网络时间的那些事及 ntpq 详解

命令 "ntpq -q" 输出下面这样的一个表：

     remote           refid      st t when poll reach   delay   offset  jitter
==============================================================================
 LOCAL(0)        .LOCL.          10 l  96h   64    0    0.000    0.000   0.000
*ns2.example.com 10.193.2.20      2 u  936 1024  377   31.234    3.353   3.096

更多细节

表头

• remote – 用于同步的远程节点或服务器。“LOCAL”表示本机 （当没有远程服务器可用时会出现）
• refid – 远程的服务器进行同步的更高一级服务器
• st – 远程节点或服务器的 Stratum（级别，NTP 时间同步是分层的）
• t – 类型 (u: unicast（单播） 或 manycast（选播） 客户端, b: broadcast（广播） 或 multicast（多播） 客户端, l: 本地时钟, s: 对称节点（用于备份）, A: 选播服务器, B: 广播服务器, M: 多播服务器, 参见“Automatic Server Discovery“)
• when – 最后一次同步到现在的时间 (默认单位为秒, “h”表示小时，“d”表示天)
• poll – 同步的频率：rfc5905建议在 NTPv4 中这个值的范围在 4 (16秒) 至 17 (36小时) 之间（即2的指数次秒），然而观察发现这个值的实际大小在一个小的多的范围内 ：64 (2 ⁶ )秒 至 1024 (2 ¹⁰ )秒
• reach – 一个8位的左移移位寄存器值，用来测试能否和服务器连接，每成功连接一次它的值就会增加，以 8 进制显示
• delay – 从本地到远程节点或服务器通信的往返时间（毫秒）
• offset – 主机与远程节点或服务器时间源的时间偏移量，offset 越接近于0，主机和 NTP 服务器的时间越接近(以方均根表示，单位为毫秒)
• jitter – 与远程节点同步的时间源的平均偏差（多个时间样本中的 offset 的偏差，单位是毫秒），这个数值的绝对值越小，主机的时间就越精确

字段的统计代码

表中第一个字符（统计代码）是状态标识（参见 Peer Status Word），包含 " "，"x"，"-"，"#"，"+"，"*"，"o"：

• " " – 无状态，表示:
  • 没有远程通信的主机
  • "LOCAL" 即本机
  • （未被使用的）高层级服务器
  • 远程主机使用的这台机器作为同步服务器
• “x” – 已不再使用
• “-” – 已不再使用
• “#” – 良好的远程节点或服务器但是未被使用 （不在按同步距离排序的前六个节点中，作为备用节点使用）
• “+” – 良好的且优先使用的远程节点或服务器（包含在组合算法中）
• “*” – 当前作为优先主同步对象的远程节点或服务器
• “o” – PPS 节点 (当优先节点是有效时)。实际的系统同步是源于秒脉冲信号（pulse-per-second，PPS），可能通过PPS 时钟驱动或者通过内核接口。

参考 Clock Select Algorithm.

