浅析网络时间协议.doc

塔里木大学课程论文多媒体通信技术课程论文浅析网络时间协议学生姓名 唐艳梅 学 号 5021209132 专 业 通信工程 班 级 通信工程131班 授课教师 张学东 所属学院 信息工程学院 塔里木大学教务处制浅析网络时间协议摘要：随着网络的快速发展，对时间同步要求也越来越高。本文主要介绍了时间同步技术中的网络时间协议，包括其体系结构、工作原理、工作模式等，并讨论了其在时间同步网络中的应用。关键词：网络时间协议； 时间同步1引言随着信息技术的快速发展，设备的日益增多，许多网络应用和网络安全对时间同步问题提出了迫切需求。网络时间协议由美国德拉瓦大学的David L Mills教授于1985年提出，是用于设计使Internet上的计算机保持时间同步的一种通信协议。网络时间协议可以估算出数据包在Internet上的往返延迟，并独立地估算计算机时钟偏差。在大多数地方，NTP可以提供1100ms的可依赖性的同步时间源和网路工作路径1陈家佳，舒强.简单网络时间协议分析及实现.重庆邮电大学学报.2007（06）。NTP的设计充分考虑了网络上时间同步的复杂性，提供的机制严格、实用、有效，可以适应多数网络环境，从而实现网络上计算机间可靠和精确的时间同步。NTP不仅校正现行时间，而且持续跟踪时间的变化，能够自动进行调节，即使网络发生故障，也能维持时间的稳定。2正文2.1时间同步概述 在通信领域，时间同步是指各网络节点设备、应用系统的时钟使用同一时间参考基准协调世界时间（UTC），通过某种方式使其时钟的时刻和时间间隔与UTC 同步2冯博琴,徐景民,李波.计算机时间同步问题的研究J. 西安交通大学学报. 1999(05)。目前，有两种重要的时间同步技术，即网络协议（NTP）和直接连接传输技术。其中直接连接时间传输技术，需要所有客户端直接连接到标准时间源。NTP适用于网络环境下，可以在一个无序的网络环境下提供精确和健全的时间服务。这里我们主要讨论网络协议（NTP）。2.2网络时间协议2.2.1NTP协议概述NTP最早由美国德拉瓦大学的教授设计实现的，由时间协议、ICMP时间戳消息及IP时间戳选项发展而来。NTP用于将计算机客户或服务器的时间同步到另一服务器或参考时钟源。它使用UTC作为时间标准，是基于无连接的IP 协议和UDP协议的应用层协议，使用层次式时间分布模型，所能取得的准确度依赖于本地时钟硬件的精确度和对设备及进程延迟的严格控制。在配置时，NTP可以利用冗余服务器和多条网络路径来获得时间的高准确性和高可靠性。目前广泛应用的是NTP v3 标准（RFC- 1305）。实际应用中，又有确保秒级精度的简单的网络时间协议(Simple Network Time Protocol，SNTP)。SNTP是NTP 的一个子集，仅用于同步子网的末端。图1是对SNTP信息帧格式的描述。其中，LI是跳跃指示器，警告在当月最后一天的最终时刻插入的迫近闺秒（闺秒）；VN是NTP协议版本号；Mode、Stratum和Precision分别代表工作模式、时钟级别和本地钟精度。Poll是当前发送NTP消息的时间间隔的期望值。Root Delay表示主要参考源的总延迟。Root Dispersion表示相对于主要参考源的正常差错。Synchronizing Distance和Synchronizing Dispersion是当前往返延迟和相对于PRS的误差范围。Reference Timestamp代表当前时钟参考源的种类和最近一次更新时间，为管理目的而设立。后面三个字段分别代表三个时间戳：Originate Timestamp发送方最后接触包的时间，Receive Timestamp接收方收到包的时间，Transmit Timestamp接收方发送echo reply时最后接触包的时间。Authenticator是密匙指示标志和加密的校验盒。图1 SNTP信息帧格式2.2.2NTP的工作原理影响NTP 协议精确度最关键的原因在于由网络延迟的随机性而引起的时钟延迟计算的不准确。由于延迟不准确，所以无法依靠从时间服务器到客户机的单边传输来传递精确的时间信息。为了解决这个问题，在NTP协议中使用时间服务器和客户机之间的双向信息交换和时间戳的概念。图2显示了用这种方法确定的延迟和偏移的基本原理。