Was ist NTP? Eine Orientierungshilfe für Anfänger zum Network Time Protocol

Was ist NTP?

„Ein Mann mit einer Uhr weiß, wie spät es ist. Ein Mann mit zwei Uhren ist sich nie sicher.“

Segal's Gesetz macht sich über die Person lustig, die sich keine Mühe macht zu checken, ob sie Recht hat, und betont gleichzeitig die Komplexität, Informationen aus mehr als einer Quelle zu erhalten.

Wenn es um die Synchronisierung Ihres Betriebs geht, löst das Network Time Protocol (NTP) beide Probleme und bietet Benutzern die Gewissheit einer akkuraten Zeitangabe in allen Netzwerk Geräten.

Wie jedes Netzwerkprotokoll ist NTP eine Serie von Regeln, die vorschreiben, wie Geräte in einem Netzwerk Daten übertragen, empfangen und verstehen sollen. Betrachten Sie es als eine gemeinsame Sprache, die es Geräten ermöglicht, in diesem Fall über Zeit zu kommunizieren.

NTP ermöglicht es vernetzten Geräten wie Uhren, Telefonen und Computern, Zeit von einem Server anzufordern und zu empfangen, der wiederum die genaue Zeit von einer definitiven Zeitquelle wie einer Atomuhr empfängt.

NTP wurde in den 1980er Jahren entwickelt und befindet sich jetzt in Version vier. Seit seiner Veröffentlichung wird es verwendet, um die kritischen Systeme von Unternehmen, Organisationen und Regierungen auf der ganzen Welt zu synchronisieren.

Warum ist Zeitsynchronisierung wichtig?

Da das Leben immer digitalisierter und automatisierter wird, werden genaue Zeitangaben immer wichtiger:

• Telekommunikationstechnik ist auf die genaue Zeit für Übertragungen großer Datenmengen angewiesen.
• Energie-Unternehmen verwenden Zeitsynchronisierung, um die Stromverteilung zu verwalten.
• Finanzdienstleister benötigen die genaue Zeit, um Transaktionen mit Zeitstempeln zu versehen und rückverfolgbare Aufzeichnungen zu gewährleisten.
• Die Satellitennavigation hängt von der genauen Zeit ab, wobei eine Differenz von einer Mikrosekunde einen Positionsfehler von 300 Metern verursacht.
• Überwachungskameras und Radarkameras erfordern einen genauen Zeitstempel, um als Beweismittel zulässig zu sein. Unzählige Firmen verlassen sich auf eine präzise Zeitangabe, um ihre täglichen Prozesse zu verwalten, wie z. B. die Synchronisierung von Stempelsystemen.

Für Unternehmen jeder Größe ist NTP eine kostengünstige, zuverlässige und benutzerfreundliche Methode zur genauen Zeitangabe in einem Netzwerk. Dies kann Produktivität steigern, Kundenservice verbessern sowie auch das Netzwerk sicherer machen.

Zudem sind Organisationen und Regierungen durch die Verwendung von NTP zur Synchronisierung mit UTC (globaler Zeitstandard)in der Lage, internationale Operationen zu koordinieren.

Was ist UTC und wie wird es bestimmt?

UTC ist der Zeit-Standard, auf den sich die Welt geeinigt hat. Es ist das Ergebnis eines jahrzehntelangen Prozesses der Erfindung, Überarbeitung und Zusammenarbeit, währenddessen sich der Standard von der Greenwich Mean Time (GMT) über die Atomzeit (TAI) bis hin zur UTC veränderte.

Wichtig ist, dass UTC ein Zeit-Standard und keine Zeitzone ist, was bedeutet, dass es auf der ganzen Welt gleich ist und nicht von der Sommerzeit betroffen ist. Zeitzonen werden gemäß ihrer Abweichung von UTC (+/- die Anzahl der jeweiligen Stunden) angegeben. Die UTC wird durch den Vergleich von mehr als 200 Atomuhren auf der ganzen Welt aufrechterhalten. Das Bureau International des Poids et Measures (BIPM) in Frankreich ist für die Zusammenstellung dieser Daten und die Erstellung der endgültigen UTC-Zeit verantwortlich.

Wie funktioniert NTP?

NTP macht UTC für eine Organisation verfügbar, indem es ein Zeitsignal von einer oder mehreren Atomuhren nimmt und es an vernetzte Geräte verteilt.

