NTP介紹與分析

NTP簡介

NTP（Network Time Protocol，網絡時間協議）采用的傳輸層協議為 UDP，使用的 UDP 端口號為 123。

NTP基本工作原理

NTP的基本工作原理如所示。Device A和Device B通過網絡相連，Device A和Device B的時間不同，需要通過NTP實現時間的自動同步。為便于理解，作如下假設：

·     在Device A和Device B的時間同步之前，Device A的時間設定為10:00:00 am，Device B的時間設定為11:00:00 am。

·     DeviceB作為NTP時間服務器，即Device A與Device B的時間同步。

·     NTP報文從Device A到Device B、從Device B到Device A單向傳輸所需要的時間均為1秒。

·     DeviceB處理NTP報文所需的時間是1秒。

Device A和Device B時間同步的工作過程如下：

(1)     Device A發送一個NTP報文給Device B，該報文帶有它離開Device A時的時間戳，該時間戳為10:00:00 am（T1）。

(2)     當此NTP報文到達Device B時，Device B在NTP報文上增加該報文到達Device B時的時間戳，該時間戳為11:00:01 am（T2）。

(3)     當此NTP報文離開Device B時，Device B再在NTP報文上增加該報文離開Device B時的時間戳，該時間戳為11:00:02 am（T3）。

(4)     當Device A接收到該響應報文時，Device A的本地時間為10:00:03 am（T4）。

至此，Device A可以根據上述時間戳計算兩個重要的參數：

·     NTP報文的往返時延Delay = (T4-T1) – (T3-T2) = 2秒。

·     DeviceA相對Device B的時間差offset = ((T2-T1) + (T3-T4)) / 2 = 1小時。

這樣，Device A就能夠根據這些信息來設定自己的時間，使之與Device B的時間同步。

以上內容只是對NTP工作原理的一個粗略描述，詳細內容請參閱相關的協議規范。

NTP網絡結構及時鐘層數

NTP通過時鐘層數來定義時鐘的準確度。時鐘層數的取值范圍為1～16，取值越小，時鐘準確度越高。層數為1～15的時鐘處于同步狀態；層數為16的時鐘處于未同步狀態。

通常將從權威時鐘（如原子時鐘）獲得時間同步的NTP服務器的層數設置為1，并將其作為主時間服務器，為網絡中其他設備的時鐘提供時間同步。網絡中的設備與主時間服務器的NTP距離，即NTP同步鏈上NTP服務器的數目，決定了設備上時鐘的層數。例如，從主時間服務器獲得時間同步的設備的時鐘層數為2，即比主時間服務器的時鐘層數大1；從時鐘層數為2的時間服務器獲得時間同步的設備的時鐘層數為3，以此類推。

NTP的工作模式

配置測試

Ntp-srv（88.1.1.254）作為ntp server，

Ntp-client01（88.1.1.1）作為ntp client，服務指向ntp-srv（88.1.1.254）

Ntp-client01（88.1.1.2）作為ntp client，服務指向ntp-srv（88.1.1.254）

Ntp-client01（88.1.1.3）作為ntp client，服務指向ntp-srv（88.1.1.1）

Ntp-client01（88.1.1.4）作為ntp client，服務指向ntp-srv（88.1.1.254以及88.1.1.1、88.1.1.2）

ntp-srv配置：

先配置本地時間：

[ntp-srv]clock protocol none

<ntp-srv>clock datetime 12:00:002017/05/28

#ntp服務配置如下：

ntp-service enable

 ntp-service refclock-master 1

# ntp-service refclock-master命令用來設置本地時鐘作為參考時鐘并制定層數，如果不指定層數，ntp-server會自動指定，我模擬器配置中看到自動指定為8，推薦手動指定，一般指定為1或者2.

實際網絡中，通常將從權威時鐘（如原子時鐘）獲得時間同步的NTP 服務器的層數設置為 1，并將其作為主時間服務器同步網絡中其他設備的時鐘。

NTP狀態：

Ntp-srv：

<ntp-srv>dis ntp sessions

      source          reference       stra reach poll  now offset delay disper

*******************************************************************************[12345]LOCAL(0)        LOCL               0  255   64    8 0.0000 0.0000 0.9460

Notes: 1 source(master), 2 source(peer), 3selected, 4 candidate, 5 configured.

