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2025-01-15 約 2000 字預計閱讀 10 分鐘

⏰ NTP 時間同步協定

⏱️ 閱讀時間： 8 分鐘 🎯 難度： ⭐⭐ (中等)

🎯 本篇重點

理解 NTP 的基本概念、Stratum 層級架構、時間同步原理、以及如何在實際環境中設定。

🤔 什麼是 NTP？

NTP (Network Time Protocol) = 網路時間協定

一句話解釋： NTP 就像是網路世界的「標準時鐘」，讓所有電腦的時間都保持一致，誤差可以小到毫秒等級。

比喻：校園裡的時鐘

沒有 NTP（各自為政）：
- 教室 A 的時鐘：10:00
- 教室 B 的時鐘：10:03
- 教室 C 的時鐘：9:58
→ 每個教室下課時間不同，很混亂

有 NTP（統一時間）：
- 所有時鐘都對準「校園標準時鐘」
- 教室 A、B、C 都是 10:00
→ 大家同步，井然有序

🏗️ NTP 在網路模型中的位置

OSI 7 層模型

┌──────────────────────────────┬─────────────────┐
│ 7. Application Layer (應用層) │  NTP            │ ← NTP 在這裡
├──────────────────────────────┼─────────────────┤
│ 6. Presentation Layer (表示層)│  加密、壓縮      │
├──────────────────────────────┼─────────────────┤
│ 5. Session Layer (會話層)     │  建立、維護會話  │
├──────────────────────────────┼─────────────────┤
│ 4. Transport Layer (傳輸層)   │  UDP            │
├──────────────────────────────┼─────────────────┤
│ 3. Network Layer (網路層)     │  IP             │
├──────────────────────────────┼─────────────────┤
│ 2. Data Link Layer (資料鏈結層)│  Ethernet       │
├──────────────────────────────┼─────────────────┤
│ 1. Physical Layer (實體層)    │  網路線、光纖    │
└──────────────────────────────┴─────────────────┘

NTP 位於第 7 層（應用層）

NTP 是應用層協定
提供網路時間同步服務
確保所有裝置時間一致

TCP/IP 4 層模型

┌─────────────────────────────┬─────────────────┐
│ 4. Application Layer (應用層) │  NTP            │ ← NTP 在這裡
├─────────────────────────────┼─────────────────┤
│ 3. Transport Layer (傳輸層)  │  UDP            │
├─────────────────────────────┼─────────────────┤
│ 2. Internet Layer (網際網路層)│  IP             │
├─────────────────────────────┼─────────────────┤
│ 1. Network Access (網路存取層)│  Ethernet       │
└─────────────────────────────┴─────────────────┘

NTP 位於第 4 層（應用層）

在 TCP/IP 模型中，NTP 是應用層協定
使用 UDP Port 123
UDP 提供快速、低延遲的傳輸

對比表：

協定	OSI 層級	TCP/IP 層級	傳輸層協定	Port	精確度
NTP	Layer 7	Layer 4	UDP	123	毫秒級
PTP (Precision Time)	Layer 2	N/A	Ethernet	-	微秒/納秒級
SNTP (Simple NTP)	Layer 7	Layer 4	UDP	123	秒級

重點：

NTP 是應用層協定（兩種模型都是）
使用 UDP Port 123
對稱式通訊（Client 和 Server 互相詢問時間）
精確度可達 1-50 毫秒（Internet）、< 1 毫秒（LAN）

NTP 使用 UDP 的原因：

為什麼 NTP 用 UDP？

1. 低延遲需求 ⚡
   時間同步需要精確測量網路延遲
   TCP 的三次握手會增加延遲
   UDP 直接傳送，延遲最小

2. 對稱性 ⚖️
   NTP 需要雙向測量延遲
   Client → Server（往返時間）
   Server → Client（往返時間）
   UDP 更適合這種對稱通訊

