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NTP,老矣?壯哉!

發(fā)布時間: 2023-03-24  點擊次數(shù): 2059次

網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(Network Time ProtocolNTP)是數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)潛伏時間可變的計算機(jī)系統(tǒng)之間通過分組交換進(jìn)行時鐘同步的一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,將所有網(wǎng)絡(luò)中的計算機(jī)與UTC(Universal Time Coordinated,世界協(xié)調(diào)時)同步。

 

NTP自從1985RFC-958文檔中被特拉華大學(xué)的David L Mills設(shè)計提出,發(fā)展到至今的NTPv4,已經(jīng)將近40年的歷程,是目前仍在使用的最古老的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議之一。

 

通過將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接到時間服務(wù)器(該服務(wù)器接收來自明確時間源的信號),您可以在任何位置享受精確時間帶來的好處,從而提高生產(chǎn)力、改善客戶服務(wù)并實現(xiàn)同步運(yùn)營NTP在數(shù)字錄音、廣播電臺、計算機(jī)互聯(lián)、數(shù)字金融、文件協(xié)作和智能電網(wǎng)等等領(lǐng)域有著重要作用。

 

賽思在NTP技術(shù)方面也涌現(xiàn)出大量的優(yōu)秀產(chǎn)品,如TS3000系列的TS3000GTS3000U,系列中NS7210的萬兆高精度時間服務(wù)器。

 

 

 

面對新時代的高精度的PTP時間同步技術(shù),White Rabbit和光纖同步這些更高精度可達(dá)到納秒級甚至亞納秒級的技術(shù),NTP是否會在不久的將來退出歷史舞臺?

 

答案顯然是否定的。NTP所具備生命力,創(chuàng)造力的架構(gòu)基礎(chǔ)使之在各行各業(yè)的應(yīng)用上存在無限的延延伸。

 

NTP時代的延續(xù)

 

下圖顯示了兩種NTP時間格式,64位時間戳格式和128位日期戳格式。日期戳格式在內(nèi)部使用,而時間戳格式在客戶端和服務(wù)器之間交換的數(shù)據(jù)包頭中使用。時間戳格式跨越136年,稱為一個時代。當(dāng)前時代始于190011日,而下一個時代始于2036年。

 

 

 

 

 

關(guān)于NTP時間刻度,最重要的一點是它對天、年或世紀(jì)一無所知,只知道與主紀(jì)元相關(guān)的秒差異。NTP的時間始1900110時。正值表示黃金時期之后的時間;負(fù)值表示在此之前的時間。任何日歷日期格式和NTP格式之間的轉(zhuǎn)換都是通過計算給定日期和NTP主紀(jì)元之間的秒和分?jǐn)?shù)差來完成的。

 

時間戳格式是NTP中常見到的,32位字寬的秒代表了232秒≈136年,即時間戳所能代表的最長時間為136年,秒的小數(shù)部分代表1/232秒≈232ps。大部分人擔(dān)心,在2036年,NTP的協(xié)議的使用是否就會受到限制,甚至在那一年的時間翻轉(zhuǎn)會帶來時間紊亂。

 

隨著64位軟件系統(tǒng)全面普及,日期戳的使用是解決翻轉(zhuǎn)問題的重要手段,目前NTP v4就支持時代編碼與時代補(bǔ)償這兩個變量。日期戳中的32位時代編碼與32位秒所能延續(xù)的時間可以長到太陽系的滅亡,日期戳的小數(shù)部分的精度足以分辨光子以光速通過電磁場所需的時間。

 

可以看出,目前正處于NTP的第1個時代,是NTP青壯年時期,NTP的發(fā)展會給時間信息時代帶來更多的驚喜。

 

NTP工作原理

 

TS3000U是賽思一款具備豐富功能的NTP服務(wù)器,以這款設(shè)備描述一下NTP是如何實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)兩臺設(shè)備的時間同步的。

 

 

 

