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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きみえふしはら
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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 ~ 倉田岩本陽介哲也 0

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 1

3 第 1 部コンピュータークロックとうるう秒 2

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, IEEE etc.) 答 : 連続的に真に単調増加する値であってジャンプしたり逆戻りしないもの 3

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 4

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 5

7 コンピューターの時刻って? (4) でもでも date 2019 年 1 月 24 日木曜日 14:40:35 JST 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 6

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 date +%s というわけで 2019 年 1 月 24 日木曜日 14:40:35 JST = ( 秒 ) (1970 年 1 月 1 日 0:00:00(UTC) から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! 7

9 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発振器駆動 H/W カウンタ Linux (OS) UNIX time 保持変数 tz database (User land) 2019 年 1 月定期的 or 要求時に読取り UNIX time に加算する UNIX time 日本標準時 (JST) 2019 年 1 月 24 日 14:40:35 8

10 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 ) 2019 年 1 月日本標準時 (JST) 2019 年 1 月 24 日 14:40:35 Linux (OS) UNIX time 保持変数 tz database (User land) 2019 年 1 月グリニッジ標準時 (GMT) 2019 年 1 月 24 日 05:40:35 UNIX time 年 1 月東部標準時 (EST) 2019 年 1 月 24 日 00:40:35 9

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 : : 2018 年 2 月 11 日 (Sun) 01:59:58 (EST) 2018 年 2 月 11 日 (Sun) 01:59:59 (EST) 2018 年 2 月 11 日 (Sun) 03:00:00 (EDT) 2018 年 2 月 11 日 (Sun) 03:00:01 (EDT) : : : : 2018 年 11 月 4 日 (Sun) 01:59:58 (EDT) 2018 年 11 月 4 日 (Sun) 01:59:59 (EDT) 2018 年 11 月 4 日 (Sun) 01:00:00 (EST) 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 ) 10

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 11

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 ) 年はうるう年でない (86400 秒 365 日 ) 秒 1971 年はうるう年でない秒年始から1972 年 7 月 1 日まで (86400 秒 (31 日 3+30 日 2+29 日 )) 秒 =

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 1972 年 6 月 30 日 23:59: 年 6 月 30 日 23:59: 年 6 月 30 日 23:59: 年 7 月 1 日 00:00: 年 7 月 1 日 00:00:01???? に適切な整数がない A) 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 13

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! 14

16 第 2 部ネットワーク時刻同期 15

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 16

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 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 17

19 時刻同期プロトコル原理 (T 1 -T 4 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 クライアント要求パケットサーバ時間往復遅延時間 = T 2 t 1 + t 4 T 3 = t 4 t 1 (T 4 T 3 ) t 4 時間の流れサーバ応答パケット T 2 T 3 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 T 4 = T 3 + 片方向遅延時間推移が t 4 の ( あるべき ) 正しい時間である 18

20 T 1 -T 4 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 1 上り :600ms T 2 上り :60ms T 2 下り :600ms T 3 下り :30ms T 3 t 4 t 4 片方向遅延推定 =600ms 実際の下り時間と一致遠くとも正しく同期片方向遅延推定 =45ms 実際の下り時間と 15ms もの誤差近いのに 15ms もずれる 19

21 T 1 -T 4 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 20

22 T 1 -T 4 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 Server L2 S/W Router L2 S/W Client 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? 21

23 PTP は NTP に比べてなぜ高精度なのか? 遅延差 / 揺らぎ有り 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 TCP/UDP IP NIC Driver MAC PHY NTP Pkt. 専用 H/W クロックでタイムスタンプ打刻 PTP Pkt. システムクロックでタイムスタンプ打刻 Router L2 S/W BC 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 TC 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 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する 22

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 ( 各機器メーカーの独自実装に委ねられている ) 23

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 ) UTCとの時差情報を管理し配信する 24

26 第 3 部うるう秒対応プラクティス 25

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!? IERS, "Earth orientation data", 26

28 UTC - TAI (s) 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 :50 8:00 8:10 8:20 8:30 8:40 8:50 9:00 Time 27

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テストしたい実施日 /UTC オフセットを追加 28

30 うるう秒テスト (3) Leap Seconds List #$ # 1 Jan # 1 Jul # 1 Jan # 1 Jan # 1 Jan # 1 Jan # 1 Jan # 1 Jan # 1 Jan # 1 Jul # 1 Jul # 1 Jul # 1 Jul # 1 Jan # 1 Jul # 1 Jul # 1 Jan # 1 Jan 2020 #h a602db50 ea9d0c d25 bf45adc2 b0ac5eb5 ntp.conf server minpoll 4 maxpoll 4 # Local Clock 指定 fudge 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 )... 29

2 つの遅延マスターとスレーブの遅延とスレーブとマスターの遅延を計算しなければなりませんまずマスターとスレーブの差を計算します : 最初に送られるタイムスタンプは T1 です T1 はマスターがその Ethernet のポートに Sync message を送った時刻であり Follow-up

2 つの遅延マスターとスレーブの遅延とスレーブとマスターの遅延を計算しなければなりませんまずマスターとスレーブの差を計算します : 最初に送られるタイムスタンプは T1 です T1 はマスターがその Ethernet のポートに Sync message を送った時刻であり Follow-up White Paper W H I T E P A P E R "Smarter Timing Solutions" Precision Time Protocol (PTP/IEEE-1588) IEEE-1588 に定義された PTP ( Precision Time Protocol ) は LAN 上のコンピュータを高精度に時刻同期させる手段となります IEEE-1588 のために構築されたLANにおいて