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時間同步服務器-SYN2151介紹
局域網時間同步服務器如何統一局域網時間?
 二維碼 1705
發表時間:2017-08-31 09:34作者:syn029

局域網時間同步服務器對于計算機網絡越來越普及的現代人來說是必不可少的,廣域網時間同步比較簡單,因為網絡上有很多免費的時間同步服務器可以選擇,但是對于很多不能夠鏈接到互聯網的局域網要實現時間同步就比較困難,所以必須安裝一套局域網時間同步服務器來解決局域網時間統一的問題。

1、局域網時間同步服務器概述

隨著計算機互聯網絡的迅速發展,網絡在國民經濟和人們的日常生活中起著越來越重要的作用,網絡上的計算機和終端設備之間的時間同步問題被提上日程。為了使網絡上的計算機和設備終端保持時間同步,通常人們將小部分計算機裝上時間同步接收器作為一級時間服務器(這樣既經濟又便利),然后用這些服務器去同步大量的二級服務器和連接在普通網絡上的客戶機。這樣就出現了網絡時間同步技術。

根據對NTP時間同步協議及工作原理的分析,提出采用現有的GPS北斗NTP時間同步服務器實現局域網時間統一,其中西安同步電子科技有限公司研發生產的SYN2151型NTP時間同步服務器完全滿足絕大多數用戶需求,擁有近20000次/秒的ntp請求量,10m/100m/1000m自適應以太網接口,是性價比最高的局域網時間同步服務器之一。

局域網時間同步服務器

所謂網絡時間同步,簡單的說就是讓在網絡中每臺設備的系統時間同標準時間的誤差保持在一定范圍內。當然,網絡可以是局域網LAN(LocalAreaNetwork),也可以是廣域網WAN(WideAreaNetwork),網絡中的設備可以是計算機,也可以是其他網絡終端。為了達到網絡時間同步的目的,一系列分布式網絡時間協議產生了,它們能夠讀取服務器的時間,將讀數傳送給一個或更多的客戶端,并且根據需要調整每個客戶端的時間。

2、網絡時間協議(NTP)簡介

NTP(NetworkTimeProtocol)是一個Internet標準協議,由美國Delaware大學的Mills教授于1985年提出的,是一種同步網絡設備和服務器時鐘的動態、穩定和容錯的協議,除了可以估算封包在網絡上的往返延遲外,還可獨立地估算計算機時鐘偏差,達到在無序的Internet上傳遞統一、標準的時間,提供高精確和健壯的時間同步服務(LAN上與標準時間差小于1毫秒,WAN上與標準時間亦僅差幾十毫秒),實現高精準度計算機校時的目的。現在最新的正式版本為NTPV3。

目前采用的時間標準是世界協調時UTC(UniversalTimeCoordinated)。UTC是協調世界時(UniversalTimeCoordinated)的英文縮寫,是以原子時秒長為基礎,在時刻上盡量接近于世界時的一種時間計量系統,它是由國際無線電咨詢委員會規定和推薦的,并由國際時間局(BIH)負責保持的以秒為基礎的時間標度。各國天文臺發布的實時時間都是UTC系統時間,稱為該守時臺的UTC時間。根據用戶所在的時區加上時差就是UTC時間。

NTP的主要開發者是美國特拉華大學的DavidL.Mills教授。NTP的設計充分考慮了互聯網上時間同步的復雜性。NTP提供的機制嚴格、實用、有效,適應于在各種規模、速度和連接通路情況的互聯網環境下工作。NTP以GPS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,可以適應各種互聯網環境。

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NTP可以在互聯網上獲取可靠和精確的時間同步,并使NTP成為互聯網上公認的時間同步工具。網絡時間協議(NTP)的詳細說明在RFC-1305[Mills1992]中。

RFC-1305以合適的算法來增強時鐘的準確性,并且減輕多個由于同步源而產生的差錯,實現了準確性低于毫秒的時間服務,以滿足目前因特網中路徑量測的需要。NetworkTimeProtocol是TCP/IP協議家族的一員。NTP時間服務器為客戶機提供標準時間,時間服務器的時間主要來自于接收GPS時間,下一級的時間服務器從上一級時間服務器獲取標準時間。所有需要時間同步的客戶機只需安裝客戶端軟件即可與上級時間服務器同步時間。