Im Grunde besteht ein NTP-Netzwerk aus den zu synchronisierenden Geräten (sogenannten „Clients“) und einem NTP-Server, der die UTC-Zeit empfängt und den Clients zur Verfügung stellt.

Die Clients und der Server kommunizieren in einer Reihe von Anfragen und Antworten:

1. Der Client sendet ein NTP-Anforderungspaket an den Zeitserver und stempelt dabei die Zeit (den Ursprungszeitstempel).
2. Der Server stempelt die Zeit, an der das Anforderungspaket empfangen wird (Empfangszeitstempel).
3. Der Server stempelt die Zeit dann nochmal, wenn er ein Antwortpaket an den Client zurücksendet (den Sendezeitstempel).
4. Der Client stempelt die Zeit, zu der das Antwortpaket empfangen wird (den Zielzeitstempel).

Dieser Vorgang kann nur Mikrosekunden dauern, aber die Zeitstempel ermöglichen es dem Client, die Roundtrip-Verzögerung zu berücksichtigen und den Unterschied zwischen seiner internen Zeit und der vom Server bereitgestellten Zeit zu ermitteln, sich selbst nach Bedarf anzupassen und die Synchronisierung aufrechtzuerhalten.

NTP-Hierarchie: Stratum-Ebenen erklärt

In großen Netzwerken kann es so viele Clients geben, dass der Server Anfragen von allen nicht verarbeiten kann. In diesen Fällen sind Server und Clients in einer Hierarchie von Ebenen angeordnet, die als Stratums bezeichnet werden.

Stratum-1-Server haben über ein Funk- oder GPS-Signal eine direkte Verbindung mit der primären Zeitquelle und stellen diese Zeit allen Clients auf Stratum 2 zur Verfügung.

Geräte auf Stratum zwei können wie ein Server funktionieren, indem sie Clients auf Stratum drei die Zeit zur Verfügung stellen, und Geräte auf Stratum drei kann die Zeit an Clients auf Stratum vier zur Verfügung stellen – und so weiter. Auf diese Weise werden Stratum-Eins-Geräte nicht mit zu vielen Anfragen überlastet.

Es sind insgesamt 15 synchronisierte Stratum-Ebenen möglich (Stratum 16 ist für nicht synchronisierte Clients), aber jede führt eine weitere Ebene der Netzwerkverzögerung ein, wodurch die Genauigkeit abnimmt. Um dem entgegenzuwirken, können NTP-Clients so eingerichtet werden, dass sie Zeit von mehreren Servern anfordern, um die korrekte Zeit so genau wie möglich bestimmen zu können.

Was ist SNTP und wie unterscheidet es sich?

Simple Network Time Protocol (SNTP) ist genau das, was sein Name vermuten lässt: eine abgespeckte Version von NTP, die für kleine Netzwerke und Computer mit begrenzter Rechenleistung geeignet ist.

SNTP und NTP haben mehrere Gemeinsamkeiten. Beispielsweise sind die zwischen den Clients und dem Zeitserver ausgetauschten Datenpakete identisch, sodass jeder Zeitserver mit beiden kompatibel ist.

SNTP fehlen jedoch die vielen Algorithmen, die NTP verwendet, um die Synchronisation zu bestimmen und aufrechtzuerhalten.

Zum Beispiel berechnet NTP die Driftrate einer bestimmten Uhr aus der wahren Zeit und passt diese Rate an, um die Synchronisation der Uhr aufrechtzuerhalten. SNTP hingegen lässt die Uhr driften und springt dann die Zeit vor oder zurück, um in bestimmten Intervallen mit der echten Zeit übereinzustimmen.

Zwischen diesen Intervallen ist es möglich, dass die Uhr nicht mehr synchron ist, wodurch SNTP für Anwendungen ungeeignet ist, die höchste Präzision erfordern.

SNTP unterscheidet sich ebenfalls in der Anzahl der Server, die es für die Synchronisierung verwendet. Während NTP es Clients auf einem Stratum ermöglicht, als Server für Clients auf der nächsten Ebene zu fungieren, basiert SNTP auf einer einzigen Server-Client-Beziehung.

Zusätzliche Zeitserver können als Backups angegeben werden, aber SNTP ist im Gegensatz zu NTP nicht in der Lage, mit mehreren Servern zu kommunizieren, um zu checken welcher der genaueste ist. SNTP wurde in den frühen 1990er Jahren veröffentlicht, um der begrenzten Rechenleistung der damaligen Computer gerecht zu werden. Heutzutage gibt es einige Fälle, in denen NTP nicht gehandhabt werden kann, aber SNTP kann dennoch für einfache Anwendungen nützlich sein, die nicht die höhere Präzision von NTP erfordern.

