Das Network Time Protocol (NTP)

Momentan exististieren zwei Versionen des NTP-Protokolls, die auch miteinander verwendet werden können: NTP v3 ist die letzte Release-Version, die sehr stabil unter vielen Betriebssystemen läuft. In NTP v4 sind einige Verbesserungen vorgenommen worden. Außerden werden einige neuere Betriebssysteme besser unterstützt. Außer der normalen Version des NTP-Protokolls gibt es auch eine vereinfachte Version namens SNTP (Simple Network Time Protocol). SNTP benutzt die gleiche Struktur für die Netzwerk-Pakete, es verwendet jedoch einfachere Algorithmen für die Zeitsynchronisierung und erreicht daher nur eine geringere Genauigkeit. Der Hauptbestandteil eines NTP-Programmpaket ist ein Programm, das komplett im Hintergrund läuft (Daemon oder Service genannt) und die Zeit des eigenen Rechners möglichst synchron zu einer oder mehreren externen Referenzzeiten hält. Ein Referenzzeitgeber kann entweder ein anderes Gerät im Netzwerk sein oder auch eine Funkuhr, die direkt an den Computer angeschlossen ist.

Zu der Distribution gehören außerdem Kontroll- und Monitorprogramme sowie eine komplette Dokumentation im HTML-Format.

Das Standard-NTP-Paket läuft jedoch nicht unter Windows 9x/ME da diesen Betriebssystemen einige Fähigkeiten fehlen, die NTP für eine gute Zeitsynchronisierung benötigt. Für Windows 9x/ME und andere Betriebssysteme, die nicht direkt durch das Standard-Paket unterstützt werden, sind einige andere NTP- oder SNTP-Programme im Internet verfügbar. Eine Übersicht an verfügbaren Programmen findet man auf der Support Seite der NTP-Homepage.

Heute werden bereits viele Betriebssysteme mit einem vorinstallierten NTP-Programm ausgeliefert. Aus diesem Grund bietet Meinberg unter dem Produktnamen LANTIME eine Serie von NTP-Timeservern an, die mit verschiedenen eingebauten Zeitreferenzen wie z.B. Empfängern für GPS oder DCF77 PZF. Die Geräte haben ein Netzwerkinterface sowie eine Stromversorgung eingebaut und sind sehr einfach in ein vorhandenes Netzwerk zu integrieren.

Ab NTP-Version 4 wird eine einheitlichere Namensgebung verwendet, so beginnt jetzt der Name des Paketes selbst sowie die Namen aller enthaltenen Programme mit der Zeichenfolge ntp (z.B. ntpd, ntpq).

Unter Unix-ähnlichen Systemen wird der NTP-Daemon oft beim Hochlaufen des Systems über ein Script gestartet, das manchmal immer noch einen mit xntp beginnenden Namen hat, obwohl der tatsächliche Name des Daemons ntpd ist. Dies ist zum Beispiel bei SuSE/openSUSE Linux der Fall.

• Als Client holt er sich die Referenzzeit von einem oder mehreren Servern.
• Als Server stellt er seine eigene Zeit anderen NTP-Clients im Netzwerk zur Verfügung.
• Als Peer vergleicht er seine eigene Zeit mit mehreren anderen NTP-Peers, die sich schließlich auf eine gemeinsame Zeit einigen, nach der sich alle richten.

Mit Hilfe dieser Möglichkeiten kann auf einfache Weise eine hierarchische Zeitverteilung in einem Netzwerk eingerichtet werden. Die einzelnen Hierarchie-Ebenen werden stratum genannt. Eine kleinerer Stratum-Wert bedeutet dabei eine höhere Ebene in der Hierarchie-Struktur.

