NTP網(wǎng)絡(luò)校時服務(wù)詳解

地球分為東西十二個區(qū)域，共計(jì) 24 個時區(qū)，以格林威治作為全球標(biāo)準(zhǔn)時間（即GMT 時間，0時區(qū))，東部時區(qū)以格林威治時區(qū)進(jìn)行加法，而西時區(qū)則以格林威治時間作減法。但地球的軌道并非正圓，在加上自轉(zhuǎn)速度逐年遞減，時間會有誤差。在計(jì)算時間的時，最準(zhǔn)確是使用“原子震蕩周期”所計(jì)算的物理時鐘。這種時鐘被稱為標(biāo)準(zhǔn)時間，即UTC時間（Coordinated Universal Time）。UTC 的準(zhǔn)確性毋庸置疑，美國的 NIST F-1 原子鐘 2000 年才將產(chǎn)生 1 秒誤差。

實(shí)際生產(chǎn)生活中，使用原子時鐘這種準(zhǔn)確的計(jì)時似乎缺少必要性，我們更多關(guān)注的是參與活動的各個個體在相同的時間環(huán)境下對話。例如，當(dāng)我們說明天早上8:00開會的時候，我們并不在乎原子時鐘真實(shí)的計(jì)時情況，只要參會的所有個體對“明天早上8:00”這個時間具有相同的認(rèn)知即可。這里時間同步是個非常重要的概念，如果某位同仁手表慢了半小時，那它對“早上8:00”的理解就比其他人要慢半小時，最終會導(dǎo)致ta開會遲到。同樣的道理，我們在影視劇中經(jīng)常能看到特種作戰(zhàn)小組在執(zhí)行特別任務(wù)前一般都要先完成組員之間的時間同步，避免組員之間在時間上的認(rèn)知差異給任務(wù)帶來不必要的麻煩，甚至危及生命。

NTP（Network Time Protocol，網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議）是由RFC 1305定義的時間同步協(xié)議，用于分布式設(shè)備（比如電腦、手機(jī)、智能手表等）進(jìn)行時間同步，避免人工校時的繁瑣和由此引入的誤差，方便快捷地實(shí)現(xiàn)多設(shè)備時間同步。NTP校時服務(wù)基于UDP傳輸協(xié)議進(jìn)行報(bào)文傳輸，工作端口默認(rèn)為123/udp。

1. NTP的工作原理

NTP的實(shí)現(xiàn)過程如圖所示，假如設(shè)備A和設(shè)備B本地時間存在差異（設(shè)備A早上10點(diǎn)，設(shè)備B早上11點(diǎn)），現(xiàn)在設(shè)備A欲通過NTP和設(shè)備B在時間上保持同步：


設(shè)備A從設(shè)備B同步時間
  1. 設(shè)備A向設(shè)備B發(fā)送NTP報(bào)文，報(bào)文包含發(fā)出時設(shè)備A本地時間，記為T_1；
  2. 設(shè)備B受到NTP報(bào)文向其中添加接收到報(bào)文時設(shè)備B的本地時間，記為T_2；
  3. 設(shè)備B響應(yīng)NTP請求并向A發(fā)送NTP授時報(bào)文，報(bào)文包含報(bào)文從設(shè)備B發(fā)出時設(shè)備B的本地時間，記為T_3；
  4. 設(shè)備A收到設(shè)備B的響應(yīng)后根據(jù)報(bào)文內(nèi)容修正本地時間，我們將報(bào)文到達(dá)A時A的本地時間記為T_4.

這樣可以輕松計(jì)算出來：

設(shè)備B響應(yīng)時長 T_{res} = T_3 - T_2
網(wǎng)絡(luò)傳輸延時（雙向） T_{delay} = (T_4 - T1) - T_{res} = (T_4 - T_1) - (T_3 - T_2)

現(xiàn)假設(shè)設(shè)備A和設(shè)備B之間的時間差位T_{offset}，易得：
\begin{cases} T_1 + T_{offset} + T_{delay}/2 = T_2 \\ T_4 + T_{offset} = T_3 + T_{delay}/2 \end{cases}
通過上式計(jì)算出T_{offset} = \frac{(T_2 + T_3) - (T_1+T_4)}{2}.
設(shè)備A就能根據(jù)T_4 + T_{offset}調(diào)整本地時間，實(shí)現(xiàn)和設(shè)備B的時間同步。