Öffentliche NTP-Server vs lokale NTP-Server

Es gibt zwei Arten von NTP-Servern, die Sie verwenden können, um Ihrem Netzwerk UTC-Zeit bereitzustellen: Öffentliche und lokale Server.

Ein öffentlicher Zeitserver gehört einer dritten Partei und wird von dieser betrieben, indem es zur Nutzung über das Internet zur Verfügung gestellt wird. Das NTP-Pool-Projekt bietet ein Online-Verzeichnis öffentlicher Server an, mit dem Sie Ihre Clients kostenlos zu einem dieser Server verweisen können.

Lokale, oder interne, NTP-Server sind Server, die sich in Ihrem Eigentum befinden und in Ihren Räumlichkeiten installiert sind, um eine physische Netzwerkverbindung zwischen Ihren Servern und Clients herzustellen.

Wenn die synchronisierte Zeit für Ihren Betrieb von entscheidender Bedeutung ist, sind interne Zeitserver die sicherere und zuverlässigere Option. Sie bieten eine verbesserte Genauigkeit und mehr Kontrolle und vermeiden gleichzeitig die verschiedenen Nachteile öffentlicher Server:

So synchronisieren Sie Ihr Netzwerk mit einem internen NTP-Server

Um ein NTP-Netzwerk mit einem internen Zeitserver einzurichten, benötigen Sie das Folgende:

• Eine Referenzuhr/Zeitquelle, die die wahre Zeit definiert und überträgt.
• Ein Zeitempfänger in Form einer Funk- oder GPS-Antenne.
• Einen NTP-Server, der die Zeit von der Antenne empfängt und an ein Netzwerk liefert.
• Die zu synchronisierenden Geräte/Clients.

Referenzuhren

Eine Referenzuhr ist die primäre Zeitquelle, die die UTC-Zeit definiert und bereitstellt. Atomuhren sind die genaueste Art von Referenzuhren und bieten ein nahezu unvorstellbares Maß an Präzision.

Beispielsweise misst das vom US-amerikanischen National Institute of Standards and Technology entwickelte NIST-F2 die Schwingung eines Cäsiumatoms, um eine Sekunde zu definieren (9.192.631.770 Schwingungen pro Sekunde). Ohne Unterbrechung würde die Uhr in 300 Millionen Jahren weder eine Sekunde vor- noch nachgehen.

Sie müssen jedoch keine Atomuhr in Ihrem Serverraum installieren, um die genaue Zeit zu erhalten. Sie sind in den Satelliten des globalen Positionsbestimmungssystems installiert und werden in den Laboratorien der nationalen Normungsbehörden auf der ganzen Welt gewartet. Diese Uhren senden Zeitsignale, die Sie abfangen und zum Synchronisieren Ihres eigenen Netzwerks verwenden können.

Zeitempfänger

Jeder GPS-Satellit sendet ein Zeitsignal, das jeder mit einer GPS-Antenne empfangen kann. Das globale Positionierungssystem ist so konzipiert, dass mindestens vier Satelliten ständig von überall auf der Welt verfügbar sind, was es zu einer äußerst zuverlässigen Quelle für genaue Zeitangaben macht.

Alternativ empfangen Funkantennen ein Zeitsignal von einer der existierenden Atomuhren. Die Reichweite dieser Signale ist lokalisiert, daher müssen Benutzer überlegen, welcher Sender das stärkste Signal liefert, und eine Antenne verwenden, die auf die jeweilige Frequenz eingestellt ist.

GPS-Zeitsignale sind am genauesten und haben den Vorteil, weltweit verfügbar zu sein. Allerdings benötigt die Antenne einen 360° Rundumblick zum Himmel, was nicht in jeder Situation möglich ist.

Funkzeitsignale hingegen können durch Fenster empfangen werden, was eine Funkzeitquelle zu einer guten Option für Räumlichkeiten macht, die keine freie Sicht zum Himmel haben.

Ein Funkzeitsignal kann jedoch durch Topografie und Ausfallzeiten beeinträchtigt werden, was es weniger zuverlässig und nicht ideal für die Synchronisierung sehr kritischer Systeme macht.

In jedem Fall verbindet sich der Empfänger über ein Kabel mit einer Länge von bis zu 1.000 Metern mit einem internen NTP-Server, wenn es mit einem Leistungsverstärker verwendet wird, was Unternehmen viel Flexibilität bei der Installation bietet.