 Total sessions: 1

<ntp-srv>dis ntp status

 Clock status: synchronized

 Clock stratum: 1

 System peer: LOCAL(0)

 Local mode: client

 Reference clock ID: LOCL

 Leapindicator: 00

 Clock jitter: 0.000031 s

 Stability: 0.000 pps

 Clock precision: 2^-15

 Rootdelay: 0.00000 ms

 Rootdispersion: 11.16943 ms

 Reference time: dcd54bbf.b54d3a2e  Sun, May 28 2017 13:14:39.708

#

dis ntp sessions參數說明：

Source：時鐘源，參考時鐘為本地時鐘時，顯示為LOCAL(number)

Reference：參考時鐘，當 stra 字段為 0 或 1 時，本字段將顯示為 LOCAL

Stra：時鐘層數

Reach：可達性計數，0表示時間服務器不可達

Poll：輪詢間隔，即兩個連續NTP報文之間的時間間隔，單位為秒

Now：最近一次接收到NTP報文或更新本地時間到現在的時間間隔

Offset：系統時鐘相對于參考時鐘的時鐘偏移，單位為毫秒

delay disper：統時鐘相對于參考時鐘的最大誤差，單位為毫秒

[12345]：1：系統選中的時間服務器，即當前與設備進行時間同步的時間服務器

2：該時間服務器的時鐘層數小于等于15

3：該時間服務器的時鐘通過了時鐘選擇算法

4：該時間服務器的時鐘為候選時鐘

5：該時間服務器的時鐘是配置命令指定的

# dis ntp status參數說明

Clock status: 同步狀態，synchronized：系統時間已同步，unsynchronized：系統時間未同步

Clock stratum: 系統時鐘的層數

 System peer: 系統時鐘選中的時間服務器的IP地址

 Local mode: 本地設備的工作模式

unspec：未指定模式

sym_active：主動對等體模式

sym_passive：被動對等體模式

client：客戶端模式

server：服務器模式

broadcast：廣播服務器模式或組播服務器模式

bclient：廣播客戶端模式或組播客戶端模式）

 Reference clock ID: 參考時鐘ID

 Leapindicator: 告警狀態

00：正常狀態

01：閏秒標志，表示一天中的最后一分鐘有 61 秒

10：閏秒標志，表示一天中的最后一分鐘有 59 秒

11：時間未被同步的告警狀態

 Clock jitter: 系統時鐘相對于參考時鐘的偏移量，單位為秒

 Stability: 時鐘頻率的穩定性，取值越小，時鐘頻率越穩定

 Clock precision: 系統時鐘的精度

 Rootdelay: 本地設備到主時間服務器的往返時延，單位為毫秒

 Rootdispersion: 系統時鐘相對主參考時鐘的最大誤差，單位為毫秒

 Reference time: 參考時間戳

#

<ntp-srv>dis ntp sessions

      source          reference       stra reach poll  now offset delay disper

*******************************************************************************[12345]LOCAL(0)        LOCL               0  255   64    8 0.0000 0.0000 0.9460

Notes: 1 source(master), 2 source(peer), 3selected, 4 candidate, 5 configured.

 Total sessions: 1

#

#時鐘源（source）為本地時鐘（LOCAL(0)），參考時鐘LOCL，時鐘層數為0（本地）

#

<ntp-srv>dis ntp status

 Clock status: synchronized

 Clock stratum: 1

 System peer: LOCAL(0)

 Local mode: client

 Reference clock ID: LOCL

 Leapindicator: 00

 Clock jitter: 0.000031 s

 Stability: 0.000 pps

 Clock precision: 2^-15

 Rootdelay: 0.00000 ms

 Rootdispersion: 11.16943 ms

 Reference time: dcd54bbf.b54d3a2e  Sun, May 28 2017 13:14:39.708

#

#時間狀態（Clock status）已同步（synchronized），時鐘層數為1，服務器IP為本地（LOCAL(0)），服務器模式為客戶端（client，華三默認為客戶端）參考時鐘為本地（LOCL）

ntp-client01

<ntp-client01>dis ntp sessions

      source          reference       stra reach poll  now offset delay disper

*******************************************************************************[12345]88.1.1.254      LOCL              1   255  64  271 111.87 0.9307 0.0762

Notes: 1 source(master), 2 source(peer), 3selected, 4 candidate, 5 configured.

