タイムサーバーにプロシージャ呼び出しを行うことでクロックを維持します。このアルゴリズムのバリエーションでは、ネットワークの無線伝播時間 を考慮して、より正確な時間計算を行います。
衛星ナビゲーションシステム
GPS（全地球測位システム）は、ナビゲーションでの使用に加えて、クロック同期にも使用できます。GPS時間信号の精度は±10ナノ秒です。[8]同期にGPS（または他の衛星ナビゲーションシステム）を使用するには、空を遮るもののない視界を持つアンテナに接続された受信機が必要です。
インターレンジ計装グループタイムコード
IRIGタイムコードは、タイミング情報を転送するための標準フォーマットです。精密タイミング用に設計された原子周波数標準とGPS受信機には、IRIG出力が装備されていることがよくあります。この標準は、米国軍のレンジコマンダーズカウンシルの標準化団体であるインターレンジインストルメンテーショングループ（IRIG）の電気通信ワーキンググループによって作成されました。これらの標準の作業は1956年10月に開始され、元の標準は1960年に承認されました。[9]
ネットワーク タイム プロトコル
ネットワーク タイム プロトコル(NTP) は、インターネット全体に広く導入されている非常に堅牢なプロトコルです。長年にわたって十分にテストされており、信頼性の低いネットワーク向けの分散時間同期プロトコルの最先端のプロトコルとして一般的に認識されています。パブリック インターネットでは同期オフセットを数ミリ秒のオーダーに、ローカル エリア ネットワークではミリ秒未満のレベルにまで削減できます。
NTP プロトコルの簡易バージョンであるSimple Network Time Protocol (SNTP) も、純粋なシングルショットのステートレスプライマリ/セカンダリ同期プロトコルとして使用できますが、NTP の高度な機能がないため、パフォーマンスと信頼性のレベルが大幅に低くなります。
高精度時間プロトコル
高精度時間プロトコル(PTP) は、ローカル エリア ネットワーク上で高精度の時間を配信するためのマスター/スレーブ プロトコルです。
参照放送同期
参照ブロードキャスト時間同期(RBS) アルゴリズムは、ワイヤレス ネットワークやセンサー ネットワークでよく使用されます。この方式では、イニシエーターが参照メッセージをブロードキャストして、受信者にクロックを調整するよう促します。
参照放送インフラストラクチャ同期
リファレンスブロードキャストインフラストラクチャ同期（RBIS）[10]プロトコルは、RBSと同様に、受信機/受信機同期パラダイムに基づくマスター/スレーブ同期プロトコルです。インフラストラクチャモード（アクセスポイントによって調整される）で構成されたIEEE 802.11ワイヤレスネットワークで使用するために特別に調整されています。このプロトコルでは、アクセスポイントを変更する必要はありません。
同期イーサネット
同期イーサネットは、イーサネットを同期方式で使用するため、 White Rabbit プロジェクトの場合の PTP などの同期プロトコルと組み合わせると、ナノ秒未満の同期精度が実現されます。
ワイヤレスアドホックネットワーク
無線アドホックネットワークでは、同期メッセージをマルチホップ方式で送信し、各ノードが同期メッセージの直接の送信元であるノードと段階的に同期することで同期が実現されます。例としては、Flooding Time Synchronization Protocol (FTSP) [4]や Harmonia [5]があり、どちらもマイクロ秒単位の精度で同期を実現できます。
ホイヘンス
スタンフォード大学と Google の研究者は、プローブベースのエンドツーエンドのクロック同期アルゴリズムである Huygens を発表しました。Huygens はソフトウェアで実装されているため、データセンターやパブリッククラウド環境に導入できます。最新のデータセンターの重要な側面を活用し、新しい推定アルゴリズムと信号処理技術を適用することで、Huygens アルゴリズムは、ネットワーク負荷が高い場合でも数十ナノ秒の精度を達成しました。[11]この研究の成果は、金融市場のアプリケーションでテストされています。[12]
参照
参考文献
- ^ Tanenbaum, Andrew S. ; van Steen, Maarten (2002) 『分散システム：原理とパラダイム』Prentice Hall、ISBN 0-13-088893-1
- ^ Norman Matloff (2001 年 9 月 3 日)、Transmission on a Serial Line (PDF) 、2018 年 4 月 17 日閲覧
- ^ Marco Platania (2018-06-03). 「クロック同期」(PDF) p. 11.
- ^ ab Maróti, Miklós; Kusy, Branislav; Simon, Gyula; Lédeczi, Ákos (2004). 「フラッディング時間同期プロトコル」。組み込みネットワーク センサー システムに関する第 2 回国際会議の議事録。SenSys '04。ニューヨーク、ニューヨーク、米国: ACM。pp. 39–49。doi :10.1145 / 1031495.1031501。ISBN 1581138792. S2CID 9897231。
- ^ ab Koo, Jinkyu; Panta, Rajesh K.; Bagchi, Saurabh; Montestruque, Luis (2009). 「2 つの同期クロックの物語」。第7 回 ACM 組み込みネットワーク センサー システム カンファレンスの議事録。SenSys '09。ニューヨーク、ニューヨーク、米国: ACM。pp. 239–252。doi :10.1145 / 1644038.1644062。ISBN 9781605585192. S2CID 8242938。
- ^ Rentel, Carlos H.; Kunz, Thomas (2005 年 3 月)、「ワイヤレス アドホック ネットワーク用のクロック サンプリング相互ネットワーク同期アルゴリズム」、IEEE ワイヤレス通信およびネットワーク会議、1、IEEE プレス: 638–644、doi :10.1109/WCNC.2005.1424575、S2CID 1340072
- ^ Cristian, F. (1989)、「確率的クロック同期」、Distributed Computing、3 (3)、Springer: 146–158、doi :10.1007/BF01784024、S2CID 3170166
- ^ 「Common View GPS Time Transfer」。国立標準技術研究所。2012年10月28日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- ^ Josh Matson (2013 年 5 月)。「適切な時間同期プロトコルの選択と 1756-TIME モジュールのアプリケーションへの組み込み」(PDF)。Rockwell Automation。2019年 8 月 13 日閲覧。
- ^ Cena, G.; Scanzio, S.; Valenzano, A.; Zunino, C. (2015 年 6 月)、「リファレンス ブロードキャスト インフラストラクチャ同期プロトコルの実装と評価」、IEEE Transactions on Industrial Informatics、11 (3)、IEEE Press: 801–811、doi :10.1109/TII.2015.2396003、S2CID 17867070
- ^ スケーラブルで細粒度のクロック同期のための自然ネットワーク効果の活用。2018年。pp.81–94。ISBN 9781939133014。
- ^ ジョン・マルコフ（2018年6月29日）。「ナノ秒単位の時間分割こそウォール街が望んでいることだ」ニューヨーク・タイムズ。