【RL-TCPnet網絡教程】第29章 NTP網絡時間協議基礎知識

第29章      NTP網絡時間協議基礎知識

本章節爲你們講解NTP (Network Time Protocol，網絡時間協議)和SNTP（簡單網絡時間協議，Simple Network Time Protocol）的基礎知識，方便後面章節的實戰操做。

（本章的知識點主要整理自網絡）

29.1  初學者重要提示

29.2  NTP基礎知識參考資料

29.3  NTP基礎知識點

29.4  SNTP基礎知識點

29.5  總結

 

 

29.1  初學者重要提示

NTP網絡時間協議在實際項目中有比較重要的實戰價值，須要初學者對NTP和SNTP的基礎知識也有個認識。

 

29.2  NTP基礎知識參考資料

你們能夠從如下地址得到NTP和SNTP基礎知識：

• wiki百科中文版NTP：地址連接（這個是超連接）
• wiki百科英文版NTP：地址連接（這個是超連接）
• 百度百科NTP：地址連接（這個是超連接）
• 百度百科SNTP：地址連接（這個是超連接）

對於初學者來講，學習上面四個參考資料就夠了。若是你們有網絡方面的書籍，好比《TCP/IP詳解》，也能夠直接看書籍。

 

29.3  NTP基礎知識點

（這裏的知識點整理自上面的參考資料地址）

教程這裏也對NTP的基礎知識作個介紹，方便你們先有個大概的認識。

29.3.1 NTP簡要說明

NTP是網絡時間協議(Network Time Protocol)，它是用來同步網絡中各個計算機時間的協議。

在計算機的世界裏，時間很是地重要，例如對於火箭發射這種科研活動，對時間的統一性和準確性要求就很是地高，是按照計算機A的時間，仍是按照計算機B的時間，或者其它計算機？NTP就是用來解決這個問題的，NTP是用來使網絡中的各個計算機時間同步的一種協議。它的用途是把計算機的時鐘同步到國際標準時間UTC（Universal Time Coordinated，世界協調時），其精度在局域網內可達0.1ms，在互聯網上絕大多數的地方其精度能夠達到1-50ms。

它可使計算機對其服務器或時鐘源（如石英鐘，GPS等等）進行時間同步，它能夠提供高精準度的時間校訂，並且可使用加密確認的方式來防止病毒的協議攻擊。

 

29.3.2 NTP原理

NTP要提供準確的時間，就必須有準確的時間來源，那能夠用格林尼治時間嗎？答案是否認的。由於格林尼治時間是以地球自轉爲基礎的時間計量系統，可是地球天天的自轉是有些不規則的，並且正在緩慢加速，所以，格林尼治時間已經再也不被做爲標準時間使用。

新的標準時間，是由原子鐘報時的國際標準時間UTC（Universal Time Coordinated，世界協調時）。因此NTP得到UTC的時間來源能夠是原子鐘、天文臺、衛星，也能夠從Internet上獲取。

有了準確而可靠的時間源，那這個時間如何傳播呢？在NTP中，定義了時間按照服務器的等級傳播，按照離外部UTC源的遠近將全部的服務器納入不一樣的Stratum（層）中，例如把經過GPS取得發送標準時間的服務器叫Stratum-1的NTP服務器，而Stratum-2則從Stratum-1獲取時間，Stratum-3從Stratum-2獲取時間，以此類推，但Stratum層的總數限制在15之內。全部這些服務器在邏輯上造成階梯式的架構相互鏈接，而Stratum-1的時間服務器是整個系統的基礎。

計算機主機通常同多個時鐘服務器鏈接，利用統計學的算法過濾來自不一樣服務器的時間，以選擇最佳的路徑和來源以便校訂主機時間。即便在主機長時間沒法與某一時鐘服務器聯繫的狀況下，NTP服務依然能夠有效運轉。

爲了防止對時鐘服務器的惡意破壞，NTP使用了識別機制，檢查發送來的信息是否真正來自所宣稱的時鐘服務器並檢查信息的返回路徑，以提供對抗干擾的保護機制。

NTP時間同步報文中包含的時間是格林威治時間，是從1900年開始計算的秒數。

 

29.3.3 NTP發展

NTP首次記載是在Internet Engineering Note之中，其精確度爲百毫秒。稍後出現了首個時間協議的規範，即RFC-778，它被命名爲DCNET互聯網時間服務，而它提供這種服務仍是藉助於ICMP（Internet Control Message Protocol，Internet控制報文協議），即互聯網控制消息協議中的時間戳消息和時間戳應答消息做爲NTP。

NTP名稱的首次出現是在RFC-958之中，該版本也被稱爲NTP Version0，其目的是爲ARPA（Advanced Research Projects Agency，美國國防部高級研究計劃署）的網絡提供時間同步。它已徹底脫離ICMP，是做爲獨立的協議以便完成更高要求的時間同步功能。它對於本地時鐘的偏差估算和精密度等基本運算、參考時鐘的特性、網絡上的分組數據包及其消息格式都進行了描述。可是不對任何頻率偏差進行補償，也沒有規定濾波和同步的算法。

美國特拉華大學（University of Delaware）的David L .Mills主持了由ARPA、NSF（National Science Foundation，美國國家科學基金）和NSWC（Naval Surface Warfare Center，美國海軍水面武器中心）資助的網絡時間同步項目，成功的開發出了NTP協議的Version一、Version2和Version3 三個版本。

NTP Version1出現於1988年6月，在RFC-1059中描述了首個完整的NTP規範和相關算法。這個版本已經採用了客戶端/服務器端（Client/Server）模式以及對稱操做，可是它不支持受權鑑別和NTP的控制消息。

