Сетевой протокол времени NTP

Время — самый важный и невосполнимый ресурс любого человека. Проблема эта занимала людей всегда, и уже более 4 тысяч лет они пытаются как-то упорядочить учет расходования этого ресурса, создавая различные календарные системы и устройства измерения времени. Календарные системы древнего мира отражали сельскохозяйственные, политические и ритуальные нужды, характерные для того времени. Астрономические наблюдения для установления зимнего и летнего солнцестояния производились еще 4000 лет тому назад. Проблема создания календаря возникала только в обществах, где государственная стабильность поддерживалась в течение достаточно долгого времени (Китай, Египет, государство майя). В 14-ом столетии до Рождества Христова в Китае была определена длительность солнечного года — 365.25 дней и лунного месяца — 29.5 дней. Солнечно-лунный календарь действовал на ближнем востоке (за исключением Египта) и в Греции, начиная с 3-го тысячелетия до нашей эры. Ранние календари использовали либо 13 лунных месяцев по 28 дней, либо 12 месяцев с чередующейся протяженностью 29 и 30 дней.

Древнеегипетский календарь имел 12 30-дневных лунных месяцев, но был привязан к сезонному появлению звезды Сириус (sirius — sothis). Для того, чтобы примирить этот календарь с солнечным годом, был изобретен гражданский календарь, в котором добавлено 5 дней, доводящих длительность года до 365 дней. Однако со временем было замечено, что гражданский год примерно на одну четверть дня короче, чем солнечный год. Выбранная длительность года обеспечивала полное совпадение с солнечным годом раз за 1460 лет. Этот период называется циклом Сотиса (sothic-цикл). Так же, как и китайцы, древние египтяне установили длительность солнечного года равной 365,25 дней, что с точностью 11 минут совпадает с результатами современных вычислений. В 432 году до рождества Христа, почти на сто лет позже китайцев, греческий астроном Метон вычислил, что 110 лунных месяцев по 29 дней и 125 лунных месяцев по 30 дней соответствуют 6940 солнечным дням, и это лишь немного превышает 19 лет. 19-летний цикл, названный циклом Метона, установил длительность лунного месяца равной 29,532 солнечных дней, что с точностью до 2 минут совпадает с результатами современных измерений.

В древнем Риме использовался лунный календарь. Юлий Цезарь пригласил александрийского астронома Сосигенса, который разработал календарь (по понятным причинам называнный юлианским), принятый в 46 году до Рождества Христова. Календарь содержал 365 дней в году с добавлением одного дня каждые 4 года. Однако первые 36 лет по ошибке дополнительный день добавлялся каждые три года. В результате набежало лишних три дня, которые пришлось компенсировать вплоть до 8 года нашей эры.

Семидневная неделя была введена лишь в четвертом столетии нашей эры императором Константином I.

Во время романской эры 15-летний цикл переписи использовался при исчислении налогов. Последовательность имен дней недели воспроизводится через 28 лет, этот период называется солнечным циклом. Таким образом, учитывая 28-летний солнечный цикл, 19-летний цикл Метона и 15-летний переписи, получаем суперцикл протяженностью 7980-лет, называемый юлианской эрой, которая начинается в 4713 году до Рождества Христова.

К 1545 году расхождение между юлианским календарем и солнечным годом достигло 10 дней. В 1582, астрономы Кристофер Клавиус и Луиджи Лилио предложили новую схему календаря. Папа Григорий XIII выпустил буллу, в которой среди прочего указывалось, что в году содержится 365.2422 дней. Для того, чтобы более точно аппроксимировать эту новую величину, только столетние годы, которые делятся без остатка на 400, объявляются високосными, что предполагает длительность года 365,2425 дней. В настоящее время григорианский календарь принят большинством стран мира.

Но чтобы мерить расширение вселенной или распад протона, необходимо ввести стандартную схему нумерации дней. По решению Международного астрономического Союза был принят стандарт секунды и юлианская система нумерации дней (jdn). Стандартный день содержит 86,400 стандартных секунд, а стандартный год состоит из 365,25 стандартных дней.

В схеме (JDN), предложенной в 1583 французским ученым Джозефом Юлиусом Скалигером, JDN 0.0 соответствует 12 часам (полдень) первого дня юлианской эры — 1 января 4713 до нашей эры. Годы до нашей эры подсчитываются согласно юлианскому календарю, в то время как годы нашей эры нумеруются по календарю григорианскому. 1 января 1 года после Рождества Христова в григорианском календаре соответствует 3 января 1 года юлианского календаря [DER90], в JDN 1.721.426,0 день соответствует 12 часам первого дня нашей эры.

