京準電鐘 | NTP網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議原理及其應(yīng)用介紹

京準電鐘 | NTP網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議原理及其應(yīng)用介紹

摘要:首先對計算機網(wǎng)絡(luò)時間同步相關(guān)技術(shù)進行了介紹,然后闡述了時間同步技術(shù)在現(xiàn)代計算機網(wǎng)絡(luò)中的

應(yīng)用與發(fā)展,最后指出時間同步網(wǎng)絡(luò)在下一代網(wǎng)絡(luò)(NGN) 中的重要地位。

隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用的深入發(fā)展,人們開始在計算機構(gòu)成的虛擬空間展開活動。很多領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如金融業(yè)(證券、銀行) 、廣電業(yè)(廣播、電視) 、交通業(yè)(火車、飛機) 、電子商務(wù)(交易、認證、加密) 、電信(計費、IP 電話、網(wǎng)絡(luò)結(jié)算) 、大型分布式商業(yè)數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)時間同步技術(shù)是當前許多要求嚴格的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)所需要的一項關(guān)鍵性技術(shù)。在現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)中引入新的支撐網(wǎng)———時間同步網(wǎng)也是非常重要而迫切的工作。

1、計算機網(wǎng)絡(luò)時間同步相關(guān)技術(shù)概述

目前,網(wǎng)絡(luò)時間同步的標準協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(Network time Protocol ,NTP ) ,NTP 由美國德拉瓦大學(xué)的David L.Mills教授于1985年提出,是設(shè)計用來使Internet上的計算機保持時間同步的一種通信協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議可以估算出數(shù)據(jù)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(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu),具有相當高的靈活性,可以適應(yīng)各種Internet 環(huán)境。NTP不僅校正現(xiàn)行時間,而且持續(xù)跟蹤時間的變化,能夠自動進行調(diào)節(jié),即使網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障,也能維持時間的穩(wěn)定。NTP產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)開銷甚少,并具有保證網(wǎng)絡(luò)安全的應(yīng)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(wù)器

1.1網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議

網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(NTP) 的發(fā)展可以分為三個時期。

(1) 網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議作為NTP名稱的首次出現(xiàn)是在RFC958之中,該版本也被稱為NTPV0 ,其目的是為ARPA 網(wǎng)提供時間同步。

(2) NTPV1出現(xiàn)于1988 年6 月,在RFC1059中描述了首個完整的NTP的規(guī)范和相關(guān)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(xié)議,數(shù)字時間同步服務(wù)(Digital Time Synchronization Service ,DTSS) 。在1992年3月,NTPV3—RFC1305問世,該版本總結(jié)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(fā)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(fā)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(wǎng)絡(luò)通路的情況下更精確地預(yù)測和調(diào)節(jié)頻率和時間;提出相應(yīng)的新算法以降低網(wǎng)絡(luò)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(guān)于自動配置、可靠性和加強網(wǎng)絡(luò)安全性的鑒權(quán)(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(jīng)加入xNTP3. y 中,它將適用于IPV6。NTP發(fā)展的另一分支是簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)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(wǎng)絡(luò)

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

1.3NTP工作模式及工作原理

NTP 協(xié)議可以在多播模式、客戶機/ 服務(wù)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(wù)器模式。在該模式下,客戶以周期性地向服務(wù)器發(fā)送NTP包的方式向服務(wù)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(wù)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?？蛻舳嗽诮邮盏巾憫?yīng)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(guān)鍵的參數(shù):數(shù)據(jù)包交換的往返延遲和客戶與服務(wù)器之間的時鐘偏移。在這個模式中,NTP的客戶端提供了復(fù)雜的算法,這些算法可以從多個服務(wù)器的響應(yīng)包中判斷出最接近真實時間的偏移值。所以客戶/服務(wù)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(wǎng)絡(luò)。

