GPS卫星同步时钟（GPS授时服务器）在校园网络里的应用

GPS卫星同步时钟（GPS授时服务器）在校园网络里的应用

GPS卫星同步时钟（GPS授时服务器）在校园网络里的应用

京准科技 微心 ahjzsz

摘要：

关键字：时间同步，网络时间协议

1**、引言：**

在当前快速发展的网络环境下，在众多单位中普遍建立了自己的园区网系统。为了满足日益增长的需求，在这一过程中随之而来的是一系列新型网络设备和服务器设施的确信存在。每个设备都配备了一个可调节的内部时钟系统，并且这些时钟均可以通过一定的调节方式进行微调设置。然而由于制造工艺和初始配置的不同，在实际运行中无法保证所有设备与主机之间的时间完全同步一致；这种差异每天都会积累产生几秒钟至几分钟的偏差累积量，并随着时间推移逐渐加大。尽管单机环境中的时间差变化可能不会引起明显的麻烦；但在复杂的分布式计算环境中就会导致一系列不可预见的问题出现；例如在同一操作记录中出现不同主机的时间不一致现象就可能导致服务中断甚至严重数据丢失的情况发生；而随着现代信息技术的发展需求不断提升；精确的时间同步需求也不断提高。

2**、时间同步概述**

通过在网络环境中各设备或主机的时间戳(年月日时分秒)基于UTC时间偏差控制在微弱的时间范围内（如100ms），完成统一协调的过程称为时间同步[1]。

目前，在时钟同步领域中存在两种主要的技术方案。其中一种基于网络的时间同步协议为NTP协议（Network Time Protocol），另一种称为直接连接的时钟同步技术需要所有客户端设备具备本地接入标准参考时钟的能力。该协议特别适用于那些无法保证通信顺序或可靠性的网络环境，在无序或动态变化的网络环境中能够提供精确可靠的时钟服务。本文将重点介绍基于NTP协议的标准时钟同步机制及其相关应用实例。

3**、NTP工作原理和应用**

3．1、NTP协议概述

NTP最初是由美国Delaware大学的教授设计实现的一种网络时间服务。它源自时间协议、ICMP时间戳消息以及IP时间戳选项的发展。NTP主要用于同步计算机客户端或服务器的时间至另一服务器或参考时钟源，并基于UTC作为统一的时间基准。它采用层次式的时间分布模型，并且其准确度主要取决于本地时钟硬件的精确度以及对设备与进程延迟的严格控制。在配置过程中，NTP可以通过冗余服务器和多条网络路径来实现高准确性和高可靠性的时间获取。

图1展示了UDP分组中的NTP信息配置情况。其中：

• LI标识是否进行时钟校准插值或删除操作；
• VN表示NTP协议所采用的当前版本号；
• Mode、Stratum和Precision分别代表工作模式、时钟级别以及本地端设备的时间精度；
• Poll参数定义了发送NTP消息的时间间隔期望值；
• Root Delay为主要参考源到本地设备的累计延迟时间；
• Root Dispersion则表示相对于主要参考源的标准差值误差范围；
• Synchronizing Distance与Synchronizing Dispersion分别指当前测得的双向传输延迟以及与PRS（精度基准信号）之间的偏差范围；
• Reference Timestamp字段用于标识本地设备的时间源类型及其最新的更新时间信息（此字段仅用于管理目的）；
• Originate Timestamp指发送方最后一次接触包的数据记录时间；
• Receive Timestamp记录接收方接收到数据包的时间戳信息；
• Transmit Timestamp则是接收方在发送echo reply时最后一次接触包的时间记录；
  最后一个是Authenticator字段，
  它由密钥标志位以及加密校验数据组成。

图1：UDP分组中的NTP信息[4]

3．2、NTP的工作原理

主要因素源于网络延迟的随机性对时钟精度造成的偏差。受限于这一现象，单向通信无法提供足够的精度。为了改进这一缺陷，在NTP协议中采用了双向通信机制及时间戳技术。图2直观展示了这种改进方法的基本原理。

