NTP网络校时服务详解

地球分为东西十二个区域，共计 24 个时区，以格林威治作为全球标准时间（即GMT 时间，0时区)，东部时区以格林威治时区进行加法，而西时区则以格林威治时间作减法。但地球的轨道并非正圆，在加上自转速度逐年递减，时间会有误差。在计算时间的时，最准确是使用“原子震荡周期”所计算的物理时钟。这种时钟被称为标准时间，即UTC时间（Coordinated Universal Time）。UTC 的准确性毋庸置疑，美国的 NIST F-1 原子钟 2000 年才将产生 1 秒误差。

实际生产生活中，使用原子时钟这种准确的计时似乎缺少必要性，我们更多关注的是参与活动的各个个体在相同的时间环境下对话。例如，当我们说明天早上8:00开会的时候，我们并不在乎原子时钟真实的计时情况，只要参会的所有个体对“明天早上8:00”这个时间具有相同的认知即可。这里时间同步是个非常重要的概念，如果某位同仁手表慢了半小时，那它对“早上8:00”的理解就比其他人要慢半小时，最终会导致ta开会迟到。同样的道理，我们在影视剧中经常能看到特种作战小组在执行特别任务前一般都要先完成组员之间的时间同步，避免组员之间在时间上的认知差异给任务带来不必要的麻烦，甚至危及生命。

NTP（Network Time Protocol，网络时间协议）是由RFC 1305定义的时间同步协议，用于分布式设备（比如电脑、手机、智能手表等）进行时间同步，避免人工校时的繁琐和由此引入的误差，方便快捷地实现多设备时间同步。 NTP校时服务基于UDP传输协议进行报文传输，工作端口默认为123/udp 。

NTP的实现过程如图所示，假如设备A和设备B本地时间存在差异（设备A早上10点，设备B早上11点），现在设备A欲通过NTP和设备B在时间上保持同步：

这样可以轻松计算出来：

现假设设备A和设备B之间的时间差位 ，易得：

通过上式计算出
设备A就能根据 调整本地时间，实现和设备B的时间同步。

NTP的目的是在一个同步子网中，通过NTP协议将主时间服务器的时钟信息传送到其他二级时间服务器，实现二级时间服务器和主时间服务器的时钟同步。这些服务器按层级关系连接，每一级称为一个层数（stratum），如主时间服务器层数为 stratum 1，二级时间服务器层数为 stratum 2，以此类推。时钟层数越大，准确性越低。
注意：准确性指相对于主时间服务器而言。

在NTP网络结构中，有以下几个概念：

在正常情况下，同步子网中的主时间服务器和二级时间服务器呈现出一种分层主从结构。在这种分层结构中，主时间服务器位于根部，二级时间服务器向叶子节点靠近，层数递增，准确性递减，降低的程度取决于网络路径和本地时钟的稳定性。

NTP有两种不同类型的报文，一种是时钟同步报文，另一种是控制报文。控制报文仅用于需要网络管理的场合，它对于时钟同步功能来说并不是必需的，这里不做介绍。

时钟同步报文封装在UDP报文中，其格式如图所示：

各主要字段解释如下：

其中，NTP发送和接收的报文数据包类似，通常只需要前48个字节就能进行授时和校时服务。下面分别是抓包获取的NTP请求数据包和回复数据包示例（仅前48个字节）：

收到数据包后，接收端本地再产生一个时间戳( )。
这里，每个返回数据前4字节为秒的整数部分，后4字节为秒的小数部分。

设备可以采用多种NTP工作模式进行时间同步：

单播C/S模式运行在同步子网层数较高的层级上，客户端需要预先知道时间服务器IP或域名并定期向服务器发送时间同步请求报文，报文中的 Mode字段设置为 3（客户模式）。服务器端收到报文后会自动工作在服务器模式，并发送应答报文，报文中的Mode字段设置为4（服务器模式）。客户端收到应答报文后，进行时钟过滤和选择，并同步到优选的服务器。客户端不管服务器端是否可达，也不管服务器端所在的层数。在这种模式下，客户端会同步到服务器，但不会修改服务器的时钟。服务器则在客户端发送请求之间无需保留任何状态信息。客户端根据本地情况自由管理发送报文的时间间隔。

