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コンピューター・システムの時刻とネットワーク時刻同期

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Academic year: 2021

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(1)

コンピューター・システムの時刻と

ネットワーク時刻同期

～うるう秒はOS内部でどのように扱われるか～

倉田 陽介

岩本 哲也

(2)

目次

第1部 コンピュータークロックとうるう秒

1. コンピューターの時刻って？

2. TZ Database

3. うるう秒とUNIX time

第2部 ネットワーク時刻同期

1. 時刻同期プロトコル

2. T

1

-T

4

方式

3. NTPとPTPの違い

第3部 うるう秒対応 プラクティス

1. うるう秒実施予測

2. OSSによるテスト実施方法

(3)

第1部

(4)

コンピューターの時刻って？ (1)

問：

そもそもコンピューターにおける時間って何でしょう？

えっ！ そこから？？

でも、必要な抽象化なんです！ (POSIX.1 A.4.16, ITU-T G.810, IEEE1588-2008 etc.)

答：

連続的に真に単調増加する値であって、

(5)

コンピューターの時刻って？ (2)

Epochからの経過時間で計る

 Epoch

 経過時間を計る

起点

。

 UNIXでは

1970年1月1日 0:00:00 (UTC)

 経過時間

 Epochからの経過時間は

SI秒

で計り取る。

 SI秒

 セシウム原子のある変化時間を元に決めた

物理量

(6)

コンピューターの時刻って？ (3)

だから、コンピューター(OS)は

本当は

暦

を認識していない

問： 暦ってなんでしょう？

答： 我々が

2019年1月24日

ってな感じで普段使って

るヤツ

問： 我々が普段使ってる暦って？

答： グレゴリオ暦

(7)

コンピューターの時刻って？ (4)

でも、でも、

って、ほらちゃんと暦 認識してるよ！

答：

OSの時間を暦（カレンダー時間）に変換して見せてくれる

賢い奴(tz database)のおかげ。

kurata@ubuntu1604

:

~$

date

2019年 1月 24日 木曜日 14:40:35 JST

(8)

コンピューターの時刻って？ (5)

OSが認識している時間は、

というわけで、

2019年 1月 24日 木曜日 14:40:35 JST

＝

1548308435（秒）

（1970 年1月1日 0:00:00(UTC) から 1548308435秒 経過したところである）

これを

UNIX time(POSIX time)

と呼ぶ

Epochからの経過時間

が基本！

kurata@ubuntu1604

:

~$

date +%s

1548308435

(9)

2019年 1月

TZ Database (1)

 多くのUNIX系OSの暦解釈は

tz database

による

 UNIX time を

カレンダー時間

に変換する

UNIX time 保持変数

Linux (OS)

発振器駆動 H/W

カウンタ

tz database

(User land)

UNIX time

1548308435

日本標準時(JST)

2019年1月24日

14:40:35

定期的 or 要求時に

読取り、UNIX timeに

加算する

(10)

2019年 1月

TZ Database (2)

 各地域の標準時に解釈する

（これがtz databaseの本来の仕事）

UNIX time 保持変数

Linux (OS)

tz database

(User land)

UNIX time

1548308435

日本標準時(JST)

2019年1月24日

14:40:35

2019年 1月

2019年 1月

グリニッジ標準時(GMT)

2019年1月24日

05:40:35

東部標準時(EST)

2019年1月24日

00:40:35

(11)

TZ Database (3)

 夏時間（サマータイム）を正しく扱える

UNIX time

東部標準時

1520751598

2018年2月11日(Sun)

01:59:58 (EST)

1520751599

2018年2月11日(Sun)

01:59:59 (EST)

1520751600

2018年2月11日(Sun)

03:00:00 (EDT)

1520751601

2018年2月11日(Sun)

03:00:01 (EDT)

：

：

：

：

1541311198

2018年11月4日(Sun)

01:59:58 (EDT)

1541311199

2018年11月4日(Sun)

01:59:59 (EDT)

1541311200

2018年11月4日(Sun)

01:00:00 (EST)

1541311201

2018年11月4日(Sun)

01:00:01 (EST)

：

：

重要： UNIX timeにはジャンプがない！（連続している）

(12)

うるう秒とUNIX time(1)

問：

うるう秒もサマータイムと同じじゃないんですか？

答：

うるう秒は基本的にはtz databaseでは扱わない

うるう秒はOSが直接取り扱う

UNIX timeの連続性に影響がある

(13)

