Network Time Protocol: Unterschied zwischen den Versionen
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[[Datei:Ntp statusmessage.png|mini|400px|Statusmeldung des NTP-Daemons. Spalten v. l. n. r.: Status des ''Peers'' (+: Wird miteinbezogen; *: Aktueller Hauptpeer; -: Wird nicht beachtet); Servername (remote); Zeitquellen-ID, hier die IP des Servers, von dem der Peer die Zeit hat (refid); Stratum des Servers (st); Typ des Servers (u: [[Unicast]]); wann das letzte Mal abgefragt wurde in Sekunden (when); in welchem Intervall der Server abgefragt wird (poll, in Sekunden); wie oft der Server erreicht wurde (reach; 377 heißt, dass die letzten 8 Abfragen erfolgreich waren, ein [[Schieberegister]]); die Laufzeit (Round-Trip-Time) des NTP-Pakets (delay); der Offset der lokalen Uhr gegenüber dem Server (offset, in Millisekunden) und wie stark die abgefragte Zeit schwankt ([[jitter]], Millisekunden) | [[Datei:Ntp statusmessage.png|mini|400px|Statusmeldung des NTP-Daemons. Spalten v. l. n. r.: Status des ''Peers'' (+: Wird miteinbezogen; *: Aktueller Hauptpeer; -: Wird nicht beachtet); Servername (remote); Zeitquellen-ID, hier die IP des Servers, von dem der Peer die Zeit hat (refid); Stratum des Servers (st); Typ des Servers (u: [[Unicast]]); wann das letzte Mal abgefragt wurde in Sekunden (when); in welchem Intervall der Server abgefragt wird (poll, in Sekunden); wie oft der Server erreicht wurde (reach; 377 heißt, dass die letzten 8 Abfragen erfolgreich waren, ein [[Schieberegister]]); die Laufzeit (Round-Trip-Time) des NTP-Pakets (delay); der Offset der lokalen Uhr gegenüber dem Server (offset, in Millisekunden) und wie stark die abgefragte Zeit schwankt ([[jitter]], Millisekunden) ]] | ||
NTP wurde von [[David L. Mills]] an der [[University of Delaware|Universität von Delaware]] entwickelt und 1985 als <nowiki>RFC 958</nowiki> | NTP wurde von [[David L. Mills]] an der [[University of Delaware|Universität von Delaware]] entwickelt und 1985 als <nowiki>RFC 958</nowiki> | ||
veröffentlicht. Seit der Pensionierung von Mills wird die Referenzimplementierung derzeit als [[Open Source|Open-Source]]-Projekt durch die im Jahr 2011 gegründete ''Network Time Foundation'' unter der Leitung von Harlan Stenn gepflegt.<ref name="jZjhj">{{cite web| url=http://www.informationweek.com/cloud/infrastructure-as-a-service/ntp-needs-money-is-a-foundation-the-answer/d/d-id/1319557| title=NTP Needs Money: Is A Foundation The Answer?| work=[[InformationWeek]]| date=2015-03-23| access-date=2015-04-04| archive-url=https://web.archive.org/web/20150410033108/http://www.informationweek.com/cloud/infrastructure-as-a-service/ntp-needs-money-is-a-foundation-the-answer/d/d-id/1319557| archive-date=2015-04-10| url-status=live|language=en}}</ref><ref name="MShrI">{{cite web| url=http://www.informationweek.com/it-life/ntps-fate-hinges-on-father-time/d/d-id/1319432?cmp=em-prog-na-na-newsltr_20150313_control&imm_mid=0ce65e&page_number=2| title=NTP's Fate Hinges On 'Father Time'| work=[[InformationWeek]]| date=2015-03-11| access-date=2015-04-04| archive-url=https://web.archive.org/web/20150410021745/http://www.informationweek.com/it-life/ntps-fate-hinges-on-father-time/d/d-id/1319432?cmp=em-prog-na-na-newsltr_20150313_control&imm_mid=0ce65e&page_number=2| archive-date=2015-04-10| url-status=live|language=en}}</ref> | |||
