京準電鐘 | NTP網絡時間同步協議原理及其應用介紹

京準電鐘 | NTP網絡時間同步協議原理及其應用介紹

摘要:首先對計算機網絡時間同步相關技術進行了介紹,然后闡述了時間同步技術在現代計算機網絡中的

應用與發展,最后指出時間同步網絡在下一代網絡(NGN) 中的重要地位。

隨著計算機網絡技術及其應用的深入發展,人們開始在計算機構成的虛擬空間展開活動。很多領域的網絡系統如金融業(證券、銀行) 、廣電業(廣播、電視) 、交通業(火車、飛機) 、電子商務(交易、認證、加密) 、電信(計費、IP 電話、網絡結算) 、大型分布式商業數據庫等需要在大范圍保持計算機間的時間同步和時間準確。所以,網絡時間同步技術是當前許多要求嚴格的網絡應用系統所需要的一項關鍵性技術。在現代通信網絡中引入新的支撐網———時間同步網也是非常重要而迫切的工作。

1、計算機網絡時間同步相關技術概述

目前,網絡時間同步的標準協議是網絡時間協議(Network time Protocol ,NTP ) ,NTP 由美國德拉瓦大學的David L.Mills教授于1985年提出,是設計用來使Internet上的計算機保持時間同步的一種通信協議。網絡時間協議可以估算出數據包在Internet上的往返延遲,并可獨立地估算計算機時鐘偏差,從而實現網絡上計算機間可靠和精確的時間同步。NTP 以GPS /BDS時間代碼傳送的時間消息為參考標準,采用了Client/ Server 結構,具有相當高的靈活性,可以適應各種Internet 環境。NTP不僅校正現行時間,而且持續跟蹤時間的變化,能夠自動進行調節,即使網絡發生故障,也能維持時間的穩定。NTP產生的網絡開銷甚少,并具有保證網絡安全的應對措施.這些措施的采用使得NTP成為Internet上公認的時間同步工具。

NTP服務器

1.1網絡時間協議

網絡時間協議(NTP) 的發展可以分為三個時期。

(1) 網絡時間協議作為NTP名稱的首次出現是在RFC958之中,該版本也被稱為NTPV0 ,其目的是為ARPA 網提供時間同步。

(2) NTPV1出現于1988 年6 月,在RFC1059中描述了首個完整的NTP的規范和相關算法。1989年9月推出了取代RFC958和RFC1059的NTPV2—RFC1119。幾乎同時, DEC公司也推出了一個時間同步協議,數字時間同步服務(Digital Time Synchronization Service ,DTSS) 。在1992年3月,NTPV3—RFC1305問世,該版本總結和綜合了NTP 先前版本和DTSS ,正式引入了校正原則,并改進了時鐘選擇和時鐘濾波的算法,而且還引入了時間消息發送的廣播模式。這個版本取代了NTP 的先前版本,是使用最廣泛的版本。

(3) NTP V3發布后,一直在不斷地進行改進,這些版本標注為xntp3. y ,這里x表示試驗,y表示第幾次修改。NTPV4的工作也在進行之中,它將改進時鐘模型,在各種同步源和網絡通路的情況下更精確地預測和調節頻率和時間;提出相應的新算法以降低網絡抖動和振蕩器漂移的沖突,加速啟動時的時間同步收斂速度;還將提供關于自動配置、可靠性和加強網絡安全性的鑒權(使用public key 密碼) 等方面的新特性。NTPV4的正式

版本還沒有面世, 但改進過程中的許多方法已經加入xNTP3. y 中,它將適用于IPV6。NTP發展的另一分支是簡單網絡時間協議(Simple Network Time Protocol ,SNTP) ,適用于時間精確度低于NTP的客戶機。

1.2時間同步子網絡

在NTP 模型中,時間同步子網是由主時間服務器、二級時間服務器、客戶機和網絡鏈路連接而成的網絡。一般來說,Stratum = 1 的主時間服務器時間是最精確的,Stratum = 2的時間服務器稱為二級時間服務器,它們一般都通過同步子網從作為主參考源的主時間服務器獲取時間信息,然后為Stratum > 2的服務器或客戶機提供同步信息。