Jeder NTP-Daemon hat einen Stratum-Wert, der um eins höher ist als der Stratum-Wert seiner Referenzzeitquelle. Auf der obersten Hierarchie-Ebene befindet sich der NTP-Daemon mit der genauesten Zeit und dem kleinsten Stratum-Wert, der normalerweise als Referenzzeit eine Funkuhr verwendet. Funkuhren haben normalerweise den Stratum-Wert 0. Daher wird der NTP-Daemon, der die Funkuhr direkt als Referenz benutzt, zum Stratum-1-Timeserver, der die höchste Priorität in der NTP-Hierarchie hat. In der Praxis wird man in größeren Netzwerken einen oder mehrere Stratum-1-Timeserver einrichten, die ihre Zeit den Servern in den einzelnen Abteilungen bereitstellen. Diese werden dadurch zu Stratum-2-Servern, auf die sich weitere Geräte und Arbeitsplatzrechner im Netzwerk synchronisieren können.

Im Unterschied zu Telekom-Anwendungen, wo der Begriff stratum z.B. dazu verwendet wird, Oszillatoren nach Ihrer Genauigkeit zu klassifizieren, beinhaltet der bei NTP verwendete stratum-Wert keine Angabe zur Genauigkeit der Zeitquelle, sondern gibt nur die Hierarchie-Ebene wieder.

Wenn diese ausgewählte Referenzzeitquelle irgendwann nicht mehr erreichbar sein sollte, wählt sich der NTP-Daemon die nächstbeste Referenzzeitquelle aus. Der Stratum-Wert, unter dem der NTP-Daemon im Netzwerk sichtbar ist, entspricht jeweils dem Stratum-Wert der ausgewählten Referenzzeitquelle plus 1.

Nähere Beschreibung des Auswahlverfahrens zur Gruppierung der Zeitquellen:
http://www.eecis.udel.edu/~mills/ntp/html/prefer.html

Kriterien für die optimale Anzahl der zu konfigurierenden Zeitquellen:
http://support.ntp.org/bin/view/Support/SelectingOffsiteNTPServers#Section_5.3.3.

Wenn unter Windows eine aktuelle NTP-Version mit Hilfe des GUI-Installers von der Meinberg NTP-Download-Seite installiert wurde, liegt die Datei ntp.conf normalerweise in einem Verzeichnis etc\ im Installationsverzeichnis, z.B. in c:\Programme\NTP\etc.

Bei älteren Versionen von NTP für Windows wurde die Datei entweder im Verzeichnis %systemroot% oder im Verzeichnis %systemroot%\system32\drivers\etc abgelegt, wobei %systemroot% je nach Windows-Version dem Verzeichnis c:\winnt oder c:\Windows entspricht.

Normalerweise enthält die Datei ntp.conf mindestens eine oder mehrere Zeilen mit dem Keyword server. Jede dieser Zeilen gibt eine Referenzzeitquelle an, die entweder ein anderes Gerät im Netzwerk sein kann, oder auch eine Funkuhr, die direkt an den Computer angeschlossen ist.

Referenzzeitquellen werden durch eine IP-Adresse angegeben oder auch durch einen Hostname, der durch einen DNS Nameserver aufgelöst werden kann. Wenn es sich bei einer IP-Adresse um ein real existierendes Gerät im Netzwerk handelt, geht der NTP-Daemon davon aus, dass auf dem Gerät mit der IP-Adresse ein weiterer NTP-Daemon läuft, den er kontaktieren kann. Außerdem verwendet NTP einige Pseudo-IP-Adressen, die normalerweise im Netzwerk nicht verwendet werden, um spezielle Zeitquellen wie Funkuhren zu adressieren.

Zum Beispiel benutzt NTP die Pseudo-IP-Adresse 127.127.8.n, um eine Funkuhr von Meinberg anzusprechen, die direkt an den Computer angeschlossen ist. Um seine eigene Systemuhr anzusprechen, bei NTP local clock genannt, verwendet NTP die Pseudo-IP-Adresse 127.127.1.0. Diese Adresse darf nicht mit der IP-Adresse 127.0.0.1 verwechselt werden, die auch als localhost oder Loopback-Interface bezeichnet wird.