Bis zum Tod von Mills wurde das Protokoll und die UNIX-Implementierung unter seiner Leitung ständig weiterentwickelt. Gegenwärtig ist die Protokollversion 4 | Bis zum Tod von Mills wurde das Protokoll und die UNIX-Implementierung unter seiner Leitung ständig weiterentwickelt. Gegenwärtig ist die Protokollversion 4 aktuell. Der UDP-[[Port (Netzwerkadresse)|Port]] 123 ist für NTP reserviert. | ||
NTP ist in [[Unixoides System|UNIX-artigen]] Betriebssystemen in Form des [[Hintergrundprozess]]es ([[daemon]]) ntpd implementiert, der sowohl das lokale System justieren als auch als Server die Zeit für andere Systeme bereitstellen kann. [[Microsoft Windows|Windows]]-Systeme können ebenfalls ohne Zusatzsoftware die genaue Zeit mittels NTP aus dem Internet beziehen ([[Systemsteuerung]] „Datum und Uhrzeit“ / „Internetzeit“, oder Kommando w32tm.exe) und nach Bearbeitung eines Eintrags in der [[Registrierungsdatenbank]] auch über NTP bereitstellen. | NTP ist in [[Unixoides System|UNIX-artigen]] Betriebssystemen in Form des [[Hintergrundprozess]]es ([[daemon]]) ntpd implementiert, der sowohl das lokale System justieren als auch als Server die Zeit für andere Systeme bereitstellen kann. [[Microsoft Windows|Windows]]-Systeme können ebenfalls ohne Zusatzsoftware die genaue Zeit mittels NTP aus dem Internet beziehen ([[Systemsteuerung]] „Datum und Uhrzeit“ / „Internetzeit“, oder Kommando w32tm.exe) und nach Bearbeitung eines Eintrags in der [[Registrierungsdatenbank]] auch über NTP bereitstellen. | ||
{{Anker|PLL}} Der UNIX-ntpd synchronisiert die lokale Uhr mit Hilfe von externen Zeitsignalen, die er entweder direkt von einer lokalen [[Atomuhr]] ([[Caesium]]-Uhr, [[Rubidium-Oszillator]] usw.) oder einem lokalen Funkempfänger (zum Beispiel [[DCF77]], [[Global Positioning System|GPS]], [[LORAN]]), oder per NTP von einem NTP-Server erhält. Damit die lokale Uhrzeit nicht nur zu den zyklischen Synchronisationszeitpunkten präzise mit dem externen Signal übereinstimmt, korrigiert der ntpd-Prozess nicht nur die Phase, sondern auch die Frequenz des lokalen Zeitgebers mit Hilfe einer Software-[[Phasenregelschleife|PLL]] sowie einer Software-[[Frequency Locked Loop|FLL]]. Um den internen Zeitgeber mit Hilfe eines hochpräzisen Sekundensignals noch enger an einen externen Normalzeitempfänger zu koppeln, haben einige UNIX-Varianten (unter anderem [[Linux]] und [[FreeBSD]]) die oben erwähnte Software-PLL im Kernel implementiert. | {{Anker|PLL}} Der UNIX-ntpd synchronisiert die lokale Uhr mit Hilfe von externen Zeitsignalen, die er entweder direkt von einer lokalen [[Atomuhr]] ([[Caesium]]-Uhr, [[Rubidium-Oszillator]] usw.) oder einem lokalen Funkempfänger (zum Beispiel [[DCF77]], [[Global Positioning System|GPS]], [[LORAN]]), oder per NTP von einem NTP-Server erhält. Damit die lokale Uhrzeit nicht nur zu den zyklischen Synchronisationszeitpunkten präzise mit dem externen Signal übereinstimmt, korrigiert der ntpd-Prozess nicht nur die Phase, sondern auch die Frequenz des lokalen Zeitgebers mit Hilfe einer Software-[[Phasenregelschleife|PLL]] sowie einer Software-[[Frequency Locked Loop|FLL]]. Um den internen Zeitgeber mit Hilfe eines hochpräzisen Sekundensignals noch enger an einen externen Normalzeitempfänger zu koppeln, haben einige UNIX-Varianten (unter anderem [[Linux]] und [[FreeBSD]]) die oben erwähnte Software-PLL im Kernel implementiert. | ||