3. 輕量級 💨
   時間同步封包很小（< 100 bytes）
   TCP 的額外開銷不值得
   UDP 開銷最小

4. 容錯性 🔄
   偶爾丟包沒關係（下次再同步）
   不需要 TCP 的可靠性保證
   NTP 本身有多次查詢機制

🚨 為什麼需要時間同步？

時間不同步的問題

場景 1：日誌分析（除錯噩夢）

Web Server:  [10:00:05] 使用者登入
App Server:  [09:59:58] 處理請求
DB Server:   [10:00:12] 查詢資料

問題：
時間順序亂了！
看起來像是「先查資料，才處理請求，最後才登入」
→ 完全無法除錯！

正確順序（時間同步後）：
[10:00:00] Web: 使用者登入
[10:00:01] App: 處理請求
[10:00:02] DB: 查詢資料
→ 清楚的時間軸！

場景 2：交易系統（嚴重錯誤）

股票交易：
Server A (10:00:00): 股價 100 元，買入
Server B (09:59:55): 股價 105 元，賣出

實際：先賣後買（虧損）
記錄：先買後賣（獲利）
→ 帳務錯誤！

時間同步後：
兩台 Server 時間一致
交易順序正確

場景 3：安全憑證（無法登入）

SSL 憑證有效期：
2025/01/01 00:00:00 ~ 2026/01/01 00:00:00

如果 Client 時間是 2024/12/31 23:59:00：
→ 憑證還沒生效！連線失敗

如果 Client 時間是 2026/01/02：
→ 憑證過期！連線失敗

時間同步後：
時間正確，憑證驗證通過

場景 4：分散式系統（資料不一致）

分散式資料庫（3 台）：
Server A (10:00:00): UPDATE users SET name='Alice'
Server B (10:00:05): UPDATE users SET name='Bob'
Server C (09:59:55): UPDATE users SET name='Charlie'

沒有同步時間：
無法判斷哪個是最新的
→ 資料不一致

時間同步後：
按時間戳排序，取最新的
→ 資料一致性保證

🏗️ NTP 架構：Stratum 層級 ⭐⭐⭐

Stratum（階層）：表示時間源的精確度層級

Stratum 0：原子鐘、GPS 時鐘（物理標準）
   │
   │ 直連（無網路）
   ↓
Stratum 1：直接連接 Stratum 0 的伺服器（最精確）
   │       例如：time.nist.gov, time.google.com
   │
   │ 網路連線
   ↓
Stratum 2：連接 Stratum 1 的伺服器
   │       例如：公司內部的 NTP Server
   │
   │ 網路連線
   ↓
Stratum 3：連接 Stratum 2 的客戶端
   │       例如：一般電腦、手機
   │
   ↓
Stratum 4...15（最多 15 層）

Stratum 層級詳解

Stratum 0（參考時鐘）

物理時間源（不可透過網路存取）

範例：
1. 原子鐘（Atomic Clock）
   - 銫原子鐘
   - 精確度：每 100 萬年誤差 1 秒

2. GPS 時鐘
   - 接收 GPS 衛星訊號
   - 精確度：微秒級

3. 無線電時鐘（WWVB, DCF77）
   - 接收無線電訊號
   - 精確度：毫秒級

特點：
- 不在網路上
- 直接連接到 Stratum 1 Server（串列埠、PCIe 卡等）

Stratum 1（主要時間伺服器）

直接連接 Stratum 0 的伺服器

全球公共 NTP Server：
- time.nist.gov（美國國家標準技術研究所）
- time.google.com（Google）
- time.apple.com（Apple）
- time.cloudflare.com（Cloudflare）
- pool.ntp.org（全球 NTP Pool）

特點：
- 最精確（微秒到毫秒級）
- 高可用性（24/7 運作）
- 通常禁止一般用戶直接使用（需透過 Stratum 2）

查詢方式：
ntpdate -q time.google.com

Stratum 2（次級時間伺服器）

連接 Stratum 1，服務一般客戶端

使用場景：
- 公司內部 NTP Server
- ISP 的 NTP Server
- 資料中心的 NTP Server

範例架構：
公司內部 NTP Server (Stratum 2)
└─ 連接 time.google.com (Stratum 1)
   └─ 服務公司內 100+ 台電腦

