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

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

摘要:首先對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了介紹,然后闡述了時(shí)間同步技術(shù)在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的

應(yīng)用與發(fā)展,最后指出時(shí)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用的深入發(fā)展,人們開(kāi)始在計(jì)算機(jī)構(gòu)成的虛擬空間展開(kāi)活動(dòng)。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(chē)、飛機(jī)) 、電子商務(wù)(交易、認(rèn)證、加密) 、電信(計(jì)費(fèi)、IP 電話、網(wǎng)絡(luò)結(jié)算) 、大型分布式商業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)等需要在大范圍保持計(jì)算機(jī)間的時(shí)間同步和時(shí)間準(zhǔn)確。所以,網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步技術(shù)是當(dāng)前許多要求嚴(yán)格的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)所需要的一項(xiàng)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(shí)間同步網(wǎng)也是非常重要而迫切的工作。

1、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步相關(guān)技術(shù)概述

目前,網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(Network time Protocol ,NTP ) ,NTP 由美國(guó)德拉瓦大學(xué)的David L.Mills教授于1985年提出,是設(shè)計(jì)用來(lái)使Internet上的計(jì)算機(jī)保持時(shí)間同步的一種通信協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(dú)立地估算計(jì)算機(jī)時(shí)鐘偏差,從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上計(jì)算機(jī)間可靠和精確的時(shí)間同步。NTP 以GPS /BDS時(shí)間代碼傳送的時(shí)間消息為參考標(biāo)準(zhǔn),采用了Client/ Server 結(jié)構(gòu),具有相當(dāng)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(shí)間,而且持續(xù)跟蹤時(shí)間的變化,能夠自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié),即使網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障,也能維持時(shí)間的穩(wěn)定。NTP產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)甚少,并具有保證網(wǎng)絡(luò)安全的應(yīng)對(duì)措施.這些措施的采用使得NTP成為Internet上公認(rèn)的時(shí)間同步工具。

NTP服務(wù)器

1.1網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議

網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(NTP) 的發(fā)展可以分為三個(gè)時(shí)期。

(1) 網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(shí)間同步。

(2) NTPV1出現(xiàn)于1988 年6 月,在RFC1059中描述了首個(gè)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(shí), DEC公司也推出了一個(gè)時(shí)間同步協(xié)議,數(shù)字時(shí)間同步服務(wù)(Digital Time Synchronization Service ,DTSS) 。在1992年3月,NTPV3—RFC1305問(wèn)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(jìn)了時(shí)鐘選擇和時(shí)鐘濾波的算法,而且還引入了時(shí)間消息發(fā)送的廣播模式。這個(gè)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(jìn)行改進(jìn),這些版本標(biāo)注為xntp3. y ,這里x表示試驗(yàn),y表示第幾次修改。NTPV4的工作也在進(jìn)行之中,它將改進(jìn)時(shí)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(cè)和調(diào)節(jié)頻率和時(shí)間;提出相應(yīng)的新算法以降低網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)和振蕩器漂移的沖突,加速啟動(dòng)時(shí)的時(shí)間同步收斂速度;還將提供關(guān)于自動(dòng)配置、可靠性和加強(qiáng)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(méi)有面世, 但改進(jìn)過(guò)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(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(Simple Network Time Protocol ,SNTP) ,適用于時(shí)間精確度低于NTP的客戶機(jī)。

1.2時(shí)間同步子網(wǎng)絡(luò)

在NTP 模型中,時(shí)間同步子網(wǎng)是由主時(shí)間服務(wù)器、二級(jí)時(shí)間服務(wù)器、客戶機(jī)和網(wǎng)絡(luò)鏈路連接而成的網(wǎng)絡(luò)。一般來(lái)說(shuō),Stratum = 1 的主時(shí)間服務(wù)器時(shí)間是最精確的,Stratum = 2的時(shí)間服務(wù)器稱為二級(jí)時(shí)間服務(wù)器,它們一般都通過(guò)同步子網(wǎng)從作為主參考源的主時(shí)間服務(wù)器獲取時(shí)間信息,然后為Stratum > 2的服務(wù)器或客戶機(jī)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(jī)/ 服務(wù)器模式以及對(duì)稱模式下工作。其中最典型的操作模式是客戶機(jī)/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(qǐng)求時(shí)間信息,該包中包含了離開(kāi)客戶時(shí)的時(shí)間戳。當(dāng)服務(wù)器接收到該包時(shí),依次填入該包到達(dá)的時(shí)間戳、交換包的源地址和目的地址、填入該包離開(kāi)時(shí)的時(shí)間戳,然后立即把包返回給客戶端。客戶端在接收到響應(yīng)包時(shí)再填入包回到客戶端的時(shí)間戳。客戶端用這4個(gè)時(shí)間戳就能夠計(jì)算出兩個(gè)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(shí)鐘偏移。在這個(gè)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(gè)服務(wù)器的響應(yīng)包中判斷出最接近真實(shí)時(shí)間的偏移值。所以客戶/服務(wù)器模式在NTP各個(gè)模式中的對(duì)時(shí)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(shí)間同步的應(yīng)用與發(fā)展