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Die Zeitstempel im NTP (bis v3) sind 64 Bits lang. 32 Bits kodieren die Sekunden seit dem Beginn einer Ära, wobei Ära 0 am 1. Januar 1900, 00:00:00 Uhr begann, weitere 32 Bits den Sekundenbruchteil. Auf diese Weise lässt sich ein Zeitraum von [[Liste von Größenordnungen der Zeit#109 s bis 1010 s (31,7 a bis 317 a)|2<sup>32</sup> Sekunden]] (etwa 136 Jahre) mit einer Auflösung von 2<sup>−32</sup> Sekunden (etwa 0,23 Nanosekunden) darstellen. Soweit das Betriebssystem mit einer Genauigkeit von etwa 68 Jahren die grobe Zeit vorgeben kann, genügt theoretisch ein NTP-Zeitstempel, um die exakte Zeit in der richtigen Ära zu erhalten, allerdings wird dies nicht von allen Betriebssystemen korrekt beachtet. Ab NTP v4 kann mit einem 128 Bits umfassenden Zeitstempel auch die Ära übermittelt werden.<ref name="RFC5905" /> | Die Zeitstempel im NTP (bis v3) sind 64 Bits lang. 32 Bits kodieren die Sekunden seit dem Beginn einer Ära, wobei Ära 0 am 1. Januar 1900, 00:00:00 Uhr begann, weitere 32 Bits den Sekundenbruchteil. Auf diese Weise lässt sich ein Zeitraum von [[Liste von Größenordnungen der Zeit#109 s bis 1010 s (31,7 a bis 317 a)|2<sup>32</sup> Sekunden]] (etwa 136 Jahre) mit einer Auflösung von 2<sup>−32</sup> Sekunden (etwa 0,23 Nanosekunden) darstellen. Soweit das Betriebssystem mit einer Genauigkeit von etwa 68 Jahren die grobe Zeit vorgeben kann, genügt theoretisch ein NTP-Zeitstempel, um die exakte Zeit in der richtigen Ära zu erhalten, allerdings wird dies nicht von allen Betriebssystemen korrekt beachtet. Ab NTP v4 kann mit einem 128 Bits umfassenden Zeitstempel auch die Ära übermittelt werden.<ref name="RFC5905" /> | ||
NTP nutzt ein hierarchisches System verschiedener ''Strata'' (Plural von ''Stratum''). Als Stratum 0 bezeichnet man das Zeitnormal, beispielsweise eine [[Atomuhr]] oder eine [[Funkuhr]] (Zeitzeichenempfänger via [[Globales Navigationssatellitensystem|GNSS]] oder [[DCF77]]). Die unmittelbar mit ihm gekoppelten NTP-Server heißen Stratum 1. Jede weitere abhängige Einheit erhält bei der Bezeichnung eine höhere Nummer (Stratum 2, Stratum 3 …). | NTP nutzt ein hierarchisches System verschiedener ''Strata'' (Plural von ''Stratum''). Als Stratum 0 bezeichnet man das Zeitnormal, beispielsweise eine [[Atomuhr]] oder eine [[Funkuhr]] (Zeitzeichenempfänger via [[Globales Navigationssatellitensystem|GNSS]] oder [[DCF77]]). Die unmittelbar mit ihm gekoppelten NTP-Server heißen Stratum 1. Jede weitere abhängige Einheit erhält bei der Bezeichnung eine höhere Nummer (Stratum 2, Stratum 3 …). Die NTP-Software auf Stratum 1, Stratum 2, Stratum 3 usw. ist zugleich Client des darüber liegenden Stratums als auch Server des darunter liegenden Stratums, sofern eines existiert. | ||
== Fehler, Algorithmus und Genauigkeit == | == Fehler, Algorithmus und Genauigkeit == | ||
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== SNTP == | == SNTP == | ||
Das ''Simple Network Time Protocol (SNTP)'' ist eine vereinfachte Version des NTP. Ursprünglich als eigenständiger Standard beginnend mit <nowiki>RFC 1361</nowiki> | Das ''Simple Network Time Protocol (SNTP)'' ist eine vereinfachte Version des NTP. Ursprünglich als eigenständiger Standard beginnend mit <nowiki>RFC 1361</nowiki> ist es seit Juni 2010 in der NTP Version 4 integriert als kleines Unterkapitel im <nowiki>RFC 5905</nowiki>.<ref name="RFC5905" /> | ||
