Network Time Protocol

Das Network Time Protocol (NTP) ist ein Standard zur Synchronisierung von Uhren in Computersystemen über paketbasierte Kommunikationsnetze. Obwohl es meistens über UDP abgewickelt wird, kann es durchaus auch über andere Layer-4-Protokolle wie z. B. TCP transportiert werden. Es wurde speziell dafür entwickelt, eine zuverlässige Zeitgabe über Netzwerke mit variabler Paketlaufzeit (Ping) zu ermöglichen.

Grundlagen

NTP ist eines der ältesten noch immer verwendeten TCP/IP-Protokolle. Es wurde von David Mills an der Universität von Delaware entwickelt und 1985 als RFC 958 veröffentlicht. Unter seiner Leitung werden Protokoll und UNIX-Implementierung ständig weiterentwickelt. Gegenwärtig ist die Protokollversion 4 aktuell. Es benutzt den UDP Port 123.

NTP ist in UNIX-artigen Betriebssystemen in Form des Hintergrundprozesses ntpd implementiert. Dieser synchronisiert die lokale Uhr mit Hilfe von externen Zeitsignalen, die er entweder direkt von einem lokalen Empfänger (DCF77, GPS, Loran-C) oder per NTP von einem NTP-Server erhält. Damit die lokale Uhrzeit nicht nur zu den zyklischen Synchronisationszeitpunkten präzise mit dem externen Signal übereinstimmt, korrigiert der ntpd-Prozess nicht nur die Phase sondern auch die Frequenz des lokalen Zeitgebers mit Hilfe einer Software-PLL. Um den internen Zeitgeber mit Hilfe eines hochpräzisen Sekundensignals noch enger an einen externen Normalzeitempfänger zu koppeln haben einige UNIX-Varianten (unter anderem Linux und FreeBSD) die oben erwähnte Software-PLL im Kernel implementiert.

Die Zeitstempel im NTP sind 64 Bits lang. 32 Bits kodieren die Sekunden seit dem 1. Januar 1900 00:00:00 Uhr, weitere 32 Bits den Sekundenbruchteil. Auf diese Weise lässt sich ein Zeitraum von 2³² Sekunden (etwa 136 Jahre) mit einer Auflösung von 2⁻³² Sekunden (etwa 0,25 Nanosekunden) darstellen. Obwohl diese Skala also alle 2³² Sekunden umspringt, sind NTP-Implementierungen in der Lage, die tatsächliche Zeit festzustellen, indem sie eine ungefähre Zeit aus anderen Quellen heranziehen. Da dies nur eine Genauigkeit von ein paar Jahrzehnten erfordert, sollte dies im Alltag kein Problem sein.

NTP nutzt ein hierarchisches System verschiedener Strata, wobei Systeme mit dem Stratum 1 direkt mit einer sehr genauen externen Uhr (z. B. eine GPS- oder andere Funkuhr) verbunden sind. Systeme mit dem Stratum 2 beziehen ihre Zeit von einem oder mehreren Systemen mit Stratum 1 usw. (Achtung: Der Begriff Stratum hat hier eine andere Bedeutung als sonst in der Telekommunikationstechnik üblich).

Algorithmus und Genauigkeit

NTP benutzt den Marzullo-Algorithmus (erfunden von Keith Marzullo von der Universität San Diego in dessen Dissertation) mit einer UTC-Zeitskala, und unterstützt Schaltsekunden. Durch die Betrachtung der Schaltsekunden im Protokoll kommt es dazu, dass mit jeder Schaltsekunde (welche jedoch selten vorkommen) eine neue Sekundenskala benutzt wird. Für die Skala der Systemzeit wird jedoch für gewöhnlich die tatsächlich vergangene Zeit seit einem bestimmten Zeitpunkt benutzt und Schaltsekunden kommen erst bei der Darstellung der Zeit ins Spiel.

NTPv4 kann die lokale Zeit eines Systems über das öffentliche Internet mit einer Genauigkeit von 10 Millisekunden halten, in lokalen Netzwerken sind unter idealen Bedingungen sogar Genauigkeiten von 200 Mikrosekunden und besser möglich. Bei einem hinreichend stabilen lokalen Taktgeber (thermostatgesteuerter Quarzofen, Rubidium-Oszillator, etc.) lässt sich unter Verwendung der Kernel-PLL (siehe oben) der Phasenfehler zwischen Referenzzeitgeber und lokaler Uhr bis in die Größenordnung von wenigen Mikrosekunden reduzieren.

SNTP

Das Simple Network Time Protocol (SNTP) ist eine vereinfachte Version des NTP. Es wird im RFC 2030 beschrieben.

In neueren Windows-Systemen (ab Windows XP) wird SNTP vom Betriebssystem verwendet, um die Uhrzeit auf dem lokalen Computer aktuell zu halten. Dies wird durch den Hintergrundprozess w32time übernommen. Da Microsoft dieses Verfahren zur Zeitsynchronisation erst sehr spät einführte, haben viele Anbieter eigenständige Programme zur Zeitsynchronisation unter Windows entwickelt (Siehe Links). Durch die Verwendung moderener Authentifizierungssysteme (wie Kerberos) ist eine genaue Zeitsynchronisation notwendig.

Die NTP Homepage

Neben der Referenz-NTP-Software, die auf der NTP-Homepage für diverse Betriebssysteme erhältlich ist, bieten eine Reihe von Herstellern fertige Standalone-Lösungen an, die als NTP-Zeitquelle in Computernetzwerken jeder Größe Verwendung finden können.

Standards

Die Details zu NTP werden in RFC 778, RFC 891, RFC 956, RFC 958, RFC 1305 und RFC 2030 beschrieben.

Siehe auch:

Weblinks

NTP-Homepage
OpenNTPD – Freie Implementierung des NTP-Dienstes
Chrony
Dave Mills' NTP-Homepage
pool.ntp.org – Öffentlicher Pool von NTP-Servern
Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Erklärungen zur Konfiguration von NTP
Erklärungen zur Konfiguration von NTP ohne Zusatzsoftware unter Windows NT/2000/XP

Software:

Abouttime – NTP-Server und -Client für Windows
Uhrwerk für Windows – NTP-Client für Windows
Chrony – Unix-Programm (kompatibel zu NTP)
OpenNTPD – eine weitere, freie und sichere Implementation eines NTP-Servers
Windows NTP Port – Original-NTP für Windows, inkl. Installer
NTP Time Server Monitor – NTP Konfigurations- und Monitoringtool für Windows

Hersteller von NTP-Zeitservern: