2022-05-27 16:40 北京邮电大学基带工程师

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NTP

NTP（网络时间协议）Network Time Protocol

网络时间协议（英语：Network Time Protocol，缩写：NTP）是在数据网络潜伏时间可变的计算机系统之间通过分组交换进行时钟同步的一个网络协议，位于OSI模型的应用层。自1985年以来，NTP是目前仍在使用的最古老的互联网协议之一。NTP由特拉华大学的David L. Mills设计。

NTP意图将所有参与计算机的协调世界时（UTC）时间同步到几毫秒的误差内。它使用Marzullo算法的修改版来选择准确的时间服务器，其设计旨在减轻可变网络延迟造成的影响。NTP通常可以在公共互联网保持几十毫秒的误差，并且在理想的局域网环境中可以实现超过1毫秒的精度。不对称路由和拥塞控制可能导致100毫秒（或更高）的错误。

该协议通常描述为一种主从式架构，但它也可以用在点对点网络中，对等体双方可将另一端认定为潜在的时间源。发送和接收时间戳采用用户数据报协议（UDP）的端口123实现。这也可以使用广播或多播，其中的客户端在最初的往返校准交换后被动地监听时间更新。NTP提供一个即将到来闰秒调整的警告，但不会传输有关本地时区或夏时制的信息。

以下分别从NTP几个部分介绍：

时钟层：

NTP使用一个分层、半分层的时间源系统。该层次的每个级别被称为“stratum”，顶层分配为数字0。一个通过阶层n同步的服务器将运行在阶层n + 1。数字表示与参考时钟的距离，用于防止层次结构中的循环依赖性。阶层并不总是指示质量或可靠性；在阶层3的时间源得到比阶层2时间源更高的时间质量也很常见。电信系统对时钟层使用不同的定义。以下提供了阶层0、1、2、3的简要描述。

阶层0

这些是高精度计时设备，例如原子钟（如铯、铷）、GPS时钟或其他无线电时钟。它们生成非常精确的脉冲秒信号，触发所连接计算机上的中断和时间戳。阶层0设备也称为参考（基准）时钟。

阶层1

这些与阶层0设备相连、在几微秒误差内同步系统时钟的计算机。阶层1服务器可能与其他阶层1服务器对等相连，以进行完整性检查和备份。[10]它们也被称为主要（primary）时间服务器。

阶层2

这些计算机通过网络与阶层1服务器同步。提供阶层2的计算机将查询多个阶层1服务器。阶层2计算机也可能与其他阶层2计算机对等相连，为对等组中的所有设备提供更健全稳定的时间。

阶层3

这些计算机与阶层2的服务器同步。它们使用与阶层2相同的算法进行对等和数据采样，并可以自己作为服务器担任阶层4计算机，以此类推。

阶层的上限为15；

阶层16

被用于标识设备未同步。每台计算机上的NTP算法相互构造一个贝尔曼-福特算法最短路径生成树，以最小化所有客户端到阶层1服务器的累积往返延迟。

时间戳：（时间戳记或称为时间标记（英语：Timestamp）是指字符串或编码信息用于辨识记录下来的时间日期。国际标准为ISO 8601。）

NTP使用64比特的时间戳，其中32位表示秒，32位表示秒的小数，给出一个每232秒（136年）才会翻转的时间尺度，理论分辨率2−32秒（233皮秒）。NTP以1900年1月1日作为开始时间，因此第一次翻转将在2036年2月7日发生。

NTP的未来版本可能将时间表示扩展到128位：其中64位表示秒，64位表示秒的小数。当前的NTPv4格式支持“时代数字”（Era Number）和“时代偏移”（Era Offset），正确使用它们应该有助于解决日期翻转问题。据Mills称：“64位的秒小数足以分辨光子以光速通过电子所需的时间。64位的秒足以提供明确的时间表示，直到宇宙变暗。”