Der Aufbau des Protokolls ist mit dem von NTP identisch. SNTP-Clients können damit die Zeit auch von NTP-Servern beziehen. Der wesentliche Unterschied liegt in den verwendeten Algorithmen zur Zeitsynchronisation. Während bei NTP die Zeitsynchronisation in der Regel mit mehreren [[Zeitserver]]n erfolgt, wird bei SNTP nur ein Zeitserver verwendet. SNTP verzichtet auch auf die Beeinflussung von Phase und Frequenz des lokalen Zeitgebers. | Der Aufbau des Protokolls ist mit dem von NTP identisch. SNTP-Clients können damit die Zeit auch von NTP-Servern beziehen. Der wesentliche Unterschied liegt in den verwendeten Algorithmen zur Zeitsynchronisation. Während bei NTP die Zeitsynchronisation in der Regel mit mehreren [[Zeitserver]]n erfolgt, wird bei SNTP nur ein Zeitserver verwendet. SNTP verzichtet auch auf die Beeinflussung von Phase und Frequenz des lokalen Zeitgebers. | ||
Ältere Windows-Versionen wie [[Microsoft Windows 2000|Windows 2000]] verwenden SNTP, um die Uhrzeit auf dem lokalen Computer aktuell zu halten. Dies wird durch den Windows-Service W32Time übernommen. In [[Microsoft Windows XP|Windows XP]] und [[Microsoft Windows Server 2003|Windows Server 2003]] wurde die Dynamic-Link-Library W32Time.dll überarbeitet, so dass nun NTP zur Zeitsynchronisation verwendet wird. | Ältere Windows-Versionen wie [[Microsoft Windows 2000|Windows 2000]] verwenden SNTP, um die Uhrzeit auf dem lokalen Computer aktuell zu halten. Dies wird durch den Windows-Service W32Time übernommen. In [[Microsoft Windows XP|Windows XP]] und [[Microsoft Windows Server 2003|Windows Server 2003]] wurde die Dynamic-Link-Library W32Time.dll überarbeitet, so dass nun NTP zur Zeitsynchronisation verwendet wird. | ||
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=== PTP === | === PTP === | ||
Das ''[[Precision Time Protocol]]'' (PTP) ist ein [[Netzwerkprotokoll]], das die [[Synchronität]] der Uhrzeiteinstellungen mehrerer Geräte in einem [[Rechnernetz]]werk bewirkt. | Das ''[[Precision Time Protocol]]'' (PTP) ist ein [[Netzwerkprotokoll]], das die [[Synchronität]] der Uhrzeiteinstellungen mehrerer Geräte in einem [[Rechnernetz]]werk bewirkt. | ||
Anders als beim Network Time Protocol (NTP) strebt PTP höchste Genauigkeit ([[Nanosekunde|Nano]]- bzw. [[Pikosekunde]]n) | Anders als beim Network Time Protocol (NTP) strebt PTP höchste Genauigkeit ([[Nanosekunde|Nano]]- bzw. [[Pikosekunde]]n) in lokal begrenzten Netzen an. Damit ist in Hardware-Ausführung eine [[Genauigkeit]] von Nanosekunden und als Software unter einer [[Mikrosekunde]] möglich. PTP ist definiert in der [[Institute of Electrical and Electronics Engineers|IEEE]] 1588 und in [[International Electrotechnical Commission|IEC]] 61588 übernommen worden. | ||
=== NTS === | === NTS === | ||
[[Network Time Security]] (NTS) ist ein Netzwerkprotokoll zur [[Kryptographie|kryptographischen]] Absicherung von NTP. NTS wurde von der [[Internet Engineering Task Force]] (IETF) unter Mitarbeit von [[Akamai]], Netnod und der [[Physikalisch-Technische Bundesanstalt|Physikalisch-Technischen Bundesanstalt]] (PTB) entwickelt und am 1. Oktober 2020 im <nowiki>RFC 8915</nowiki> | [[Network Time Security]] (NTS) ist ein Netzwerkprotokoll zur [[Kryptographie|kryptographischen]] Absicherung von NTP. NTS wurde von der [[Internet Engineering Task Force]] (IETF) unter Mitarbeit von [[Akamai]], Netnod und der [[Physikalisch-Technische Bundesanstalt|Physikalisch-Technischen Bundesanstalt]] (PTB) entwickelt und am 1. Oktober 2020 im <nowiki>RFC 8915</nowiki> | ||
