NTP网络校时协议

 

网络时间协议(network time protocol，简称ntp)是用来在整个网络内发布精确时间的tcp/ip 协议，其本身的传输基于udp。Ntp协议基本原理如下：   
上图所示的是ntp 协议基本工作原理，路由器gwa 和gwb 通过网络相连，它们都有自己独立的系统时钟，    要实现各自系统时钟的自动同步，作如下假设：
1 在gwa 和gwb 的系统时钟同步之前， gwa 的时钟设定为10:00:00am，gwb 的时钟设定为11:00:00am。
2 以gwb 为ntp 时间服务器，即gwa 将使自己的时钟与gwb 的时钟同步。
3 数据包在gwa 和gwb 之间单向传输所需要的时间为1 秒。
    系统时钟同步的工作过程如下：
1 gwa 发送一个ntp 消息包给gwb，该消息包带有它离开gwa 时的时间戳，该时间戳为10:00:00am(t1)。
2 当此ntp 消息包到达gwb 时，gwb 加上自己的时间戳，该时间戳为11:00:01am(t2)。
3 当此ntp 消息包离开gwb 时，gwb 再加上自己的时间戳，该时间戳为11:00:02am(t3)。
4 当gwa 接收到该响应消息包时，加上一个新的时间戳，该时间戳为10:00:03am(t4)。
至此，gwa 已经拥有足够的信息，来计算两个重要的参数：
5 ntp 消息来回一个周期的时延delay=(t4-t1)-(t3-t2)。
6 gwa 相对gwb 的时间差offset=((t2-t1)+(t3-t4))/2。
这样，gwa 就能够根据这些信息，来设定自己的时钟，使之与gwb 的时钟同步。这只是ntp 工作原理的一个粗略描述，在rfc1305 规范中，ntp 使用复杂的算法，来确保时钟同步的精确性。
根据网络结构以及路由器在网络中的位置，ntp 有六种工作模式，其中前两种模式也称单播模式。
1 设置远程服务器为本地时间服务器，此时本地路由器工作在client 模式。在这种工作模式下，只能是本地客户机同步到远程服务器，而远程服务器不会同步到本地客户机；
2 设置远程服务器作为本地路由器的对等体，本地运行在symmetric active 模式(即主动模式)在。这种配置下，本地服务器能同步到远程服务器(被动模式)，远程服务器也能同步到本地服务器。如果双方都有参考时钟，以层数小的为准；
3 设置本地路由器的一个接口发送ntp 的广播消息包，此时，本地路由器工作在广播服务器模式；
4 设置本地路由器的一个接口接收ntp 的广播信息包，此时，本地路由器工作在广播客户模式；
5 设置本地路由器的一个接口发送ntp 组播消息包，本地路由器运行在组播服务器模式；
6 设置本地路由器的一个接口接收ntp 组播消息包，本地路由器运行在组播客户模式。

 

Network Time Protocol（NTP）协议是用来使计算机时间同步化 的一种协议，它可以使计算机对其服务器或时钟源（如石英钟，GPS等）做同步化，它可以提供高精确度的时间校正（LAN上与标准时间差小于1毫秒，WAN上几十毫秒），且可用加密确认的 方式来防止协议攻击。

     NTP提供准确时间，首先要有准确的时间来源，这一时间应该是国际标准时间UTC。 NTP获得UTC的时间来源可以是原子钟、天文台、卫星，也可以从Internet上获取。这样就有了准确而可靠的时间源。时间是按NTP服务器的等级传 播。按照距离外部UTC 源的远近将所有服务器归入不同的Stratun（层）中。Stratum-1在顶层，有外部UTC接入，而Stratum-2则从Stratum-1获取 时间，Stratum-3从Stratum-2获取时间，以此类推，但Stratum层的总数限制在15以内。所有这些服务器在逻辑上形成阶梯式的架构并 相互连接，而Stratum-1的时间服务器是整个系统的基础。

     进行网络协议实现时最重要的是了解协议数据格式。NTP数据包有48个字节，其中NTP包头16字节，时间戳32个字节。其协议格式如图10.9所示。

 

 

 

图10.9 NTP协议数据格式

     其协议字段的含义如下所示。

      LI：跳跃指示器，警告在当月最后一天的最终时刻插入的迫近闺秒（闺秒）。

      VN：版本号。

   Mode：工作模式。该字段包括以下值：0－预留；1－对称行为；3－客户机；4－服务器；5－广播；6－NTP控制信息。NTP协议具有3种工作模式，分别为主/被动对称模式、客户/服务器模式、广播模式。在主/被动对称模式中，有一对一的连接，双方均可同步对方或被对方同步，先发出申请建立连接的一方工作在主动模式下，另一方工作在被动模式下； 客户/服务器模 式与主/被动模式基本相同，惟一区别在于客户方可被服务器同步，但服务器不能被客户同步；在广播模式中，有一对多的连接，服务器不论客户工作 在何种模式下，都会主动发出时间信息，客户根据此信息调整自己的时间。

     Stratum：对本地时钟级别的整体识别。

     Poll：有符号整数表示连续信息间的最大间隔。

     Precision：有符号整数表示本地时钟精确度。

     Root Delay：表示到达主参考源的一次往复的总延迟，它是有15～16位小数部分的符号定点小 数。

     Root Dispersion：表示一次到达主参考源的标准误差，它是有15～16位小数部分的无符号 定点小数。

     Reference Identifier：识别特殊参考源。

     Originate Timestamp：这是向服务器请求分离客户机的时间，采用64位时标格式。

     Receive Timestamp：这是向服务器请求到达客户机的时间，采用64位时标格式。

     Transmit Timestamp：这是向客户机答复分离服务器的时间，采用64位时标格式。

     Authenticator（Optional）：当实现了NTP认证模式时，主要标识符和信息数字域就 包括已定义的信息认证代码（MAC）信息。

     由于NTP协议中涉及比较多的时间相关的操作，为了简化实现过程，在本实验中，仅要求实现NTP协议客户端部分的网络通信模块，也就是构造NTP协议字段 进行发送和接收，最后与时间相关的操作不需进行处理。NTP协议是作为OSI参考模型的高层协议比较适合采用UDP传输协议进行数据传输，专用端口号为 123。在实验中，以国家授时中心服务器（IP地址为 202.72.145.44）作为NTP（网络时间）服务器