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时间是我们日常生活的重要组成部分，而在数字时代，时间同步也在计算机和网络系统中扮演着至关重要的角色。网络时间协议（Network Time Protocol，NTP）是一种用于确保网络中各个设备保持准确时间的关键协议。随着互联网的普及和数字技术的不断发展，NTP变得愈加重要，影响着多个领域，从通信和安全到金融和医疗。
本文瑞哥将带大家详细学习一下NTP协议，希望看了本文，您能够有所收货，让我们直接开始！
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一、什么是NTP？
NTP，英文全称：Network Time Protocol，中文全名网络时间协议，是一种用于在计算机网络中同步设备时钟的协议。
它的主要目标是确保网络中的各个设备都具有一致的时间参考，以便它们可以协同工作，进行时间戳记录、数据同步和各种计算任务。NTP采用分层结构来确保时间同步，使网络中的所有设备都能获得准确的时间信息。
1.1 为什么要同步网络时间？
说白了，同步网络时间就是为了应对许多应用和系统对时间的准确性要求非常高的问题，简单罗列一下原因就是：
许多应用程序和系统使用时间戳来记录事件的发生顺序。即使是微小的时间差异，如毫秒级别的差异，都可能导致事件顺序错误，对于事务的准确性和可靠性非常关键。
在一些关键应用中，如金融交易和网络通信，即使是短暂的停机都可能导致巨大的损失。通过同步网络时间，可以确保各种网络设备和应用的时间保持一致，从而避免因时间不同步而导致的问题。
在网络故障排除和恢复中，准确的时间信息对于确定问题的根本原因和追踪故障非常重要。同步网络时间可以帮助精确地记录事件时间戳，有助于快速诊断和修复问题。
许多行业和组织面临合规性和法规要求，其中要求保持时间同步以确保数据的准确性和完整性。同步网络时间有助于满足这些法规要求。
在科学研究和实验中，时间的准确性对于数据采集和分析至关重要。同步网络时间可确保实验结果的可重复性和准确性。
1.2 NTP协议的发展历程
- 1979 年： NTP的最早应用可以追溯到国家计算机会议，它首次被用于跨大西洋卫星网络上运行的互联网服务的公开演示。
- 1981 年： NTP的描述记录在互联网工程说明（IEN）173中，成为公共协议，并记录在RFC 778中。它首先作为Hello路由协议的一部分部署在局域网中。
- 1985 年： NTP版本0（NTPv0）在Fuzzball和Unix中实现，相关信息包括NTP数据包标头以及往返延迟和偏移计算记录在RFC 958中。尽管当时计算机和网络相对较慢，NTP仍然可以实现较高的时间精度。
- 1988 年： 更完整的NTPv1协议规范和相关算法记录在RFC 1059中。它是第一个描述客户端-服务器和对等模式的版本。
- 1991 年： David L. Mills的文章在IEEE Transactions on Communications上引起了对NTPv1架构、协议和算法的广泛关注。
- 1989 年： RFC 1119定义了NTPv2，引入了管理协议和加密身份验证方案，以及大部分算法，这些内容都保留到了NTPv4中。
- 1992 年： RFC 1305定义了NTPv3，引入了广播模式，以及对所有错误源的分析，帮助选择最佳服务器。
- 2010 年： RFC 5905发布，包含NTPv4的拟议规范。NTPv4取得了显著的进展，引入了新功能和算法改进。
- 2022 年： NTP协议继续演进，发布了多份描述协议更新的RFC文档，包括NTS（Network Time Security）等众多外围标准。尽管有“NTPv5”的计划，但该版本尚未发布。
1.3 NTP的特点
NTP是一种高度可靠且灵活的时间同步协议，适用于各种网络环境和应用场景。
- 全球时间标准： NTP提供了一个全球性的时间标准，即协调世界时（UTC）。UTC被广泛接受为全球时间参考，而NTP的目标是将所有参与的计算机同步到UTC的几毫秒内。
- 自动寻找可靠时间服务器： NTP使用自动发现机制，可以查找可靠的时间服务器，以确保高质量的时间同步。它可以从多个时间源收集数据，然后通过算法选择最可靠的时间源，从而减少错误的影响。
- 灵活的扩展性： NTP的架构允许在网络中包含多个参考时钟。这意味着可以在网络中部署多个时间服务器，以提供高可用性和冗余。此外，NTP可以以点对点或分层广播的方式传播时间信息，以适应不同的网络拓扑。
- 高精度： NTP能够提供高精度的时间同步，通常在毫秒或亚毫秒级别。通过选择合适的同步候选者和使用精密的算法，NTP可以实现高度准确的时间同步。
- 恢复能力： 当网络连接存在问题时，NTP可以通过使用历史数据或考虑时差来提供帮助。这使得NTP在网络不稳定或有中断的情况下能够持续提供可靠的时间同步。
二、NTP的工作原理
2.1 NTP的层级结构
层级（Stratum）在网络时间协议（NTP）中是用来表示时钟源的分级系统。NTP的分级结构确保了高精度的时间同步，因为它允许网络中的设备根据它们与更高级别的时钟源的接近程度来选择时间源。这有助于确保即使在互联网这样复杂的网络环境中，时间同步也可以保持在可接受的范围内。
NTP使用分层的时间源系统，每个层次都称为"层"，顶层的参考时钟被分配编号0。每个层的服务器与下一层的服务器同步，这种分层结构有助于防止层次结构中的循环依赖。
层级编号表示与参考时钟的距离，而不一定代表质量或可靠性。较高层的时间源通常质量更高。NTP数据包中的层字段设置为0表示未指定层级。
Stratum 0
这是最高的层级，通常由地球上的主要时间源提供，例如全球定位系统（GPS）卫星，原子钟等。Stratum 0时钟源被认为是最准确和最可信赖的。NTP服务器无法被分配到Stratum 0。
Stratum 1
这一层级包括直接与Stratum 0时钟源连接的NTP服务器。通常，这些NTP服务器是高精度的，例如使用GPS信号或原子钟，以获得准确的时间。Stratum 1服务器也称为主服务器，它们提供时间信息给下级的Stratum。
Stratum 2
Stratum 2包括那些与Stratum 1服务器同步的NTP服务器。这些服务器依赖于Stratum 1服务器提供的时间信息，但它们仍然可以提供相对高精度的时间。Stratum 2服务器通常用于局域网或其他小规模网络中。
Stratum 3
Stratum 3包括与Stratum 2服务器同步的NTP客户端。这些客户端通过网络连接到Stratum 2服务器，以获得时间同步。Stratum 3服务器通常用于更大规模的网络。
NTP的层级结构可以继续下去，一直到Stratum 15或16，这些层级通常表示未同步的设备或系统。随着层级的下降，时间同步的准确性会降低，因为每一级都会在上级的基础上添加一些网络延迟。
同一层内的时间服务器
在同一Stratum内的时间服务器之间，它们可以通过点对点通信来协商时间，以确保它们的时钟保持一致。这是通过水平箭头所示的方式实现的。
层级上限为15，层级 16 用于表示设备未同步。每台计算机上的NTP算法使用贝尔曼-福特最短路径生成树，以最小化所有客户端到第 1 层服务器的累积往返延迟。
除了层级，NTP还使用参考标识符来标识每个服务器的同步源。这有助于确定每个服务器的同步路径。