 Total sessions: 1

#

#時鐘源（source）為ntp-srv（88.1.1.254），參考時鐘LOCL，時鐘層數為1，因此可以看出dis ntp session的參考時鐘指的是時鐘源的參考時鐘，時鐘層數也是指時鐘源的時鐘層數

#

<ntp-client01>dis ntp status

 Clock status: synchronized

 Clock stratum: 2

 System peer: 88.1.1.254

 Local mode: client

 Reference clock ID: 88.1.1.254

 Leapindicator: 00

 Clock jitter: 0.011368 s

 Stability: 0.000 pps

 Clock precision: 2^-15

 Rootdelay: 0.93079 ms

 Rootdispersion: 138.96179 ms

 Reference time: dcd550a1.77781a5e  Sun, May 28 2017 13:35:29.466

<ntp-client01>

#

#時鐘層數為2，服務器IP為88.1.1.254，參考時鐘為88.1.1.254

dis ntp session的時鐘層數也是指本地的時鐘層數

#

ntp-client02

<ntp-client02>dis ntp sessions

      source          reference       stra reach poll  now offset delay disper

*******************************************************************************

[12345]88.1.1.254      LOCL               1   255  64   31 960.74 1.9531 2.3040

Notes: 1 source(master), 2 source(peer), 3selected, 4 candidate, 5 configured.

 Total sessions: 1

<ntp-client02>dis ntp st

<ntp-client02>dis ntp status

 Clock status: synchronized

 Clock stratum: 2

 System peer: 88.1.1.254

 Local mode: client

 Reference clock ID: 88.1.1.254

 Leapindicator: 00

 Clock jitter: 0.945007 s

 Stability: 0.000 pps

 Clock precision: 2^-15

 Rootdelay: 1.95313 ms

 Rootdispersion: 1919.72351 ms

 Reference time: dcd5538c.1df3f67c  Sun, May 28 2017 13:47:56.117

<ntp-client02>

#

Dis ntp session與clint01相同

dis ntp status的時鐘層數為2，因此時鐘層數與拓撲位置無關

#

ntp-client03

<ntp-client03>dis ntp sessions

      source          reference       stra reach poll  now offset delay disper

*******************************************************************************

[12345]88.1.1.1       88.1.1.254         2   255   64  44 1192.9 1.0986 4.8522

Notes: 1 source(master), 2 source(peer), 3selected, 4 candidate, 5 configured.

 Total sessions: 1

<ntp-client03>dis ntp status

 Clock status: synchronized

 Clock stratum: 3

 System peer: 88.1.1.1

 Local mode: client

 Reference clock ID: 88.1.1.1

 Leapindicator: 00

 Clock jitter: 0.517822 s

 Stability: 0.000 pps

 Clock precision: 2^-15

 Rootdelay: 2.09045 ms

 Rootdispersion: 1800.03357 ms

 Reference time: dcd55428.a6a220e1  Sun, May 28 2017 13:50:32.650

<ntp-client03>

#

#dis ntp sesion時鐘源（source）為ntp-client01（88.1.1.1），參考時鐘ntp-srv88.1.1.254，時鐘層數為2（時鐘源88.1.1.1的時鐘層數）

# dis ntp status時鐘層數為3（時鐘源+1），服務器為時鐘源8.1.1.1，參考時鐘也為時鐘源8.1.1.1

#

ntp-client04

<ntp-client04>dis ntp sessions

      source          reference       stra reach poll  now offset delay disper

*******************************************************************************

[12345]88.1.1.254      LOCL               1   255  64   50 -98.51 1.8768 2.4719

   [5]88.1.1.1        INIT              16     0  64    - 0.0000 0.0000 0.0000

   [5]88.1.1.2        INIT              16     0  64    - 0.0000 0.0000 0.0000

Notes: 1 source(master), 2 source(peer), 3selected, 4 candidate, 5 configured.

