NTP介绍与分析

NTP简介

NTP（Network Time Protocol，网络时间协议）采用的传输层协议为UDP，使用的UDP端口号为123。

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NTP基本工作原理

NTP的基本工作原理如所示。Device A和Device B通过网络相连，Device A和Device B的时间不同，需要通过NTP实现时间的自动同步。为便于理解，作如下假设：

·     在Device A和Device B的时间同步之前，Device A的时间设定为10:00:00 am，Device B的时间设定为11:00:00 am。

·     DeviceB作为NTP时间服务器，即Device A与Device B的时间同步。

·     NTP报文从Device A到Device B、从Device B到Device A单向传输所需要的时间均为1秒。

·     DeviceB处理NTP报文所需的时间是1秒。

Device A和Device B时间同步的工作过程如下：

(1)     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10:00:00 am（T1）。

(2)     当此NTP报文到达Device B时，Device B在NTP报文上增加该报文到达Device B时的时间戳，该时间戳为11:00:01 am（T2）。

(3)     当此NTP报文离开Device B时，Device B再在NTP报文上增加该报文离开Device B时的时间戳，该时间戳为11:00:02 am（T3）。

(4)     当Device A接收到该响应报文时，Device A的本地时间为10:00:03 am（T4）。

至此，Device A可以根据上述时间戳计算两个重要的参数：

·     NTP报文的往返时延Delay = (T4-T1) – (T3-T2) = 2秒。

·     DeviceA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间，使之与Device B的时间同步。

以上内容只是对NTP工作原理的一个粗略描述，详细内容请参阅相关的协议规范。

NTP网络结构及时钟层数

NTP通过时钟层数来定义时钟的准确度。时钟层数的取值范围为1～16，取值越小，时钟准确度越高。层数为1～15的时钟处于同步状态；层数为16的时钟处于未同步状态。

通常将从权威时钟（如原子时钟）获得时间同步的NTP服务器的层数设置为1，并将其作为主时间服务器，为网络中其他设备的时钟提供时间同步。网络中的设备与主时间服务器的NTP距离，即NTP同步链上NTP服务器的数目，决定了设备上时钟的层数。例如，从主时间服务器获得时间同步的设备的时钟层数为2，即比主时间服务器的时钟层数大1；从时钟层数为2的时间服务器获得时间同步的设备的时钟层数为3，以此类推。

NTP的工作模式

配置测试

Ntp-srv（88.1.1.254）作为ntp server，

Ntp-client01（88.1.1.1）作为ntp client，服务指向ntp-srv（88.1.1.254）

Ntp-client01（88.1.1.2）作为ntp client，服务指向ntp-srv（88.1.1.254）

Ntp-client01（88.1.1.3）作为ntp client，服务指向ntp-srv（88.1.1.1）

Ntp-client01（88.1.1.4）作为ntp client，服务指向ntp-srv（88.1.1.254以及88.1.1.1、88.1.1.2）

ntp-srv配置：

先配置本地时间：

[ntp-srv]clock protocol none

clock datetime 12:00:002017/05/28

#ntp服务配置如下：

ntp-service enable

 ntp-service refclock-master 1

# ntp-service refclock-master命令用来设置本地时钟作为参考时钟并制定层数，如果不指定层数，ntp-server会自动指定，我模拟器配置中看到自动指定为8，推荐手动指定，一般指定为1或者2.

实际网络中，通常将从权威时钟（如原子时钟）获得时间同步的NTP服务器的层数设置为1，并将其作为主时间服务器同步网络中其他设备的时钟。

NTP状态：

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

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参数说明：

Source：时钟源，参考时钟为本地时钟时，显示为LOCAL(number)

