計算機網絡時間同步技術原理介紹

1.前言

由計算機網絡系統組成的分佈式系統，若想協調一致進行：IT行業的「整點開拍」、「秒殺」、「Leader選舉」，通訊行業的「同步組網」之類業務處理，毫秒級甚至微秒級的時間同步是重要基礎之一。

2.術語描述

2.0 世界時

世界時UT，能夠簡單理解爲按照地球自轉一週來計量24小時的時間標準，因爲地球自轉速率的變化，世界時的秒長會有微小的變化，天天的快慢能夠達到千分之幾秒。

2.1 TAI時間

世界時不許，所以國際組織定義了TAI時間,即國際原子時（ International Atomic Time），其起點是1958年的開始（世界時UT），以銫原子鐘走秒連續計時的時間。

2.2 UTC時間

計算機網絡廣泛使用的UTC時間（協調世界時），由國際計量局BIPM綜合全世界多個守時實驗室的鐘組計算獲得，爲了使UTC時間與地球自轉1天的時間（世界時UT）協調一致，每隔1到2年， BIPM會通告在UTC時間6月30日或12月31日最後一分鐘「加一秒」或「減一秒」等閏秒調整。也就是說，UTC時間會出現60秒或少了59秒的狀況。

最近一次閏秒是UTC時間2015年6月底：

2015 年6月30日，23時 59分 59秒
2015 年6月30日，23時 59分 60秒
2015 年7月 1日， 0時 0分 0秒

因爲存在閏秒，UTC時間與TAI時間是有差異的，UTC = TAI - n，這個n如今（2016年1月）是36秒，也就是說UTC時間比TAI時間慢了36秒。

2.3 北京時間

北京時間也就是東八區時間，在UTC時間基礎上加8小時，中國的北京標準時間由位於陝西的國家授時中心發播。

2.4 GPS時間

由GPS系統經過衛星信號發播的原子時間，GPS時間用自1980年1月6日零點（UTC時間）起的星期數和該星期內內的秒數來表示。

工程上，GPS接收機會根據閏秒數將GPS時間換算爲咱們一般使用的UTC時間。GPS時間的源頭是美國海軍天文臺的守時原子鐘組。

2.5 北斗（BDS）時間

由北斗衛星導航系統經過衛星信號發播的原子時間，一樣，北斗接收機會根據閏秒數將北斗時間換算爲咱們一般使用的UTC時間。

北斗時間的時鐘源是位於北京的解放軍時頻中心的守時原子鐘組，陝西的國家授時中心好尷尬:(。

2.6 頻率

時間的導數就是頻率，機械發條、石英晶體振盪器、原子鐘等各類時鐘源經過產生頻率信號，按照頻率均勻打拍計數，模擬時間的等間隔流逝，就有了可見的「時間」。

2.7 頻率準確度

手錶有準和不許的，反映的就是頻率準不許，時鐘頻率和標準頻率的誤差能夠用頻率準確度來衡量。1E-9量級表示1秒會差1ns，咱們使用的我的電腦，它的守時時鐘是個32. 768kHz的石英晶振，準確度大概只有2E-5量級（20ppm），也就是說1秒會差0.02ms，1天會跑偏大概2秒。

2.8 時間同步

廣義的「時間同步」包括的時間和頻率的同步。上級時鐘將時間頻率信號經過各類有線（以太網、SDH數字網、同軸電纜、電話等）、無線（衛星、長波、電臺、微波、WIFI、Zigbee等）鏈路傳遞給下級時鐘，下級時鐘接受時間頻率信息後，與上級時鐘保持相位、頻率的一致。

3.時間同步原理

3.1 單向授時

上級時鐘主動發播時間信息，下級用戶端被動接受時間信息，並調整本地時鐘使時差控制在必定範圍內。

要想提升授時精度，用戶端必須計算出時間信息在傳播鏈路中的延時，GPS/北斗等衛星授時，能夠經過用戶端定位與衛星之間距離肯定電磁傳輸延時，消除大部分偏差，而電纜、網絡等若是是單向授時方式就沒法準確計算單向鏈路時延了。