veröffentlicht. Es orientiert sich an den im <nowiki>RFC 7384</nowiki> | |||
genannten Sicherheitsanforderungen. Insbesondere gewährleistet NTS [[Authentifizierung|Authentifizierbarkeit]] der Zeitserver, [[Integrität (Informationssicherheit)|Integrität]] und [[Authentizität]] von NTP-Paketen sowie [[Skalierbarkeit]]. Die Genauigkeit der Uhrensynchronisation soll trotz des zusätzlichen [[Overhead (EDV)|Overheads]] von NTS nicht nachteilig beeinflusst werden. Der [[Schlüssel (Kryptologie)|Schlüssel]]<nowiki />austausch basiert auf [[Transport Layer Security|TLS]] 1.3 (<nowiki>RFC 8446</nowiki> ) und erfolgt [[Liste der standardisierten Ports|standardmäßig]] über den TCP-Port 4460. | |||
<ref name="PTB">{{Internetquelle |url=https://www.ptb.de/cms/ptb/fachabteilungen/abtq/gruppe-q4/ref-q42/zeitsynchronisation-von-rechnern-mit-hilfe-des-network-time-protocol-ntp.html |titel=Zeitsynchronisation von Rechnern mit Hilfe des „Network Time Protocol“ (NTP) |hrsg=[[Physikalisch-Technische Bundesanstalt]] |datum=2021-07-28 |abruf=2023-11-14}}</ref><ref name="Netnod">{{Internetquelle |url=https://www.netnod.se/nts/network-time-security |titel=Network Time Security |hrsg=Netnod |datum=2021 |sprache=en |abruf=2022-01-02}}</ref> | |||
Beispiele für öffentlich erreichbare NTP-Server, die NTS unterstützen, sind: | Beispiele für öffentlich erreichbare NTP-Server, die NTS unterstützen, sind: | ||
{{Mehrspaltige Liste |liste= | {{Mehrspaltige Liste |liste= | ||
* ptbtime1.ptb.de (Deutschland)<ref name="PTB" /> | * ptbtime1.ptb.de (Deutschland)<ref name="PTB" /> | ||
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* ntp.trifence.ch (Schweiz) | * ntp.trifence.ch (Schweiz) | ||
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=== OpenNTPD === | === OpenNTPD === | ||
Im Jahre 2004 präsentierte Henning Brauer die NTP Implementierung OpenNTPD, welche einen Fokus auf Sicherheit legt. Das Protokoll ist kompatibel zu bestehenden NTP-Servern. Ursprünglich ist es für [[OpenBSD]] geschrieben worden, ist jedoch mittlerweile auch als portable Version und als Paket in der Linux-Paketverwaltung verfügbar. OpenNTPD steht in der Kritik, nicht dieselbe Genauigkeit zu bieten wie NTP. Die Abweichungen können hierbei 50–200 ms betragen, OpenBSD bestätigt dies, da es nicht zu den Designzielen gehörte hoch präzise zu sein. | Im Jahre 2004 präsentierte Henning Brauer die NTP Implementierung OpenNTPD, welche einen Fokus auf Sicherheit legt. Das Protokoll ist kompatibel zu bestehenden NTP-Servern. Ursprünglich ist es für [[OpenBSD]] geschrieben worden, ist jedoch mittlerweile auch als portable Version und als Paket in der Linux-Paketverwaltung verfügbar. OpenNTPD steht in der Kritik, nicht dieselbe Genauigkeit zu bieten wie NTP. Die Abweichungen können hierbei 50–200 ms betragen, OpenBSD bestätigt dies, da es nicht zu den Designzielen gehörte hoch präzise zu sein. | ||
=== Ntimed === | === Ntimed === | ||