優點：
- 減輕 Stratum 1 負擔
- 內網同步更快（低延遲）
- 集中管理

Stratum 3-15（客戶端）

一般裝置

Stratum 3：連接 Stratum 2
Stratum 4：連接 Stratum 3
...
Stratum 15：最大層級

越高層級 → 精確度越低

範例：
Stratum 1: time.google.com (誤差 < 1ms)
  ↓
Stratum 2: 公司 NTP (誤差 ~5ms)
  ↓
Stratum 3: 你的電腦 (誤差 ~10ms)
  ↓
Stratum 4: ...

Stratum 16（未同步）

表示「無法同步」或「時間不可信」

原因：
- 無法連接到任何 NTP Server
- 時間差距太大（超過 1000 秒）
- 網路問題

Windows 顯示：
w32tm /query /status
Stratum: 16 (unspecified) ← 未同步

修復：
檢查網路連線
檢查 NTP Server 設定
手動同步：w32tm /resync

📡 NTP 同步流程

時間戳交換

NTP 使用 4 個時間戳計算時間差和延遲

Client                          Server
  │                                │
  ├─ Request ────────────────────>│
  │  T1: Client 發送時間            │
  │  (10:00:00.000)                │
  │                                │
  │                                │  T2: Server 收到時間
  │                                │  (10:00:00.050)
  │                                │
  │                                │  T3: Server 發送時間
  │                                │  (10:00:00.051)
  │<─ Response ────────────────────┤
  │  T4: Client 收到時間            │
  │  (10:00:00.101)                │

4 個時間戳：
T1 = 10:00:00.000  (Client 發送)
T2 = 10:00:00.050  (Server 收到)
T3 = 10:00:00.051  (Server 回應)
T4 = 10:00:00.101  (Client 收到)

計算公式 ⭐

往返延遲（Round-Trip Delay）

Delay = (T4 - T1) - (T3 - T2)

範例：
Delay = (101 - 0) - (51 - 50)
      = 101 - 1
      = 100 毫秒

解釋：
T4 - T1 = 總時間（101ms）
T3 - T2 = Server 處理時間（1ms）
Delay = 網路往返延遲（100ms）

時間偏移（Offset）

Offset = ((T2 - T1) + (T3 - T4)) / 2

範例：
Offset = ((50 - 0) + (51 - 101)) / 2
       = (50 + (-50)) / 2
       = 0 / 2
       = 0 毫秒

解釋：
T2 - T1 = Client 到 Server 的時間差（50ms）
T3 - T4 = Server 到 Client 的時間差（-50ms）
Offset = 平均時間差（0ms → 時間一致）

如果 Offset > 0：Client 時間慢了
如果 Offset < 0：Client 時間快了
如果 Offset = 0：時間一致

同步調整

NTP 不會直接「跳躍」時間

原因：
如果直接改時間，會造成問題：
- 日誌時間倒退
- 程序計時錯誤
- 資料庫交易問題

NTP 的調整方式：

1️⃣ Slew（緩慢調整）：
   Offset < 128ms
   → 逐漸加快或減慢時鐘
   → 平滑過渡，不跳躍

   範例：
   目前時間慢 10ms
   → 讓時鐘走快一點點
   → 經過幾分鐘後，時間追上

2️⃣ Step（跳躍調整）：
   Offset > 128ms
   → 直接修改時間
   → 快速同步

   範例：
   目前時間慢 5 分鐘
   → 直接跳到正確時間

3️⃣ Panic（拒絕同步）：
   Offset > 1000 秒
   → 時間差太大，拒絕自動同步
   → 需要手動確認

   原因：
   可能是設定錯誤或惡意攻擊
   不應該自動接受

🛠️ NTP 實戰設定

Linux：使用 systemd-timesyncd（簡單）

# Ubuntu/Debian 預設已安裝

# 檢查狀態
timedatectl status

輸出：
               Local time: 三 2025-01-15 20:00:00 CST
           Universal time: 三 2025-01-15 12:00:00 UTC
                 RTC time: 三 2025-01-15 12:00:00
                Time zone: Asia/Taipei (CST, +0800)
System clock synchronized: yes ← 已同步
              NTP service: active ← NTP 啟用
          RTC in local TZ: no