1.3NTP工作模式及工作原理

NTP 協議可以在多播模式、客戶機/ 服務器模式以及對稱模式下工作。其中最典型的操作模式是客戶機/服務器模式。在該模式下,客戶以周期性地向服務器發送NTP包的方式向服務器請求時間信息,該包中包含了離開客戶時的時間戳。當服務器接收到該包時,依次填入該包到達的時間戳、交換包的源地址和目的地址、填入該包離開時的時間戳,然后立即把包返回給客戶端。客戶端在接收到響應包時再填入包回到客戶端的時間戳。客戶端用這4個時間戳就能夠計算出兩個關鍵的參數:數據包交換的往返延遲和客戶與服務器之間的時鐘偏移。在這個模式中,NTP的客戶端提供了復雜的算法,這些算法可以從多個服務器的響應包中判斷出最接近真實時間的偏移值。所以客戶/服務器模式在NTP各個模式中的對時精度是最高的,適用于大型的分布式網絡。

2、網絡時間同步的應用與發展

2.1 在計費方面的應用

在計費方面,對于固定電話網,每個通話的計費信息由主叫局給出,包括該呼叫的主被叫號碼和起止時刻。如果市話局交換機時鐘的時刻與長話局交換機時鐘的時刻存在較大差異,則計費話單上就有可能出現一部話機“同時間內打兩個電話”(同時打市話和長話) 的矛盾記錄。

2.2 在網絡結算方面的應用

由于多運營商的出現和分時段費率的存在,必然存在互聯互通、網間結算的問題。網間計費不一致會造成話單損失,采用時間同步可減小甚至消除損失。

2.3 在通信網絡管理中的應用

簡單網絡管理協議(SNMP) 存在于集線器、橋接器、路由器等網絡設備上。這些設備出現故障和過限告警時,便會向網絡管理中心發送中斷請求。如果這些設備的時鐘出現偏差,則它們發出的中斷也會包含錯誤的時間,這將直接影響網絡故障的判定。

2.4 在計算機網中的應用

Internet 數據報選項主要用于網絡測試或調試,其中時間戳選項提供了一種監視或控制路由器選擇路由的途徑。通過分析這些時間戳,就可以分析出某段路由的流量是否太大,從而考慮選擇其它路由以減少其流量。

2.5 在數據通信網安全上的應用

隨著數據業務的快速增長,數據通信的安全受到了越來越多的關注,各種認證、加密技術都得到了廣泛的應用。帶著時間標簽的信息包到達收端時由收端以“時間窗口”來衡量該信息包的傳輸時延,判斷信息是否直接來自發送者,中間有無被截獲過等,以驗證其安全性。

3、時間同步在下一代網絡NGN中的應用與發展

3.1 軟交換的同步

軟交換是下一代網絡(NGN) 的控制功能實體,軟交換為NGN提供具有實時性要求業務的呼叫控制和連接控制功能,是NGN呼叫與控制的核心。軟交換設備通過各種媒體網關與其他網絡設備相連時,相關的媒體網關設備必須接入同步運行。軟交換在計費方面也有較高的要求,提出了以秒為單位的時長計費和以字節為單位的流量計費,這需要在相關設備的計費模塊上實現時間同步。

3.2自動交換光網絡的同步

自動交換光網絡(ASON) 代表了下一代光傳送網的發展方向,是用控制平面來完成自動交換和連接控制的光傳送網,是承載下一代網絡各種業務的基礎網絡。自動交換光網絡結構包括傳送平面、控制平面和管理平面。在三個平面中,傳送平面對同步有嚴格的要求。

3.3 下一代互聯網的同步

下一代互聯網將要提供電信級質量的話音、視頻等實時業務和其它多種業務甚至全業務,在這種情況下,同步問題的重要性會凸現出來。因此,下一代互聯網需要有時間同步網與頻率同步網的全面支撐,才能確保所提供的各種業務的QoS。

3.4 下一代移動網的同步

就移動網絡而言,其發展方向是分組化、智能化和寬帶化的第三代通信網絡(3G) 。從更廣泛的意義上來說,3G網絡也是NGN的一個組成部分。3G網絡現有WCDMA ,CDMA2000 和TDSCDMA 三種制式,這些網絡均需要頻率同步,而對時間同步的要求則各有不同。其它各種實時網上交易、位置定位服務、制造過程控制、

分布性的網絡計算和處理、交通航班航路管理以及數據庫文件管理和呼叫記錄等多種涉及時間戳的應用,都需要精確、可靠和公認的時間。

4、總結

NTP和時間同步網在國外已經得到廣泛應用。據統計1999年已有將近1萬4千個專用時間服務器在工作,相應的對等服務器超過18萬臺。使用準確的和有依據的時間不僅僅是許多工作的需要,而且正在成為企業和個人地位和身份的象征。在國內NTP的應用日益廣泛,隨著網絡應用的普及和深化,NTP的運用領域會獲得更大的拓展。

審核編輯 黃宇