NTP 网络工夫服务器（时钟零碎）技术原理及利用
NTP 网络工夫服务器（时钟零碎）技术原理及利用
1. 前言
由计算机网络零碎组成的分布式系统，若想协调一致进行：IT 行业的“整点开拍”、“秒杀”、“Leader 选举”，通信行业的“同步组网”之类业务解决，毫秒级甚至微秒级的工夫同步是重要根底之一。
2. 术语形容
2.0 世界时
世界时 UT，能够简略了解为依照地球自转一周来计量 24 小时的工夫规范，因为地球自转速率的变动，世界时的秒长会有渺小的变动，每天的快慢能够达到千分之几秒。
2.1 TAI 工夫
世界时不准，因而国内组织定义了 TAI 工夫, 即国内原子时（International Atomic Time），其终点是 1958 年的开始（世界时 UT），以铯原子钟走秒间断计时的工夫。
2.2 UTC 工夫
计算机网络广泛应用的 UTC 工夫（协调世界时），由国内计量局 BIPM 综合全世界多个守时实验室的钟组计算失去，为了使 UTC 工夫与地球自转 1 天的工夫（世界时 UT）协调一致，每隔 1 到 2 年，BIPM 会通告在 UTC 工夫 6 月 30 日或 12 月 31 日最初一分钟“加一秒”或“减一秒”等闰秒调整。也就是说，UTC 工夫会呈现 60 秒或少了 59 秒的状况。
最近一次闰秒是 UTC 工夫 2015 年 6 月底：
2015 年 6 月 30 日，23 时 59 分 59 秒
2015 年 6 月 30 日，23 时 59 分 60 秒
2015 年 7 月 1 日，0 时 0 分 0 秒
因为存在闰秒，UTC 工夫与 TAI 工夫是有差异的，UTC = TAI – n，这个 n 当初（2016 年 1 月）是 36 秒，也就是说 UTC 工夫比 TAI 工夫慢了 36 秒。
2.3 北京工夫
北京工夫也就是东八区工夫，在 UTC 工夫根底上加 8 小时，中国的北京规范工夫由位于陕西的国家授时核心发播。
2.4 GPS 工夫
由 GPS 零碎通过卫星信号发播的原子工夫，GPS 工夫用自 1980 年 1 月 6 日零点（UTC 工夫）起的星期数和该星期内内的秒数来示意。
工程上，GPS 接收机会依据闰秒数将 GPS 工夫换算为咱们通常应用的 UTC 工夫。GPS 工夫的源头是美国海军天文台的守时原子钟组。
2.5 北斗（BDS）工夫
由北斗卫星导航系统通过卫星信号发播的原子工夫，同样，北斗接收机会依据闰秒数将北斗工夫换算为咱们通常应用的 UTC 工夫。
北斗工夫的时钟源是位于北京的解放军时频核心的守时原子钟组，陕西的国家授时核心好难堪:(。
2.6 频率
工夫的导数就是频率，机械发条、石英晶体振荡器、原子钟等各种时钟源通过产生频率信号，依照频率平均打拍计数，模仿工夫的等距离流逝，就有了可见的“工夫”。
2.7 频率准确度
手表有准和不准的，反映的就是频率准不准，时钟频率和规范频率的偏差能够用频率准确度来掂量。1E- 9 量级示意 1 秒会差 1ns，咱们应用的个人电脑，它的守时时钟是个 32. 768kHz 的石英晶振，准确度大略只有 2E- 5 量级（20ppm），也就是说 1 秒会差 0.02ms，1 天会跑偏大略 2 秒。
2.8 工夫同步
狭义的“工夫同步”包含的工夫和频率的同步。下级时钟将工夫频率信号通过各种有线（以太网、SDH 数字网、同轴电缆、电话等）、无线（卫星、长波、电台、微波、WIFI、Zigbee 等）链路传递给上级时钟，上级时钟承受工夫频率信息后，与下级时钟放弃相位、频率的统一。
3. 工夫同步原理
3.1 单向授时
下级时钟被动发播工夫信息，上级用户端被动承受工夫信息，并调整本地时钟使时差管制在肯定范畴内。