2. NTP 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

NTP的目的是在一個同步子網(wǎng)中，通過NTP協(xié)議將主時間服務(wù)器的時鐘信息傳送到其他二級時間服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)二級時間服務(wù)器和主時間服務(wù)器的時鐘同步。這些服務(wù)器按層級關(guān)系連接，每一級稱為一個層數(shù)（stratum），如主時間服務(wù)器層數(shù)為 stratum 1，二級時間服務(wù)器層數(shù)為 stratum 2，以此類推。時鐘層數(shù)越大，準(zhǔn)確性越低。
注意：準(zhǔn)確性指相對于主時間服務(wù)器而言。

NTP同步子網(wǎng)示例

在NTP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，有以下幾個概念：

  • 同步子網(wǎng)： 如上圖，由主時間服務(wù)器、二級時間服務(wù)和客戶端組成的互連網(wǎng)絡(luò)。
  • 主時間服務(wù)器：指直接通過線纜或無線電同步到標(biāo)準(zhǔn)參考時鐘的設(shè)備，標(biāo)準(zhǔn)參考時鐘通常指RadioClock或衛(wèi)星定位系統(tǒng)或原子時鐘。
  • 二級時間服務(wù)器：通過主時間服務(wù)器或子網(wǎng)中其他二級服務(wù)器獲得時鐘同步，并向外提供時鐘同步服務(wù)的設(shè)備。二級時間服務(wù)器通過 NTP 將時間信息傳送到局域網(wǎng)內(nèi)部的其它主機(jī)。
  • 客戶端：從主時間服務(wù)器或二級服務(wù)器獲得時鐘同步，但不提供時鐘同步服務(wù)，比如手機(jī)和普通家用電腦中的網(wǎng)絡(luò)校時程序。
  • 層數(shù)： 層數(shù)是對時鐘同步的一個分級標(biāo)準(zhǔn)，取值范圍1～16，代表了時鐘的精確度，數(shù)值越小說明在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上離主時間同步服務(wù)器越近，精度越高。1表示最高精度，16表示未同步。

在正常情況下，同步子網(wǎng)中的主時間服務(wù)器和二級時間服務(wù)器呈現(xiàn)出一種分層主從結(jié)構(gòu)。在這種分層結(jié)構(gòu)中，主時間服務(wù)器位于根部，二級時間服務(wù)器向葉子節(jié)點(diǎn)靠近，層數(shù)遞增，準(zhǔn)確性遞減，降低的程度取決于網(wǎng)絡(luò)路徑和本地時鐘的穩(wěn)定性。

3. NTP 報(bào)文格式

NTP有兩種不同類型的報(bào)文，一種是時鐘同步報(bào)文，另一種是控制報(bào)文。控制報(bào)文僅用于需要網(wǎng)絡(luò)管理的場合，它對于時鐘同步功能來說并不是必需的，這里不做介紹。

時鐘同步報(bào)文封裝在UDP報(bào)文中，其格式如圖所示：


NTP時鐘同步報(bào)文

各主要字段解釋如下：

  • LI (Leap Indicator) : 長度為2比特，值為“11”時表示告警狀態(tài)，時鐘未被同步。為其他值時NTP本身不做處理。
  • VN (Version Number): 長度為3比特，表示NTP的版本號.
  • Mode：長度為3比特，表示NTP的工作模式。不同的值所表示的含義分別是：0未定義、1表示主動對等體模式、2表示被動對等體模式、3表示客戶模式、4表示服務(wù)器模式、5表示廣播模式或組播模式、6表示此報(bào)文為NTP控制報(bào)文、7預(yù)留給內(nèi)部使用。
  • Stratum：系統(tǒng)時鐘的層數(shù)，取值范圍為1～16，它定義了時鐘的準(zhǔn)確度。層數(shù)為1的時鐘準(zhǔn)確度最高，準(zhǔn)確度從1到16依次遞減，層數(shù)為16的時鐘處于未同步狀態(tài)，不能作為參考時鐘。
  • Poll：輪詢時間，即兩個連續(xù)NTP報(bào)文之間的時間間隔。
  • Precision：系統(tǒng)時鐘的精度。
  • Root Delay：本地到主參考時鐘源的往返時間。
  • Root Dispersion：系統(tǒng)時鐘相對于主參考時鐘的最大誤差。
  • Reference Identifier：參考時鐘源的標(biāo)識。
  • Reference Timestamp：系統(tǒng)時鐘最后一次被設(shè)定或更新的時間。
  • Originate Timestamp：NTP請求報(bào)文離開發(fā)送端時發(fā)送端的本地時間。
  • Receive Timestamp：NTP請求報(bào)文到達(dá)接收端時接收端的本地時間。
  • Transmit Timestamp：應(yīng)答報(bào)文離開應(yīng)答者時應(yīng)答者的本地時間。
  • Authenticator：驗(yàn)證信息。

