NTP 是什么

NTP，是 Net Time Protocol的缩写，意即网络时间协议。
NTP是在分组交换、延迟时间可变的数据网络上进行时钟同步的网络协议。
NTP由特拉华大学(University of Delaware)的David L. Mills设计。
说起来它的历史相当长了，自1985年以来，NTP是目前仍在使用的最古老的互联网协议之一。

NTP 只考虑 UTC 时间，不考虑时区，不考虑夏令时等。

NTP使用UDP，端口123。

NTP 如何工作的

分层架构

NTP使用一种树状的，半分层的时间源系统。每一层叫做 stratum(见下图)。每个 stratum 都有一个编号，从0开始，最大到15，16被用来标记设备未同步。

一般情况下，第 n+1 层 stratum 从第 n 层同步时间。

stratum 0:

一般用硬件实现，例如原子钟（如铯、铷）、GPS时钟或其他无线电时钟。它们也被称为参考（基准）时钟(reference clocks)。

下图：美国海军天文台的原子钟。图来自 WikiPedia

image.png

stratum 1:
这一层是计算机，它们的系统时间和连接其上的 stratum 0 设备保持同步，误差在几个微秒。
本层计算机可能与其他同层的计算机对等相连，以进行完整性检查和备份。它们也被称为主要（primary）时间服务器。

这一层对互联网是不可见的，虽然它们是部署在互联网上的。

它们率属于美国海军天文台。参看 https://tycho.usno.navy.mil/
stratum 2:
它们从 stratum1 机器同步时间。stratum2的计算机将查询层1服务器。层2计算机也可能与其他层2计算机对等相连，为对等组中的所有设备提供更稳定的时间。
stratum 3:
这些计算机与层2的服务器同步。它们使用与层2相同的算法进行对等和数据采样，并可以自己作为服务器担任阶层4计算机，以此类推。

图来自 WikiPedia

image.png

时间延迟计算

时间计算方式参考下图，

时间偏移“θ”定义为：

往返延迟“δ”为：

其中：

t0 是请求数据包传输的客户端时间戳，
t1 是请求数据包回复的服务器时间戳，
t2 是响应数据包传输的服务器时间戳，
t3 是响应数据包回复的客户端时间戳。

图来自 WikiPedia

别着急，下面我们看看这个值是如何计算出来的，小学数学知识就够了。

t1,t2是属于同一个时钟的，因此它们的差值是有意义的，同理，t3,t0的差值也是有意义的。
t3 - t0 是数据包传输的全部时间，服务器处理的时间是 t2 - t1, 那么往返网络传输时间就是

δ=(t3 - t0) - (t2 - t1),这个应该没问题吧？(有问题请面壁思考1分钟 🤣🤣🤣)

现在假设网络延迟是对称的，那么单程网络延时就是 δ/2,也就是 [(t3 - t0) - (t2 - t1)]/2。

</br>
我假设你都理解了，那么现在计算两个时钟的差值。(有问题请面壁思考10分钟 🤣🤣🤣)。

现在假设这个差值为 θ

考虑从 t2 => t3 的过程，从服务器t2时刻开始，经过网络延时(σ/2,单程延时)，到达t3,但是t3是客户端的时间，t3 + θ 对应的就是服务器的时间，那么它们应该是相等的。

t2 + σ/2 = t3 + θ，计算θ,得到

这个计算就完成了。

例如上面图中的 θ=(135 - 231 + 137 - 298)/2=-(257/2),客户端比服务器快，时间是负值。

客户端会同时请求好几个服务器，进行统计分析，过滤不合理的值，并从最好的三个剩余候选中导出估算的时间偏移，然后调整时钟频率以逐渐减小偏移。

Linux上的NTP

NTP在 CentOS上用的是 ntpd服务，

以下情况表示 NTP 服务未正常同步：
```
$ ntpstat
unsynchronised
```

以下情况表示 NTP 服务已经正常同步：

$ ntpstat
synchronised to NTP server (85.199.214.101) at stratum 2
   time correct to within 91 ms
   polling server every 1024 s

或者查看服务状态

$ sudo systemctl status ntpd.service
● ntpd.service - Network Time Service
   Loaded: loaded (/usr/lib/systemd/system/ntpd.service; disabled; vendor preset: disabled)
   Active: active (running) since 一 2017-12-18 13:13:19 CST; 3s ago

如何让NTP 尽快同步

$ sudo systemctl stop ntpd.service
$ sudo ntpdate pool.ntp.org
$ sudo systemctl start ntpd.service

ntpdate使用的时候一定要先停止 ntpd.service 服务，它们不兼容，可以多次执行ntpdate，以尽快同步

每个NTP Client同时也可以作为 NTP Server，这样的话，就可以在一个局域网内，用2到3台机器同步外网，其他的机器就从这些机器上同步。

其他常用命令

ntpq -p,其中加星号的是现在正在使用的。

st 指的就是 stratum

ntpq -p
     remote           refid      st t when poll reach   delay   offset  jitter
==============================================================================
 202.120.2.101.d .XFAC.          16 u    -   64    0    0.000    0.000   0.000
+biisoni.miuku.n 207.224.49.219   2 u  454 1024  357  173.259   -1.247   0.103
 61-216-153-104. 118.163.81.63    3 u  30d 1024    0   78.465   34.438   0.000
*85.199.214.100  .GPS.            1 u    7   64  377  166.829    0.220   0.123
 correo.poashost 128.227.205.3    2 u  58d 1024    0  350.541   34.771   0.000

FAQ

假如我的时间比服务器快，NTP 会导致我的时钟往后调整吗？

不会的，NTP使用一种相对平滑的方式来调整，它会让时钟的频率变慢，并最终和服务器保持同步。
NTP什么时候会失效？

如果你的时间和服务器相差太多，超过17分钟，那么NTP认为你的时钟有问题，可能会拒绝同步。因此开启NTP之前，请手工调整下时钟(或者用 ntpdate手工同步一次，记得要关闭ntpd服务)，保证相差不会太多。