要想进步授时精度，用户端必须计算出工夫信息在流传链路中的延时，GPS/ 北斗等卫星授时，能够通过用户端定位与卫星之间间隔确定电磁传输延时，打消大部分误差，而电缆、网络等如果是单向授时形式就无奈精确计算单向链路时延了。
3.2 双向授时
用户端将承受的工夫信息原路返回给下级时钟服务端，服务端将往返工夫除以二即失去单向链路时延，再把单向时延通知客户端，在此基础上，客户端失去服务端更精确的工夫信息。比方：北斗单向卫星授时精度 100ns，双向卫星授时精度可做到 20ns。
3.3 网络工夫同步
网络工夫同步，特指在计算机网络内的服务器与客户端之间利用网络报文交换实现的工夫同步。
鉴于计算机网络传输门路的不确定性和两头路由替换设施转发报文工夫的不确定性，通过单播或多播实现的单向网络授时是不牢靠的。因而，前辈们创造的网络工夫同步技术 NTP/PTP 等，基本原理都是通过对网络报文打工夫戳（标记），往返替换报文计算传输时延和同步误差。
3.4 频率同步
频率同步指的是主从时钟的频率误差放弃在肯定范畴内，频率同步有 2 种类型:
第 1 种是间接传递模仿频率信号，比方用电缆或光缆传递 10MHz、5Mhz、2.048MHz 等规范频率，或者传递 bit 位宽脉冲；
第 2 种是通过测量失去的主从时钟时差，通过锁定主从相差实现频率锁定（PLL），或者间接计算频率偏差，实现频率修改。
4. 计算机网络工夫同步
计算机网络工夫同步只是工夫同步的一种利用场景，其工夫传递的链路可能是 SDH 网、以太网、WIFI 无线网络等。
4.1 NTP
NTP（Network Time Protocol）从 1985 年诞生来，目前仍在在大部分的计算机网络中起着同步零碎工夫的作用。
• 基本原理
服务器和客户端之间通过二次报文交换，确定主从时间误差，客户端校准本地计算机工夫，实现工夫同步，有条件的话进一步校准本地时钟频率。
• 工夫同步过程
服务器在 UDP 的 132 端口提供授时服务，客户端发送附带 T1 工夫戳（Timestamp）的查问报文给服务器，服务器在该报文上增加达到时刻 T2 和响应报文发送时刻 T3，客户端记录响应报达到时刻 T4。
改个维基的图：
• 时差计算
维基这个图中用蓝色标注了主从间接来回链路的时延 Sigma：
Sigma = (t4-t1)-(t3-t2)
因而，假如来回网络链路是对称的，即传输时延相等，那么能够计算客户端与服务器之间的时间误差 Delta 为：
Delta = t2-t1-Sigma/2=((t2-t1)+(t3-t4))/2
客户端调整本身的工夫 Delta，即可实现一次工夫同步。
• 计时形式
NTP 采纳 UTC 工夫计时，NTP 工夫戳包含自 1900-01-01 00:00:00 开始的 UTC 总秒数，以后秒的亚秒数。
当正闰秒时，60 秒和下一分钟的 0 秒的 NTP 总秒数统一的，因而 NTP 报文专门定义了闰秒批示域来提醒。
• 误差剖析
局域网内计算机利用 NTP 协定进行工夫同步，工夫同步精度在 5ms 左右，次要误差包含：
1）计算机打工夫戳的地位在应用层，受协定栈缓存、任务调度等影响，不能在网络报文到来时马上打戳；
2）各种两头网络传输设施带来的传输时延不确定性以及链路的不对称性，将进一步升高 NTP 工夫同步精度。
4.2 PTP
为克服 NTP 的各种毛病，PTP(Precision Time Protocol，准确工夫同步协定)应运而生，最新协定是 IEEE1588v2，可实现亚微秒量级的工夫同步精度。
• 基本原理
主从节点在网络链路层打工夫戳，利用反对 IEEE1588 协定的 PHY 片，精准记录时间同步网络报文承受或发送的时刻。交换机、路由器等网络两头节点精确记录时间同步报文在其中停留的工夫，实现对链路时延的精确计算。