目前,在通常的環境下,NTP提供的時間精確度在WAN上為數十毫秒,在LAN上則為亞毫秒級或者更高。在專用的時間服務器上,則精確度更高。時間信息在TCP/IP網絡中傳輸面臨的主要問題是傳輸延遲的不確定性,這也是TCP/IP網絡自身的一個特點。由于延遲的不確定,所以依靠從時間服務器到客戶機的單邊傳輸是無法傳遞精確時間信息的。為了解決這個問題,在NTP協議中使用了時間服務器和客戶機之間的雙向信息交換和時間戳的概念。利用客戶機主動申請,服務器應答的方式來確定網絡延遲和時鐘偏移。

NTP的設計充分考慮了網絡上時間同步的復雜性,適應于在各種規模、速度和連接通路情況的網絡環境下工作。NTP要求的資源開銷和通信帶寬很小。NTP采用UDP協議,因為UDP更適合傳輸數據量小且頻繁的數據,同時,UDP產生的系統開銷較小,不許建立連接,不采用TCP中的差錯檢驗和流控制,利于重復利用網絡帶寬來傳輸數據,所以在時間精度要求高的通信場合得到廣泛使用。UDP占用很小的網絡帶寬,在眾多客戶機和少許服務器通信時有利于避免擁塞。服務器/客戶機方式下,通信間隔將在指定的范圍內自動變化(一般是64s到1024s),同步情況越好,通信間隔就越長。

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還使用了識別機制,檢查來對時的信息是否真正來自所宣稱的服務器并檢查資料的返回路徑,以提供對抗干擾的保護機制,以防止對時間服務器的惡意破壞。

3、NTP報文格式

NTP信息在網絡上傳輸都采用UDP協議,端口號是123,此號碼將被使用在UDP標頭里的SourcePort和DestinationPort兩段中,剩余的UDP標頭欄將被設定成規格的描述。NTP報文格式如表1-1所示。跳秒標識(Ll):警告將要在當月的最后一天的最終時刻在UTC時標里插入跳秒。版本號(VN):標識當前版本號。模式(Mode):層(Stratum),精度(Precision)標識了當前的操作模式,層和本地鐘精度。輪詢間隔(Poll):標識了連續消息間的最大間隔,以二的冪表示。精度(Precision):標識本地鐘的精度。根延遲(RootDelay):標識到主參考源的整個往返延遲,這個變量根據鐘的精度和偏斜可正可負。根離差(RootDispersion):標識相對于主參考源的最大誤差,這個變量只可能取大于零的正值。

NTP報文格式

NTP報文格式

參考鐘標識(ReferenceClockIdentifier):用32位代碼標識特定的參考鐘。

參考時戳(ReferenceTimestamp):本地鐘最近被設置或校正的本地時刻。

初始時刻(OriginateTimestamp):請求離開客戶端主機發往服務器主機的本地時刻。

接收時戳(ReceiveTimestamp):請求到達服務器端的本地時刻。

傳送時戳(TransmitTimestamp):答復離開服務器端主機發往客戶機的本地時刻。

認證(Authenticator(optional)):當NTP認證機制實現時,它保存認證者信息。

NTP協議機為上述每一個量值維持一個狀態變量,還有其它一些狀態變量如下:

地址和端口:服務器和對等點的32位因特網地址和16位端口數,它們用來標識聯接。

對等點計數器:一個用來控制傳遞NTP消息的間隔的計數器。

可達性寄存器:用來確定一個對等點的可達性狀態的移位寄存器。濾波寄存器:由數據濾波算法使用的移位寄存器。

延遲,偏移和離差:標識了由數據濾波算法產生的當前往返延遲,鐘偏移和濾波離差。

同步源:標識由對等點選擇算法決定的當前用來同步本地鐘的對等點。

本地鐘:由本地鐘得來的當前本地時間。

4、NTP協議工作原理

客戶端向服務器發送查詢請求時間包,該請求包中有離開客戶時的時間戳T1,以客戶端時間系統為參照。當服務器接收到該請求包時,依次填入該包到達的時間戳T2以及離開時的時間戳T3,之后返回給客戶端,以服務器時間系統為參照。客戶端在接收到響應包時再填入包,回到客戶端的時間戳,以客戶端時間系統為參照。客戶端可通過T1、T2、T3、T4計算出時鐘偏差θ去調整本地時鐘,使之與NTP服務器時鐘同步。

以上只是對NTP的工作原理的粗略描述,詳細內容請參閱RFC1305。通常情況下,在設置的初始,5至10分鐘有內6次交換。一旦同步后,每10分鐘與服務器時間進行一次同步,通常要求單一信息交換。影響NTP協議精確度最關鍵的因素在于由網絡延遲的隨機性而導致的時鐘延遲計算的不準確,同時還依賴于本地時鐘硬件的精確度。