Das NTPD-Programm dient als Zeitserver, Zeitclient und deckt viele weitere Funktionen ab. Da der Quelltext der NTP-Referenzimplementierung mit über 300.000 Zeilen sehr umfangreich ist, fördert die [[Linux Foundation]] mit dem Projekt Ntimed von FreeBSD-Entwickler Poul-Henning Kamp eine Modularisierung. Der Client-Quelltext umfasst ca. 3700 Zeilen. Slave-Server, Refclocks und Protokolle wie [[Precision Time Protocol|PTP]] werden bei Interesse am Projekt ergänzt. | Das NTPD-Programm dient als Zeitserver, Zeitclient und deckt viele weitere Funktionen ab. Da der Quelltext der NTP-Referenzimplementierung mit über 300.000 Zeilen sehr umfangreich ist, fördert die [[Linux Foundation]] mit dem Projekt Ntimed von FreeBSD-Entwickler Poul-Henning Kamp eine Modularisierung. Der Client-Quelltext umfasst ca. 3700 Zeilen. Slave-Server, Refclocks und Protokolle wie [[Precision Time Protocol|PTP]] werden bei Interesse am Projekt ergänzt. | ||
=== NTPsec === | === NTPsec === | ||
NTPsec ist ein [[Abspaltung (Softwareentwicklung)|Fork]] des originalen NTPD-Projekts mit dem Ziel, das Programm durch verschiedene Maßnahmen sicherer zu machen. So wurde die Codebasis aktuellen Standards angepasst und konnte u. a. dadurch von 253k auf 62k [[Lines of Code|Zeilen Quellcode]] reduziert werden. | NTPsec ist ein [[Abspaltung (Softwareentwicklung)|Fork]] des originalen NTPD-Projekts mit dem Ziel, das Programm durch verschiedene Maßnahmen sicherer zu machen. So wurde die Codebasis aktuellen Standards angepasst und konnte u. a. dadurch von 253k auf 62k [[Lines of Code|Zeilen Quellcode]] reduziert werden. | ||
=== tlsdate === | === tlsdate === | ||
Mit gefälschten NTP-Antworten kann der Schutz des HTTP-Strict-Transport-Security-Protokolls ([[HTTP Strict Transport Security|HSTS]]) von HTTPS umgangen werden. Zudem werden NTP-Server mitunter für Reflection-Angriffe missbraucht, da NTP das verbindungslose [[User Datagram Protocol|UDP]] verwendet. Wenn Angreifer Pakete mit gefälschter Absenderadresse an einen NTP-Server leiten, landet die Antwort beim Opfer. Ist die Antwort größer als die Anfrage, kann man damit [[Denial of Service|Denial-of-Service]]-Angriffe verstärken. Diese und weitere Probleme umgeht das später entstandene TLS-Protokoll, da es ebenfalls Zeitangaben überträgt. Mit dem von [[Jacob Appelbaum]] entwickelten Programm tlsdate übernimmt das TLS-Protokoll auch die Funktion des NTP-Protokolls. | Mit gefälschten NTP-Antworten kann der Schutz des HTTP-Strict-Transport-Security-Protokolls ([[HTTP Strict Transport Security|HSTS]]) von HTTPS umgangen werden. Zudem werden NTP-Server mitunter für Reflection-Angriffe missbraucht, da NTP das verbindungslose [[User Datagram Protocol|UDP]] verwendet. Wenn Angreifer Pakete mit gefälschter Absenderadresse an einen NTP-Server leiten, landet die Antwort beim Opfer. Ist die Antwort größer als die Anfrage, kann man damit [[Denial of Service|Denial-of-Service]]-Angriffe verstärken. Diese und weitere Probleme umgeht das später entstandene TLS-Protokoll, da es ebenfalls Zeitangaben überträgt. Mit dem von [[Jacob Appelbaum]] entwickelten Programm tlsdate übernimmt das TLS-Protokoll auch die Funktion des NTP-Protokolls. | ||