3.2 雙向授時

用戶端將接受的時間信息原路返回給上級時鐘服務端，服務端將往返時間除以二即獲得單向鏈路時延，再把單向時延告訴客戶端，在此基礎上，客戶端獲得服務端更準確的時間信息。好比：北斗單向衛星授時精度100ns，雙向衛星授時精度可作到20ns。

3.3 網絡時間同步

網絡時間同步，特指在計算機網絡內的服務器與客戶端之間利用網絡報文交換實現的時間同步。

鑑於計算機網絡傳輸路徑的不肯定性和中間路由交換設備轉發報文時間的不肯定性，經過單播或多播實現的單向網絡授時是不可靠的。所以，前輩們發明的網絡時間同步技術NTP/PTP等，基本原理都是經過對網絡報文打時間戳（標記），往返交換報文計算傳輸時延和同步偏差。

3.4 頻率同步

頻率同步指的是主從時鐘的頻率偏差保持在必定範圍內，頻率同步有2種類型:

第1種是直接傳遞模擬頻率信號，好比用電纜或光纜傳遞10MHz、5Mhz、2.048MHz等標準頻率，或者傳遞bit位寬脈衝；

第2種是經過測量獲得的主從時鐘時差，經過鎖定主從相差實現頻率鎖定（PLL），或者間接計算頻率誤差，完成頻率修正。

4.計算機網絡時間同步

計算機網絡時間同步只是時間同步的一種應用場景，其時間傳遞的鏈路多是SDH網、以太網、WIFI無線網絡等。

4.1 NTP

NTP（Network Time Protocol）從1985年誕生來，目前仍在在大部分的計算機網絡中起着同步系統時間的做用。

• 基本原理

服務器和客戶端之間經過二次報文交換，肯定主從時間偏差，客戶端校準本地計算機時間，完成時間同步，有條件的話進一步校準本地時鐘頻率。

• 時間同步過程

服務器在UDP的132端口提供授時服務，客戶端發送附帶T1時間戳（Timestamp）的查詢報文給服務器，服務器在該報文上添加到達時刻T2和響應報文發送時刻T3，客戶端記錄響應報到達時刻T4。

改個維基的圖：

• 時差計算

維基這個圖中用藍色標註了主從直接來回鏈路的時延Sigma：
Sigma = (t4-t1)-(t3-t2)
所以，假設來回網絡鏈路是對稱的，即傳輸時延相等，那麼能夠計算客戶端與服務器之間的時間偏差Delta爲：
Delta = t2-t1-Sigma/2=((t2-t1)+(t3-t4))/2

客戶端調整自身的時間Delta，便可完成一次時間同步。

• 計時方式

NTP採用UTC時間計時，NTP時間戳包括自1900-01-01 00:00:00開始的UTC總秒數，當前秒的亞秒數。

當正閏秒時，60秒和下一分鐘的0秒的NTP總秒數一致的，所以NTP報文專門定義了閏秒指示域來提示。

• 偏差分析

局域網內計算機利用NTP協議進行時間同步，時間同步精度在5ms左右，主要偏差包括：

1）計算機打時間戳的位置在應用層，受協議棧緩存、任務調度等影響，不能在網絡報文到來時立刻打戳；
2）各類中間網絡傳輸設備帶來的傳輸時延不肯定性以及鏈路的不對稱性，將進一步下降NTP時間同步精度。

4.2 PTP

爲克服NTP的各類缺點，PTP(Precision Time Protocol，精確時間同步協議)應運而生，最新協議是IEEE1588v2，可實現亞微秒量級的時間同步精度。

• 基本原理

主從節點在網絡鏈路層打時間戳，利用支持IEEE1588協議的PHY片，精準記錄時間同步網絡報文接受或發送的時刻。交換機、路由器等網絡中間節點準確記錄時間同步報文在其中停留的時間，實現對鏈路時延的準確計算。