• 工夫同步过程
PTP 默认应用组播协定，二层或四层 UDP 组播都能够，个别咱们应用基于 UDP 组播，应用 319 和 320 两个端口。
PTP 定义了三种角色：OC、BC 和 TC。咱们个别接触的是 OC：主时钟和从时钟，交换机、路由器个别是 BC 或 TC。
因为硬件性能无限，网络报文发送时记录的时刻信息，能够在随后的 Follow_Up 追随报文中收回，这就是 PTP 的双步模式 (Two-step)。
下图是两 OC 主从时钟之间的同步过程：
• a. 主时钟向从时钟发送 Sync 报文，并在本地记录发送工夫 t1；从时钟收到该报文后，记录接管工夫 t2。
• b. 时钟发送 Sync 报文之后，紧接着发送一个携带有 t1 的 Follow_Up 报文。
• c. 从时钟向主时钟发送 Delay_Req 报文，用于发动反向传输延时的计算，并在本地记录发送工夫 t3；主时钟收到该报文后，记录接管工夫 t4。
• d. 主时钟收到 Delay_Req 报文之后，回复一个携带有 t4 的 Delay_Resp 报文。
• 时差计算
与 NTP 一样的原理，从时钟依据领有的 t1～t4 这四个工夫戳，由此可计算出主、从时钟间的往返总延时为：
Sigma = (t4-t1)-(t3-t2)
假如网络是对称的，从时钟绝对于主时钟的时钟偏差为：
Delta = t2-t1-Sigma/2=((t2-t1)+(t3-t4))/2
• 计时形式
与 NTP 不同，PTP 采纳 TAI 世界原子工夫计时，而且 PTP 计时的终点与 unix 工夫统一，即 UTC 工夫 1970 年 1 月 1 日 0 点。
PTP 主钟会告知从钟，以后 UTC 绝对于 TAI 的累计偏移量，从钟据此计算以后精确的 UTC 工夫。
• 误差剖析
PTP 能精确记录报文发送和承受的工夫，也能计算两头链路的延时，剩下影响最大的就是网络链路的不对称性了。
在理论工程中，网络两头链路设施不反对 PTP 协定，大大降低了 PTP 的同步精度。目前，PTP 次要利用在通信同步网、电力同步网等行业网络系统里。
• 同步拓扑
PTP 域中所有的时钟节点都按肯定档次组织在一起，可通过 BMC（Best Master Clock，最佳主时钟）协定动静选举出最优时钟，最优时钟的工夫最终将被同步到整个 PTP 域中。
BMC 算法与 STP（Spaning Tree Protocl）生成树协定相似，最终造成无环路的树形网络拓扑，且都是动静选举，能适应最佳主时钟切换的变动。
• 扩大利用——PTP over SDH
充分利用各行业已有的 SDH 通信网络，利用 PTP-E1 信号转换设施，架设 PTP 同步网络，除了须要思考链路倒换问题之外，SDH 网络的时延稳定性可大幅晋升网络工夫同步精度。
4.3 SyncE 同步以太网
以太网最早只能传输数据信号，有另外独立的频率同步网络，随着以太网的疾速倒退，SyncE（Synchronized Ethernet）同步以太网技术诞生后，企业们有了新的抉择。
• 基本原理
时钟节点利用以太网（1000M、1G、10G 等）物理层的闲暇间隙，传递位宽时钟信号，实现时钟频率信号（25M、125M 等）的自上而下传递。
• 协定管制
相似于 SDH 网络等工夫距离传递的 SSM 同步状态信息，同步以太网（Sync-E）利用链路层 ESMC 协定封装传递 SSM 信息，SSM 信息蕴含时钟品质信息，接收端据此抉择适合的下级网络时钟。
• 利用
个别商业 PHY 片提供 SyncE 性能选项，开启该性能模式，即可利用 PHY 复原进去的频率信号，校准本地时钟频率或分频后用于本地计时。