Ein Nachteil von tlsdate ist seine recht große Ungenauigkeit von maximal ±1 Sekunde, zuzüglich der Netzwerklatenz. Primär resultiert die relativ große Ungenauigkeit aus der bei TLS 1.2 bestehenden Zeitstempelauflösung von einer Sekunde.<ref name="hboeck.de">{{Internetquelle |url=https://blog.hboeck.de/archives/863-dont-update-ntp-stop-using-it.html |titel=Don’t update NTP – stop using it |werk=Hanno’s blog |sprache=en |abruf=2018-09-12}}</ref> Ab der TLS-Version 1.3 fällt die bisher über TLS übertragene Zeit weg. tlsdate ist somit in der vorliegenden Version keine dauerhafte Problemlösung.<ref name="hboeck.de" /> | |||
=== chrony === | === chrony === | ||
Chrony ist eine eigenständige Implementierung von NTP und NTS und wird unter GPLv2 veröffentlicht. | Chrony ist eine eigenständige Implementierung von NTP und NTS und wird unter GPLv2 veröffentlicht. | ||
<noinclude> | <noinclude> | ||
Version vom 6. Februar 2024, 13:53 Uhr
topic - Kurzbeschreibung
Beschreibung
Familie= Internetprotokollfamilie Einsatzfeld= Synchronisierung von Uhren in Computersystemen aufbauend auf= UDP/TCP (jeweils Port 123) Version= 4[1] Standard= RFC 5905[1]
Das Network Time Protocol (NTP) ist ein Standard, um intelligente Endgeräte über das Internet mit einer Uhrzeit zu versorgen. Die Synchronisierung von Echtzeituhren in Computersystemen wird mit paketbasierten Kommunikationsnetzen umgesetzt. NTP kann mit beiden Verbindungsprotokollen der vierten Schicht des OSI-Modells arbeiten. Es ist nötig, damit eine zuverlässige Zeitangabe über Netzwerke mit variabler Paketlaufzeit gesendet werden kann.
Im allgemeinen Sprachgebrauch bezeichnet NTP sowohl das Protokoll als auch die Software-Referenzimplementierung desselben. Das Simple Network Time Protocol (SNTP) ist eine vereinfachte Version des NTP.
Grundlagen
NTP wurde von David L. Mills an der Universität von Delaware entwickelt und 1985 als RFC 958
veröffentlicht. Seit der Pensionierung von Mills wird die Referenzimplementierung derzeit als Open-Source-Projekt durch die im Jahr 2011 gegründete Network Time Foundation unter der Leitung von Harlan Stenn gepflegt.[2][3]
Bis zum Tod von Mills wurde das Protokoll und die UNIX-Implementierung unter seiner Leitung ständig weiterentwickelt. Gegenwärtig ist die Protokollversion 4 aktuell. Der UDP-Port 123 ist für NTP reserviert.
NTP ist in UNIX-artigen Betriebssystemen in Form des Hintergrundprozesses (daemon) ntpd implementiert, der sowohl das lokale System justieren als auch als Server die Zeit für andere Systeme bereitstellen kann. Windows-Systeme können ebenfalls ohne Zusatzsoftware die genaue Zeit mittels NTP aus dem Internet beziehen (Systemsteuerung „Datum und Uhrzeit“ / „Internetzeit“, oder Kommando w32tm.exe) und nach Bearbeitung eines Eintrags in der Registrierungsdatenbank auch über NTP bereitstellen.
Vorlage:Anker Der UNIX-ntpd synchronisiert die lokale Uhr mit Hilfe von externen Zeitsignalen, die er entweder direkt von einer lokalen Atomuhr (Caesium-Uhr, Rubidium-Oszillator usw.) oder einem lokalen Funkempfänger (zum Beispiel DCF77, GPS, LORAN), oder per NTP von einem NTP-Server erhält. Damit die lokale Uhrzeit nicht nur zu den zyklischen Synchronisationszeitpunkten präzise mit dem externen Signal übereinstimmt, korrigiert der ntpd-Prozess nicht nur die Phase, sondern auch die Frequenz des lokalen Zeitgebers mit Hilfe einer Software-PLL sowie einer Software-FLL. Um den internen Zeitgeber mit Hilfe eines hochpräzisen Sekundensignals noch enger an einen externen Normalzeitempfänger zu koppeln, haben einige UNIX-Varianten (unter anderem Linux und FreeBSD) die oben erwähnte Software-PLL im Kernel implementiert.
