通信协议 - ntp时间同步

不只会拍照的程序猿

已于 2022-08-24 13:47:34 修改

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分类专栏：通讯协议文章标签：网络物联网 linux 嵌入式 ntp

于 2022-08-23 13:56:37 首次发布

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概述

NTP(Network Time Protocol）网络时间协议基于UDP，用于网络时间同步的协议，使网络中的计算机时钟同步到UTC，再配合各个时区的偏移调整就能实现精准同步对时功能。提供NTP对时的服务器有很多，比如微软的NTP对时服务器，利用NTP服务器提供的对时功能，可以使我们的设备时钟系统能够正确运行。

注意

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发展

NTP是由美国Delaware大学David L .Mills教授设计的，是最早用于网络中时钟同步的标准之一。NTP是从时间协议和ICMP时间戳报文演变而来，NTP的版本演进如下所示。

报文

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。控制报文仅用于需要网络管理的场合，它对于时钟同步功能来说并不是必需的，这里不做介绍。

关于各字段说明如下：

原理

NTP最典型的授时方式是Client/Server方式。

客户机首先向服务器发送一个NTP 包，其中包含了该包离开客户机的时间戳T0，当服务器接收到该包时，依次填入包到达的时间戳T1、包离开的时间戳T2，然后立即把包返回给客户机。客户机在接收到响应包时，记录包返回的时间戳T3。

假设Server相对于Client时间偏移位offset，数据在网络中传输时间为delay（这里假设网络上的传输延迟相等，即T0传输到T1=T2传输到T3的时间），则：

得到

offset = ((T1-T0)+(T2-T3))/2

delay = ((T1-T0)+(T3-T2))/2

精度分析

对往返路由延时对称的假设

由于以上公司是在假设NTP请求和回复包在网上传送延时相等，即均为delay的情况下得出的，因而NTP授时精度与NTP服务器与用户间的网络状况有关，主要取决于NTP包往返路由的延时对称程度。

由于往返路由的延时不对称值最大不超过网络延时，从而delay1、delay2的取值范围在(0…delay1+delay2)间，根据式(1)，t也可表示为：t=(T1-T0)+delay1=(T1-T0)+(delay1+delay2)/2, 可以得出最大授时误差是±(delay1+delay2)/2。一般广域网的网络延时在10 ms～500ms之间;局域网的网络延时在计时操作系统内核处理延迟的情况下通常小1ms。

为何实际的往返路由时延是不同?这主要是因为那些排队。路由器中有队列，交换机中有队列，甚至终端设备的网络堆栈中也有队列。尽管消息通常在队列中花费最少的时间，但有时它们在等待交换机结束与同一端口上的其他消息的通信，或者等待操作系统完成正在执行的操作，以便获取时间戳。在某些情况下，等待造成的延迟可能非常长，如几十微秒，甚至毫秒。很明显，如果这些都发生在一个方向上的传输，而非另一方向上，将造成很大的延时不对称。

对客户端与服务器间的时钟偏差offset不变的假设

以NTP服务器时钟为标准时间，在某一时刻设置NTP客户机时间为NTP服务器当前时间T0，经过一段时间后，NTP服务器时间为T0+tsn，NTP客户端时间为T0+tcn。

因为存在时钟频率偏差，tsn与tcn并不相等。NTP客户端时间tcn需乘以时钟频率偏差系数k才等于tsn，即tsn=k×tcn，所以k=tsn/tcn。

任何晶振实际工作频率都是不稳定的，只是程度不同，晶振实际频率是受外界多种因素(温度、电压、老化等)影响而改变的。因此，时钟频率偏差系数k并非恒定不变的。每隔一定时间，NTP客户机要对时钟频率偏差系数k进行校正，才能保证计时精度。