# 設定 NTP Server
sudo vi /etc/systemd/timesyncd.conf

[Time]
NTP=time.google.com time.cloudflare.com
FallbackNTP=pool.ntp.org

# 重啟服務
sudo systemctl restart systemd-timesyncd

# 手動同步
sudo timedatectl set-ntp true

# 查看同步詳情
timedatectl timesync-status

輸出：
       Server: 216.239.35.0 (time.google.com)
Poll interval: 32s (min: 32s; max 34min 8s)
         Leap: normal
      Version: 4
      Stratum: 1 ← 連接 Stratum 1
    Reference: GPS
    Precision: 1us (-25)

Linux：使用 ntpd（進階）

# 安裝
sudo apt install ntp

# 設定檔
sudo vi /etc/ntp.conf

# NTP Servers
server time.google.com iburst
server time.cloudflare.com iburst
server pool.ntp.org iburst

# 限制存取（安全性）
restrict default kod nomodify notrap nopeer noquery
restrict 127.0.0.1
restrict ::1

# 本地網路可查詢（如果是 Server）
restrict 192.168.1.0 mask 255.255.255.0 nomodify notrap

# 啟動服務
sudo systemctl start ntp
sudo systemctl enable ntp

# 查看同步狀態
ntpq -p

輸出：
     remote           refid      st t when poll reach   delay   offset  jitter
==============================================================================
*time.google.com .GPS.            1 u   64   64  377    5.123   -0.456   0.123
+time.cloudflare .PTP.            1 u   32   64  377    8.456   +0.234   0.234
-pool.ntp.org    .POOL.           2 u   16   64  377   12.345   -1.234   0.345

說明：
* = 目前使用的 Server
+ = 候選 Server（可用）
- = 備選 Server
st = Stratum 層級
delay = 延遲（毫秒）
offset = 時間偏移（毫秒）
jitter = 抖動（毫秒）

Windows：設定 NTP

# 查看狀態
w32tm /query /status

輸出：
Leap Indicator: 0(no warning)
Stratum: 3 (secondary reference - syncd by (S)NTP)
Precision: -23 (119.209ns per tick)
Root Delay: 0.0156248s
Root Dispersion: 7.7949142s
ReferenceId: 0xAC100001 (source IP:  192.168.1.1)
Last Successful Sync Time: 2025/1/15 20:00:00
Source: time.windows.com
Poll Interval: 10 (1024s)

# 設定 NTP Server
w32tm /config /manualpeerlist:"time.google.com time.cloudflare.com" /syncfromflags:manual /update

# 重新同步
w32tm /resync

# 查看同步來源
w32tm /query /peers

# GUI 設定
控制台 → 日期和時間 → 網際網路時間 → 變更設定
→ 伺服器：time.google.com
→ 立即更新

常用公共 NTP Server

# Google
time.google.com
time1.google.com - time4.google.com

# Cloudflare
time.cloudflare.com

# Apple
time.apple.com

# NTP Pool Project（全球分散式）
pool.ntp.org
0.pool.ntp.org - 3.pool.ntp.org

# 台灣特定
tw.pool.ntp.org
time.stdtime.gov.tw（國家時間與頻率標準實驗室）

# 中國特定
cn.pool.ntp.org
ntp.aliyun.com

設定建議：
1. 設定多個 Server（至少 3 個）
2. 選擇地理位置接近的 Server（延遲低）
3. 混合使用不同提供商（容錯）

範例：
server time.google.com iburst
server time.cloudflare.com iburst
server tw.pool.ntp.org iburst

🎓 面試常見問題

Q1：NTP 的 Stratum 是什麼？層級如何劃分？

A：Stratum = 階層，表示時間源的精確度層級

層級劃分：

Stratum 0（參考時鐘）：
- 原子鐘、GPS、無線電時鐘
- 不可透過網路存取
- 精確度最高

Stratum 1（主要伺服器）：
- 直接連接 Stratum 0
- 例如：time.google.com, time.nist.gov
- 精確度：微秒到毫秒級