Эталоном времени может стать любой циклический процесс с достаточно стабильным периодом. Для измерения времени сначала использовали солнечные часы (Вавилон, 3,5 тысячи лет назад), которые были пригодны только днем при безоблачном небе. Им на смену пришли водяные часы, способные работать круглые сутки (если позволял объем сосуда). Позднее были изобретены песочные часы (появились примерно тысячу лет назад), которые могли обеспечить точность около 15-20 минут за сутки. Именно от этого типа часов пошла морская единица измерения времени — "склянки". Революцию в сфере измерения времени вызвало изобретение механических часов (Вестминстерские куранты 1288 год). Первые часы с маятником были изготовлены Х. Гюйгенсом в 1657 году, через 13 лет был изобретен анкерный механизм. Механическим хронометрам человечество обязано великим географическим открытиям 18 века (Дж. Кук). Первые часы с использованием электричества был разработаны А. Бейном в 1840 году, а первые кварцевые часы увидели свет в 1918 году. В 1937 году кварцевые часы Л.Эссена были установлены в Гринвичской лаборатории (GMT), они имели точность 2 мсек в сутки. В 1944 году радиостанция BBC стала передавать сигналы точного времени с погрешностью около 0,1 мсек/сутки. Сейчас кварцевые часы можно увидеть на запястьях людей и в любом компьютере. Первые атомные часы были изготовлены в 1949 году. Без этих технологических свершений технический прогресс 20-го века был бы невозможен. Кварцевые часы побывали в космосе и на Луне.

В 1967 году был принят цезиевый (Cs¹³³) стандарт времени, где одна секунда соответствует 9192631770 периодам перехода между уровнями в атоме цезия UTC (Universal Time Coordinated). UTC почти в миллион раз точнее астрономического среднего времени по Гринвичу. Ошибка UTC составляет менее 0,3 нсек/сутки.

Не исключено, что со временем эталоном времени станет излучение миллисекундного пульсара (открыт в 1982 году), имеющего период 1,55780645169838 миллисекунды. Этот пульсар предположительно имеет массу Солнца, радиус 10 км и вращается со скоростью 642 оборота в секунду.

С 1 января 2001 года английским правительством было официально объявлено о новом стандарте времени Grinwich e-time (GET), который будет использоваться для обеспечения глобальных электронных платежей через Интернет.

Для оценки времени природа снабдила человека, как и некоторых других живых существ, так называемыми биологическими часами. Эти часы отсчитывают циклы длительностью около 24 часов. У нас, правда, есть природный генератор — это сердце, с периодом около 1 секунды. За отсчет времени ответственен теменной участок коры больших полушарий мозга. Механизмы оценки коротких временных интервалов и упорядочение наших жизненных событий происходят разными способами. Но эти механизмы хороши, пожалуй, лишь для определения времени обеда.

Калиброванный эталон времени, например, атомные часы, — довольно сложное и дорогостоящее устройство, требующее квалифицированного обслуживания. По этой причине многие пользователи не могут позволить себе такие издержки и вынуждены обращаться к услугам удаленных эталонов. Это может быть первичный эталон, размещенный где-то в локальной сети, или радио-часы. Условия доступа к сети уже предполагают наличие определенной дисперсии для времени доставки калибровочной информации. Если же эталон размещен далеко в Интернет, значения задержки и дисперсии могут возрасти многократно. Для обеспечения большей надежности калибровки обычно используют несколько эталонов, а для снижения влияния временных разбросов привлекают довольно сложные алгоритмы усреднения.

Сетевой протокол задания времени NTP (Network Time Protocol Version 3 Specification, Implementation and Analysis, David L. Mills, RFC-1305, March 1992) служит для осуществления синхронизации работы различных процессов в серверах и программах клиента. Он определяет архитектуру, алгоритмы, объекты и протоколы, применяемые для указанных целей. NTP был впервые определен в документе RFC-958 [MIL85c], но с тех пор несколько раз переделан и усовершенствован (RFC-1119 [MIL89]). Протокол использует для транспортных целей UDP [POS80]. Целью протокола является обеспечение максимально возможной точности и надежности, несмотря на значительный разброс задержек при прохождении через большое число промежуточных маршрутизаторов.

Протокол NTP обеспечивает механизмы синхронизации с точностью до наносекунд. Он предлагает средства для определения характеристик и оценки ошибок локальных часов и временного сервера, который осуществляет синхронизацию. Предусмотрены возможности работы с иерархически распределенными первичными эталонами, такими, как синхронизуемые радио-часы.

Точность, достижимая с помощью NTP, сильно зависит от точности локальных часов и характерных скрытых задержек. Алгоритм коррекции временной шкалы включает внесение задержек, коррекцию частоты часов и ряд механизмов, позволяющих достичь точности порядка нескольких миллисекунд, даже после длительных периодов, когда потеряна связь с синхронизирующими источниками.

Существует ряд механизмов в Интернет, которые позволяют передавать и записывать время, когда произошло какое-то событие. Это протокол daytime [POS83a], time protocol [POS83b], сообщения ICMP "временная метка" [DAR81b] и опция IP "временная метка" [SU81].

Юниксовский (4.3BSD) времязадающий демон [GUS85a] измеряет временные сдвиги различных клиентских процессов и рассылает им соответствующие поправки.

В этой модели сервер определен с помощью алгоритма выбора [GUS85b], который исключает ситуации, где сервер не выбран или выбрано более одного сервера. Процесс выбора требует возможности рассылки широковещательных сообщений.