京准电钟：NTP网络时间同步技术在计算机网络应用
摘 要:首先对计算机网络时间同步相关技术进行了介绍,然后阐述了时间同步技术在现代计算机网络中的
应用与发展,最后指出时间同步网络在下一代网络(NGN) 中的重要地位。
随着计算机网络技术及其应用的深入发展,人们开始在计算机构成的虚拟空间展开活动。很多领域的网络系统如金融业(证券、银行) 、广电业(广播、电视) 、交通业(火车、飞机) 、电子商务(交易、认证、加密) 、电信(计费、IP 电话、网络结算) 、大型分布式商业数据库等需要在大范围保持计算机间的时间同步和时间准确。所以,网络时间同步技术是当前许多要求严格的网络应用系统所需要的一项关键性技术。在现代通信网络中引入新的支撑网———时间同步网也是非常重要而迫切的工作。
1、计算机网络时间同步相关技术概述
目前,网络时间同步的标准协议是网络时间协议(Network time Protocol ,NTP ) ,NTP 由美国德拉瓦大学的David L.Mills教授于1985年提出,是设计用来使Internet上的计算机保持时间同步的一种通信协议。网络时间协议可以估算出数据包在Internet上的往返延迟,并可独立地估算计算机时钟偏差,从而实现网络上计算机间可靠和精确的时间同步。NTP 以GPS /BDS时间代码传送的时间消息为参考标准,采用了Client/ Server 结构,具有相当高的灵活性,可以适应各种Internet 环境。NTP不仅校正现行时间,而且持续跟踪时间的变化,能够自动进行调节,即使网络发生故障,也能维持时间的稳定。NTP产生的网络开销甚少,并具有保证网络安全的应对措施.这些措施的采用使得NTP成为Internet上公认的时间同步工具。
1.1网络时间协议
网络时间协议(NTP) 的发展可以分为三个时期。
(1) 网络时间协议作为NTP名称的首次出现是在RFC958之中,该版本也被称为NTPV0 ,其目的是为ARPA 网提供时间同步。
(2) NTPV1出现于1988 年6 月,在RFC1059中描述了首个完整的NTP的规范和相关算法。1989年9月推出了取代RFC958和RFC1059的NTPV2—RFC1119。几乎同时, DEC公司也推出了一个时间同步协议,数字时间同步服务(Digital TimeSynchronization Service ,DTSS) 。在1992年3月,NTPV3—RFC1305问世,该版本总结和综合了NTP 先前版本和DTSS ,正式引入了校正原则,并改进了时钟选择和时钟滤波的算法,而且还引入了时间消息发送的广播模式。这个版本取代了NTP 的先前版本,是使用最广泛的版本。
(3) NTP V3发布后,一直在不断地进行改进,这些版本标注为xntp3. y ,这里x表示试验,y表示第几次修改。NTPV4的工作也在进行之中,它将改进时钟模型,在各种同步源和网络通路的情况下更精确地预测和调节频率和时间;提出相应的新算法以降低网络抖动和振荡器漂移的冲突,加速启动时的时间同步收敛速度;还将提供关于自动配置、可靠性和加强网络安全性的鉴权(使用public key 密码) 等方面的新特性。NTPV4的正式
版本还没有面世, 但改进过程中的许多方法已经加入xNTP3. y 中,它将适用于IPV6。NTP发展的另一分支是简单网络时间协议(Simple Network Time Protocol ,SNTP) ,适用于时间精确度低于NTP的客户机。
1.2时间同步子网络
在NTP 模型中,时间同步子网是由主时间服务器、二级时间服务器、客户机和网络链路连接而成的网络。一般来说,Stratum= 1 的主时间服务器时间是最精确的,Stratum= 2的时间服务器称为二级时间服务器,它们一般都通过同步子网从作为主参考源的主时间服务器获取时间信息,然后为Stratum> 2的服务器或客户机提供同步信息。
1.3 NTP工作模式及工作原理