Stratum 2（次級伺服器）：
- 連接 Stratum 1
- 公司內部 NTP Server
- 精確度：毫秒級

Stratum 3-15（客戶端）：
- 層層往下
- 層級越高，精確度越低

Stratum 16（未同步）：
- 表示無法同步
- 時間不可信

選擇建議：
一般電腦 → 連接 Stratum 2 或 Pool
公司 Server → 自建 Stratum 2，連接多個 Stratum 1

Q2：NTP 如何計算時間偏移（Offset）和延遲（Delay）？

A：使用 4 個時間戳

時間戳：
T1 = Client 發送時間
T2 = Server 收到時間
T3 = Server 回應時間
T4 = Client 收到時間

往返延遲（Delay）：
Delay = (T4 - T1) - (T3 - T2)

範例：
T1 = 0ms, T2 = 50ms, T3 = 51ms, T4 = 101ms
Delay = (101 - 0) - (51 - 50)
      = 101 - 1
      = 100ms

時間偏移（Offset）：
Offset = ((T2 - T1) + (T3 - T4)) / 2

範例：
Offset = ((50 - 0) + (51 - 101)) / 2
       = (50 - 50) / 2
       = 0ms

解釋：
Offset = 0 → 時間一致
Offset > 0 → Client 慢了
Offset < 0 → Client 快了

為什麼除以 2？
假設網路延遲對稱（往返相同）
取平均值補償延遲

Q3：NTP 為什麼用 UDP 而不是 TCP？

A：三個原因

1️⃣ 低延遲需求
   時間同步需要精確測量延遲
   TCP 三次握手增加延遲
   UDP 直接傳送，延遲最小

2️⃣ 對稱通訊
   NTP 需要測量雙向延遲
   Client ⇄ Server（往返時間）
   UDP 更適合這種對稱模式

3️⃣ 輕量級
   NTP 封包 < 100 bytes
   TCP 額外開銷（ACK、重傳）不值得
   UDP 開銷最小

丟包處理：
NTP 會多次查詢（通常 8 次）
取中位數，過濾異常值
偶爾丟包影響不大

Port：
UDP 123（Client 和 Server 都用）

Q4：時間差距很大時，NTP 如何處理？

A：三種調整策略

1️⃣ Slew（緩慢調整）
   Offset < 128ms
   → 逐漸加快或減慢時鐘
   → 平滑過渡

   優點：
   ✅ 時間不會倒退
   ✅ 日誌順序正確
   ✅ 程序計時正常

   缺點：
   ❌ 調整時間較長（可能數小時）

2️⃣ Step（跳躍調整）
   128ms < Offset < 1000s
   → 直接修改系統時間
   → 快速同步

   優點：
   ✅ 快速同步

   缺點：
   ❌ 時間可能倒退
   ❌ 程序可能出錯

   使用場景：
   - 系統剛啟動
   - 手動強制同步

3️⃣ Panic（拒絕同步）
   Offset > 1000s (16.7 分鐘)
   → 拒絕自動調整
   → 需要手動確認

   原因：
   可能是設定錯誤或攻擊
   不應自動接受

   解決：
   手動檢查 Server 設定
   手動調整時間
   ntpdate -b time.google.com（強制同步）

面試加分：
提到「leap second」（閏秒）
NTP 支援閏秒調整
確保時間與 UTC 一致

Q5：如何設定公司內部的 NTP Server？

A：三步驟設定

步驟 1：選擇硬體
中小型公司：
- 一般 Linux Server（虛擬機也可）
- 連接多個 Stratum 1 Server

大型公司：
- 專用 NTP Server
- 可選配 GPS 時鐘（Stratum 1）

步驟 2：設定 NTP Server
# /etc/ntp.conf

# 上游 NTP Server（Stratum 1）
server time.google.com iburst
server time.cloudflare.com iburst
server pool.ntp.org iburst

# 允許內網客戶端查詢
restrict 192.168.0.0 mask 255.255.0.0 nomodify notrap