其中，NTP發(fā)送和接收的報(bào)文數(shù)據(jù)包類似，通常只需要前48個字節(jié)就能進(jìn)行授時和校時服務(wù)。下面分別是抓包獲取的NTP請求數(shù)據(jù)包和回復(fù)數(shù)據(jù)包示例（僅前48個字節(jié)）：

  • 請求數(shù)據(jù)包：

1B 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 ------------頭部
D0 AF 5F F5 23 D7 08 00---------------Originate Timestamp (T_1)出發(fā)時間戳有效位為8 bytes

  • 回復(fù)數(shù)據(jù)包：

1C 02 00 EC 00 00 06 EA 00 00 0C A2 C0 A8 33 CA----數(shù)據(jù)包頭部，共16 bytes
D0 AF 5E A3 F5 BD 72 BC---------------Reference Timestamp
D0 AF 5F F5 23 D7 08 00---------------Originate Timestamp (T_1)
D0 AF 61 D7 CD 2E F9 11---------------Receive Timestamp (T_2)
D0 AF 61 D7 CD 2F F4 BA---------------Transmit Timestamp (T_3)

收到數(shù)據(jù)包后，接收端本地再產(chǎn)生一個時間戳(T_4)。
這里，每個返回?cái)?shù)據(jù)前4字節(jié)為秒的整數(shù)部分，后4字節(jié)為秒的小數(shù)部分。

4. NTP工作模式

設(shè)備可以采用多種NTP工作模式進(jìn)行時間同步：

  • 單播C/S模式
  • 對等體模式
  • 廣播模式
  • 組播模式
  • 多播模式

4.1 單播C/S模式

單播C/S模式運(yùn)行在同步子網(wǎng)層數(shù)較高的層級上，客戶端需要預(yù)先知道時間服務(wù)器IP或域名并定期向服務(wù)器發(fā)送時間同步請求報(bào)文，報(bào)文中的 Mode字段設(shè)置為 3（客戶模式）。服務(wù)器端收到報(bào)文后會自動工作在服務(wù)器模式，并發(fā)送應(yīng)答報(bào)文，報(bào)文中的Mode字段設(shè)置為4（服務(wù)器模式）?？蛻舳耸盏綉?yīng)答報(bào)文后，進(jìn)行時鐘過濾和選擇，并同步到優(yōu)選的服務(wù)器?？蛻舳瞬还芊?wù)器端是否可達(dá)，也不管服務(wù)器端所在的層數(shù)。在這種模式下，客戶端會同步到服務(wù)器，但不會修改服務(wù)器的時鐘。服務(wù)器則在客戶端發(fā)送請求之間無需保留任何狀態(tài)信息?？蛻舳烁鶕?jù)本地情況自由管理發(fā)送報(bào)文的時間間隔。


單播C/S模式圖例

4.2 對等體模式

對等體模式運(yùn)行在同步子網(wǎng)較低層級上，主動對等體和被動對等體實(shí)現(xiàn)時鐘相互同步。這里有兩個概念：主動對等體和被動對等體。

  • 主動對等體：指對等體模式下，同步報(bào)文主動發(fā)起方。

  • 被動對等體：指對等體模式下，同步報(bào)文被動回應(yīng)方。


    對等體模式圖例

如上圖所示，對等體模式工作步驟如下：
1.主動對等體和被動對等體首先交互Mode字段為3（客戶端模式）和4（服務(wù)器模式）的NTP報(bào)文，這一步主要是獲得通信時延。

  1. 主動對等體向被動對等體發(fā)送時鐘同步報(bào)文，報(bào)文中的Mode字段設(shè)置為1（主動對等體）。不考慮被動對等體是否可達(dá)以及對等體的層數(shù)。
  2. 被動對等體收到報(bào)文后自動工作在被動對等體模式，并發(fā)送應(yīng)答報(bào)文，報(bào)文中的Mode字段設(shè)置為2（被動對等體）。
  3. 經(jīng)過報(bào)文的交互，對等體模式建立起來。

