NTP_SNTP時鐘協(xié)議原理

1、NTP-網絡時鐘同步協(xié)議 概述 NTP/SNTP簡介 NTP工作原理 NTP報文格式 NTP協(xié)議算法 NTP工作模式 NTP應用建議 IEEE 1588原理概述隨著信息技術的快速發(fā)展，在許多要求實時性的應用場合，通信系統(tǒng)必須保證傳輸實時性的確定性、精確性、穩(wěn)定性。網絡時間協(xié)議(network timeprotocol，NTP)由美國德拉瓦大學的David L Mills教授于1985年提出，是用于設計使Internet上的計算機保持時間同步的一種通信協(xié)議。概述網絡時間協(xié)議可以估算出數(shù)據包在Internet上的往返延遲，并可獨立地估算計算機時鐘偏差。在大多數(shù)的環(huán)境中，NTP可以提供l50 ms的

2、可靠時間源。在實際很多應用中，秒級的精確度就足夠了。在這種情況下，簡單網絡時間協(xié)議(simple network time protocol，SNTP)出現(xiàn)了，它通過簡化原來的訪問協(xié)議，在保證時間精確度的前提下，使得對網絡時間的開發(fā)和應用變得容易。NTP 簡介 由RFC1305 定義的時間同步協(xié)議 在分布式時間服務器和客戶端之間進行時間同步 NTP 基于UDP 報文傳輸，端口號為123 采用分層的方法來定義時鐘的準確度 支持訪問控制和MD5加密驗證 可以采用單播、組播或廣播方式發(fā)送協(xié)議報文NTP 簡介簡單網絡時間協(xié)議（SNTP）由RFC1769文檔定義。SNTP 能夠與NTP 協(xié)議具有互操作性

3、，即SNTP 客戶可以與NTP服務器協(xié)同工作，同樣NTP 客戶也可以接收SNTP 服務器發(fā)出的授時信息。這是因為NTP 和SNTP 的數(shù)據包格式是一樣的，計算客戶時間、時間偏差以及包往返時延的算法也是一樣的。因此NTP 和SNTP 實際上是無法分割的。NTP 簡介時鐘層的概念：時鐘的層數(shù)決定了時鐘的準確度，其取值范圍為015。參考時鐘的層數(shù)取值范圍為015，準確度從0到15依次遞減。層數(shù)為0的時鐘處于子網特殊位置，是基準時間參考源，目前普遍采用GPS的UTC時間源。NTP 工作原理NTP主要通過交換時間服務器和客戶端的時間戳，計算出客戶端相對于服務器的時延和偏差，從而實現(xiàn)時間的同步。假設交換機

4、A和交換機B通過以太網端口相連，B做為NTP服務器。同步之前A的時鐘設定為10:00:00，B的時鐘設定為11:00:00。數(shù)據包在A和B之間單向傳輸所需要的時間為1 秒。NTP 工作原理NTP工作原理圖NTP 工作原理NTP工作原理圖NTP 工作原理clientserverT1T2T3T4T1+tT3-td/2d/2時間序列圖雙向時延：d =（T4-T1）-（T3-T2）A相對B的時間差：offset =（T2-T1）+（T3-T4）/2如果往返的傳輸時間相等，根據四個時刻可以求得時鐘偏差和傳輸時間NTP 報文格式StratPollLIModeVNNTP v3 and v4Root Dela

5、yRoot DispersionReference IdentifierReference Timestamp (64)Originate Timestamp (64)Receive Timestamp (64)Transmit Timestamp (64)Message Hash (64 or 128)Seconds (32)Fraction (32)NTP 時間戳 (64 bits)Authenticator字段可選，用來存放認證密鑰或加密碼Key/Algorithm Identifier(32)CryptosumAuthenticator(Optional)Extension Field

6、 1 (optional)Extension Field 2 (optional)NTP v4 onlyPrecExtension Field(填充至 32-bit)Field LengthField TypeNTPv4 Extension Field最后一個擴展域（ field）填充至 64-bitauthentication only0 2 5 8 16 24 32LI：閏秒標示器VN：版本號Mode：工作模式Stratum：時鐘層Poll：測試間隔Prec：本地時鐘精度Root Delay：根時延Root Dispersion：根時誤差Reference Identifier：參考時鐘標