对等体模式运行在同步子网较低层级上，主动对等体和被动对等体实现时钟相互同步。这里有两个概念：主动对等体和被动对等体。

如上图所示，对等体模式工作步骤如下：
1主动对等体和被动对等体首先交互Mode字段为3（客户端模式）和4（服务器模式）的NTP报文，这一步主要是获得通信时延。

主动对等体和被动对等体可以互相同步。如果双方的时钟都已经同步，则以层数小的时钟为准。

注意：对等体模式不需要用户手动设置，设备依据收到的NTP报文自动建立连接并设置状态变量。

广播模式应用在多台工作站和不需要很高精度的高速网络中。主要工作流程如图所示：

注意：在广播模式下，服务端只负责向外广播时钟信息，自身时钟不受客户端影响。

组播模式适用于有大量客户端分布在网络中的情况。通过在网络中使用 NTP 组播模式， NTP 服务器发送的组播消息包可以到达网络中所有的客户端，从而降低由于 NTP 报文过多而给网络造成的压力。主要工作流程如下：

注意：组播模式和广播模式类似，只是它是向特定的组播地址发送时钟同步广播报文。在组播模式下，服务端只负责向外广播时钟信息，自身时钟不受客户端影响。

多播模式适用于服务器分布分散的网络中。客户端可以发现与之最近的多播服务器，并进行同步。多播模式适用于服务器不稳定的组网环境中，服务器的变动不会导致整网中的客户端重新进行配置。其工作流程如下：

注意：为了防止多播模式下，客户端不断的向多播服务器发送 NTP 请求报文增加设备的负担，协议规定了最小连接数的概念。多播模式下，客户端每次和服务器时钟同步后，都会记录下此次同步过中建立的连接数，将调用最少连接的数量被称为最小连接数。以后当客户端调动的连接数达到了最小连接数且完成了同步，客户端就认为同步完成；同步完成后每过一个超时周期，客户端都会传送一个报文，用于保持连接。同时，为了防止客户端无法同步到服务器，协议规定客户端每发送一个 NTP 报文，都会将报文的生存时间 TTL（Time To Live）进行累加（初始为 1），直到达到最小连接数，或者 TTL 值达到上限（上限值为 255）。若 TTL 达到上限，或者达到最小连接数，而客户端调动的连接数仍不能完成同步过程，则客户端将停止一个超时周期的数据传输以清除所有连接，然后重复上述过程。

下面补充一些常用的NTP时钟服务器：

更多NTP授时服务器请查看：

假设你比较喜欢清华的服务并打算将 ntptunatsinghuaeducn 作为你的授时服务器。下面将简单介绍不同的 *** 作系统该如何 *** 作使得设备能够使用此服务器同步时间。

本部分以主流Windows 10 系统为例演示如何使用NTP服务同步系统时间。

来将此服务器设置为个人选择的时间服务器。

Linux发行版有两个主流程序支持ntp协议：ntpd和chrony。
具体使用和配置参考各自文档： ntpd doc 和 chrony doc

在“系统配置 > 日期与时间 > 自动设置日期与时间”一栏，填入 ntptunatsinghuaeducn 。

Ubuntu系统默认的时钟同步服务器是ntpubuntucom，Debian则是0debianpoolntporg等， 各Linux发行版都有自己的NTP官方服务器。身在中国，使用这些都会有高延迟，但对时钟同步这件事来说影响不大。

在某些环境下，比如公司内网、云上子网等，是与互联网隔绝的。这时要想做时钟同步，就只能自己配置了。

本文介绍如何自己配置时钟同步，不介绍如何自建NTP服务器。

一般timesync是预装的。如果没有，可以使用以下命令手动安装。

sudo apt install systemd-timesyncd 它和ntp是冲突的，二者只能安装一个。

修改/etc/systemd/timesyncdconf，把NTP设为华为内绿区可达的NTP服务器。

修改完成后，需要restart后这个配置才生效。

如果以上systemd-timesyncdservice因为什么原因而不存在，则可通过以下命令修复：

一般查看日期与时间是使用date。使用timedatectl可以查看到更多时钟同步相关信息。

以下给出一些阿里云的NTP列表，可以通过ping择优使用。

以上就是 良许教程网 为各位朋友分享的配置Linux的时钟同步。

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推荐阅读：

我就是这样用的，很好。
Windows（2003）下配置NTP时间服务器
一、服务端设置：
因为默认情况下，WINDOWS SERVER 2003 是作为NTP客户端工作的 ，所以必须通过修改注册表，以使系统作为NTP服务器运行。注意，工作之前请先备份注册表文件。
1、通过开始菜单，输入regedit命令后打开注册表设定画面，此时请一定备份注册表文件。
2、修改以下选项的键值
HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\W32Time\TimeProviders\
NtpServer内的「Enabled」设定为1，打开NTP服务器功能
3、修改以下键值
HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\W32Time\Config\
AnnounceFlags设定为5,该设定强制主机将它自身宣布为可靠的时间源，从而使用内置的互补金属氧化物半导体(CMOS) 时钟。
4、在dos命令行执行以下命令，确保以上修改起作用
net stop w32time
net start w32time
推荐计划；如果该服务器和internet连接，那么为了避免服务器和internet上的ntp同步，最好追加以下配置：
HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\W32Time\TimeProviders\
NtpClient的「enable」设定为0 以防止作为客户端自动同步外界的时间服务
二、客户设置：
1、指定主时间服务器。在DOS方式输入“net time /setsntp:ntpsjtueducn”，这里我们指定ntpsjtueducn是主时间服务器，也可以是其它地址(2107214544)。
2、自由设定XP时间同步间隔：
HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\W32Time\TimeProviders\
NtpClient的「SpecialPollInterval」默认设定为604800（或86400）