Reference：参考时钟，当 stra 字段为 0 或 1 时，本字段将显示为 LOCAL

Stra：时钟层数

Reach：可达性计数，0表示时间服务器不可达

Poll：轮询间隔，即两个连续NTP报文之间的时间间隔，单位为秒

Now：最近一次接收到NTP报文或更新本地时间到现在的时间间隔

Offset：系统时钟相对于参考时钟的时钟偏移，单位为毫秒

delay disper：统时钟相对于参考时钟的最大误差，单位为毫秒

[12345]：1：系统选中的时间服务器，即当前与设备进行时间同步的时间服务器

2：该时间服务器的时钟层数小于等于15

3：该时间服务器的时钟通过了时钟选择算法

4：该时间服务器的时钟为候选时钟

5：该时间服务器的时钟是配置命令指定的

# dis ntp status参数说明

Clock status: 同步状态，synchronized：系统时间已同步，unsynchronized：系统时间未同步

Clock stratum: 系统时钟的层数

 System peer: 系统时钟选中的时间服务器的IP地址

 Local mode: 本地设备的工作模式

unspec：未指定模式

sym_active：主动对等体模式

sym_passive：被动对等体模式

client：客户端模式

server：服务器模式

broadcast：广播服务器模式或组播服务器模式

bclient：广播客户端模式或组播客户端模式）

 Reference clock ID: 参考时钟ID

 Leapindicator: 告警状态

00：正常状态

01：闰秒标志，表示一天中的最后一分钟有 61 秒

10：闰秒标志，表示一天中的最后一分钟有 59 秒

11：时间未被同步的告警状态

 Clock jitter: 系统时钟相对于参考时钟的偏移量，单位为秒

 Stability: 时钟频率的稳定性，取值越小，时钟频率越稳定

 Clock precision: 系统时钟的精度

 Rootdelay: 本地设备到主时间服务器的往返时延，单位为毫秒

 Rootdispersion: 系统时钟相对主参考时钟的最大误差，单位为毫秒

 Reference time: 参考时间戳

#

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

#

#时钟源（source）为本地时钟（LOCAL(0)），参考时钟LOCL，时钟层数为0（本地）

#

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

#

#时间状态（Clock status）已同步（synchronized），时钟层数为1，服务器IP为本地（LOCAL(0)），服务器模式为客户端（client，华三默认为客户端）参考时钟为本地（LOCL）

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

#

#时钟源（source）为ntp-srv（88.1.1.254），参考时钟LOCL，时钟层数为1，因此可以看出dis ntp session的参考时钟指的是时钟源的参考时钟，时钟层数也是指时钟源的时钟层数

#

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

#

#时钟层数为2，服务器IP为88.1.1.254，参考时钟为88.1.1.254

dis ntp session的时钟层数也是指本地的时钟层数

#

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

dis ntp st

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

#

Dis ntp session与clint01相同

dis ntp status的时钟层数为2，因此时钟层数与拓扑位置无关

#

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

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

#

#dis ntp sesion时钟源（source）为ntp-client01（88.1.1.1），参考时钟ntp-srv88.1.1.254，时钟层数为2（时钟源88.1.1.1的时钟层数）

# dis ntp status时钟层数为3（时钟源+1），服务器为时钟源8.1.1.1，参考时钟也为时钟源8.1.1.1

#

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

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

#

#为一台设备指定多个时间服务器，设备根据时钟层数等参数进行时钟过滤和选择，从多个时间服务器中选择最优的时钟，与其同步

#

NTP切换

1级时钟源down

如果2级时钟源还未感知或未切换

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级时钟源重启后依然会同步到2级时钟源（配置多个ntp的会切换到2级）

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

#

如果二级时钟源感知到一级时钟源down

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级时钟源也会down

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.

总结

1. 当NTP时钟源为本地时，假设指定本地时钟层数为1，则

本地时钟dis ntp sessions时，显示时钟源和参考时钟都为本地（local），显示时钟层数为0

本地时钟dis ntp status时，会显示本地时钟的的模式为local，时钟服务器和参考时钟都为本地（local）

1. 二级时钟以一级时钟源为服务器时，

dis ntp session的参考时钟指的是时钟源的参考时钟，时钟层数也是指时钟源的时钟层数，会显示时钟源的参考时钟

dis ntp status的时钟层数也是指本地的时钟层数，时钟服务器和参考时钟为一级时钟源

#

1. 三级时钟以二级时钟源为服务器时，

dis ntp session的参考时钟指的是时钟源的参考时钟，时钟层数也是指时钟源的时钟层数，会显示时钟源的参考时钟

dis ntp status的时钟层数也是指本地的时钟层数，时钟服务器和参考时钟为二级时钟源

1. 当某台设备配置多个ntp服务器时，即指向1级时钟源，也指向2级时钟源，

根据优先策略会优先选择一级时钟源同步

• 当一级时钟源down，二级时钟源还未切换为init状态时，新上的设备（配置多个ntp）会作为3级时钟源同步2级时钟源时间

• 当一级时钟源down，二级时钟源感知到切换到init状态时，三级时钟源和新上（配置多个ntp）设备也会init，不会以时钟源的本地时钟同步

• 除非2级时钟源上配置ntp-servicerefclock-master 2，该命令将配置该设备的时钟源位本地且层数为2.

• 但当2级时钟源上配置这条命令后，如果一级时钟源up，2级时钟源也是一本地时钟为源。

cisco通过对一级时钟源都配置prefer参数，并在本地配置master 2可以实现当一级时钟源down时，三级时钟源可以以二级时钟源的本地时间同步