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専用回路で処理性能を高めたNTPサーバー、さくらインターネットが開発し、試験運用を開始

2020年3月17日(火)日川 佳三(IT Leaders編集部)

さくらインターネットは2020年3月17日、福岡大学と協力し、単体で約10Gビット/秒(約1300万リクエスト/秒)の高負荷に耐え、NTPサーバーとして働く専用デジタル回路を設計・開発したと発表した。開発した回路をFPGA上で動作させて提供する実験を、2020年3月から2021年3月末日までの1年間実施している。

 インターネットを介してコンピュータなどの時刻を正確な時刻に同期するプロトコルがNTP(Network Time Protocol)である。NTPクライアントは、NTPサーバーに問い合わせることでNTPサーバーの時刻と同期し、コンピュータの時刻情報を修正する。NTPサーバーは階層構造で動作し、上位階層のNTPサーバーと時刻を同期できる。NTPサーバーではなく原子時計やGPSなどのソースに直接つないだNTPサーバーを、第1階層(Stratum1)のNTPサーバーと呼ぶ。

 さくらインターネットは今回、第1階層(Stratum1)のNTPサーバーを構築するためのデジタル回路を設計・開発した。NTPクライアントからのアクセスが集中した場合でも、単体で約10Gビット/秒(約1300万リクエスト/秒)の高負荷に耐える、としている。現在、開発した回路をFPGA上で動作させ、すでに実験用サーバーで運用している。

 背景には、第1階層(Stratum1)のNTPサーバーにアクセスが集中し、対策が急務になっているという状況がある。例えば、1993年10月に日本で初めて公開NTPサービスを公開した福岡大学は、サーバー通信負荷が数百メガビット/秒の規模に増大している。こうした状況に対応する策の1つとして、福岡大学の協力の下、「FPGAベース・ハードウェアNTPサーバ(Stratum1)」を開発した(写真1)。

写真1:さくらインターネットのデータセンターで稼働する開発サーバーと時刻表示(出典:さくらインターネットのデータセンター)写真1:さくらインターネットのデータセンターで稼働する開発サーバーと時刻表示(出典:さくらインターネットのデータセンター)
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専用回路で実装、GNSS同期周波数源回路を合わせて設計

 FPGAベース・ハードウェアNTPサーバ(Stratum1)は、汎用コンピュータ上で動作するNTPサーバーソフトウェアに代わり、専用デジタル回路で実装したNTPサーバーと、GNSS信号受信機(GPS/GLONASS/QZSSなどを含む)が生成する情報から基準周波数を作り出すGNSS同期周波数源回路を合わせて設計した(図1)。内蔵時計精度(正確度とは異なる)は、約29.9ナノ秒(33.445532 MHz)である。

図1:追加したインタフェースボードとFPGA内に構成したNTPサーバー専用回路のイメージ(出典:さくらインターネットのデータセンター)図1:追加したインタフェースボードとFPGA内に構成したNTPサーバー専用回路のイメージ(出典:さくらインターネットのデータセンター)
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 汎用コンピュータ上で動作する典型的なNTPサーバーは、ネットワーク回線から受け取った通信パケットをいったんメモリーなどに蓄積し、ソフトウェアで1つずつ解釈する方式で動作する。今回開発したNTPサーバー専用回路は、NTPリクエストを含む通信パケットを直接受信し、リアルタイムに応答パケットを作成する。

 専用回路の動作には、高集積なデジタル回路を後から書き込んで専用チップのように動作させられるFPGA(Field Programmable Gate Array)を搭載したサーバー向け拡張カード(FPGAカード)を用いている。FPGA上に該当回路設計を導入することで、専用チップを開発することなく同等の動作を実現できる。

 また、10Gビット/秒イーサネットへの直接アクセスと、時刻源として用いるGNSS信号受信を行うため、FPGAカードに追加装備できる子ボードのプリント基板(10GbE & GNSSコンボ増設カード)を自社設計して装備した(写真2)。

写真2:「10ギガビットイーサネット & GNSS コンボ増設メザニンボード」を装着したFPGAカードの外観(出典:さくらインターネットのデータセンター)写真2:「10ギガビットイーサネット & GNSS コンボ増設メザニンボード」を装着したFPGAカードの外観(出典:さくらインターネットのデータセンター)
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 特定機能に特化した専用回路による構成とすることで、数十ワットクラスの消費電力で、約10Gビット/秒のNTPサーバー回路と基準周波数回路を、サーバーに装着できるPCI Expressカード1枚にまとめることに成功した。

開発したデジタル回路によるNTPサーバーを試験運用中

 開発時には、福岡大学が運営しているNTPサーバーのバックアップ用回線を用い(2019年9月~11月)、実運用環境に近い状況において、正しい応答を連続して返し続けられるよう試験とバグ修正を繰り返すことで、品質の向上を図った。

 今回開発したFPGAベース・ハードウェアNTPサーバ(Stratum1)は、2020年3月から2021年3月末日までの1年間に限り、研究・試験などの目的に限定して利用できるように公開している。なお、ネットワーク回線の負荷を避けるため、トラフィック制限を設けている。このため、処理能力をテストすることはできない。

 動作の様子をWebで見られる特設サイトも公開した。詳細な提供条件や利用方法はサイト内で案内している。

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