5、NTP服務器工作方式

NTP服務器通過廣播/多播(broadcast/multicast)、對等(symmetric)和服務器客戶端(server/client)這三種方式與其他的時間服務器進行時間同步。廣播/多播方式主要適用于局域網的環境,以廣播的方式將時間信息傳送給其他的時間服務器,此方式的精度并不高;對等方式適用于配置冗余的時間服務器,即時間服務器之間可以互相進行時間同步。

即使上層的時間服務器出現故障或與時間服務器的通訊中斷時,仍然可以提供高精度的時間同步服務給主機;服務器客戶端方式與對稱方式比較相似,只是不給同層的時間服務器提供時間同步服務,此方式適用于接收上層時間服務器的時間同步服務,并為下層用戶提供時間同步服務。對于上述三種方式,時間信息的傳輸都使用UDP協議。

每一個時間包內包含最近一次事件的時間信息,包括上次事件的發送與接收時間、傳遞現在事件的當地時間以及此包的接收時間。在收到上述包后即可計算出時間的偏差量與傳遞資料的時間延遲。時間服務器利用一個過濾演算法以及先前八個校時資料計算出的時間參考值,來判斷后續校時包的精確性,一個相對較高的離散程度表示一個校時資料的可信度比較低。

僅從一個時間服務器獲得校時信息,不能校正通訊過程所造成的時間偏差,而同時與許多時間服務器通信校時,就可利用過濾算法找出相對較可靠的時間來源,然后采用它的時間來校時。

5.1廣播模式

廣播模式通常用于對精度要求不高,而且有眾多客戶機的高速局域網中,在廣播模式下沒有時間同步的發起方,服務器定期向網絡廣播自己的時間信息,所有客戶機接收這些報文,判斷網絡延遲,并修改本地時鐘,可以獲得毫秒級的同步精度。在數據包的傳送方式上,它是一種多個客戶機對一個服務器的同步方式。網絡延遲一般是毫秒級的,同時,這種模式需要的系統開銷和占用的通信帶寬都比較小。

不同之處在于時間服務器在廣播方式下周期性地向廣播地址發送時間刷新信號;在多播方式下,服務器周期性地向多播地址發送時間刷新信號,一個服務器可以為大量的客戶機提供時間,多播模式的初始客戶端會先發送一些單播包來測量延遲,以使時間更準確,然而并不是所有的設備都支持這種多播模式。兩者工作方法基本相同,在廣播和多播方式下一個服務器可以為大量的客戶機提供時間同步服務,但同步精度較低。

5.2客戶/服務器模式

不管局域網中的服務器是否是可達的,處于客戶端模式下的主機,周期性地向它發送同步請求,客戶機只能被別的時鐘服務器同步,而不能去同步網絡中的其他主機。當一個客戶端向局域網中的時間服務器發送對時請求時,它們之間建立了聯系,對時完成后它們之間的聯系就被解除。NTP協議最典型的操作模式是客戶/服務器模式,在數據包的傳送方式上,它是一種客戶端和服務器一對一的點對點方式。在該模式下,客戶端周期性地以向服務器發送NTP時間報文的方式向服務器請求時間同步。該報文中包含了它離開客戶端時的時間戳、服務器接收到該報文時的時間戳、交換報文的源地址和目標地址、報文離開服務器時的時間戳,然后立即把數據包返回給客戶端。客戶端在接收到響應報文時再把報文回到客戶端的時間填入報文。客戶端用這4個時間戳解算出客戶機與服務器之間的時鐘偏移量θ和網絡路徑延遲δ,然后,采用數據濾波算法找到最好的一組時間信息來修正本地系統時間。