主動對等體和被動對等體可以互相同步。如果雙方的時鐘都已經(jīng)同步，則以層數(shù)小的時鐘為準(zhǔn)。

注意：對等體模式不需要用戶手動設(shè)置，設(shè)備依據(jù)收到的NTP報(bào)文自動建立連接并設(shè)置狀態(tài)變量。

4.3 廣播模式

廣播模式應(yīng)用在多臺工作站和不需要很高精度的高速網(wǎng)絡(luò)中。主要工作流程如圖所示：


廣播模式圖例
  1. 服務(wù)器端周期性地向廣播地址255.255.255.255發(fā)送時鐘同步報(bào)文，報(bào)文中的Mode字段設(shè)置為5（廣播模式）。它不需要考慮其他設(shè)備是否可以到達(dá)以及層數(shù)多少。
  2. 設(shè)備偵聽來自服務(wù)器的廣播報(bào)文。當(dāng)設(shè)備接收到第一個廣播報(bào)文后，自動進(jìn)入客戶端模式并與服務(wù)器交互Mode字段為3（客戶模式）和4（服務(wù)器模式）的NTP報(bào)文，以獲得客戶端與服務(wù)器間的網(wǎng)絡(luò)延遲。
  3. 之后，客戶端進(jìn)入廣播客戶端模式，繼續(xù)偵聽廣播報(bào)文的到來，根據(jù)到來的廣播報(bào)文將系統(tǒng)時鐘與服務(wù)器進(jìn)行同步。

注意：在廣播模式下，服務(wù)端只負(fù)責(zé)向外廣播時鐘信息，自身時鐘不受客戶端影響。

4.4 組播模式

組播模式適用于有大量客戶端分布在網(wǎng)絡(luò)中的情況。通過在網(wǎng)絡(luò)中使用 NTP 組播模式， NTP 服務(wù)器發(fā)送的組播消息包可以到達(dá)網(wǎng)絡(luò)中所有的客戶端，從而降低由于 NTP 報(bào)文過多而給網(wǎng)絡(luò)造成的壓力。主要工作流程如下：

組播模式圖例
  1. 服務(wù)器端周期性地向用戶指定的組播地址（若用戶沒有配置組播地址，則使用默認(rèn)的NTP組播地址224.0.1.1）發(fā)送時鐘同步報(bào)文，報(bào)文中的Mode字段設(shè)置為5（組播模式）。它不需要考慮其他設(shè)備是否可以到達(dá)以及層數(shù)多少。
  2. 設(shè)備偵聽來自服務(wù)器的組播報(bào)文。當(dāng)設(shè)備接收到第一個組播報(bào)文后，自動進(jìn)入客戶端模式并與服務(wù)器交互Mode字段為3（客戶模式）和4（服務(wù)器模式）的NTP報(bào)文，以獲得客戶端與服務(wù)器間的網(wǎng)絡(luò)延遲。
  3. 之后，客戶端進(jìn)入組播客戶端模式，繼續(xù)偵聽組播報(bào)文的到來，根據(jù)到來的組播報(bào)文將系統(tǒng)時鐘與服務(wù)器進(jìn)行同步。

注意：組播模式和廣播模式類似，只是它是向特定的組播地址發(fā)送時鐘同步廣播報(bào)文。在組播模式下，服務(wù)端只負(fù)責(zé)向外廣播時鐘信息，自身時鐘不受客戶端影響。

4.5 多播模式

多播模式適用于服務(wù)器分布分散的網(wǎng)絡(luò)中?？蛻舳丝梢园l(fā)現(xiàn)與之最近的多播服務(wù)器，并進(jìn)行同步。多播模式適用于服務(wù)器不穩(wěn)定的組網(wǎng)環(huán)境中，服務(wù)器的變動不會導(dǎo)致整網(wǎng)中的客戶端重新進(jìn)行配置。其工作流程如下：


