Сетевой протокол времени NTP

Архитектура системы

Рис. 7.1.

В модели NTP некоторое число первичных эталонов времени, синхронизованных по кабелю или с помощью национальных радиослужб времени, подключено к широкодоступным ресурсам, таким, как порты опорной сети. Эти устройства функционируют как первичные серверы времени. Целью NTP является передача информации о точном времени от этих серверов к другим серверам через Интернет и коррекция ошибок, связанных с флуктуациями задержек в сети. Некоторое число локальных ЭВМ или внешних шлюзов могут выполнять функции вторичных серверов времени, общающихся с первичными эталонами на основе протокола NTP. Вторичные серверы позволяют минимизировать избыточность протокола, рассылая нужную временную информацию локально. В целях обеспечения надежности выбранные вторичные источники могут быть снабжены менее точными, зато более дешевыми радио-часами, используемыми в ситуациях, когда откажет первичный эталон или выйдет из строя ведущий к нему канал.

Под стабильностью подразумевается степень постоянства задающей частоты часов, а под точностью — соответствие этой частоты национальным стандартам времени. Если не указано обратного, под временным сдвигом между часами подразумевается разница показаний этих часов, в то время как под сбоем (skew) подразумевается различие их рабочих частот (первая производная). Настоящие часы имеют конечную стабильность частоты (вторая производная не равна нулю). Нестабильность частоты называется дрейфом, но в рамках протокола NTP дрейф предполагается равным нулю.

Протокол NTP создан с целью определения трех величин: смещения часов (clock offset), RTT и дисперсии; все они вычисляются по отношению к выбранным эталонным часам. Смещение часов определяет поправку, которую необходимо внести в показания местных часов, чтобы результат совпал с показанием эталонных часов. Дисперсия характеризует максимальную ошибку локальных часов по отношению к эталонным.

В протоколе NTP нет средств для нахождения партнера или управления. Целостность данных обеспечивается с помощью IP и UDP контрольных сумм. Система может работать в симметричном режиме, когда сервер и клиент неразличимы, и в режиме клиент-сервер, где сервер выполняет только то, что требует клиент. Используется только один формат сообщений NTP. В рамках модели необходимо определить минимально возможную частоту коррекций часов, обеспечивающую требуемую временную точность.

Реализация модели

Клиент посылает NTP -сообщения одному или нескольким серверам и обрабатывает отклики по мере их получения. Сервер изменяет адреса и номера портов, переписывает содержимое некоторых полей, заново вычисляет контрольную сумму и немедленно посылает отклик. Информация, заключенная в сообщение NTP, позволяет клиенту определить показания часов сервера по отношению к часам клиента и соответствующим образом скорректировать рабочие параметры местных часов. Кроме того, эта информация содержит данные, позволяющие оценить точность и надежность часов сервера и выбрать наилучший эталон времени.

Модель клиент-сервер может быть вполне достаточна для локальных сетей, где один сервер обслуживает некоторое количество клиентов. В общем случае NTP требует одновременной работы большого числа распределенных пар партнеров (клиент-сервер), конфигурация которых изменяется динамически. Нужны достаточно сложные алгоритмы управления такой ассоциацией для обработки данных и контроля множества локальных часов.

Процесс передачи, управляемый независимыми таймерами для каждого из партнеров, осуществляет накопление информации в базе данных и посылает сообщения NTP. Каждое сообщение содержит локальную временную метку момента отправки сообщения, ранее полученные временные метки, а также необходимую вспомогательную информацию. Частота посылки сообщений определяется требуемой точностью локальных часов, а также предельными точностями часов партнеров.

Процесс приема осуществляет получение сообщений NTP и, возможно, сообщений других протоколов, а также информации от непосредственно подключенных радио-часов. Когда получено сообщение NTP, вычисляется сдвиг между часами партнера и локальными часами, результат заносится в базу данных вместе с другой информацией, необходимой для вычисления ошибок и выбора партнера.