refid

refid 有下面这些状态值

• 一个IP地址 – 远程节点或服务器的 IP 地址
• .LOCL. – 本机 (当没有远程节点或服务器可用时）
• .PPS. – 时间标准中的“Pulse Per Second”（秒脉冲）
• .IRIG. – Inter-Range Instrumentation Group 时间码
• .ACTS. – 美国 NIST 标准时间 电话调制器
• .NIST. –美国 NIST 标准时间电话调制器
• .PTB. – 德国 PTB 时间标准电话调制器
• .USNO. – 美国 USNO 标准时间 电话调制器
• .CHU. – CHU (HF, Ottawa, ON, Canada) 标准时间无线电接收器
• .DCFa. – DCF77 (LF, Mainflingen, Germany) 标准时间无线电接收器
• .HBG. – HBG (LF Prangins, Switzerland) 标准时间无线电接收器
• .JJY. – JJY (LF Fukushima, Japan) 标准时间无线电接收器
• .LORC. – LORAN-C station (MF) 标准时间无线电接收器，注： 不再可用 (被 eLORAN 废弃)
• .MSF. – MSF (LF, Anthorn, Great Britain) 标准时间无线电接收器
• .TDF. – TDF (MF, Allouis, France)标准时间无线电接收器
• .WWV. – WWV (HF, Ft. Collins, CO, America) 标准时间无线电接收器
• .WWVB. – WWVB (LF, Ft. Collins, CO, America) 标准时间无线电接收器
• .WWVH. – WWVH (HF, Kauai, HI, America) 标准时间无线电接收器
• .GOES. – 美国静止环境观测卫星;
• .GPS. – 美国 GPS;
• .GAL. – 伽利略定位系统欧洲 GNSS;
• .ACST. – 选播服务器
• .AUTH. – 认证错误
• .AUTO. – Autokey （NTP 的一种认证机制）顺序错误
• .BCST. – 广播服务器
• .CRYPT. – Autokey 协议错误
• .DENY. – 服务器拒绝访问;
• .INIT. – 关联初始化
• .MCST. – 多播服务器
• .RATE. – (轮询) 速率超出限定
• .TIME. – 关联超时
• .STEP. – 间隔时长改变，偏移量比危险阈值小(1000ms) 比间隔时间 (125ms)大

操作要点

一个时间服务器只会报告时间信息而不会从客户端更新时间（单向更新），而一个节点可以更新其他同级节点的时间，结合出一个彼此同意的时间（双向更新）。

初次启动时：

除非使用 iburst 选项，客户端通常需要花几分钟来和服务器同步。如果客户端在启动时时间与 NTP 服务器的时间差大于 1000 秒，守护进程会退出并在系统日志中记录，让操作者手动设置时间差小于 1000 秒后再重新启动。如果时间差小于 1000 秒，但是大于 128 秒，会自动矫正间隔，并自动重启守护进程。

当第一次启动时，时间频率文件（通常是 ntp.drift 文件，记录时间偏移）不存在，守护进程进入一个特殊模式来矫正频率。当时钟不符合规范时这会需要 900 秒。当校正完成后，守护进程创建时间频率文件进入普通模式，并分步校正剩余的偏差。

NTP 0 层（Stratum 0 ）的设备如原子钟（铯，铷），GPS 时钟或者其他标准时间的无线电时钟为 1 层（Stratum 1）的时间服务器提供时间信号。NTP 只报告UTC 时间（统一协调时，Coordinated Universal Time）。客户端程序使用时区从 UTC 导出本地时间。

NTP 协议是高精度的，使用的精度小于纳秒（2的 -32 次方）。主机的时间精度和其他参数（受硬件和操作系统限制）使用命令 “ntpq -c rl” 查看（参见 rfc1305 通用变量和 rfc5905）。

“ntpq -c rl”输出参数

• precision 为四舍五入值，且为 2 的幂数。因此精度为 2 ^precision （秒）
• rootdelay – 与同步网络中主同步服务器的总往返延时。注意这个值可以是正数或者负数，取决于时钟的精度。
• rootdisp – 相对于同步网络中主同步服务器的偏差(秒)
• tc – NTP 算法 PLL （phase locked loop，锁相环路） 或 FLL (frequency locked loop，锁频回路) 时间常量
• mintc – NTP 算法 PLL/FLL 最小时间常亮或“最快响应
• offset – 由结合算法得出的系统时钟偏移量（毫秒）
• frequency – 系统时钟频率
• sys_jitter – 由结合算法得出的系统时钟平均偏差（毫秒）
• clk_jitter – 硬件时钟平均偏差（毫秒）
• clk_wander – 硬件时钟偏移(PPM – 百分之一)

Jitter (也叫 timing jitter) 表示短期变化大于10HZ 的频率， wander 表示长期变化大于10HZ 的频率 （Stability 表示系统的频率随时间的变化，和 aging, drift, trends 等是同义词）

操作要点（续）

NTP 软件维护一系列连续更新的频率变化的校正值。对于设置正确的稳定系统，在非拥塞的网络中，现代硬件的 NTP 时钟同步通常与 UTC 标准时间相差在毫秒内。（在千兆 LAN 网络中可以达到何种精度？）