多播模式圖例
  1. 客戶端周期性地向IPv4/IPv6組播地址發(fā)送時鐘同步報(bào)文，報(bào)文中的Mode字段設(shè)置為3（客戶端模式）。它不需要考慮時間服務(wù)器是否可以到達(dá)以及層數(shù)多少。
  2. 服務(wù)器持續(xù)偵聽組播報(bào)文。當(dāng)設(shè)備接收到第一個組播報(bào)文后，自動進(jìn)入服務(wù)器模式并返回Mode字段為4（服務(wù)器模式）的NTP報(bào)文。
  3. 客戶端接受到來自多個時鐘服務(wù)器的應(yīng)答報(bào)文，經(jīng)過時鐘過濾和選擇同步到優(yōu)選始終服務(wù)器。

注意：為了防止多播模式下，客戶端不斷的向多播服務(wù)器發(fā)送 NTP 請求報(bào)文增加設(shè)備的負(fù)擔(dān)，協(xié)議規(guī)定了最小連接數(shù)的概念。多播模式下，客戶端每次和服務(wù)器時鐘同步后，都會記錄下此次同步過中建立的連接數(shù)，將調(diào)用最少連接的數(shù)量被稱為最小連接數(shù)。以后當(dāng)客戶端調(diào)動的連接數(shù)達(dá)到了最小連接數(shù)且完成了同步，客戶端就認(rèn)為同步完成；同步完成后每過一個超時周期，客戶端都會傳送一個報(bào)文，用于保持連接。同時，為了防止客戶端無法同步到服務(wù)器，協(xié)議規(guī)定客戶端每發(fā)送一個 NTP 報(bào)文，都會將報(bào)文的生存時間 TTL（Time To Live）進(jìn)行累加（初始為 1），直到達(dá)到最小連接數(shù)，或者 TTL 值達(dá)到上限（上限值為 255）。若 TTL 達(dá)到上限，或者達(dá)到最小連接數(shù)，而客戶端調(diào)動的連接數(shù)仍不能完成同步過程，則客戶端將停止一個超時周期的數(shù)據(jù)傳輸以清除所有連接，然后重復(fù)上述過程。

5. NTP時鐘服務(wù)器

下面補(bǔ)充一些常用的NTP時鐘服務(wù)器：

名稱 地址
北斗授時服務(wù) 114.255.121.193
清華TUNA協(xié)會 ntp.tuna.tsinghua.edu.cn
國家NTP授時 ntp.ntsc.ac.cn
中國NTP快速授時 cn.ntp.org.cn
教育網(wǎng)NTP授時 edu.ntp.org.cn

更多NTP授時服務(wù)器請查看：

  1. NTP授時服務(wù)器池
  2. dns.iui.im
  3. www.ntppool.org

6. 主流操作系統(tǒng)客戶端使用NTP同步時間

假設(shè)你比較喜歡清華的服務(wù)并打算將ntp.tuna.tsinghua.edu.cn作為你的授時服務(wù)器。下面將簡單介紹不同的操作系統(tǒng)該如何操作使得設(shè)備能夠使用此服務(wù)器同步時間。

Windows客戶端

本部分以主流Windows 10 系統(tǒng)為例演示如何使用NTP服務(wù)同步系統(tǒng)時間。

  • 方案一
    在“控制面板 > 時鐘、語言和區(qū)域 > 日期和時間 > Internet時間 > 更改設(shè)置”中勾選“與 Internet 時間服務(wù)器同步”，在“服務(wù)器”一欄填入ntp.tuna.tsinghua.edu.cn。

  • 方案二
    通過在命令提示符中使用

w32tm /config /manualpeerlist:ntp.tuna.tsinghua.edu.cn /syncfromflags:manual /update

來將此服務(wù)器設(shè)置為個人選擇的時間服務(wù)器。

Linux客戶端

Linux發(fā)行版有兩個主流程序支持ntp協(xié)議：ntpd和chrony。
具體使用和配置參考各自文檔：ntpd doc 和 chrony doc

MAC客戶端

在“系統(tǒng)配置 > 日期與時間 > 自動設(shè)置日期與時間”一欄，填入 ntp.tuna.tsinghua.edu.cn。

7. #TODO

  1. 自建NTP授時服務(wù)器

參考資料：

  1. 通過網(wǎng)絡(luò)NTP協(xié)議進(jìn)行時間同步
  2. NTP報(bào)文格式
  3. NTP時鐘同步技術(shù)詳解
  4. NTP授時方式
  5. 實(shí)驗(yàn)九：NTP 服務(wù)的實(shí)現(xiàn)
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