时钟同步法：

授时方式为客户端和服务器的方式：

目标：通过服务器时间来调整本地的时钟。

具体的时间推到方法可以参见一篇CSDN博客所写的：https://blog.csdn.net/hhcjb/article/details/84940823

典型的NTP客户端将定期轮询不同网络上的三个或更多服务器。为同步其时钟，客户端必须计算其时间偏移量和来回通信延迟。时间偏移“θ”定义为：

往返延迟“δ”为：

δ=( t3-t0 )-( t2-t1)

其中：

t0 是请求数据包传输的客户端时间戳，客户端：

t1 是请求数据包回复的服务器时间戳，服务器：

t2 是响应数据包传输的服务器时间戳服务器：

t3 是响应数据包回复的客户端时间戳。客户端：

“θ”和“δ”的值通过过滤器并进行统计分析。异常值被剔除，并从最好的三个剩余候选中导出估算的时间偏移。然后调整时钟频率以逐渐减小偏移，创建一个反馈回路。

当客户端和服务器之间的输入和输出路由都具有对称的标称延迟时，同步是正确的。如果路由没有共同的标称延迟，则将差异取半作为测量误差。

对上面所讲的轮询解释：轮询（Polling）是一种CPU决策如何提供周边设备服务的方式，又称“程控输入输出”（Programmed I/O）。轮询法的概念是：由CPU定时发出询问，依序询问每一个周边设备是否需要其服务，有即给予服务，服务结束后再问下一个周边，接着不断周而复始。轮询法实现容易，但效率偏低。

NTP授时精度分析：

NTP授时精度与NTP服务器与用户间的网络状况有关，主要取决于NTP包往返路由的延时对称程度，往返路由的延时不对称值最大不超过网络延时。式(2)是在假设NTP请求和回复包在网上传送延时相等，即d1=d2=d/2的情况下得出的，而d1、d2的取值范围在(0...d)间，由式(3)可以得出最大授时误差是±d/2。一般广域网的网络延时在10 ms～500ms之间;局域网的网络延时在计时操作系统内核处理延迟的情况下通常小于1ms。

假定局域网内NTP延时小于1ms，理论上授时误差小于0.5ms，但对于Windows操作系统内置的NTP客户和NTP服务，并不能达到此精度。Windows NTP时钟分辨率因操作系统和硬件不同而有所不同，时钟分辨率通常为10ms或15ms。基于Windows操作系统内置的NTP授时精度最高不超过10ms。

基于NTP减少计算机时钟偏差：

1.计算机时钟偏差分析

通用PC机自带两类时钟源：硬件时钟和软件时钟(或称为系统时钟)。不论是硬件时钟还是软件时钟，都是由石英晶体振荡器驱动的，通过累计石英晶体振荡器输出脉冲数，换算出时间。所以计算机时钟的准确度取决于晶振频率准确度。受温度变化、电压、芯片老化等因素影响，晶振频率会发生小幅度波动，其中温度对晶振频影响最大。

由于工艺和材料的原因，同一生产线上标称频率相同的石英晶体，其实际频率是不同的，实际频率与标称频率偏差率从10-4量级到10-9量级不等。以10-4量级为例，时钟每天至少误差8.64 s。

2.基于NTP减少计算机时钟频率偏差

时钟频率偏差是时钟长期计时累积误差的主要原因，要提高时钟长期计时精度，必须补偿时钟频率偏差。联网的计算机可采用NTP方式,可非常方便地校准时钟频率偏差。以NTP服务器时钟为标准时间，在某一时刻设置NTP客户机时间为NTP服务器当前时间T0，经过一段时间后，NTP服务器时间为T0+tsn，NTP客户端时间为T0+tcn。因为存在时钟频率偏差，tsn与tcn并不相等。NTP客户端时间tcn需乘以时钟频率偏差系数k才等于tsn，即tsn=k×tcn，所以k=tsn/tcn。