如图所示，Ti，Ti-1，Ｔi-2，Ｔi-3为A、B主机之间最近的4个时间戳的值。假设：

根据给定的计算公式：

a = T_{i-2} - T_{i-3}; \quad b = T_{i-1} - T_i

那么，

\delta_i = a - b; \quad \theta_i = \frac{a + b}{2}

其中，

\delta_i

表示A主机与B主机之间的往返传输延迟，

\theta_i

表示在时间点T_i处，
B主机相对于A主机的时间偏移量。

在网络传输过程中，数据分组的流量呈现波动性特征，并呈现出波动性变化趋势；通常会以突发的形式传递给客户端；因此其延迟特性不属于稳态随机过程范畴；但通过对其延迟进行精确测量和分析，则能够实现对完成偏差的有效修正；在图2所示的位置上；节点B相对于节点A的实际时间偏移量为θ；令变量x代表节点A至节点B的实际传输时延；则满足关系式：x + b = Δt_{i-2,i-3} = a；基于此前提设条件；我们进一步得出：基于此前提设条件；我们进一步得出：由于x必须为正数（即有x ≥ 0），因此必然满足θ ≤ a 和 b ≤ θ 的情况；这表明θ_i 的真实值必然是其理论值δ_i的一半区间内：即满足 (a+b)/2 - (a−b)/2 ≤ θ_i ≤ (a+b)/2 + (a−b)/2 也就是 θ ∈ [a, b] 范围内

这意味着，在线服务器与客户端均可独立计算时差。真实的时间偏移值以测得的时间偏移为中心，并且其变化范围长度与测得的时间延迟相等。每条NTP消息都包含三个最近的时间戳，在线服务器会根据这三个最新记录计算出自己的本地时间和目标机器的实际本地时间和网络延迟。第四个时间戳由消息到达的时间决定。这种对称式的连续采样方法的优势在于无需关心消息发送与接收的具体顺序即可完成精确同步工作。显然地，在线系统的精度主要取决于发送与接收路径的相关统计特征。

3．3、NTP的工作模式

NTP的工作模式有三种：

客户/服务器模式：定期向服务器发出时间查询的客户端（客户端），该模式中存在单向的数据传输关系。在该模式下，默认情况下客户端无法与服务器互相同步时钟。当客户端发起请求时（即发送一个NTP包），该包将包含离开客户端的时间戳信息；而当服务器接收到该包后，则会依次记录到达时的时间戳，并填入源地址和目的地址的信息；随后立即返回响应包给客户端，并记录返回时的时间戳值。在客户端接收到响应包后会进一步计算出完整的响应时间信息以及与服务器之间的时钟差值参数；通过计算得到的两个关键参数——往返延迟和本地时钟偏移量（即与远程基准 server 的时间差），从而实现本地设备的校准。

主动/被动对等模式：与客户/服务器模式基本相同。主要区别在于一方能够同步另一方的信息，并且另一方也可以主动同步信息。

广播模式是一种无需同步发起方的时间管理方式。服务器会在每个同步周期开始时发送消息包，并在消息包中嵌入服务器当前的时间戳；所有目标节点会被动地接收这些消息包，并据此校准自身的设备时间。该方法特别适用于网络延迟极小或对精确时间要求不高的场景；例如，在局域网内部使用该模式更为经济。

3．4、NTP系统体系结构

NTP采用了分层式的时间分布架构。该网络体系主要由主时间服务器、从时间服务器以及客户机组成，并通过明确的传输路径连接。主时钟服务器通过高精度的时间基准实现同步，并向其他节点提供精确的时间服务。各个客户端依赖于主时钟服务器以获取精确的时间信息。通常情况下，在正常运行状态下，所有节点（包括时钟服务器和终端设备）都只依赖于最可靠和最精确的数据源进行配置设置[2]。这种层次化的设计模式使得系统的可扩展性和可靠性得到显著提升：其中最高一层的是基础层配置——主时钟 server 作为核心单元；而后续层则根据所需精度将系统划分为若干子网络；具体而言，在较高层次上部署的是具备较高精度要求的 from 时间 server；而处于底层位置的是负责实时数据传输的主机和学校 server 等基础设备组件；此外 NTP 进一步优化了系统的稳定性和容错能力：将传输介质划分为主动同步通道和备用冗余通道两种类型：这两种传输介质能够同时保障通信数据包的传递过程而不受单一通道故障的影响[2]

图3：客户/服务器模式的一个实现模型[3]