NTP 协议可以在多播模式、客户机/ 服务器模式以及对称模式下工作。其中最典型的操作模式是客户机/服务器模式。在该模式下,客户以周期性地向服务器发送NTP包的方式向服务器请求时间信息,该包中包含了离开客户时的时间戳。当服务器接收到该包时,依次填入该包到达的时间戳、交换包的源地址和目的地址、填入该包离开时的时间戳,然后立即把包返回给客户端。客户端在接收到响应包时再填入包回到客户端的时间戳。客户端用这4个时间戳就能够计算出两个关键的参数:数据包交换的往返延迟和客户与服务器之间的时钟偏移。在这个模式中,NTP的客户端提供了复杂的算法,这些算法可以从多个服务器的响应包中判断出最接近真实时间的偏移值。所以客户/服务器模式在NTP各个模式中的对时精度是最高的,适用于大型的分布式网络。
2、网络时间同步的应用与发展
2. 1 在计费方面的应用
在计费方面,对于固定电话网,每个通话的计费信息由主叫局给出,包括该呼叫的主被叫号码和起止时刻。如果市话局交换机时钟的时刻与长话局交换机时钟的时刻存在较大差异,则计费话单上就有可能出现一部话机“同时间内打两个电话”(同时打市话和长话) 的矛盾记录。
2. 2 在网络结算方面的应用
由于多运营商的出现和分时段费率的存在,必然存在互联互通、网间结算的问题。网间计费不一致会造成话单损失,采用时间同步可减小甚至消除损失。
2. 3 在通信网络管理中的应用
简单网络管理协议(SNMP) 存在于集线器、桥接器、路由器等网络设备上。这些设备出现故障和过限告警时,便会向网络管理中心发送中断请求。如果这些设备的时钟出现偏差,则它们发出的中断也会包含错误的时间,这将直接影响网络故障的判定。
2. 4 在计算机网中的应用
Internet 数据报选项主要用于网络测试或调试,其中时间戳选项提供了一种监视或控制路由器选择路由的途径。通过分析这些时间戳,就可以分析出某段路由的流量是否太大,从而考虑选择其他路由以减少其流量。
2. 5 在数据通信网安全上的应用
随着数据业务的快速增长,数据通信的安全受到了越来越多的关注,各种认证、加密技术都得到了广泛的应用。带着时间标签的信息包到达收端时由收端以“时间窗口”来衡量该信息包的传输时延,判断信息是否直接来自发送者,中间有无被截获过等,以验证其安全性。
3、时间同步在下一代网络NGN中的应用与发展
3. 1 软交换的同步
软交换是下一代网络(NGN) 的控制功能实体,软交换为NGN提供具有实时性要求业务的呼叫控制和连接控制功能,是NGN呼叫与控制的核心。软交换设备通过各种媒体网关与其他网络设备相连时,相关的媒体网关设备必须接入同步运行。软交换在计费方面也有较高的要求,提出了以秒为单位的时长计费和以字节为单位的流量计费,这需要在相关设备的计费模块上实现时间同步。
3. 2 自动交换光网络的同步
自动交换光网络(ASON) 代表了下一代光传送网的发展方向,是用控制平面来完成自动交换和连接控制的光传送网,是承载下一代网络各种业务的基础网络。自动交换光网络结构包括传送平面、控制平面和管理平面。在三个平面中,传送平面对同步有严格的要求。
3. 3 下一代互联网的同步
下一代互联网将要提供电信级质量的话音、视频等实时业务和其它多种业务甚至全业务,在这种情况下,同步问题的重要性会凸显出来。因此,下一代互联网需要有时间同步网与频率同步网的全面支撑,才能确保所提供的各种业务的QoS。
3. 4 下一代移动网的同步
就移动网络而言,其发展方向是分组化、智能化和宽带化的第三代通信网络(3G) 。从更广泛的意义上来说,3G网络也是NGN的一个组成部分。3G网络现有WCDMA,CDMA2000 和TDSCDMA 三种制式,这些网络均需要频率同步,而对时间同步的要求则各有不同。其它各种实时网上交易、位置定位服务、制造过程控制、
分布性的网络计算和处理、交通航班航路管理以及数据库文件管理和呼叫记录等多种涉及时间戳的应用,都需要精确、可靠和公认的时间。
4、总结
NTP和时间同步网在国外已经得到广泛应用。据统计1999年已有将近1万4千个专用时间服务器在工作,相应的对等服务器超过18万台。使用准确的和有依据的时间不仅仅是许多工作的需要,而且正在成为企业和个人地位和身份的象征。在国内NTP的应用日益广泛,随着网络应用的普及和深化,NTP的应用领域会获得更大的拓展。
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