7、識NTP 協(xié)議算法 時間濾波算法 時間選擇算法 聚類算法 時鐘調節(jié)算法這些算法并不是NTP協(xié)議的固有部分，但是NTP的實現(xiàn)卻有賴于這些算法。NTP 工作模式根據網絡結構和交換機在以太網中的位置，交換機共有4種NTP工作模式進行時間同步。1.服務器/客戶端模式（server/client）2.對等體模式（symmetric active / symmetric passive）3.廣播模式（broadcast server / broadcast client）4.組播模式（multicast server / muticast client）NTP 工作模式1.服務器/客戶端模式NTP 工作模

8、式2.對等體模式NTP 工作模式3.廣播模式NTP 工作模式4.組播模式NTP 應用建議 盡量在本地局域網部署SNTP服務器，Internet上公用的SNTP服務器時延具有不確定性，會對授時精度產生影響。 客戶端授時請求要大于1min，以免SNTP服務器負擔過重，無法及時響應。 高可靠性系統(tǒng)中，最好配置多臺SNTP服務器，利用DNS實現(xiàn)負載均衡。 客戶端應能夠識別服務器故障，一旦發(fā)現(xiàn)故障，應丟棄時間戳，轉向其他服務器請求授時。附：NTP/SNTP與IEEE 1588對比 NTP/SNTP授時精度不高的原因（=1ms）網絡路徑時間應用層表示層數(shù)據鏈路層會話層傳輸層網絡層物理層應用層表示層數(shù)據鏈路

9、層會話層傳輸層網絡層物理層寫入/讀取時間戳報文編碼報文解碼不確定不確定不確定不確定三個環(huán)節(jié)都具有不確定性，d1與d2不相等，偏差大在高層（應用層）打時間戳，傳輸時間包含三個環(huán)節(jié)附：NTP/SNTP與IEEE 1588對比舉例說明舉例說明網絡網絡路徑時間路徑時間應用層應用層表示層表示層數(shù)據鏈路層數(shù)據鏈路層會話層會話層傳輸層傳輸層網絡層網絡層物理層物理層應用層應用層表示層表示層數(shù)據鏈路層數(shù)據鏈路層會話層會話層傳輸層傳輸層網絡層網絡層物理層物理層主時鐘主時鐘從時鐘從時鐘345214d1 = 8d2 = 11IEEE 1588時鐘同步（PTP）IEEE1588 協(xié)議是專門針對網絡測控系統(tǒng)等工業(yè)以太網提

10、出的精確時鐘同步協(xié)議，它非常適合變電站內工業(yè)以太網的應用要求，加以硬件輔助就能達到s級的同步精度。1588協(xié)議的核心思想是網絡中最精確的時鐘（主時鐘）以基于包交換的方式同步所有其它時鐘（從時鐘）。IEEE 1588時鐘同步原理在在底層（物理層）打底層（物理層）打時間戳時間戳，避免了報文處理時間的不確定性，避免了報文處理時間的不確定性主時鐘主時鐘從時鐘從時鐘T1d1T2得知T1T3跟隨報文含T1時刻得知T4d2T4物理層物理層物理層物理層T1T2T4T3時間戳時間戳獲取的位置獲取的位置答復報文含T4時刻T0主時鐘主時鐘從時鐘從時鐘同步報文延時請求報文延時應答報文IEEE 1588時鐘同步原理主時鐘主時鐘從時鐘從時鐘交換機交換機以此類推，可以精確計算每一段傳輸路徑的延時以此類推，可以精確計算每一段傳輸路徑的延時交換機和主時鐘發(fā)送報文計算主時鐘到交換機的傳輸時間交換機和主時鐘發(fā)送報文計算主時鐘到交換機的傳輸時間IEEE 1588時鐘同步原理主時鐘主時鐘從時鐘從時鐘交換機交換機交換機可記錄交換機可記錄“同步報文同步報文”在交換機內的在交換機內的駐留時間駐留時間（t3- t2）IEEE 1588時鐘同步精度與可靠性典型同步精度：典型同步精度：100ns100ns最佳主時鐘選擇機制：自動選擇第二主時最佳主時鐘選擇機制：自動選擇第二主時鐘（容錯性強）鐘（容錯性強）時鐘同步精