2、網(wǎng)絡(luò)時間同步的應(yīng)用與發(fā)展

2.1 在計費方面的應(yīng)用

在計費方面,對于固定電話網(wǎng),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(xiàn)一部話機“同時間內(nèi)打兩個電話”(同時打市話和長話) 的矛盾記錄。

2.2 在網(wǎng)絡(luò)結(jié)算方面的應(yīng)用

由于多運營商的出現(xiàn)和分時段費率的存在,必然存在互聯(lián)互通、網(wǎng)間結(jié)算的問題。網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)管理中的應(yīng)用

簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(SNMP) 存在于集線器、橋接器、路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上。這些設(shè)備出現(xiàn)故障和過限告警時,便會向網(wǎng)絡(luò)管理中心發(fā)送中斷請求。如果這些設(shè)備的時鐘出現(xiàn)偏差,則它們發(fā)出的中斷也會包含錯誤的時間,這將直接影響網(wǎng)絡(luò)故障的判定。

2.4 在計算機網(wǎng)中的應(yīng)用

Internet 數(shù)據(jù)報選項主要用于網(wǎng)絡(luò)測試或調(diào)試,其中時間戳選項提供了一種監(jiān)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(shù)據(jù)通信網(wǎng)安全上的應(yīng)用

隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的快速增長,數(shù)據(jù)通信的安全受到了越來越多的關(guān)注,各種認證、加密技術(shù)都得到了廣泛的應(yīng)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(fā)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(wǎng)絡(luò)NGN中的應(yīng)用與發(fā)展

3.1 軟交換的同步

軟交換是下一代網(wǎng)絡(luò)(NGN) 的控制功能實體,軟交換為NGN提供具有實時性要求業(yè)務(wù)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(shè)備通過各種媒體網(wǎng)關(guān)與其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備相連時,相關(guān)的媒體網(wǎng)關(guān)設(shè)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(jié)為單位的流量計費,這需要在相關(guān)設(shè)備的計費模塊上實現(xiàn)時間同步。

3.2自動交換光網(wǎng)絡(luò)的同步

自動交換光網(wǎng)絡(luò)(ASON) 代表了下一代光傳送網(wǎng)的發(fā)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(wǎng),是承載下一代網(wǎng)絡(luò)各種業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。自動交換光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(lián)網(wǎng)的同步

下一代互聯(lián)網(wǎng)將要提供電信級質(zhì)量的話音、視頻等實時業(yè)務(wù)和其它多種業(yè)務(wù)甚至全業(yè)務(wù),在這種情況下,同步問題的重要性會凸現(xiàn)出來。因此,下一代互聯(lián)網(wǎng)需要有時間同步網(wǎng)與頻率同步網(wǎng)的全面支撐,才能確保所提供的各種業(yè)務(wù)的QoS。

3.4 下一代移動網(wǎng)的同步

就移動網(wǎng)絡(luò)而言,其發(fā)展方向是分組化、智能化和寬帶化的第三代通信網(wǎng)絡(luò)(3G) 。從更廣泛的意義上來說,3G網(wǎng)絡(luò)也是NGN的一個組成部分。3G網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有WCDMA ,CDMA2000 和TDSCDMA 三種制式,這些網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)上交易、位置定位服務(wù)、制造過程控制、

分布性的網(wǎng)絡(luò)計算和處理、交通航班航路管理以及數(shù)據(jù)庫文件管理和呼叫記錄等多種涉及時間戳的應(yīng)用,都需要精確、可靠和公認的時間。

4、總結(jié)

NTP和時間同步網(wǎng)在國外已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計1999年已有將近1萬4千個專用時間服務(wù)器在工作,相應(yīng)的對等服務(wù)器超過18萬臺。使用準確的和有依據(jù)的時間不僅僅是許多工作的需要,而且正在成為企業(yè)和個人地位和身份的象征。在國內(nèi)NTP的應(yīng)用日益廣泛,隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的普及和深化,NTP的運用領(lǐng)域會獲得更大的拓展。

審核編輯 黃宇