Achtung:
Einige Versionen von NTP haben Probleme mit der DNS-Namensauflösung unter Windows, wenn das Programmpaket mit MD5-Authentifizierung compiliert wurden. In diesem Fall müssen alle IP-Adressen in der Datei ntp.conf als numerische Werte eingegeben werden (z.B. 172.16.1.1). DNS-Hostnamen wie host.domain.com können nicht verwendet werden.

Konfiguration mit Meinberg Funkuhr (Unix)

Die unten aufgeführten Konfigurationsschritte müssen von einem Benutzer mit genügend Rechten auf dem System durchgeführt werden, z. B. dem Benutzer root. Der Parse-Treiber spricht Funkuhren als Devices mit Namen /dev/refclock-n an, wobei n ein Index von 0 bis 3 sein kann, da der Parse-Treiber bis zu 4 Funkuhren gleichzeitig verwenden kann.

Jedes der verwendeten Devices wird als symbolischer Link zu einem einem realen Device angelegt, hinter dem sich eine Funkuhr verbirgt. Meist handelt es sich bei dem realen Device um eine serielle Schnittstelle, an die eine Funkuhr angeschlossen ist, unter Linux kann der Link jedoch auch auf ein Device zeigen, hinter dem sich eine Einsteckkarte verbirgt.

Jede der Funkuhren muß in der Datei ntp.conf durch eine Zeile mit dem Keyword server und einer Pseudo-IP-Adresse 127.127.8.n angegeben werden. Dabei muß der Wert für n jeweils der Index-Nummer entsprechen, die für das oben erwähnte symbolische Device /dev/refclock-n verwendet wurde.

Auf die Pseudo-IP-Adresse folgt noch ein Parameter mode m, der den Typ der Funkuhr angibt, die unter dieser Adresse angesprochen wird. Die Tabelle unten gibt die für Funkuhren von Meinberg verwendeten Werte für den mode-Parameter und die zugehörigen Funkuhr-Typen an:

Wenn beispielsweise eine einzelne Funkuhr an der ersten seriellen Schnittstelle des Computers angeschlossen ist, wird zunächst ein symbolischer Link angelegt, der auf die erste serielle Schnittstelle verweist. Unter Linux hat diese Schnittstelle oft den Namen /dev/ttyS0, kann aber je nach Unix-System auch anders heißen:

  ln -s /dev/ttyS0 /dev/refclock-0

Wenn eine Einsteckkarte mit dem Meinberg Linux-Treiber als Referenzzeitquelle für NTP verwendet werden soll, muß der symbolische Link auf die Gerätedatei zeigen, hinter der sich die Einstekkarte verbirgt:

  ln -s /dev/mbgclock0 /dev/refclock-0

Im nächsten Schritt wird die Datei ntp.conf angepaßt, um dem NTP-Daemon mitzuteilen, welche Funkuhr er verwenden soll. Die Datei muß eine server-Zeile für das Gerät refclock-0 enthalten, das oben angelegt wurde. Wenn die Funkuhr das Meinberg Standard-Zeittelegramm mit 9600 Baud und Datenformat 7E2 ausgibt, muß der Mode-Parameter laut der Tabelle oben mit 2 angegeben werden. Wenn der Linux-Treiber für eine Einsteckkarte verwendet wird, muss immer mode 2 verwendet werden:

  server 127.127.8.0 mode 2

  server 127.127.1.0            # local clock
  fudge 127.127.1.0 stratum 12

Um die Änderungen wirksam werden zu lassen, muß der NTP-Daemon neu gestartet werden.

Wenn nach dem Start des NTP-Daemons die Ausgabe des Befehls ntpq -p eine Referenzzeitquelle mit der Bezeichnung generic auflistet, unterstützt der NTP-Daemon die Funkuhr.