• 時間同步過程

PTP默認使用組播協議，二層或四層UDP組播均可以，通常咱們使用基於UDP組播，使用319和320兩個端口。

PTP定義了三種角色：OC、BC和TC。咱們通常接觸的是OC：主時鐘和從時鐘，交換機、路由器通常是BC或TC。

因爲硬件性能有限，網絡報文發送時記錄的時刻信息，能夠在隨後的Follow_Up跟隨報文中發出，這就是PTP的雙步模式(Two-step)。

下圖是兩OC主從時鐘之間的同步過程：

• a.主時鐘向從時鐘發送Sync報文，並在本地記錄發送時間t1；從時鐘收到該報文後，記錄接收時間t2。

• b.時鐘發送Sync報文以後，緊接着發送一個攜帶有t1的Follow_Up報文。

• c.從時鐘向主時鐘發送Delay_Req報文，用於發起反向傳輸延時的計算，並在本地記錄發送時間t3；主時鐘收到該報文後，記錄接收時間t4。

• d.主時鐘收到Delay_Req報文以後，回覆一個攜帶有t4的Delay_Resp報文。

• 時差計算

與NTP同樣的原理，從時鐘根據擁有的t1～t4這四個時間戳，由此可計算出主、從時鐘間的往返總延時爲：
Sigma = (t4-t1)-(t3-t2)

假設網絡是對稱的，從時鐘相對於主時鐘的時鐘誤差爲：
Delta = t2-t1-Sigma/2=((t2-t1)+(t3-t4))/2

• 計時方式

與NTP不一樣，PTP採用TAI世界原子時間計時，並且PTP計時的起點與unix時間一致，即UTC時間1970年1月1日0點。

PTP主鍾會告知從鍾，當前UTC相對於TAI的累計偏移量，從鍾據此計算當前準確的UTC時間。

• 偏差分析

PTP能準確記錄報文發送和接受的時間，也能計算中間鏈路的延時，剩下影響最大的就是網絡鏈路的不對稱性了。

在實際工程中，網絡中間鏈路設備不支持PTP協議，大大下降了PTP的同步精度。目前，PTP主要應用在通訊同步網、電力同步網等行業網絡系統裏。

• 同步拓撲

PTP域中全部的時鐘節點都按必定層次組織在一塊兒，可經過BMC（Best Master Clock，最佳主時鐘）協議動態選舉出最優時鐘，最優時鐘的時間最終將被同步到整個PTP域中。

BMC算法與STP（Spaning Tree Protocl）生成樹協議相似，最終造成無環路的樹形網絡拓撲，且都是動態選舉，能適應最佳主時鐘切換的變化。

• 擴展應用——PTP over SDH

充分利用各行業已有的SDH通訊網絡，利用PTP-E1信號轉換設備，架設PTP同步網絡，除了須要考慮鏈路倒換問題以外，SDH網絡的時延穩定性可大幅提高網絡時間同步精度。

4.3 SyncE同步以太網

以太網最先只能傳輸數據信號，有另外獨立的頻率同步網絡，隨着以太網的快速發展，SyncE（Synchronized Ethernet）同步以太網技術誕生後，企業們有了新的選擇。

• 基本原理

時鐘節點利用以太網（1000M、1G、10G等）物理層的空閒間隙，傳遞位寬時鐘信號，實現時鐘頻率信號（25M、125M等）的自上而下傳遞。

• 協議控制

相似於SDH網絡等時間間隔傳遞的SSM同步狀態信息，同步以太網（Sync-E）利用鏈路層ESMC協議封裝傳遞SSM信息，SSM信息包含時鐘質量信息，接收端據此選擇合適的上級網絡時鐘。

• 應用

通常商業PHY片提供SyncE功能選項，開啓該功能模式，便可利用PHY恢復出來的頻率信號，校準本地時鐘頻率或分頻後用於本地計時。

修改記錄

2016-5-25： 增長世界時，NTP和PTP計時方式。