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什么是NTP?

网络时间协议NTP(Network Time Protocol)是TCP/IP协议族里面的一个应用层协议,用来使客户端和服务器之间进行时钟同步,提供高精准度的时间校正。NTP服务器从权威时钟源(例如原子钟、GPS)接收精确的协调世界时UTC,客户端再从服务器请求和接收时间。
NTP基于UDP报文进行传输,使用的UDP端口号为123。

为什么时钟同步很重要?

出于诸多原因,精确的时间对于网络至关重要,比如:

  • 网络管理:从不同网络设备采集来的日志信息进行分析时,需要以时间作为参照依据。如果不同设备上的系统时间不一致,会因先后顺序等问题给故障定位带来障碍。
  • 计费系统:计费业务对于时间尤其敏感,要求所有设备的时间保持一致,否则会引起计费不准确,导致用户质疑、投诉等。
  • 协同处理:多个系统协同处理同一个复杂事件,为保证正确的执行顺序,多个系统必须参考同一时钟。
  • 系统时间:某些应用或服务需要准确的时间来标记用户登录、交易等操作信息,确保可追溯记录。

因此有一个统一的标准时间对于网络而言意义重大。

NTP就是用来使网络中的各个主机时钟同步的一种协议,他把主机的时钟同步到协调世界时UTC,其精度在LAN网络内可达1毫秒内,在WAN网络上可以达到几十毫秒内。

NTP协议发展历史

NTP是由美国Delaware大学David L .Mills教授设计的,是最早用于网络中时钟同步的标准之一。NTP是从时间协议和ICMP时间戳报文演变而来,NTP的版本演进如下所示。

NTP发展历史
NTP发展历史

NTP时钟层级

NTP允许客户端从服务器请求和接收时间,而服务器又从权威时钟源(例如原子钟、GPS)接收精确的协调世界时UTC。

NTP以层级来组织模型结构,层级中的每层被称为Stratum。通常将从权威时钟获得时钟同步的NTP服务器的层数设置为Stratum 1,并将其作为主时间服务器,为网络中其他的设备提供时钟同步。而Stratum 2则从Stratum 1获取时间,Stratum 3从Stratum 2获取时间,以此类推。时钟层数的取值范围为1~16,取值越小,时钟准确度越高。层数为1~15的时钟处于同步状态;层数为16的时钟被认为是未同步的,不能使用的。

NTP模型结构
NTP模型结构

NTP同步原理

NTP最典型的授时方式是Client/Server方式,如下图所示。

NTP同步原理
NTP同步原理
  1. 客户端首先向服务端发送一个NTP请求报文,其中包含了该报文离开客户端的时间戳t1;
  2. NTP请求报文到达NTP服务器,此时NTP服务器的时刻为t2。当服务端接收到该报文时,NTP服务器处理之后,于t3时刻发出NTP应答报文。该应答报文中携带报文离开NTP客户端时的时间戳t1、到达NTP服务器时的时间戳t2、离开NTP服务器时的时间戳t3;
  3. 客户端在接收到响应报文时,记录报文返回的时间戳t4。

客户端用上述4个时间戳参数就能够计算出2个关键参数:

  • NTP报文从客户端到服务器的往返延迟delay。

  • 客户端与服务端之间的时间差offset。

    根据方程组:

    可以解得时间差为:

NTP客户端根据计算得到的offset来调整自己的时钟,实现与NTP服务器的时钟同步。

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  • 作者: 高洋洋
  • 最近更新: 2021-10-09
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