Linux时间子系统6：NTP原理和Linux NTP校时机制

一、前言

        上篇介绍了时间同步的基本概念和常见的时间同步协议NTP、PTP，本篇将详细介绍NTP的原理以及NTP在Linux上如何实现校时。

二、NTP原理介绍

1. 什么是NTP

         网络时间协议（英语：Network Time Protocol，缩写：NTP）是在计算机系统之间通过分组交换进行时钟同步的一个网络协议，位于OSI模型的应用层。用来使客户端和服务器之间进行时钟同步，提供高精准度的时间校正。NTP服务器从权威时钟源（例如原子钟、GPS）接收精确的协调世界时UTC，客户端再从服务器请求和接收时间。
NTP基于UDP报文进行传输，使用的UDP端口号为123。

2. NTP协议发展历史

        NTP是由美国Delaware大学David L .Mills教授设计的，是最早用于网络中时钟同步的标准之一。NTP是从时间协议和ICMP时间戳报文演变而来，当前协议为版本4（NTPv4），这是一个RFC 5905文档中的建议标准。它向下兼容指定于RFC 1305的版本3

3. NTP时钟层级

        NTP允许客户端从服务器请求和接收时间，而服务器又从权威时钟源（例如原子钟、GPS）接收精确的协调世界时UTC。

        NTP以层级来组织模型结构，层级中的每层被称为Stratum。通常将从权威时钟获得时钟同步的NTP服务器的层数设置为Stratum 1，并将其作为主时间服务器，为网络中其他的设备提供时钟同步。而Stratum 2则从Stratum 1获取时间，Stratum 3从Stratum 2获取时间，以此类推。时钟层数的取值范围为1～16，取值越小，时钟准确度越高。层数为1～15的时钟处于同步状态；层数为16的时钟被认为是未同步的，不能使用的。

 4. NTP同步原理

NTP最典型的授时方式是Client/Server方式，如下图所示。

1. 客户端首先向服务端发送一个NTP请求报文，其中包含了该报文离开客户端的时间戳t1;
2. NTP请求报文到达NTP服务器，此时NTP服务器的时刻为t2。当服务端接收到该报文时，NTP服务器处理之后，于t3时刻发出NTP应答报文。该应答报文中携带报文离开NTP客户端时的时间戳t1、到达NTP服务器时的时间戳t2、离开NTP服务器时的时间戳t3；
3. 客户端在接收到响应报文时，记录报文返回的时间戳t4。

客户端用上述4个时间戳参数就能够计算出2个关键参数：

• NTP报文从客户端到服务器的往返延迟delay。

• 客户端与服务端之间的时间差offset。

根据方程组：

        

        NTP客户端根据计算得到的offset来调整自己的时钟，实现与NTP服务器的时钟同步。

三、内核对NTP校时的支持

        在之前时钟源clocksource和timekeeper的文章中，我们介绍到通常每个tick的定时中断周期，do_timer会被调用一次. 在do_timer中，调用update_wall_time函数完成xtime等时间的更新操作，更新时间的核心操作就是读取关联clocksource的计数值，累加到xtime等字段中，每过一个tick中断，xtime就增加1Hz对应的时间

    而Ntp可以调整每个tick中断xtime增加的毫秒数，让系统时间走快些或走慢些。

1. timekeeper中的ntp成员

ntp_tick：记录了NTP周期的纳秒数

ntp_error：TP时间和当前实时时间之间的差值，如果ntp_error大于0，表示当前系统的实时时间慢于NTP时间，相反如果小于0则表示快于NTP时间

ntp_error_shift：存放了NTP的shift和时钟源设备shift之间的差值。NTP层也需要对纳秒数做shift的操作，其值由宏NTP_SCALE_SHIFT定义，

ntp_err_mult：如果ntp_error大于0，则为1，否则都是0。

在tk_setup_internals函数中，对上述变量进行了初始化，

	tk->ntp_error = 0;tk->ntp_error_shift = NTP_SCALE_SHIFT - clock->shift;tk->ntp_tick = ntpinterval << tk->ntp_error_shift;

一开始ntp_error被设置为0，也就是没有累积错误，shift被设置为NTP层的shift和时钟源设备shift之间的差值，ntp_tick其实最终被设置成了NTP_INTERVAL_LENGTH<<NTP_SCALE_SHIFT。

2. NTP调整内核时钟的系统调用

       一般来讲，调整时间有多种方式，包括直接设置时间，根据时间差offset调整时间(在当前时间上增加offset)，以及调整时钟频率(根据时间跑的慢或者是快，说明当前的时钟频率存在偏移)，对于系统时钟来说就是每个cycle对应的ns数，也就对应到mult和shift。

        NTP可以使用adjtimex和ntp_adjtime函数来调整系统时间，内核对这两个函数的支持并没有本质区别。adjtimex支持多种调节方式

        Ntp校时可分为内核模式和ntp模式这两种模式。。在ntp.conf文件中可以配置使用哪种模式校时，当两种模式都打开时，只有内核模式起作用。Ntpd默认两种模式都打开的。

enable kernel

enable ntp

disable kernel

disable ntp

        NTP的系统调用ntp_adjtime和adjtime，在内核模式中，ntpd在用户态调用ntp_adjtime修改内核的频率。在ntp模式中，ntpd在用户态调用adjtime修改内核的time_adjust变量。

2. NTP的全局变量tick_length

        我们观察ntp_tick的使用，发现在使用中，timekeeping模块通过ntp_tick_length函数获取最新的ntp_tick，并且根据获取到的ntp_tick判断是否要进行校时，ntp_tick_length返回的是ntp.c中定义的tick_length全局变量，如下：

u64 ntp_tick_length(void)
{return tick_length;
}

那么tick_lenth又是如何计算得到的呢？

在内核ntp.c文件second_overflow函数中可以看出，tick_length等于tick_length_base加上time_adjust的和，即tick_length的值由tick_length_base和time_adjust决定。Ntp服务正是通过修改tick_length_base和time_adjust的值来修改系统的tick_length，让系统走快或走慢。

【对比一下几种改变系统时间速度的方式】

1、  adjtimex –t 命令通过修改tick_usec变量来间接修改tick_length_base变量的值。

2、  adjtimex –f 命令通过修改time_freq变量来间接修改tick_length_base变量的值。

3、  ntpd的ntp模式修改内核的time_adjust变量。

上述几种方式修改的内核变量（tick_usec, time_freq, time_adjust），它们加起来影响着tick_length变量的值（每个tick的时长）。内核timekeeping.c文件中的update_wall_time函数中会用tick_length变量不停地调整系统时间xtime，让系统时间走快或走慢。L