網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存在兩臺TS3000設(shè)備,一臺作為服務(wù)器,一臺作為客戶端。兩臺設(shè)備在時間同步之前客戶端的時間為08:00:00AM,服務(wù)器的時間為10:00:00AM。系統(tǒng)的同步過程如下:

 

客戶端首先發(fā)送一個NTP請求報文給服務(wù)器,該報文中帶有離開客戶端時的時間戳T1(08:00:00 AM);當(dāng)此NTP報文通過網(wǎng)絡(luò)到達(dá)服務(wù)器時,服務(wù)器會加上自己接收報文的時間戳T2(10:00:01AM);當(dāng)此NTP報文離開服務(wù)器時,服務(wù)器會加上發(fā)送時間戳T3(10:00:02);當(dāng)客戶端再次接收到該響應(yīng)報文時,客戶端的時間是T4(08:00:03)。

 

那么客戶端就有足夠息來計算兩個重要的參數(shù):NTP報文的往返時延Delay=(T4-T1)-(T3-T2)=2秒??蛻舳讼鄬Ψ?wù)器的時間差Offset=((T2-T1)+(T3-T4))/2=2小時。

 

圖片 4.png

 

 

那么客戶端就可以根據(jù)與服務(wù)器的時間差來設(shè)置自己的時鐘,實現(xiàn)與服務(wù)器同步。雖然實例的時間同步精度為1秒,但實際的NTP報文分辨率可達(dá)到232皮秒,所以同步精度要超過秒級。

 

常規(guī)的NTP時間戳是采用軟件的中斷處理來進(jìn)行打戳的,打戳精度受到線程和系統(tǒng)的影響,在軟件處理優(yōu)先等級高的軟件設(shè)計下,其精度達(dá)到百微秒級,但是NTP網(wǎng)絡(luò)傳輸又會因為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸問題,帶來來回鏈路延遲的不對稱和不穩(wěn)定,最終使得NTP的精度在毫秒級,如果采用專用網(wǎng)絡(luò),那么能有效解決鏈路問題,NTP精度可達(dá)到百微秒量級。

 

NTP技術(shù)的設(shè)計上,賽思公司在NTP時間戳上采用專有硬件邏輯設(shè)計打戳,使NTP的時間戳的精度達(dá)到納秒量級,在采用專有NTP網(wǎng)絡(luò)時,NTP的授時精度可以達(dá)到百納秒,在高精度NTP時間服務(wù)器的TS3000G中,就采用此項高精度時間戳技術(shù)提供NTP服務(wù),在業(yè)界也得到了廣泛好評。

 

NTP時間同步網(wǎng)絡(luò)

 

NTP時間同步網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)不僅僅是使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的時間同步,同時也要使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的時間與UTC一致,這就決定了NTP網(wǎng)絡(luò)組成的四要素:BD/GPS接收機(jī)與天線,NTP服務(wù)器,NTP客戶端和可用的網(wǎng)絡(luò)。

 

目前服務(wù)器內(nèi)部都配備了高精度的BD/GPS接收機(jī),與UTC的同步精度可達(dá)到100ns以內(nèi)。

 

 

 

 

有兩種類型的NTP服務(wù)器可用于向網(wǎng)絡(luò)提供UTC時間:公共服務(wù)器和本地服務(wù)器。公共時間服務(wù)器由第三方擁有和運(yùn)營,第三方可通過互聯(lián)網(wǎng)使用該服務(wù)器。本地NTP服務(wù)器是您自己擁有并安裝在您的場所中的服務(wù)器,在您的服務(wù)器和客戶端之間建立物理網(wǎng)絡(luò)連接。

 

如果同步時間對運(yùn)營至關(guān)重要,那么本地時間服務(wù)器是更安全、更可靠的選擇。它們提供了改進(jìn)的準(zhǔn)確性和更多的控制,同時避免了公共服務(wù)器的各種缺點。

 

 

 

 

公共時間服務(wù)器

本地時間服務(wù)器

由第三方運(yùn)營,可靠性保證不足

由自己運(yùn)營,系統(tǒng)全時段由自己控制

同步性能取決于可靠的互聯(lián)網(wǎng)連接

互聯(lián)網(wǎng)連接丟失后,同步性能可以維持

防火墻需要一個開放的端口,容易受到網(wǎng)絡(luò)攻擊

設(shè)置在防火墻以內(nèi),安全性優(yōu)

當(dāng)大量用戶訪問時會遇到擁塞

整個服務(wù)只屬于您,全時段保證服務(wù)

可能涉及長的往返延遲,降低SNTP客戶端的準(zhǔn)確性,而SNTP客戶端無法解釋網(wǎng)絡(luò)延遲

最小的往返延遲,使SNTP用戶的本地服務(wù)器更準(zhǔn)確

可能受到速率限制,這限制了客戶端可以向服務(wù)器發(fā)出的時間請求數(shù)。超過速率限制可能會導(dǎo)致禁令

允許您設(shè)置自己的速率限制,并根據(jù)需要可使用任意數(shù)量的客戶端,適合大型網(wǎng)絡(luò)

 

在大型網(wǎng)絡(luò)上,可能有太多的客戶端,以至于服務(wù)器無法處理來自所有客戶端的請求。在這些情況下,服務(wù)器和客戶機(jī)層次結(jié)構(gòu)排列。

 

第一層服務(wù)器通過GPS/BD信號與UTC進(jìn)行同步,并通過網(wǎng)絡(luò)連接將該時間提供給第二層上的客戶端。反過來,第二層設(shè)備可以通過向第三層上的客戶端提供時間來像服務(wù)器一樣工作,第三層設(shè)備可以向第四層設(shè)備提供時間,依此類推。這樣,第一層設(shè)備就不會因太多請求而過載。

 

常規(guī)最多共有15個同步的層級別(層16用于非同步的客戶端),但每個層都會引入另一層網(wǎng)絡(luò)延遲,導(dǎo)致準(zhǔn)確性降低。

 

為了解決這一問題,NTP客戶端可以設(shè)置為從多個服務(wù)器請求時間,將多個服務(wù)器對等在一起,這樣,如果一個服務(wù)器失去硬件時鐘同步,客戶端可以從對等組中的其他服務(wù)器獲得時間,以幫助它們盡可能接近地正確的時間。

 

 

 

NTP的網(wǎng)絡(luò)安全

 

越來越多的計算機(jī)與設(shè)備使用網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議通過公共互聯(lián)網(wǎng)來傳輸時鐘數(shù)據(jù),進(jìn)一步同步時鐘。但是NTP是少數(shù)幾個仍在普遍使用的不安全的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議之一。攻擊者可以通過觀察客戶端與服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)流量為客戶端提供虛假數(shù)據(jù),并根據(jù)客戶端的實現(xiàn)和配置,修改NTP時間戳,強(qiáng)迫將系統(tǒng)時鐘設(shè)置為任何時間和日期。

 

一旦客戶端的系統(tǒng)時鐘不準(zhǔn)確,一些程序和服務(wù)就可能無法工作,如Web服務(wù)器證書等以時間作為密鑰驗證手段(之一)的程序。

 

NTP安全方面,賽思做了大量的技術(shù)研究和安全防護(hù),如傳送時間戳和重放檢測;消息摘要保護(hù)數(shù)據(jù)包的完整性檢測;Autokey模型自動分發(fā)對稱摘要密鑰的保護(hù)措施;MD身份驗證;網(wǎng)絡(luò)黑名單;基于Autokey模型的NTP協(xié)議序列的保護(hù)措施;限制數(shù)據(jù)包到達(dá)率抵抗消耗資源的Dos攻擊防護(hù)。

 

 

 

 

賽思為廣大用戶提供精確時間的同時,也為用戶享受服務(wù)過程中的安全性著想。在持續(xù)創(chuàng)新專研過程中,與廣大用戶和合作伙伴雙贏。

 

 

 

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