Wenn keine Referenzzeitquelle mit der Bezeichnung generic angezeigt wird, wurde das NTP-Paket eventuell ohne Unterstützung für die Parse-Uhren compiliert, oder dem NTP-Daemon wird der Zugriff auf die Gerätedatei verwehrt ("Permission denied"). Die Syslog-Meldungen des NTP-Daemon nach dem Start geben Aufschluß über den tatsächlichen Grund für das Problem.

Der Grund für Meldungen "Permission denied" kann bei aktuellen Linux-Distributionen eins der Programme AppArmor oder SELinux sein, die den Zugriff auf Dateien und Geräte kontrollieren und beschränken. Einzelheiten dazu und wie man das Problem beseitigt finden sich den Dateien README und LIESMICH aus dem Linux-Treiberpaket.

Wenn der NTP-Daemon ohne Unterstützung für die Parse-Uhren compiliert wurde, muß das NTP-Paket auf dem Zielsystem neu compiliert werden. Dazu muß ein Compiler auf dem System installiert sein, außerdem müssen die Programmquellen vorliegen, die in der Standard-NTP-Distribution enthalten sind.

In dem Beispiel unten ist name der Hauptname einer NTP-Distribution. NTP-Distributionen stehen als Archive mit Namen name.tar.gz zum Download im Internet bereit und müssen auf dem Zielsystem entpackt werden:

  tar xvzf name.tar.gz

  cd name
  ./configure --enable-MEINBERG
  make

  ntpd/ntpd

  xntpd/xntpd

Der Befehl ntpq -p kann verwendet werden, um die korrekte Funktionsweise zu überprüfen. Wenn alles wunschgemäß arbeitet, können die neuen ausführbaren Dateien in das Zielverzeichnis kopiert werden, wo sie beim Start des Systems gefunden werden. Die Installation der Programme kann normalerweise geschehen durch Eingabe des Befehls

  make install

Besonders bei einem Versionssprung von NTP v3.x auf NTP v4.x sollte die geänderte Namensgebung berücksichtigt werden, etwa von xntpd nach ntpd.

Konfiguration mit Meinberg Funkuhr (Windows)

Wenn NTP für Windows mit Hilfe des GUI-Installers von der Meinberg NTP-Download-Seite installiert wird und das Setup-Programm das bereits installierte Treiberpaket findet, schlägt der Installer eine entsprechende NTP-Konfiguration mit dem Titel "Follow Meinberg Time Service" vor.

Für diese Konfiguration muß die Datei ntp.conf die folgenden Zeilen enthalten:

  server 127.127.1.0            # local clock
  fudge 127.127.1.0 stratum 0   # disciplined by radio clock

Anders als vormals auf dieser Seite beschrieben, sollte die Konfigurationsdatei nicht die Zeile disable ntp enthalten. Wenn diese Zeile enthalten ist, wird der NTP-Server eventuell nicht von seinen Clients akzeptiert.

Ebenso sollte kein driftfile angegeben werden. Wenn bereits eine Datei mit dem Namen ntp.drift auf dem Rechner existiert, sollte diese Datei gelöscht werden. Andernfalls könnte der NTP-Service versuchen, basierend auf dem Wert aus dem Driftfile die Drift der Systemzeit zu kompensieren. Damit würde der NTP-Service gegen den Funkuhr-Treiber arbeiten, wodurch nur eine schlechte Zeitsynchronisation erzielt würde.

Konfiguration ohne Funkuhr

Zusätzlich kann auch hier die Local Clock des Computers angegeben werden, die als Fallback-Reserve genutzt werden kann, wenn keine andere Referenzzeitquelle erreichbar sein sollte.

Da die Local Clock hier nicht durch ein anderes Programm synchronisiert wird, sollte sie auf einen relativ schlechten Stratum gesetzt werden, z.B. 12. Dadurch ist sichergestellt, dass Timeserver im Netz mit besserem Stratum bevorzugt werden:

  server 127.127.1.0            # local clock
  fudge 127.127.1.0 stratum 12  # not disciplined

  server ntp_server_1
  server ntp_server_2
  server ...