 Total sessions: 3

<ntp-client04>dis ntp status

 Clock status: synchronized

 Clock stratum: 2

 System peer: 88.1.1.254

 Local mode: client

 Reference clock ID: 88.1.1.254

 Leapindicator: 00

 Clock jitter: 0.153503 s

 Stability: 0.000 pps

 Clock precision: 2^-15

 Rootdelay: 1.87683 ms

 Rootdispersion: 266.90674 ms

 Reference time: dcd555eb.f296693d  Sun, May 28 2017 13:58:03.947

<ntp-client04>

#

#為一臺設備指定多個時間服務器，設備根據時鐘層數等參數進行時鐘過濾和選擇，從多個時間服務器中選擇最優的時鐘，與其同步

#

NTP切換

1級時鐘源down

如果2級時鐘源還未感知或未切換

<ntp-client01>dis ntp sessions

      source          reference       stra reach poll  now offset delay disper

*******************************************************************************

[12345]88.1.1.254      LOCL               1  224   64  358 -101.1 1.0986 8.5144

Notes: 1 source(master), 2 source(peer), 3selected, 4 candidate, 5 configured.

那么3級時鐘源重啟后依然會同步到2級時鐘源（配置多個ntp的會切換到2級）

<ntp-client04>dis ntp sessions

      source          reference       stra reach poll  now offset delay disper

*******************************************************************************

   [5]88.1.1.254      INIT              16     0  64    - 0.0000 0.0000 0.0000

 [245]88.1.1.1       88.1.1.254         2   120  64  203 2546.3 1.0070 0.9765

[12345]88.1.1.2        88.1.1.254         2   31   64   64 -548.1 2.7465 2.2277

Notes: 1 source(master), 2 source(peer), 3selected, 4 candidate, 5 configured.

 Total sessions: 3

#

如果二級時鐘源感知到一級時鐘源down

<ntp-client02>dis ntp sessions

      source          reference       stra reach poll  now offset delay disper

*******************************************************************************

   [5]88.1.1.254      INIT              16     0  64    - 0.0000 0.0000 0.0000

Notes: 1 source(master), 2 source(peer), 3selected, 4 candidate, 5 configured.

 Total sessions: 1

#

那么3級時鐘源也會down

<ntp-client04>dis ntp sessions

      source          reference       stra reach poll  now offset delay disper

*******************************************************************************

   [5]88.1.1.254      INIT              16     0  64    - 0.0000 0.0000 0.0000

   [5]88.1.1.1        INIT              16    0   64    - 0.0000 0.0000 0.0000

   [5]88.1.1.2        INIT              16     0  64    - 0.0000 0.0000 0.0000

Notes: 1 source(master), 2 source(peer), 3selected, 4 candidate, 5 configured.

總結

1. 當NTP時鐘源為本地時，假設指定本地時鐘層數為1，則

本地時鐘dis ntp sessions時，顯示時鐘源和參考時鐘都為本地（local），顯示時鐘層數為0

本地時鐘dis ntp status時，會顯示本地時鐘的的模式為local，時鐘服務器和參考時鐘都為本地（local）

1. 二級時鐘以一級時鐘源為服務器時，

dis ntp session的參考時鐘指的是時鐘源的參考時鐘，時鐘層數也是指時鐘源的時鐘層數，會顯示時鐘源的參考時鐘

dis ntp status的時鐘層數也是指本地的時鐘層數，時鐘服務器和參考時鐘為一級時鐘源

#

1. 三級時鐘以二級時鐘源為服務器時，

dis ntp session的參考時鐘指的是時鐘源的參考時鐘，時鐘層數也是指時鐘源的時鐘層數，會顯示時鐘源的參考時鐘

dis ntp status的時鐘層數也是指本地的時鐘層數，時鐘服務器和參考時鐘為二級時鐘源

1. 當某臺設備配置多個ntp服務器時，即指向1級時鐘源，也指向2級時鐘源，

根據優先策略會優先選擇一級時鐘源同步

• 當一級時鐘源down，二級時鐘源還未切換為init狀態時，新上的設備（配置多個ntp）會作為3級時鐘源同步2級時鐘源時間

• 當一級時鐘源down，二級時鐘源感知到切換到init狀態時，三級時鐘源和新上（配置多個ntp）設備也會init，不會以時鐘源的本地時鐘同步

• 除非2級時鐘源上配置ntp-servicerefclock-master 2，該命令將配置該設備的時鐘源位本地且層數為2.

• 但當2級時鐘源上配置這條命令后，如果一級時鐘源up，2級時鐘源也是一本地時鐘為源。

cisco通過對一級時鐘源都配置prefer參數，并在本地配置master 2可以實現當一級時鐘源down時，三級時鐘源可以以二級時鐘源的本地時間同步