5.3對稱模式

在上面兩種工作模式中,服務器用來同步客戶端但卻不能被客戶端同步,對于客戶端來說則正好相反。NTP協議還提供了一種互同步機制即對稱操作模式。在對稱模式下,同步的兩主機沒有客戶機/服務器的概念,一方處于對稱主動(SymmetricActive)狀態,另一方處于對稱被動(SymmetricInactive)狀態。處于主動對稱模式下的主機,周期性的不斷發送消息給與它保持聯系的節點,而不管消息是否可達以及對方的層次。它向網絡發出了愿意進行同步或被同步的信息。被動對稱:這種主機間的聯系一般是發生在有消息從另外一個處于主動對稱狀態的節點發送過來的時候,并且這種聯系只有在它們之間網絡鏈路是可達的時候才維持,還需要該節點的層次不高于它所處的層次。否則,這種聯系就會被解除掉。對稱主動同步通常是指在距離子網終端較近的時鐘服務器上進行的時鐘同步。不管另一方工作在同步網絡中的哪一層,工作在對稱主動狀態的主機根據預先配置的地址循環地向另一方發送希望同步對方同時被對方同步的消息。當另一方收到上述消息時,根據發送方的Stratum數,發現對方與自己處于同一級或者比自己更靠近葉子節點時,也發送希望同步對方同時被對方同步的消息,這樣該主機進入對稱被動狀態。然后,雙方開始傳送同步數據包,兩主機分別根據對等選擇算法(PeerSelectionAlgorithm)來決定是同步對方還是被對方同步。對稱被動同步通常是指在距離子網的根(主時鐘服務器)較近的時鐘服務器上來對大量處于不甚穩定網絡的節點進行時間同步。在這種模式下,該主機不需要提前知道被同步節點的身份,因為它們之間的聯系只是當同步請求報文到達時才會創建。在Internet或其它大型的分層網絡中,對稱主動狀態用于實現與配置有同層或高層服務器地址的低層服務器的同步。另外,NTP的對稱模式提供了一種子網節點間的內同步方法。這樣,即使高層的時間服務器出現故障或與該服務器的通信中斷,底層的主機之間也可以相互同步起來。

6、NTP網絡結構

NTP所建立的網絡基本結構是分層管理的類樹形結構,以國際標準時間(UTC)為基礎,形成層次式時間同步模型,并通過使用這種模型提供了同步子網的無限可擴展性。時間按NTP服務器的等級傳播,按照離外部UTC源的遠近將所有時間服務器歸入不同的Stratum(層)中。Stratum-0是原子鐘、天文臺和衛星這些準確可靠的時間源,并給Stratum-1提供可靠的UTC時間。Stratum-1的服務器直接同步到UTC時間,Stratum-2服務器則透過Stratum-1間接同步到UTC,Stratum-3服務器則透過Stratum-2間接同步到UTC,以此類推,但Stratum的總數限制在16層以內。

每臺服務器均以本身的時鐘來維持某精準度的時間,并自行在適當的校時周期主動向上一層服務器發出校時請求。出于時間同步精度和可靠性的考慮,下層服務器可同時引用多個上層和同層服務器作為參考源,這樣即使長時間無法與某一時間服務器相聯系的情況下,NTP服務依然有效運轉。由于存在多條同步路徑,每條路徑的時鐘過濾器會從最近幾次的時鐘偏差值中挑選出最佳者作為輸出。時鐘選擇器會估算各同步路徑的同步成本,封包往返時間延遲是主要參數,延遲愈大者成本就愈高,成本較低的時鐘偏差值才會被選取。

時鐘合成器則將各時鐘偏差值加權合成后送往鎖相回路以調整NTP服務器本身的時鐘。并且,NTP使用了認證機制(Authentication),檢查時間同步的信息是否真正來自所宣稱的時間服務器,并檢查返回路徑,提供對抗干擾的安全機制。局域網時間同步方案如果您的計算機屬于某個域,則計算機的時鐘可能自動被網絡的域時間服務器同步。

如果您的計算機是工作組模式可以利用WINDOWS操作系統自帶的網絡授時協議進行相應的設置,實現時間同步。首先架設一臺服務器與GPS同步,并啟用時間服務功能。網內客戶端用戶只需在本機設置啟用與時間服務器同步功能即可。為了解決局域網應用時間同步問題,在不同的NTP網絡層次上部署相應的時間服務器,利用其“對等”及“服務器客戶端”兩種工作方式,給局域網提供準確可靠的時間同步服務。

7、局域網時間同步服務器展望

隨著計算機與網絡技術的發展,各種應用服務的分布式特征越來越明顯,因此,保證服務器與網絡設備之間的時間同步越來越重要。結合局域網的特點,提出一種高校局域網NTP時間同步方案,利用NTP局域網時間同步服務器從UTC獲取標準時間,并分層提供服務,采用過濾算法選擇時間的最佳路徑和來源,采用識別機制來抗干擾和惡意破壞,從而為局域網提供有效的時間同步服務。現在的NTPV4版本還是開發版,相信V4正式版的推出,將能為各種應用提供更高精度的時間同步服務。

西安同步電子科技有限公司研發生產的局域網時間同步服務器全部采用最新的ntp協議,具有防火墻保護功能,加密功能,而且可以遠程升級ntp包,讓你的ntp服務永遠使用最新最安全的局域網時間同步服務器。

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