Interne NTP-Server

Ein NTP-Server empfängt die Zeit von der Referenzuhr über die Antenne und stellt sie Ihrem Netzwerk zur Verfügung.

Welchen Servertyp Sie wählen, hängt von einer Reihe von Faktoren ab:

• Unabhängig davon, ob Sie eine GPS- oder Funkzeitquelle verwenden.
• Wie viele Clients Sie synchronisieren möchten.
• Ob Sie Zeit für mehrere Netzwerke bereitstellen möchten oder nicht.
• Welches Betriebssystem Sie verwenden möchten.
• Wie Sie den Server physisch installieren möchten.

Wählen Sie einen Funk- oder GPS-Zeitserver, je nachdem, welche dieser Quellen für Sie am besten geeignet ist. Alternativ sind Dual-Time-Server eine gute Wahl für Anwendungen, die ein Höchstmaß an Zuverlässigkeit erfordern. Diese Server verwenden eine Funk- und GPS-Antenne, um die Zeit von beiden zu empfangen, sodass der Server die Zeit von der stärksten Quelle beziehen und automatisch zur anderen zugreifen kann, wenn ein Signal verloren geht.

Um kein Geld für Funktionen auszugeben, die Sie nicht benötigen, sollten Sie Ihren Zeitserver an die Größe Ihres Netzwerks anpassen.

Das Galleon Systems NTS-4000 synchronisiert ein einzelnes Netzwerk und ist ideal für kleinere Unternehmen. Das NTS-6002 kann zwei unabhängige Netzwerke synchronisieren, was es zu einer guten Wahl für Organisationen mit vielen Mitarbeiter- und Kundennetzwerken macht.

Für die anspruchsvollsten Anwendungen kann das NTS-8000 bis zu sechs Netzwerke synchronisieren - ideal, um unabhängige Netzwerke auf verschiedenen Stockwerken eines Gebäudes mit präziser Zeit zu versorgen.

Jeder dieser Zeitserver ist in der Lage, Tausende von Clients zu synchronisieren, und sie sind alle in einer Funk-, GPS- oder dualen Konfiguration verfügbar.

Zeitserver können auf mehreren verschiedenen Betriebssystemen ausgeführt werden, aber jeder Client kann auf einen Server zugreifen, der auf einem beliebigen Betriebssystem ausgeführt wird. Beispielsweise können Clients, auf denen MacOS ausgeführt wird, mit einem Windows-Zeitserver kommunizieren, indem sie ihre integrierte NTP-Client-Software verwenden.

Wählen Sie letzendlich einen Server, der die physischen Anforderungen Ihrer Kapazität erfüllt. Viele Zeitserver werden in einem rackmontierbaren Gehäuse geliefert, sodass Sie sie neben Ihrer vorhandenen IT-Hardware integrieren können.

NTP-Clients

Clients sind die Geräte, die Sie zur Synchronisierung mit Ihrem Zeitserver verbinden. Praktisch jedes Gerät kann ein Client sein, wenn es drei Bedingungen erfüllt:

• Es hat eine eingebaute Uhr.
• Es kann über eine Ethernet-Verbindung mit einem Netzwerk verbunden werden.
• Es kann NTP/SNTP-Client-Software ausführen.

Mögliche Clients sind Computer, Telefone, Uhren, CCTV-Systeme, Stempelsysteme, Zahlungsterminals usw.

Viele Geräte verfügen über eine integrierte NTP-Client-Software. Wenn nicht, lässt sich die TimeSync-Software einfach auf Windows-Geräten installieren, sodass Sie eine Reihe von Clients für eine Vielzahl von Zwecken synchronisieren können.

Was ist NTP? Schlussfolgerung

NTP bietet Unternehmen und Organisationen eine zuverlässige, benutzerfreundliche und kosteneffektive Methode der Zeitsynchronisierung.

Es ist eines der ältesten noch verwendeten Internetprotokolle und behält, obwohl es sich mittlerweile in der vierten Version befindet, noch einige Prinzipien ein, die es in seinen Anfangsjahren so beliebt gemacht haben.

Indem Sie Ihre vernetzten Geräte mit einem Zeitserver verbinden, der ein Signal von einer definitiven Zeitquelle empfängt, können Sie die Vorteile einer genauen Zeit an jedem Ort genießen, die Produktivität steigern, den Kundenservice verbessern und Ihre Abläufe synchronisieren.