うるう秒とUNIX time(2)

問：

1972年7月1日 0:00:00 (UTC)

はUNIX timeでいくらでしょうか？

答：

（計算で求まる）

78796800

 1970年はうるう年でない

⇒ 31536000秒

（

86400秒

×365日）

 1971年はうるう年でない

⇒ 31536000秒

 年始から1972年7月1日まで

⇒ 15724800秒

(

86400秒

×(31日×3＋30日×2＋

29日

))

 31536000×2＋15724800 ＝

78796800

(14)

うるう秒とUNIX time(3)

1972年6月30日 24時は世界初のうるう秒（＋1秒）実施日

UNIX time

UTC

78796798

1972年6月30日

23:59:58

78796799

1972年6月30日

23:59:59

????

1972年6月30日

23:59:60

78796800

1972年7月1日

00:00:00

78796801

1972年7月1日

00:00:01

「

????

」に“適切な”整数がない

A) 78796799 を

もう1回やる

B) 事前に値の増加速度（歩度）を変

えて

ごまかす

のどちらかしか

（現実的な）

方法がない

特に A) は

時間の連続性が崩れる

(15)

うるう秒とUNIX time(4)

うるう秒のキーポイント：

 UTCに合わせて生活している上では

避けられない

 実施日が不定期

 将来の実施日が不明

 UNIX timeの計算から除外されている

 コンピューター時間の連続性定義に反する

 不連続が時間差の計算を直撃する

 未対策のコンピュータープログラムは影響を受ける

うるう秒の事前テストが重要です！

(16)

第2部

(17)

UTCの取得と設定

時刻(UTC)をOSに設定する方法

 手で設定する

 dateコマンド

 誤差が大きい

 時刻源

（GNSS、標準電波、テレホンJJY、etc）

から直接情報をもらう

 専用の装置がないと無理

 IP上のネットワークプロトコルでもらう

 ほとんどの装置で可能

 誤差も小さい

(18)

時刻同期プロトコル・概要

 Network Time Protocol (NTP)

 皆さんご存知 RFC 5905

 Precision Time Protocol (PTP)

 適用する業界ごとにプロトコル(Profile)が異なる

 最も標準的な規格が IEEE Std. 1588-2008

問： ネットワーク的に遠いと同期誤差は大きくなる？

答： 理論的には距離は

誤差に影響しない

(19)

時刻同期プロトコル・原理（

T1

-

T4

方式）

NTPもPTPも考え方は同じ

（

T

1

-

T

4

方式）

サーバとクライアントで時刻が違っても伝送遅延時間は分かる

クライアント

時間

t

1

t

4

T

2

T

3

クライアント要求

パケット

サーバ応答

パケット

サーバ

時間

片方向遅延時間推定

=

往復遅延時間

𝟐

=

𝒕

𝟒

− 𝒕

𝟏

− (𝑻

𝟑

− 𝑻

𝟐

)

𝟐

往復遅延時間

= 𝑻

𝟐

− 𝒕

𝟏

+ 𝒕

𝟒

− 𝑻

𝟑

= 𝒕

𝟒

− 𝒕

𝟏

− (𝑻

𝟒

− 𝑻

𝟑

)

時間

𝑻

𝟒

= 𝑻

𝟑

+ 片方向遅延時間推移

(20)

T1

-

T4

方式の問題点(1)

伝送距離は問題にならないが、上り・下りの伝送遅延時間の非対称性には弱い。

t

1

t

4

T

2

T

3

上り：600ms

下り：600ms

片方向遅延推定=600ms

実際の下り時間と一致

t

1

t

4

T

2

T

3

上り：60ms

下り：30ms

片方向遅延推定=

45ms

実際の下り時間と

15msもの誤差

遠くとも正しく同期

近いのに15msもずれる

(21)

T1

-

T4

方式の問題点(2)

上り下りの伝送遅延時間差を

小さくすれば

高精度に同期する

非対称の原因は？

 装置内部

 タイムスタンプの打刻位置ずれ

 中継装置滞留時間の非対称性

 物理リンク

 上りと下りのケーブル長の違い

 同一光ファイバー内の波長の非対称性

 通信経路

 そもそもパケットの通過経路が上り下りで異なる

(22)

T1

-

T4

方式の問題点(3)

