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NTP协议用来校准服务器的时间. 本文详细介绍原理和协议格式
时钟同步的过程
- A发送ntp消息到B, 消息里含发送时间戳 T1.
- B收到ntp消息后, 将接受时间T2写入该消息体.
- 当B发送ntp响应消息给A时, 将发送时间T3也写入该消息体
- A收到响应ntp消息的时间为T4
那么
round-trip 为: (T4 - T1) - (T3 - T2)
时间偏移为: ((T2 - T1) + (T3 - T4)) / 2
ntp请求消息和响应消息格式完全一样, 使用udp协议. 默认的ntp服务器监听端口是123
如下chronyd(centos下默认的ntp软件)正在监听123端口
bash
$ lsof -i:123
COMMAND PID USER FD TYPE DEVICE SIZE/OFF NODE NAME
chronyd 2439 chrony 3u IPv4 23270 0t0 UDP *:ntpntp消息格式
ntp消息由消息头,扩展字段,可选的鉴权码组成. 在实际使用中, 一般只携带消息头. 如下是消息头的具体格式
0 1 2 3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|LI | VN |Mode | Stratum | Poll | Precision |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Root Delay |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Root Dispersion |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Reference ID |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| |
+ Reference Timestamp (64) +
| |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| |
+ Origin Timestamp (64) +
| |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| |
+ Receive Timestamp (64) +
| |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| |
+ Transmit Timestamp (64) |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+时间格式有两种, 它们代表从1900年1月1号 0时 UTC时间至今的秒数
- NTP Timestamp Format
8个字节, 前32位表示秒数, 后32位表示1/2的32次方秒
0 1 2 3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Seconds |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Fraction |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+- NTP Short Format
4个字节, 前16位表示秒数, 后16位表示1/2的16次方秒
0 1 2 3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Seconds | Fraction |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+- 消息头各字段解释:
LI Leap Indicator (leap): 2比特, 用来警告是否有闰秒或者未和上级同步. 具体取值和含义如下:
+-------+----------------------------------------+
| Value | Meaning |
+-------+----------------------------------------+
| 0 | no warning |
| 1 | last minute of the day has 61 seconds |
| 2 | last minute of the day has 59 seconds |
| 3 | unknown (clock unsynchronized) |
+-------+----------------------------------------+VN Version Number: 3比特,指定ntp版本 Mode (mode): 3比特, 指定工作模式, 通常我们使用3,4 代表客户端-服务端模式
+-------+--------------------------+
| Value | Meaning |
+-------+--------------------------+
| 0 | reserved |
| 1 | symmetric active |
| 2 | symmetric passive |
| 3 | client |
| 4 | server |
| 5 | broadcast |
| 6 | NTP control message |
| 7 | reserved for private use |
+-------+--------------------------+Stratum (stratum): 8比特指定阶层. 通常Server更新该字段.
顶层分配为数字0。一个通过阶层n同步的服务器将运行在阶层n + 1。 阶层为0的是高精度计时设备，例如原子钟（如铯、铷）、GPS时钟或其他无线电时钟。它们生成非常精确的脉冲秒信号，触发所连接计算机上的中断和时间戳。阶层0设备也称为参考（基准）时钟. 阶层1服务器连接阶层0的设备, 它们也被称为主要（primary）时间服务器。 
更具体的取值含义如下:
+--------+-----------------------------------------------------+
| Value | Meaning |
+--------+-----------------------------------------------------+
| 0 | unspecified or invalid |
| 1 | primary server (e.g., equipped with a GPS receiver) |
| 2-15 | secondary server (via NTP) |
| 16 | unsynchronized |
| 17-255 | reserved |
+--------+-----------------------------------------------------+Poll: 8比特符号整数, 指示与下一次ntp同步的最短时间间隔. 值为4, 则表示16(2的4次方)秒
Precision: 8比特符号整数, 指示时间精度. log2 秒. -18 为微妙
Root Delay: 总的 round-trip delay到 Primary server. 单位是 NTP Short Format
Root Dispersion: 单位是 NTP Short Format
Reference ID: 32比特指示服务端的参考时钟(即上层服务器信息). 即上层时钟源 . 当阶层为1时, 那么上层是原子钟等设备. 没IP, 所以使用ascii 字符 从阶层2开始, 表示IP地址.