该模型中包含三个主要组件：本地时钟进程、传送进程以及修正模块。本地时钟进程负责处理修正模块计算出的时间偏移，并采用NTP专用算法对本地时钟的相位和频率进行精确调节。传送进程则由与每个远端实体对应的不同定时器触发事件，并用于从数据库中采集信息后发送NTP消息给相关实体。每个NTP消息包含发送时的本地时间戳、上一次收到的时间戳以及同步网络层次结构信息等必要数据项。接收进程则负责接收这些NTP消息并计算出远端时钟与本地时钟之间的偏差值。修正模块则根据各个远端实体的时间偏移值，并结合NTP算法选择最优调节方案以实现系统时间同步。本地时钟进程则根据修正模块提供的调整指令完成最终的时钟校准工作以确保系统的准确性与稳定性

4**．NTP在校园网中的应用**

在校园网内部署了众多网络设备、服务器和主机，它们承担着校园网络相关的费用计算、系统维护以及资源管理等任务。对于时间精度的要求较为严格，确保不同网络之间的信息传递能够精确同步。

时间同步在校园网内的应用主要集中在一下几个方面：

通过日志审计系统，在遭遇恶意攻击或发生故障时，
管理员需基于各设备的日志数据进行分析判断，
以便追踪攻击源头并评估影响。
若时间无法同步，则同一事件在不同设备的日志将无法序列化，
导致无法有效追踪与处理。
当网管中心采用多点日志记录时，
如果不考虑节点间的时间差异，
将会造成大量混乱的数据记录。
只有准确的时间信息，
才能为快速准确地完成故障定位提供可靠基础[1]。

2、 认证流程：校园网内的某些应用系统以及未来将建立的一卡通系统，在进行用户认证时需要确保网络中的时间保持同步。由于数字时间戳服务需要客户端使用本地时间作为参数与认证服务器交换认证信息包。如果无法实现网络中的时间同步，则可能导致系统出现问题并容易遭受重放攻击。

3、 与时间有关的应用系统：对记录数据提交时刻的时间准确性有严格规定的网络应用系统。为了确保其准确性，并且无法被修改而必须遵守的规定同样适用于那些对客户端实施限时操作的应用系统

4、 校园网备份系统：在备份服务器和客户机之间实施增量式备份以确保两台设备之间的时间一致性

为了使远程跨系统调用正常运行：由于为了避免同一系统的请求在短时间内重复处理, 每个请求的有效时间段仅为固定时长. 当不同系统的时钟失配时, 在请求尚未到达目标节点前可能因超时无法执行.

6、 费用计算系统：在用于网络费用计算时也会采用数字时间戳服务的技术方案，则必须确保整个系统的时钟能够实现高度精确的一致性与同步性。

校园网中的各类应用系统以及安全管理系统促使网络设备与服务器实现了精准的时间同步需求。当无法实现精确的时间同步时，则需要投入大量时间和精力来应对可能出现的各种问题。

总的来说，在当前网络管理与应用的发展趋势下，
就当前校园网的运行效率而言，
我们不得不重视这一技术的重要性。
就当前校园网的运行效率而言，
我们不得不重视这一技术的重要性。
为了提升整体系统的稳定性和可靠性，
我们就必须解决三个关键的技术难题：
其一是应当优先配置高精度时钟源作为基础；
其二是应当建立可靠的时钟信号传输通道，
并确保数据传输过程中的时钟误差最小化；
其三是应当充分结合各节点自身的校准能力进行自主调整，
从而实现整个系统的统一协调运作。

基于校园网的实际运行情况

(config)#ntp server x.x.x. x: 其中x. x. x. 是与上一级时间服务器保持一致的IP地址。

以确保时间的一致性

基于校园网络环境的特点，在不同操作系统架构下需采取相应的管理措施以实现统一时钟配置：针对微软Windows系列的操作系统（如Windows 2000），可通过内置命令行工具执行以下操作：打开命令提示符窗口并输入"net time/set sntp <IP 地址>"（其中<IP 地址>表示指定的时间服务器IP地址集合），该指令支持单个或多个IP地址参数用空格分隔。此外还有若干开源替代方案可供选择。而对于基于Linux内核的操作系统，则可以通过rdate或netdate协议实现统一的时间同步功能

保障核心层设备的时间服务至关重要。一旦遭受攻击，则可能导致大量服务受到影响。因此我们需要采取措施设置授时验证要求以及实施访问控制策略以有效防止非授权访问与修改行为从而确保校园网络中时间的一致性及其安全性。具体而言对于NTP服务器端与对应客户端的配置步骤如下

1、启用NTP认证：