問： そうはいっても非対称って無視できるほど小さく

ないですか？

答： それは必要とされる精度によります…

上下遅延差：

10μs

上下遅延差：

0.5μs

上下遅延差：

500μs

上下遅延差：

1.5μs

上下遅延差：

20μs

伝送遅延差合計：532μs ⇒

推定誤差：266μs

この266μsを大きいと見るか小さいと見るか？

(23)

PTPはNTPに比べてなぜ高精度なのか？

PTPは伝送遅延の誤差要因を可能な限り排除する仕組みになっている。

これらの仕組みを全く利用しないと、NTPと同程度の精度

専用装置がなくとも精度向上の工夫ポイントはありそうですね…

TCP/UDP

IP

MAC

PHY

NIC Driver

PTP Pkt.

NTP Pkt.

遅延

差

/揺

ら

ぎ

有

り

システムクロックで タイムスタンプ打刻 専用H/Wクロックで タイムスタンプ打刻

対策(1)：装置内部の遅延・揺らぎ対策

対策(2)：中継装置の遅延・揺らぎ対策

Boundary Clock

PTPを終端し自装置内で高精

度クロックを生成したのちに

それを再配信する。

Transparent Clock

PTPパケットの装置滞留時間

を当該パケットに書込み転送

Router

L2 S/W

BC

TC

(24)

その他の高精度化のための工夫

NTPには

インターネット上

での時刻同期精度を高める

ための種々の工夫が盛り込まれている

 Clock Filter Algorithm

 Select Algorithm

 Cluster Algorithm

 Combine Algorithm

PTPにはこういった工夫は

規定されていない

。

(25)

うるう秒再び

NTPとPTPプロトコルのタイムスケール

 NTP

 UTC時系

 Epoch: 1900年1月1日 0:00:00(UTC)

からの経過時間

 うるう秒処理がプロトコル上も必要

 PTP

 TAI（国際原子時）時系

 Epoch: 1970年1月1日 0:00:00(UTC)

からの経過時間

 うるう秒がない

（うるう秒情報なしではカレンダー時間が分からない）

(26)

第3部

(27)

第28回うるう秒実施予測

2019年7月

未実施が決定済み

2020年1月

IERS予測では差異約-0.3秒

実施可能性あり

2020年7月

前回実施時と同等差異と予想

実施最有力！？

(28)

うるう秒テスト(1)

OSS機能の利用で「うるう秒テスト」が可能です

-38.2 -38.0 -37.8 -37.6 -37.4 -37.2 -37.0 -36.8 7:50 8:00 8:10 8:20 8:30 8:40 8:50 9:00 UT C -TAI (s) Time

(29)

うるう秒テスト(2)

 NTP Project サーバソフト

 Undisciplined Local Clock

 システムクロックをそのまま時刻配信するReference Clock

 Leap Smear

 うるう秒実施時に配信時刻を漸次調整する機能

• --enable-leap-smear指定でconfigureで有効化

 Leap Seconds List

 うるう秒実施日とUTCオフセットが列挙されたファイル

(30)

うるう秒テスト(3)

Leap Seconds List

#$

3676924800

#@

3802291200

2272060800

10

# 1 Jan 1972

2287785600

11

# 1 Jul 1972

2335219200

13

# 1 Jan 1974

2366755200

14

# 1 Jan 1975

2398291200

15

# 1 Jan 1976

2429913600

16

# 1 Jan 1977

2461449600

17

# 1 Jan 1978

2492985600

18

# 1 Jan 1979

2524521600

19

# 1 Jan 1980

2571782400

20

# 1 Jul 1981

2603318400

21

# 1 Jul 1982

2634854400

22

# 1 Jul 1983

2698012800

23

# 1 Jul 1985

2776982400

24

# 1 Jan 1988

...

3550089600

35

# 1 Jul 2012

3644697600

36

# 1 Jul 2015

3692217600

37

# 1 Jan 2017

3786825600

38

# 1 Jan 2020

#h

a602db50 ea9d0c66 28242d25 bf45adc2 b0ac5eb5

ntp.conf

server 127.127.1.0 minpoll 4 maxpoll 4

# Local Clock指定

fudge 127.127.1.0 stratum 5

leapfile /tmp/leap-seconds.list

# Leap Seconds Listファイル

leapsmearinterval 3600

# うるう秒調整期間(秒)

(31)

参照

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