Reference Timestamp: 指示服务端自身系统时间最后一次被设置的时间戳.通常每Poll一次更新一下
Origin Timestamp: 客户端发起时间
Receive Timestamp: 服务端接受时间
Transmit Timestamp: 服务端发送时间
抓包实例
tcpdump -i eth0 port 123 -nnv 抓取ntp的详细报文, 样例如下:
17:19:18.566860 IP (tos 0x0, ttl 45, id 33978, offset 0, flags [none], proto UDP (17), length 76)
1.80.235.52.31681 > 192.168.1.247.123: NTPv4, length 48
Client, Leap indicator: clock unsynchronized (192), Stratum 0 (unspecified), poll 3 (8s), precision -6
Root Delay: 1.000000, Root dispersion: 1.000000, Reference-ID: (unspec)
Reference Timestamp: 0.000000000
Originator Timestamp: 0.000000000
Receive Timestamp: 0.000000000
Transmit Timestamp: 3726119958.485983999 (2018/01/28 17:19:18)
Originator - Receive Timestamp: 0.000000000
Originator - Transmit Timestamp: 3726119958.485983999 (2018/01/28 17:19:18)
17:19:18.566899 IP (tos 0x0, ttl 64, id 38707, offset 0, flags [DF], proto UDP (17), length 76)
192.168.1.247.123 > 1.80.235.52.31681: NTPv4, length 48
Server, Leap indicator: (0), Stratum 3 (secondary reference), poll 3 (8s), precision -24
Root Delay: 0.005340, Root dispersion: 0.002105, Reference-ID: 182.92.12.11
Reference Timestamp: 3726119511.971055101 (2018/01/28 17:11:51)
Originator Timestamp: 3726119958.485983999 (2018/01/28 17:19:18)
Receive Timestamp: 3726119958.566745462 (2018/01/28 17:19:18)
Transmit Timestamp: 3726119958.566777029 (2018/01/28 17:19:18)
Originator - Receive Timestamp: +0.080761462
Originator - Transmit Timestamp: +0.080793029相关软件使用
chronyd是centos7引入的新的ntp软件, 代替老的ntpd
如下命令检测当前与上层ntp的同步状态
bash
$ chronyc sources -v
210 Number of sources = 2
.-- Source mode '^' = server, '=' = peer, '#' = local clock.
/ .- Source state '*' = current synced, '+' = combined , '-' = not combined,
| / '?' = unreachable, 'x' = time may be in error, '~' = time too variable.
|| .- xxxx [ yyyy ] +/- zzzz
|| Reachability register (octal) -. | xxxx = adjusted offset,
|| Log2(Polling interval) --. | | yyyy = measured offset,
|| \ | | zzzz = estimated error.
|| | | \
MS Name/IP address Stratum Poll Reach LastRx Last sample
===============================================================================
^* time5.aliyun.com 2 10 377 733 +165us[ +206us] +/- 5534us
^- 120.25.115.19 2 10 377 633 -1155us[-1155us] +/- 65ms使用ntpd软件包时检查ntp状态
when指多少秒后再一次同步
poll指下一次同步的时间间隔 单位:秒
reach 与上层服务器已成功连接的次数
delay 指RRT 单位: 毫秒
offset 指时间偏移值 单位: 毫秒
bash
ntpq -p
remote refid st t when poll reach delay offset jitter
==============================================================================
+time5.aliyun.co 10.137.38.86 2 u 11 64 1 25.353 -113.04 65.276
*203.107.6.88 10.137.55.181 2 u 9 64 1 45.441 -148.44 89.070ntpdate -q XX.XX.XX.XX 查询与上层ntp服务器的时间偏移量. 不会更新. -d 打开Debug模式
bash
$ ntpdate -q ntp3.aliyun.com
server 203.107.6.88, stratum 2, offset 0.797972, delay 0.06859
11 Feb 23:02:36 ntpdate[21763]: step time server 203.107.6.88 offset 0.797972 secntp配置最佳实践:
假设ntp服务器为 ntp1.aliyun.com, 配置如下:
bash
# 上层服务器配置
server ntp1.aliyun.com iburst
restrict ntp1.aliyun.com nomodify notrap nopeer noquery
# default 指所有IP, 首先默认显示连接无法执行任何操作
restrict default kod nomodify notrap nopeer noquery
# 针对ipv6的配置
restrict -6 default kod nomodify notrap nopeer noquery
# 配置内网IP可查询不可修改时间
restrict xx.xx.xx.xx mask xx.xx.xx.xx nomodify notrap nopeerman ntp_acc 查看 restrict 各参数含义man ntp_clock 查看 server 各参数含义
参考
- NTP4 RFC: https://tools.ietf.org/html/rfc5905
- NTP Best Practice: https://tools.ietf.org/id/draft-reilly-ntp-bcp-01.html