1989年9月推出了取代RFC-958和RFC-1059的NTP Version2版本即RFC-1119。

幾乎同時，DEC公司也推出了一個時間同步協議DTSS（Digital Time Synchronization Service，數字時間同步服務）。在1992年3月，NTP Version3版本RFC-1305問世，該版本總結和綜合了NTP以前的全部版本和DTSS，正式引入了校訂原則，並改進了時鐘選擇和時鐘濾波的算法，並且還引入了時間消息發送的廣播模式，這個版本取代了NTP的先前版本。

NTP Version3發佈後，一直在不斷地進行改進，NTP實現的一個重要功能是對計算機操做系統的時鐘調整。在NTP Version3研究和推出的同時，有關在操做系統核心中改進時間保持功能的研究也在同步進行。

1994年推出了RFC-1589，名爲A KernelModel for Precision Time keening，能夠把計算機操做系統的時間精確度保持在微秒數量級。

截止到2010年6月，最新的NTP版本是第4版（NTP Version 4），其標準化文檔爲RFC 5905，它繼承自RFC 1305所描述的NTP Version3。網絡時間同步技術也將向更高精度、更強的兼容性和多平臺的適應性方向發展。

 

29.3.4 NTP時間戳

NTP使用64bit的時間戳，其中32位表示秒，另外32位表示秒的小數，給出一個每2^32秒（136年）纔會翻轉的時間尺度，理論分辨率2^−32秒。NTP以1900年1月1日做爲開始時間，所以第一次翻轉將在2036年2月7日發生。

NTP的將來版本可能將時間表示擴展到128位：其中64位表示秒，另外64位表示秒的小數。當前的NTPv4格式支持「時代數字」（Era Number）和「時代偏移」（Era Offset），正確使用它們應該有助於解決日期翻轉問題。據NTP的設計者David L. Mills稱：「64位的秒小數足以分辨光子以光速經過電子所需的時間。64位的秒足以提供明確的時間表示，直到宇宙變暗。」

 

29.3.5 NTP時鐘同步算法

 

典型的NTP客戶端將按期輪詢不一樣網絡上的三個或更多服務器。爲同步其時鐘，客戶端必須計算其時間偏移量和來回通訊延遲。時間偏移「θ」定義爲：

 

往返延遲「δ」爲：

 

其中：

t0 是請求數據包傳輸的客戶端時間戳，

t1 是請求數據包回覆的服務器時間戳，

t2 是響應數據包傳輸的服務器時間戳

t3 是響應數據包回覆的客戶端時間戳。

「θ」和「δ」的值經過過濾器並進行統計分析。異常值被剔除，並從最好的三個剩餘候選中導出估算的時間偏移。而後調整時鐘頻率以逐漸減少偏移，建立一個反饋迴路。

當客戶端和服務器之間的輸入和輸出路由都具備對稱的標稱延遲時，同步是正確的。若是路由沒有共同的標稱延遲，則將差別取半做爲測量偏差。

 

29.4 SNTP基礎知識點

（這裏的知識點整理自上面的參考資料地址）

簡單網絡時間協議SNTP（Simple Network Time Protocol），由 NTP 改編而來，主要用來同步因特網中的計算機時鐘,在 RFC2030 中定義。它使用在某些嵌入式系統和不須要高精度時間的應用中。

 

29.4.1 SNTP簡要說明

在一些特定的場景中，常常須要整個網絡中的計算機保持時間同步。例如，空中管制系統或者軌道交通控制系統中的計算機的時間須要保持精確同步。在大型計算機系統中，每每由不少臺計算機共同執行某個計算，也須要各臺計算機保持時間同步。那麼，咱們經過什麼方法來同步這些計算機的時間呢？

科學家發明了一種叫作NTP的網絡時間協議。網絡時間協議是一種在網絡計算機上同步計算機時間的的協議，它具備高度的精確性（能精確到幾十毫秒），可是算法很是複雜。實際上，在不少應用場景中，並不須要這麼高的精確度，一般只要達到秒級的精確度就足夠了。因而，科學家在NTP的基礎上推出了SNTP（簡單網絡時間協議，Simple Network Time Protocol）。SNTP大大簡化了NTP協議，同時也能保證時間達到必定的精確度。在實際應用中，SNTP協議主要被用來同步因特網上計算機的時間。

 

29.4.2 SNTP工做原理

SNTP協議採用客戶端/服務器的工做方式，能夠採用單播（點對點）或者廣播（一點對多點）模式操做。SNTP服務器經過接收GPS信號或自帶的原子鐘做爲系統的時間基準。單播模式下，SNTP客戶端可以經過按期訪問SNTP服務器得到準確的時間信息，用於調整客戶端自身所在系統的時間，達到同步時間的目的。廣播模式下，SNTP服務器週期性地發送消息給指定的IP廣播地址或者IP多播地址。SNTP客戶端經過監聽這些地址來得到時間信息。

網絡中通常存在不少臺SNTP服務器，客戶端會經過必定的算法選擇最好的幾臺服務器使用。若是一臺SNTP服務器在工做過程當中失去了外部時間源，此時SNTP服務器會告訴SNTP客戶端「我失去了外部時間」。當SNTP客戶端收到這個信息時，就會丟棄發生故障的SNTP服務器發給它的時間信息，而後從新選擇其餘的SNTP服務器。

 

29.5 總結

本章節就爲你們講解這麼多，更多NTP和SNTP的相關知識須要你們查閱相關書籍進行學習，或者網上搜索相關資料進行學習。