2.1 在計(jì)費(fèi)方面的應(yīng)用

在計(jì)費(fèi)方面,對(duì)于固定電話網(wǎng),每個(gè)通話的計(jì)費(fèi)信息由主叫局給出,包括該呼叫的主被叫號(hào)碼和起止時(shí)刻。如果市話局交換機(jī)時(shí)鐘的時(shí)刻與長(zhǎng)話局交換機(jī)時(shí)鐘的時(shí)刻存在較大差異,則計(jì)費(fèi)話單上就有可能出現(xiàn)一部話機(jī)“同時(shí)間內(nèi)打兩個(gè)電話”(同時(shí)打市話和長(zhǎng)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(yùn)營(yíng)商的出現(xiàn)和分時(shí)段費(fèi)率的存在,必然存在互聯(lián)互通、網(wǎng)間結(jié)算的問(wèn)題。網(wǎng)間計(jì)費(fèi)不一致會(huì)造成話單損失,采用時(shí)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(jiǎn)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(guò)限告警時(shí),便會(huì)向網(wǎng)絡(luò)管理中心發(fā)送中斷請(qǐng)求。如果這些設(shè)備的時(shí)鐘出現(xiàn)偏差,則它們發(fā)出的中斷也會(huì)包含錯(cuò)誤的時(shí)間,這將直接影響網(wǎng)絡(luò)故障的判定。

2.4 在計(jì)算機(jī)網(wǎng)中的應(yīng)用

Internet 數(shù)據(jù)報(bào)選項(xiàng)主要用于網(wǎng)絡(luò)測(cè)試或調(diào)試,其中時(shí)間戳選項(xiàng)提供了一種監(jiān)視或控制路由器選擇路由的途徑。通過(guò)分析這些時(shí)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(zhǎng),數(shù)據(jù)通信的安全受到了越來(lái)越多的關(guān)注,各種認(rèn)證、加密技術(shù)都得到了廣泛的應(yīng)用。帶著時(shí)間標(biāo)簽的信息包到達(dá)收端時(shí)由收端以“時(shí)間窗口”來(lái)衡量該信息包的傳輸時(shí)延,判斷信息是否直接來(lái)自發(fā)送者,中間有無(wú)被截獲過(guò)等,以驗(yàn)證其安全性。

3、時(shí)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(shí)體,軟交換為NGN提供具有實(shí)時(shí)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(guò)各種媒體網(wǎng)關(guān)與其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備相連時(shí),相關(guān)的媒體網(wǎng)關(guān)設(shè)備必須接入同步運(yùn)行。軟交換在計(jì)費(fèi)方面也有較高的要求,提出了以秒為單位的時(shí)長(zhǎng)計(jì)費(fèi)和以字節(jié)為單位的流量計(jì)費(fèi),這需要在相關(guān)設(shè)備的計(jì)費(fèi)模塊上實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。

3.2自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)的同步

自動(dòng)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(lái)完成自動(dòng)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(dòng)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(gè)平面中,傳送平面對(duì)同步有嚴(yán)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(jí)質(zhì)量的話音、視頻等實(shí)時(shí)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(wèn)題的重要性會(huì)凸現(xiàn)出來(lái)。因此,下一代互聯(lián)網(wǎng)需要有時(shí)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(dòng)網(wǎng)的同步

就移動(dòng)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(lái)說(shuō),3G網(wǎng)絡(luò)也是NGN的一個(gè)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(duì)時(shí)間同步的要求則各有不同。其它各種實(shí)時(shí)網(wǎng)上交易、位置定位服務(wù)、制造過(guò)程控制、

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

4、總結(jié)

NTP和時(shí)間同步網(wǎng)在國(guó)外已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)1999年已有將近1萬(wàn)4千個(gè)專(zhuān)用時(shí)間服務(wù)器在工作,相應(yīng)的對(duì)等服務(wù)器超過(guò)18萬(wàn)臺(tái)。使用準(zhǔn)確的和有依據(jù)的時(shí)間不僅僅是許多工作的需要,而且正在成為企業(yè)和個(gè)人地位和身份的象征。在國(guó)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(yùn)用領(lǐng)域會(huì)獲得更大的拓展。

審核編輯 黃宇