Im Beispiel oben stehen ntp_server_1, ntp_server_2, usw, für den Hostname oder die IP-Adresse existierender Timeserver.

Zusätzliche Konfigurationsparameter

  driftfile /etc/ntp.drift

Achtung: Wenn das NTP-Programm unter Windows zusammen mit der Meinberg-Treibersoftware arbeitet, sollte kein Driftfile angegeben werden. Siehe Abschnitt Konfiguration mit Meinberg Funkuhr (Windows).

Es gibt eine Anzahl weitere Optionen, die in der Konfigurationsdatei eingestellt werden können. Nähere Informationen dazu findet man in der NTP-Dokumentation.

ntpq kann in einem interaktiven Modus oder im Batchbetrieb arbeiten. Im Batchbetrieb führt ntpq einen Befehl aus und kehrt dann zur Eingabeaufforderung zurück. Bei Aufruf des Programms mit dem Parameter -p ('peers') wird eine Tabelle mit Informationen über die verwendeten Referenzzeitquellen ausgegeben. Um den Status des NTP-Daemons des eigenen Computers anzugeben, wird einfach der Befehl

  ntpq -p

  ntpq -p ntp_server_1, ntp_server_2, ...

    remote      refid      st t when poll reach   delay   offset  jitter
  =======================================================================
   LOCAL(0)      LOCAL(0)   12 l   30   64  377    0.000    0.000   0.000
  *GENERIC(0)    .DCFa.      0 -   24   64  377    0.000    0.050   0.003
  +172.16.3.103  .PPS.       1 u   36   64  377    1.306   -0.019   0.043

Wenn das erste Zeichen einer Zeile kein Leerzeichen ist, dann enthält es eine Kennung, wie der NTP-Daemon diese Zeitquelle bewertet. Direkt nach dem Start des Daemons enthalten alle Zeilen am Anfang ein Leerzeichen. Der NTP-Daemon benötigt mehrere Abfragezyklen (polling cycles), um die angegebenen Zeitquellen zu prüfen und eine davon als diejenige auszuwählen, auf die er sich synchronisiert.

Ein Stern * als erstes Zeichen einer Zeile kennzeichnet die Referenzzeitquelle, auf die sich der NTP-Daemon zur Zeit synchronisiert, das Pluszeichen + kennzeichnet qualitativ hochwertige Zeitquellen, die ebenfalls als Referenzzeitquelle in Frage kommen, wenn die aktuell genutzte Zeitquelle nicht mehr verfügbar sein sollte (candidates).

Die Spalt remote zeigt den (Pseudo-) Hostname oder die IP-Adresse der Referenzzeitquelle. Dabei bezeichnet z.B. LOCAL die Local Clock, GENERIC(0) das Device refclock-0 des Parse-Treibers. Die refid gibt den Typ der Referenzzeitquelle an, dabei bedeutet z.B. LOCAL oder LCL wiederum Local Clock, .DCFa. ist ein Standard-DCF77-Empfänger , und .PPS. bedeutet, dass die Synchronisierung über ein Hardware-PPS-Signal (Sekundenimpuls) erfolgt. Andere Kennungen sind möglich, abhängig von der Art der Referenzzeitquelle.

Die Spalte st zeigt die Stratum-Nummer der Referenzzeitquelle an. Im Beispiel oben hat die Local Clock den Stratum 12, der Timeserver mit der IP-Adresse 172.16.3.103 hat den Stratum 1, das beste, was über das Netzwerk zu sehen ist, und die Funkuhr hat Stratum 0, daher wird die Funkuhr als Referenzzeitquelle verwendet. Da die Funkuhr Stratum 0 hat, wird der eigenen NTP-Daemon von Clients im Netzwerk als Stratum-1 Timeserver gesehen.