对于 UTC 时间，闰秒 leap second 可以每两年插入一次用于同步地球自传的变化。注意本地时间为夏令时时时间会有一小时的变化。在重同步之前客户端设备会使用独立的 UTC 时间，除非客户端使用了偏移校准。

闰秒发生时会怎样

闰秒发生时，会对当天时间增加或减少一秒。闰秒的调整在 UTC 时间当天的最后一秒。如果增加一秒，UTC 时间会出现 23:59:60。即 23:59:59 到 0:00:00 之间实际上需要 2 秒钟。如果减少一秒，时间会从 23:59:58 跳至 0:00:00 。另见 The Kernel Discipline.

那么… 间隔阈值（step threshold）的真实值是多少: 125ms 还是 128ms？ PLL/FLL tc 的单位是什么 (log2 s? ms?)？在非拥塞的千兆 LAN 中时间节点间的精度能达到多少？

感谢 Camilo M 和 Chris B的评论。 欢迎校正错误和更多细节的探讨。

谢谢 Martin

附录

• NTP 的纪元 从 1900 开始而 UNIX 的从 1970开始.
• 时间校正 是逐渐进行的，因此时间的完全同步可能会画上几个小时。
• 节点状态 可以被记录到 summarise/plot time offsets and errors
• RMS – 均方根
• PLL – 锁相环路
• FLL – 锁频回路
• PPM – 百万分之一，用于描述频率的变化
• man ntpq (Gentoo 简明版本)
• man ntpq (长期维护版本)
• man ntpq (Gentoo 长期维护版本)

另见

• ntpq – 标准 NTP 查询程序
• The Network Time Protocol (NTP) 分布
• NTP 的简明历史
• 一个更多细节的简明历史 “Mills, D.L., A brief history of NTP time: confessions of an Internet timekeeper. Submitted for publication; please do not cite or redistribute” (pdf)
• NTP RFC 标准文档
• Network Time Protocol (Version 3) RFC – txt, or pdf. Appendix E, The NTP Timescale and its Chronometry, p70, 包含了对过去 5000 年我们的计时系统的变化和关系的有趣解释。
• 维基百科: Time 和 Calendar
• John Harrison and the Longitude problem
• Clock of the Long Now – The 10,000 Year Clock
• John C Taylor – Chronophage
• Orders of magnitude of time
• Greenwich Time Signal

其他

SNTP （Simple Network Time Protocol, RFC 4330，简单网络协议）基本上也是NTP，但是少了一些基于 RFC 1305 实现的 NTP 的一些不再需要的内部算法。

Win32 时间 Windows Time Service 是 SNTP 的非标准实现，没有精度的保证，并假设精度几乎有 1-2 秒的范围。（因为没有系统时间变化校正）

还有一个PTP (IEEE 1588) Precision Time Protocol（精准时间协议）。见维基百科：Precision Time Protocol。软件程序为 PTPd。虫咬的功能是这是一个 LAN 高精度主从同步系统，精度在毫秒级，使用 International Atomic Time (TAI， monotonic，无闰秒)。数据报时间戳需要在网卡中启用。支持 PTP 的网络会对数据报记录时间戳以减少交换机路由器的影响。也可以在不记录时间戳的网络中使用 PTP 但可能应为时间偏差太大而无法同步。因此使用这个需要对网络进行设置。

更老的时间同步协议

• DTSS – DEC公司的数字时间同步服务， 被 NTP 所取代。例子： DTSS VMS C code c2000。 （哪里有关于 DTSS 的文章或文档吗？）
• DAYTIME protocol，使用 TCP 或 UDP 13 端口同步
• ICMP Timestamp 和 ICMP Timestamp Reply，使用 ICMP 协议同步
• Time Protocol，使用 TCP 或 UDP 37 号端口同步

via: http://nlug.ml1.co.uk/2012/01/ntpq-p-output/831

作者：Martin L 译者：Liao 校对：wxy

本文由 LCTT 原创翻译，Linux中国 荣誉推出

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