图2 NTP的基本原理T1：客户方发送查询请求时间T2：服务器受到查询请求时间T3：服务器回复信息包时间：请求信息在网上的传输时间：回复信息在网上的传输时间图2实际上是传输层的协议操作，如果把（服务器和客户端之间的时间偏差）作为客户方的时间补尝，那么就有如时间计算公式：假设请求和回复在网上传播的时间相同，即，那么从以上式可看出，、只与T2、T1和T4、T3的差值有关，与服务器处理请求的时间无关。于是，客户就可以根据T1、T2、T3、T4计算与服务器之间的时间误差来调整本地时钟3张晓燕，李瑞欣.多媒体通信技术.北京：北京邮电大学出版社，2009：166170。2.2.3NTP的工作模式NTP有三种工作模式：客户/服务器模式；主/被动对称工作模式；广播模式。客户/服务器模式：客户机周期性地向服务器请求时间信息，服务器用来同步客户机但不能被客户机同步。客户机首先向服务器发送一个NTP 包，其中包含了该包离开客户机时的时间戳，当服务器接收到该包时，依次填入包到达时的时间戳、交换包的源地址和目的地址、填入包离开时的时间戳，然后立即把包返回给客户机。客户机在接收到响应包时再填入包返回时的时间戳。客户机用这些时间参数就能够计算出2个关键参数：包交换的往返延迟和客户机与服务器之间的时钟偏移。客户机使用时钟偏移来调整本地时钟，以使其时间与服务器时间一致。 主/被动对称工作模式：与客户/服务器模式基本相同。唯一区别在于双方均可同步对方或被对方同步。广播模式：没有同步的发起方。在每个同步周期中，服务器向网络广播广播带有自己时间戳的消息包，所有的目标节点被动接收这些消息，以此调整自己的时间。一般用于网络延时非常小，或者对时间精度要求不高的地方，如同局域网内，使用广播模式可节省带宽。2.2.3NTP系统体系结构NTP采用层次式时间分布模型。网络体系结构主要包括主时间服务器、从时间服务器、客户机和各节点之间的传输路径。主时间服务器与高精度时间源进行同步，为其他节点提供时间服务。各客户端从时间服务器经由主服务器获得时间同步。正常情况下，节点（包括时间服务器和客户机）只用最可靠、最准确的服务器及传输路径进行同步，所以通常的同步路径为一个层次结构。其中，主时间服务器位于根节点，其他从时间服务器随同步精度增加而位于靠近叶子节点的层上，主机和学校服务器处于叶子节点。NTP将传输路径分为主动同步路径和备份同步路径，两者都同时进行时间信息包的传输，但节点只用主动同步路径数据进行同步处理4王礼.综合调度系统的时钟同步技术研究D.西南交通大学.2008。图3 客户/服务器模式的一个实现模型该模型中，本地时钟进程：处理由修正模块得出的偏移量并且用NTP中专用算法对本地时钟的相位和频率进行调节。传送进程：由和每个远端实体对应的不同定时器触发，用以从数据库中收集信息，并向远端实体发送NTP消息。每个消息包括发送时的本地时间戳，前一次收到的时间戳，还有用来判断同步网络层次结构以及管理连接的信息。接收进程：接收NTP消息，计算出远端时钟和本地时钟之间的偏移量。修正模块：处理与各个远端实体之间的偏移量，并用NTP中的一个算法选择最佳的一个。本地时钟进程：处理由修正模块得出的偏移量并且用NTP中专用算法对本地时钟进行调节。2.3NTP在时间同步网络中的应用 NTP在时间同步网中得到了越来越多的应用。采用NTP协议实现时间同步系统，投资少，系统结构简单，采用标准接口，便于维护和扩展。其精度能满足交换设备、数据网络、网络管理等的需求。Internetr的发展使得电子货币、网上购物、网上证券、金融交易成为可能，顾客可以坐在家里用个人电脑进行上述活动。 要保证这些活动的正常进行就要有统一的时间。不能设想用户3点汇出一笔钱，银行2点56分收到。个人电脑的时钟准确度，一天下来有可能差十几秒。解决这个问题就需要网络授时系统。网络授时系统的实现方案是建立若干授时网站，为用户提供通用的授时软件，并且提供与时间服务器的链接。只要用电脑定时通过授时软件访问这些时间服务器就能保证时间同步。由于通用的网络时间协议NTP的存在，在网上传递的时间信息具有统一的标准格式，合格的授时软件应该可以和世界上任何一个授时网站上的时间服务器连接，并完成时间的传递5刘艳，范逊，阎保平.网络监控中时间同步技术研究与应用，计算机应用研究.2006。3小结随着全球信息技术的快速发展，越来越多的应用对时间同步提出了更的要求。NTP的应用也越来越广泛，在Internet 上工作的时间服务器已超过10 万台。NTP也在不断更新换代。目前，我们使用的是NTPV3，正在研究NTPV4，它将改进时钟模型，可望在各种同步源和网络