Конфигурации сети

Субсеть синхронизации представляет собой соединение первичных и вторичных серверов времени, клиентов и каналов передачи данных. Первичные серверы времени синхронизованы непосредственно от эталонов времени, обычно от радио-часов. Вторичные серверы могут быть синхронизованы от первичных серверов или других вторичных серверов времени. Система серверов имеет иерархическую структуру, построенную по схеме клиент-сервер. Понятно, что вторичные серверы обеспечивают более низкую временную точность.

Следуя принципам, принятым в телефонной промышленности, точность каждого сервера определяется номером слоя (stratum), наивысший уровень (для первичного сервера) имеет номер 1. На современном уровне технологий (радио-часы) точность однократной сверки имеет порядок одной миллисекунды.

Точность однократной сверки падает по мере роста значения RTT и его разброса. Для того, чтобы избежать сложных расчетов [BRA80], необходимых для оценки точности в каждом конкретном случае, полезно предположить, что средняя ошибка измерения пропорциональна RTT и ее дисперсии. Предполагая, что первичные серверы синхронизованы стандартами времени с известной точностью, можно получить вполне надежную оценку точности синхронизации субсети.

Дополнительным фактором является то, что каждый переход от одного слоя к другому предполагает наличие ненадежного сервера времени, который вносит дополнительные ошибки. Алгоритм выбора серверов времени использует разновидность алгоритма маршрутизации Беллмана-Форда, при этом формируется дерево минимальных весов, основанием которого являются первичные серверы. Метрикой расстояния служит номер слоя плюс расстояние синхронизации, которое характеризуется суммой дисперсии и половины абсолютного значения задержки.

Такая конструкция способствует тому, что субсеть автоматически реконфигурируется и настраивается на максимально достижимую точность даже при выходе из строя первичных или вторичных серверов времени. Если даже все первичные серверы выйдут из строя или станут недоступными, их функции будут выполнять вторичные серверы, если расстояние до них, согласно алгоритму Беллмана-Форда, не превышает значения метрики, соответствующего бесконечности (разрыву связи). Если все серверы окажутся на больших расстояниях, субсеть продолжит работу при установках, выполненных при последней синхронизации (коррекции внутренних часов). Даже в этом случае достижима точность порядка миллисекунд в сутки.

Если два сервера находятся согласно алгоритму на равных расстояниях, допускается случайный выбор.

Форматы данных

Все арифметические операции в рамках протокола выполняются в формате с фиксированной запятой. По этой причине все переменные в NTP имеют именно этот формат. Биты пронумерованы слева направо (со старшего бита), начиная с нуля. Жестких требований на число разрядов после запятой не установлено. Если не оговорено обратного, все числа не имеют знака и занимают всё отведенное для них поле (при необходимости в качестве заполнителей старших разрядов используются нули).

Временные метки NTP представляют собой 64-битные числа с фиксированной запятой без знака, которое указывает число секунд с нуля часов 1-го января 1900 года. Целая часть содержит первые 32 разряда, а дробная часть — остальные 32 разряда. Этот формат не совпадает с форматом меток ICMP, где время измеряется в миллисекундах. Точность представления составляет 200 пикосекунд, что должно удовлетворить самым экзотическим требованиям.

Временная метка формируется путем копирования показания местных часов. Это производится в момент времени, заданный каким-то событием, например, приходом сообщения. Для поддержания наивысшей точности важно, чтобы это делалось как можно ближе к оборудованию или программному обеспечению, инициирующему этот процесс. В случае, когда временная метка недоступна, например, производится перезагрузка машин, поле метки характеризуется 64 нулями.

Заметим, что с 1968 года старший бит (бит 0 целой части) равен единице, а где-то в 2036 году 64-битовое поле переполнится.

Переменные состояния и параметры

Ниже приводится обзор различных переменных и параметров, используемых протоколом. Они распределены по классам системных переменных, которые имеют отношение к операционной среде и механизму реализации местных часов. Сюда входят переменные партнеров, которые характеризуют состояние протокольных машин участников обмена, переменные пакетов, описывающие содержимое пересылаемых NTP -сообщений, а также параметры, задающие конфигурацию текущей версии программного обеспечения. Имена переменных записываются строчными буквами, а имена параметров — прописными.