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NTP协议原理简介

水海云
 水海云
发布于 2017/09/03 16:23
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RFC规范

Network Time Protocol Version 4: Protocol and Algorithms Specification

工作原理

NTP的基本工作原理如下图所示。Device A和Device B通过网络相连,它们都有自己独立的系统时钟,需要通过NTP实现各自系统时钟的自动同步。

NTP原理

为便于理解,对上图流程解释如下:

  • 在Device A和Device B的系统时钟同步之前,Device A的时钟设定为10:00:00am,Device B的时钟设定为11:00:00am。
  • Device B作为NTP时间服务器,即Device A将使自己的时钟与Device B的时钟同步。
  • NTP报文在Device A和Device B之间单向传输所需要的时间为1秒。
  • Device A发送一个NTP报文给Device B,该报文带有它离开Device A时的时间戳,该时间戳为10:00:00am(T1)。
  • 当此NTP报文到达Device B时,Device B加上自己的时间戳,该时间戳为11:00:01am(T2)。
  • 当此NTP报文离开Device B时,Device B再加上自己的时间戳,该时间戳为11:00:02am(T3)。
  • 当Device A接收到该响应报文时,Device A的本地时间为10:00:03am(T4)。

至此,Device A已经拥有足够的信息来计算两个重要的参数:

  • NTP报文的往返时延Delay=(T4-T1)-(T3-T2)=2秒。
  • Device A相对Device B的时间差offset=((T2-T1)+(T3-T4)/2=1小时。

协议格式

NTP有两种不同类型的报文,一种是时钟同步报文,另一种是控制报文。NTP基于UDP报文进行传输,使用的UDP端口号为123;时钟同步报文封装在UDP报文中,其格式如下图所示。

NTP报文

主要字段的解释如下:

  • LI(Leap Indicator):长度为2比特,值为“11”时表示告警状态,时钟未被同步。为其他值时NTP本身不做处理。
  • VN(Version Number):长度为3比特,表示NTP的版本号,目前的最新版本为4。
  • Mode:长度为3比特,表示NTP的工作模式。不同的值所表示的含义分别是:0未定义、1表示主动对等体模式、2表示被动对等体模式、3表示客户模式、4表示服务器模式、5表示广播模式或组播模式、6表示此报文为NTP控制报文、7预留给内部使用。
  • Stratum:系统时钟的层数,取值范围为1~16,它定义了时钟的准确度。层数为1的时钟准确度最高,准确度从1到16依次递减,层数为16的时钟处于未同步状态,不能作为参考时钟。
  • Poll:轮询时间,即两个连续NTP报文之间的时间间隔。
  • Precision:系统时钟的精度。
  • Root Delay:本地到主参考时钟源的往返时间。
  • Root Dispersion:系统时钟相对于主参考时钟的最大误差。
  • Reference Identifier:参考时钟源的标识。
  • Reference Timestamp:系统时钟最后一次被设定或更新的时间。
  • Originate Timestamp:NTP请求报文离开发送端时发送端的本地时间。
  • Receive Timestamp:NTP请求报文到达接收端时接收端的本地时间。
  • Transmit Timestamp:应答报文离开应答者时应答者的本地时间。
  • Authenticator:验证信息。

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