# 本機可以查詢和修改
restrict 127.0.0.1

# 如果上游斷線，用本機時鐘（不推薦）
server 127.127.1.0
fudge 127.127.1.0 stratum 10

# 啟動
sudo systemctl restart ntp

步驟 3：客戶端設定
所有內網電腦指向此 Server：

Linux:
sudo vi /etc/systemd/timesyncd.conf
NTP=192.168.1.10

Windows:
w32tm /config /manualpeerlist:"192.168.1.10" /syncfromflags:manual /update

驗證：
# Server 端
ntpq -p
→ 確認連接到 Stratum 1

# Client 端
ntpq -p 192.168.1.10
→ 確認連接到內部 Server

架構圖：
Internet
  ↓
time.google.com (Stratum 1)
  ↓
公司 NTP Server (Stratum 2)
  ↓
內網電腦 (Stratum 3)

優點：
✅ 減輕外部 Server 負擔
✅ 內網同步快（低延遲）
✅ 集中管理
✅ 外網斷線仍可同步（內網之間）

Q6：NTP 和 SNTP 有什麼差別？

A：功能複雜度不同

NTP（Network Time Protocol）：
- 完整功能
- 精確度高（毫秒級）
- 支援多 Server 選擇
- 支援時鐘品質評估
- 雙向時間戳交換

特點：
✅ 高精確度（1-50ms）
✅ 容錯性好（多 Server）
✅ 自動選擇最佳 Server
✅ 支援 Slew 緩慢調整

使用場景：
- 伺服器
- 資料中心
- 需要高精確度的設備

SNTP（Simple NTP）：
- 簡化版 NTP
- 精確度較低（秒級）
- 單向時間戳
- 沒有複雜演算法

特點：
✅ 簡單易實作
✅ 資源需求低
❌ 精確度較低（~1 秒）
❌ 沒有容錯機制

使用場景：
- 嵌入式設備
- IoT 裝置
- 對時間精確度要求不高的設備

對比表：
| 特性 | NTP | SNTP |
|------|-----|------|
| 精確度 | 1-50ms | ~1s |
| 複雜度 | 高 | 低 |
| 資源需求 | 高 | 低 |
| 容錯性 | 高 | 低 |
| 使用場景 | 伺服器 | IoT |

選擇建議：
伺服器、需要精確時間 → NTP
嵌入式、IoT 裝置 → SNTP

✅ 重點回顧

NTP 定義：

NTP = Network Time Protocol
網路時間同步協定
UDP Port 123

Stratum 層級：

Stratum 0：原子鐘、GPS（參考時鐘）
Stratum 1：直連 Stratum 0（最精確）
Stratum 2-15：層層往下
Stratum 16：未同步

時間計算公式（重要）：

Delay = (T4 - T1) - (T3 - T2)
Offset = ((T2 - T1) + (T3 - T4)) / 2

調整策略：

Slew (< 128ms)：緩慢調整，不跳躍
Step (< 1000s)：直接修改時間
Panic (> 1000s)：拒絕同步

為什麼用 UDP：

低延遲（時間同步需求）
對稱通訊（雙向測量）
輕量級（封包小）

實用命令：

# Linux
timedatectl status       # 查看狀態
ntpq -p                  # 查看同步詳情

# Windows
w32tm /query /status     # 查看狀態
w32tm /resync            # 手動同步

公共 NTP Server：

time.google.com
time.cloudflare.com
pool.ntp.org
tw.pool.ntp.org

面試重點：

✅ Stratum 層級概念
✅ 時間計算公式（Delay、Offset）
✅ 為什麼用 UDP
✅ 三種調整策略
✅ NTP vs SNTP

記憶口訣：

Stratum = 「原主次客」（原子鐘、主要、次級、客戶端）
調整 = 「滑跳慌」（Slew、Step、Panic）

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最後更新：2025-01-15

06-3. NTP 時間同步協定