NTP
简介
NTP（Network Time Protocol，网络时间协议）是由RFC 1305定义的时间同步协议，用来在分布式时间服务器和客户端之间进行时间同步。NTP基于UDP报文进行传输，使用的UDP端口号为123。
使用NTP的目的是对网络内所有具有时钟的设备进行时钟同步，使网络内所有设备的时钟保持一致，从而使设备能够提供基于统一时间的多种应用。
对于运行NTP的本地系统，既可以接受来自其他时钟源的同步，又可以作为时钟源同步其他的时钟，并且可以和其他设备互相同步。
NTP的应用
对于网络中的各台设备来说，如果依靠管理员手工输入命令来修改系统时钟是不可能的，不但工作量巨大，而且也不能保证时钟的精确性。通过NTP，可以很快将网络中设备的时钟同步，同时也能保证很高的精度。
NTP主要应用于需要网络中所有设备时钟保持一致的场合，比如：
l 在网络管理中，对于从不同设备采集来的日志信息、调试信息进行分析的时候，需要以时间作为参照依据。
l 计费系统要求所有设备的时钟保持一致。
l 完成某些功能，如定时重启网络中的所有设备，此时要求所有设备的时钟保持一致。
l 多个系统协同处理同一个比较复杂的事件时，为保证正确的执行顺序，多个系统必须参考同一时钟。
l 在备份服务器和客户端之间进行增量备份时，要求备份服务器和所有客户端之间的时钟同步。
NTP的优势如下：
l 采用分层的方法定义时钟的准确性，可以迅速同步网络中各台设备的时间。
l 支持访问控制和MD5验证。
l 可以选择采用单播、组播或广播的方式发送协议报文。
NTP工作原理
NTP的基本工作原理如图1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。为便于理解，作如下假设：
l 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。
l 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。
l NTP报文在Device A和Device B之间单向传输所需要的时间为1秒。
系统时钟同步的工作过程如下：
l 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）。
l 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）。
l 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）。
l 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：
l NTP报文的往返时延Delay=（T4-T1）-（T3-T2）=2秒。
l Device A相对Device B的时间差offset=（（T2-T1）+（T3-T4））/2=1小时。
这样，Device A就能够根据这些信息来设定自己的时钟，使之与Device B的时钟同步。
以上内容只是对NTP工作原理的一个粗略描述，详细内容请参阅RFC 1305。
NTP的报文格式
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。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。
& 说明：
本文中提到的NTP报文，均为NTP时钟同步报文。
时钟同步报文封装在UDP报文中，其格式如图2所示。
主要字段的解释如下：
l 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。
l VN（Version Number）：长度为3比特，表示NTP的版本号，目前的最新版本为3。
l 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。
l 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。
l Poll：轮询时间，即两个连续NTP报文之间的时间间隔。
l Precision：系统时钟的精度。
l Root Delay：本地到主参考时钟源的往返时间。
l Root Dispersion：系统时钟相对于主参考时钟的最大误差。
l Reference Identifier：参考时钟源的标识。
l Reference Timestamp：系统时钟最后一次被设定或更新的时间。
l Originate Timestamp：NTP请求报文离开发送端时发送端的本地时间。
l Receive Timestamp：NTP请求报文到达接收端时接收端的本地时间。
l Transmit Timestamp：应答报文离开应答者时应答者的本地时间。
l Authenticator：验证信息。
NTP的工作模式
设备可以采用多种NTP工作模式进行时间同步：
l 客户端/服务器模式
l 对等体模式
l 广播模式
l 组播模式
用户可以根据需要选择合适的工作模式。在不能确定服务器或对等体IP地址、网络中需要同步的设备很多等情况下，可以通过广播或组播模式实现时钟同步；服务器和对等体模式中，设备从指定的服务器或对等体获得时钟同步，增加了时钟的可靠性。
1. 客户端/服务器模式
图3 客户端/服务器模式
在客户端/服务器模式中，客户端向服务器发送时钟同步报文，报文中的Mode字段设置为3（客户模式）。服务器端收到报文后会自动工作在服务器模式，并发送应答报文，报文中的Mode字段设置为4（服务器模式）。客户端收到应答报文后，进行时钟过滤和选择，并同步到优选的服务器。
在该模式下，客户端能同步到服务器，而服务器无法同步到客户端。
2. 对等体模式
图4 对等体模式
在对等体模式中，主动对等体和被动对等体之间首先交互Mode字段为3（客户端模式）和4（服务器模式）的NTP报文。之后，主动对等体向被动对等体发送时钟同步报文，报文中的Mode字段设置为1（主动对等体），被动对等体收到报文后自动工作在被动对等体模式，并发送应答报文，报文中的Mode字段设置为2（被动对等体）。经过报文的交互，对等体模式建立起来。主动对等体和被动对等体可以互相同步。如果双方的时钟都已经同步，则以层数小的时钟为准。
3. 广播模式
图5 广播模式
在广播模式中，服务器端周期性地向广播地址255.255.255.255发送时钟同步报文，报文中的Mode字段设置为5（广播模式）。客户端侦听来自服务器的广播报文。当客户端接收到第一个广播报文后，客户端与服务器交互Mode字段为3（客户模式）和4（服务器模式）的NTP报文，以获得客户端与服务器间的网络延迟。之后，客户端就进入广播客户端模式，继续侦听广播报文的到来，根据到来的广播报文对系统时钟进行同步。
4. 组播模式
图6 组播模式
在组播模式中，服务器端周期性地向组播地址发送时钟同步报文，报文中的Mode字段设置为5（组播模式）。客户端侦听来自服务器的组播报文。当客户端接收到第一个组播报文后，客户端与服务器交互Mode字段为3（客户模式）和4（服务器模式）的NTP报文，以获得客户端与服务器间的网络延迟。之后，客户端就进入组播客户模式，继续侦听组播报文的到来，根据到来的组播报文对系统时钟进行同步。
NTP多实例
客户端/服务器模式和对等体模式支持NTP多实例，可以实现MPLS VPN网络的时间同步，即物理位置不同的网络设备（CE、PE），只要属于同一个VPN，就可以通过NTP来获得时间同步。具体功能如下：
l CE上的NTP客户端可以同步到另一个CE上的NTP服务器；
l CE上的NTP客户端可以同步到PE上的NTP服务器；
l PE上的NTP客户端可以通过指定的VPN实例同步到CE上的NTP服务器；
l PE上的NTP客户端可以通过指定的VPN实例同步到另一个PE上的NTP服务器；
l PE上的NTP服务器可以同步不同VPN内多个CE上的NTP客户端。
& 说明：
l CE（Customer Edge）设备：用户网络边缘设备，有接口直接与服务提供商（Service Provider，SP）相连。CE“感知”不到VPN的存在。
l PE（Provider Edge）设备：服务提供商网络的边缘设备，与用户的CE直接相连。