Der Wert in der Spalte when zeigt die Anzahl der Sekunden seit dem letzten Polling-Zyklus an. Wenn dieser Wert den in der Spalte poll gezeigten Wert erreicht, führt der NTP-Daemon einen Zeitvergleich mit der entsprechenden Referenzzeitquelle durch und setzt den Wert für when wieder auf 0. Die Ergebnisse der Zeitvergleiche werden gefiltert und dienen als Maß für die Qualität und Erreichbarkeit einer Zeitquelle.

Die Spalte reach zeigt, ob die Referenzzeitquelle während der letzten Polling-Zyklen erreichbar war. Die Zahl ist ein 8-Bit-Register, dessen Wert historisch bedingt in oktaler Schreibweise angezeigt wird. Wenn der NTP-Daemon gerade gestartet ist, ist der reach-Wert für alle Zeitquellen 0. Nach jedem erfolgreichen Polling-Zyklus wird eine '1' von rechts in das Register hineingeschoben, so dass nach dem Start des Daemons nach jedem erfolgreichen Pollingzyklus nacheinander die Werte 0, 1, 3, 7, 17, 37, 77, 177, 377 angezeigt werden. 377 ist der hächstmögliche Wert, der aussagt, dass die letzten 8 Polling-Zyklen erfolgreich waren.

Erfolgreich bedeutet, dass Daten mit der Zeitquelle ausgetauscht werden konnten, und dass die Referenzzeitquelle selbst auch synchron zu ihrer eigenen Zeitquelle war. Im Fall einer Funkuhr bedeutet das konkret, dass der Polling-Versuch als nicht erfolgreich bewertet wird, wenn die Funkuhr nicht synchron zu ihrem Sender ist, z.B. weil das Antennenkabel abgezogen wurde, oder aber auch, wenn keine Daten empfangen werden können, weil z.B das serielle Kabel zu einer externen Uhr abgezogen wurde.

Der NTP-Daemon entscheidet erst nach mehreren erfolgreichen Polling-Zyklen, ob er eine Zeitquelle als Referenz für sich akzeptiert, die wie oben beschrieben durch einen '*' gekennzeichnet wird.

Die Spalten delay, offset und jitter zeigen einige Zeiten an, die aus den gefilterten Daten der Polling-Zyklen gewonnen wurden. In einigen Versionen von ntpq wird die letzte Spalte mit disp (dispersion) bezeichnet statt mit jitter. Alle Werte sind in Millisekunden angegeben. Der Wert delay ist die Laufzeit zwischen der Anfrage des NTP-Daemons bis zum Eintreffen der Antwort. Der Wert offset zeigt die Zeitdifferenz zwischen der Referenzzeit und der eigenen Systemzeit. Der Wert jitter gibt die Größenordnung der Schwankungen zwischen einzelnen Zeitvergleichen an.

Meinberg NTP Download-Seite

NTP Homepage

NTP Online-Dokumentation

Von NTP-Benutzern zusammengetragene Informationen, ein Bug-Reporting-System, Mailinglisten usw. stehen auf der Webseite des NTP Public Services Project unter http://support.ntp.org zur Verfügung.

NTP Usenet Diskussionen

Es existiert auch eine Newsgroup comp.protocols.time.ntp in der Leute aus der ganzen Welt über NTP diskutieren oder Fragen zu speziellen Konfigurationen stellen. Ältere Artikel aus der Newsgroup kann man nach bestimmten Schlüsselworten sortiert suchen lassen bei Google http://groups.google.com/advanced_group_search

Nachfolgend sind einige Links zu Google mit vordefinierten Suchanfragen zu NTP und ...

• AIX | AIX problem | AIX ulimit problem
• VMS | VMS problem
• Sun | Sun Patches | Solaris "kvm_open" Error
• AS/400
• QNX

Unter dem Link Advanced Group Search oben auf der Seite mit den Suchergebnissen kann man die Suchanfrage weiter verfeinern.

RFCs mit dem Thema NTP and Zeitsynchronisierung im Netzwerk