时间频率体系，用于保证全球时间统一。 整个时间服务体系，通过测时、守时、授时、用时四个步骤，最终实现全球的时间统一。而唯有时间的统一，才能保证社会生活各行各业正常运转。其主要产品形态包括两类： 1)频率类产品 ，为时间的载体，主要包括原子钟、晶振、频率组件及设备，产生稳定的频率信号； 2)时间同步类产品 ，即时间同步算法在硬件的实现，为时频行业的主要应用，一般形态为授时板卡、时间服务器，以稳定的信号为基准信号，对输入的信号进行校准。

授时体系事关安全，是经济命脉、安全，处于战略核心位置。 1)授时应用领域广泛，包括军用、通信、电力、金融等。 美国国土安全部提供的资料，第21号总统政策指令中所确定的16个关键行业里，有11个依赖于精确授时。 2)美军提出授时战概念，凸显时频行业的重要性。 2017年，美国空军战略与技术中心研究人员提出授时战概念，指出授时要像定位、导航那样重视。 3)授时体系对于经济命脉、安全至关重要。 一旦授时系统受到攻击，如国防系统、通信系统、电力系统等，产业、生活的方方面面，都将面临瘫痪无法正常工作的危险。

军工信息化建设持续推进，拉动对时频行业的稳定增长需求 。 1)高精准时频技术是信息化作战的基石。 所有信息化武器装备系统都必须有高精度的频率源作支撑，时间应用主要体现在信息化作战装备、主站武器平台、大型信息系统等方面，时间精度的需求从秒级到纳秒级不等。 2)国内军工信息化建设为大方向。 美军经历从机械化向信息化发展的变革，2010年美军信息化程度达到80%-90%，国内目前信息化装备水平低，总体信息化程度不足10%，差距巨大。根据我国国防和军队现代化建设“三步走”战略， 到2020年要基本实现机械化 ，信息化建设取得重大进展， 到2050年实现国防和军队现代化 ，因此未来想当长一段时间，军工信息化建设为军费投入的重点。根据中国产业网数据，假设未来20年军费保持7%的增速， 装备费用占比为32%，20年后信息技术含量水平累计增长达到50% ，预计未来10年军用信息化市场需求保持 15%-20%的复合增速。 而军用信息化市场的增长，将直接带来时频市场的稳定增长。

5G拉动时间产品需求增长。 1)在通信领域，时间同步产品包括：时间服务器、时间同步板卡。 时间服务器可以理解为有线侧中的时间同步，主要放置于一级时钟节点(全网中心及各省中心)、二级时钟节点(省内重要通信局)以及楼内通信设备比较多的通信局，需要使用通信楼综合定时供给系统同步钟；而时间同步板卡主要用于基站侧，接受卫星授时或者有线侧时间服务器的授时，保证基站之间及基站和有线侧的时间同步。2) 5G建设提速 ，新增宏基站预计有数百万，小基站有上千万，而这些基站彼此之间，及基站与整个有线侧网络必须事先时间同步，叠加通信领域存量市场的国产化替代。 我们预计，通信领域，存量市场大约有225亿元，5年更新换代期，主要是国产化替代；5G拉动增量市场预计有1750亿元。

高精尖技术持续突破，国产化替代加速。 1)中高端产品对国外依赖强，国产化替代必要性强。 主要是原子钟、高稳晶振、时钟芯片。原子钟中，铷原子钟、氢原子钟可实现国产化，但铷钟、铯钟目前还是依赖于国外，最具产业化前景的CPT原子钟，目前也只有国外一家厂商能够实现批量生产，国内天奥电子正在突破；高稳晶振国外依赖性强，2016年全球晶振市场，国内企业占比只有6%左右； 时钟芯片，主要包括锁相环、混频器之类，基本上全都依赖于海外。时频为经济命脉，非常核心，国产化替代必要性强。 2)技术持续突破，国产化替代加速。原子钟领域，铯钟、CPT原子钟国内都已研发出样机，批量化生产在即；高稳晶振、时钟芯片则突破难度较大，预计还需要一段时间，但高稳晶振在特定的军用领域，国产化做的还是不错；时钟服务器则基本可以实现国产化替代，通信、电力等领域每年新增的设备基本都是国产。

产业链分析——原子钟行业集中度高，时钟服务器厂家发展同质化。 整个时频行业相对较小，产业链环节也相对较少。 上游电子元器件行业竞争充分，下游应用领域较广，这里我们主要分析中间时频部分。时频部分可具体拆分成：频率类产品，主要包括原子钟、晶振(偏上游)，时间同步类产品(偏下游)，卫星接收模块。结合整个产业现状，卫星接收模块主要下游还是各种各样的导航场景，晶振下游更是广泛的各类消费电子、汽车等，时间同步领域只是其细分应用领域之一，做卫星接收模块、晶振的厂商也不独为了时间同步，从时间同步这个领域研究晶振、卫星接收模块意义不大。这里针对时间领域，我们主要研究原子钟、时间同步产品这两个子领域。 1)原子钟技术门槛高，集中度也高。 目前原子钟主流的生产厂家，国际上主要是：Symmetricom，SpectraTime，Oscilloquartz SA，国内则主要是天奥电子，此外航天203所、航天501所国内原子钟研发方面走在前列。整体来看，由于原子钟技术门槛较高，因此集中度也高，全球能做的企业不多。 2)时间同步设备门槛低，发展同质化。 时间同步设备，本质上就是做系统集成，通常是将原子钟、或高稳晶振、或者卫星导航模块，以及MCU、FPGA、以及时间同步芯片集成到一起。技术门槛相对较低、发展同质化比较严重。除了传统原子钟厂商如也Symmetricom、SpectraTime、OSA、天奥电子覆盖此项业务外，就国内而言，能够做时钟同步设备的，大约有几十家企业，大多数收入在1000-5000万之间。通信领域的厂商主要包括华为、赛思电子、大唐移动。

投资建议

整个时频行业，在国产化替代大趋势下，我们主要看好 技术领先、产品完备类企业 。从海外几家公司普遍发展历程来看，Symmetricom，SpectraTime，Oscilloquartz SA，产品都是涵盖从原子钟到时钟同步设备，包括频率类、时间同步类产品的企业。我们认为，其主要原因是行业市场相对较小，企业的持续性成长，主要是通过相关产品类别、应用领域的持续性外延及增长，最终实现持续性成长。重点推荐： 天奥电子、赛思时钟 。

天奥电子 为国内时间频率行业唯一上市公司 ，5G+自主可控+高精尖技术，具备稀缺性。 2018-2020年，军改落地后行业恢复性增长驱动公司经营好转；2020年，5G建设进入高峰期，公司作为华为原子钟、Branch合路器等高端产品的供应商，相关业务直接迎来高增长；同时新增产能落地投产，新产品及产能持续扩张驱动业务增长(当前主要产品产能利用率在90%左右的高位)，尤其CPT原子钟量产在单兵装备领域的国产化替代， 公司整体收入利润增长将呈加速态势，预计公司18-21年归母净利润为099亿、113亿、146亿、195亿元，当前时点重点推荐。

赛思电子(一级) ：专业的时间同步解决方案提供商。公司产品主要是时钟服务器、时频板卡，当前正在研发时间时钟芯片。公司主要的投资看点： 1)具有行业颠覆性的时间同步SOC芯片解决方案。 目前用在基站里的时间同步均是板卡，板卡上包括MCU、FPGA、频率源、时钟芯片。公司将整个时钟同步板卡的性能设计到一款SOC芯片上，具备行业颠覆性，可实现高精度、高集成度，同时可以降低成本。 2)时钟芯片国产化。 目前基站上时间同步板卡上的时钟芯片几乎都是国外的，公司研发这款芯片，有望实现国产化替代； 3)技术研发、营销能力强。 公司核心团队人员来自一线厂商，技术研发能力及营销能力强。在时钟服务器领域，国内目前厂商较多，相对同质化，公司有望进一步扩大市场份额。

风险提示： 行业应用放量不达预期。

（文章来源：中信建投）

GPS同步时钟设备从产品形态上，目前主要分为两种：时间同步板卡及模块、GPS同步时钟设备。

1）时间同步板卡及模块，一般以标准时间频率信号为参考，产生、保持、分发系统或设备所需要的各种时间和频率信号，通常主要在通信基站、军用领域比较多；

2）GPS同步时钟设备，就是通常所说的时间服务器，一般通过接收北斗/GPS/标准时间信息，产生、保持时间频率信号，并通过有线或无线方式进行接收或传递，为系统提供多种形式的时间和频率信号。GPS授时系统和北斗授时系统产品主要应用于通信、电力、交通、国防等军民用。

推荐几个常用的型号;XBD211-xo NTP网络时间服务器，XBD221 NTP网络时间服务器

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