任何晶振实际工作频率都是不稳定的，只是程度不同而已。即使温度补偿的晶振，在常温范围内(摄氏10℃～35℃)也有大约5×10-7～2×10-6的误差。晶振实际频率是受外界多种因素(温度、电压、老化等)影响而改变的。因此，时钟频率偏差系数k并非恒定不变的。每隔一定时间，NTP客户机要对时钟频率偏差系数k进行校正，才能保证计时精度。

进一步提高NTP授时精度的方法：

局域网络延相对较大的原因在于时间戳一般都是在应用层加盖。为减少操作系统内核处理延时的影响提高NTP授时精度，发/收NTP包时间戳应尽量接近主机真实发/收包时刻。在不改变硬件的条件下，一个可行的办法是修改网卡驱动程序，将记录NTP包发/收时间戳从应用程序移至网卡驱动程序处，可消除操作系统内核处理延时不确定而引入的误差。这种方法在局域网中可大幅提高NTP授时精度至μs级。

为了减少温度引起晶振频率漂移对时钟准确度的影响，可以采用数字温漂补偿方法，提高时钟长期计时准确度。先测出工作温度范围内温度对应的温漂补偿系数，工作时每隔一定时间，根据实际温度查出对应补偿系数动态地修正时间。

时钟频率偏差和时钟分辨率低是局域网NTP授时精度不高的主要原因。

SNTP：

一个不太复杂的NTP实现，使用相同的协议但不需要存储较长时间的状态，也称简单网络时间协议（Simple Network Time Protocol，SNTP）。它使用在某些嵌入式系统和不需要高精度时间的应用中。

以下对本文中蓝色专业术语的介绍：

分组交换：

在计算机网络和通讯中，分组交换（英语：Packet switching）是一种相对于电路交换的通信范例，分组（又称消息、或消息碎片）在节点间单独路由，不需要在传输前先建立通信路径。

分组交换是数据通信中一种新的且重要的概念，现在是世界上互联网通讯、数据和语音通信中最重要的基础。在此之前，数据通信是基于电路交换的想法，就像在传统的电话电路一样，在通话前先建立专有线路，通信双方要在电路的两端。

主从式架构：

主从式架构 (英语：Client–server model) 也称客户端/服务器架构、C/S架构，是一种网络架构，它把客户端（Client，通常是一个采用图形用户界面的程序）与服务器（Server）区分开来。每一个客户端软件的实例都可以向一个服务器或应用程序服务器发出请求。有很多不同类型的服务器，例如文件服务器、游戏服务器等。

主从式架构通过不同的途径应用于很多不同类型的应用程序，最常见就是目前在因特网上用的网页。例如，当你在维基百科阅读文章时，你的电脑和网页浏览器就被当做一个客户端，同时，组成维基百科的电脑、数据库和应用程序就被当做服务器。当你的网页浏览器向维基百科请求一个指定的文章时，维基百科服务器从维基百科的数据库中找出所有该文章需要的信息，结合成一个网页，再发送回你的浏览器。

主从式架构的特征：

主从式架构意图提供一个可伸缩（scalable）的架构，借此网上的计算机或者处理过程是一个客户端或者服务器。服务器软件一般，但不总是，运行在强大的专用商业计算机上。另一方面，客户端一般运行在普通个人电脑或者工作站上。

服务端的特征：

被动的角色（从）。

等待来自客户端的请求。

处理请求并传回结果。

客户端的特征：

主动的角色（主）。

发送请求。

等待直到收到响应。

服务器可以是有状态或者无状态的。无状态的服务器不会保留任何两个请求之间的信息，有状态服务器会记住请求之间的信息。这些信息的作用域可以是全局的或者某个事务（session）的。静态 HTML 页面服务器是一个无状态服务器的例子，Apache Tomcat 是一个有状态服务器。

服务端与客户端的交互经常使用循序图描述，循序图是 UML 中的一个标准。