Die Zeitstempel im NTP (bis v3) sind 64 Bits lang. 32 Bits kodieren die Sekunden seit dem Beginn einer Ära, wobei Ära 0 am 1. Januar 1900, 00:00:00 Uhr begann, weitere 32 Bits den Sekundenbruchteil. Auf diese Weise lässt sich ein Zeitraum von 232 Sekunden (etwa 136 Jahre) mit einer Auflösung von 2−32 Sekunden (etwa 0,23 Nanosekunden) darstellen. Soweit das Betriebssystem mit einer Genauigkeit von etwa 68 Jahren die grobe Zeit vorgeben kann, genügt theoretisch ein NTP-Zeitstempel, um die exakte Zeit in der richtigen Ära zu erhalten, allerdings wird dies nicht von allen Betriebssystemen korrekt beachtet. Ab NTP v4 kann mit einem 128 Bits umfassenden Zeitstempel auch die Ära übermittelt werden.[1]
NTP nutzt ein hierarchisches System verschiedener Strata (Plural von Stratum). Als Stratum 0 bezeichnet man das Zeitnormal, beispielsweise eine Atomuhr oder eine Funkuhr (Zeitzeichenempfänger via GNSS oder DCF77). Die unmittelbar mit ihm gekoppelten NTP-Server heißen Stratum 1. Jede weitere abhängige Einheit erhält bei der Bezeichnung eine höhere Nummer (Stratum 2, Stratum 3 …). Die NTP-Software auf Stratum 1, Stratum 2, Stratum 3 usw. ist zugleich Client des darüber liegenden Stratums als auch Server des darunter liegenden Stratums, sofern eines existiert.
Fehler, Algorithmus und Genauigkeit
Die lokale Systemzeit einer Prozessorumgebung variiert mit verschiedenen typischen Fehlerquellen. Dadurch treten mindestens zwei typische Fehler auf:
- kurzzeitige Schwankungen des Zeitinkrements entlang der laufenden Uhrzeit
- stabile lokale Abweichungen von einer gemeinsamen Systemzeit
Beide Zeitfehler werden mit verschiedenen Methoden kompensiert.
Die lokalen Abweichungen infolge der Latenzzeit der stochastisch bestimmten Übertragungswege werden durch Messverfahren der Paketumlaufzeit vom Server (Berkeley-Algorithmus) oder vom Client (Algorithmus von Cristian) kompensiert.
Die kurzzeitigen pseudo-stochastischen Abweichungen der lokalen Systemuhr können nur durch eine bessere weitere Systemuhr (Frequenznormal) und direkten Empfang von Satellitensignalen (GPS) oder von anderen Zeitnormalen (DCF77) kompensiert werden.
NTP benutzt für die interne Fehlerkompensation der Prozessorumgebung den Marzullo-Algorithmus (entwickelt von Keith Marzullo von der Universität San Diego in seiner Dissertation) und auch einen Algorithmus, um Byzantinische Fehler zu behandeln. NTP wird meist mit einer UTC-Zeitskala eingesetzt.
NTP unterstützt Schaltsekunden. Durch die Betrachtung der Schaltsekunden im Protokoll kommt es dazu, dass mit jeder Schaltsekunde (welche jedoch selten vorkommen) eine neue Sekundenskala benutzt wird. Für die Skala der Systemzeit wird jedoch für gewöhnlich die tatsächlich vergangene Zeit seit einem bestimmten Zeitpunkt benutzt, und Schaltsekunden kommen erst bei der Darstellung der Zeit ins Spiel.
NTPv4 kann die lokale Zeit eines Systems über das öffentliche Internet mit einer Genauigkeit von 10 Millisekunden halten, in lokalen Netzwerken sind unter idealen Bedingungen sogar Genauigkeiten von 200 Mikrosekunden und besser möglich. Bei einem hinreichend stabilen lokalen Frequenznormal als Taktgeber (thermostatgesteuerter Quarzoszillator, Rubidium-Oszillator etc.) lässt sich unter Verwendung der Kernel-PLL (siehe oben) der Fehler zwischen Referenzzeitgeber und lokaler Uhr bis in die Größenordnung weniger Mikrosekunden reduzieren.
SNTP
Das Simple Network Time Protocol (SNTP) ist eine vereinfachte Version des NTP. Ursprünglich als eigenständiger Standard beginnend mit RFC 1361 ist es seit Juni 2010 in der NTP Version 4 integriert als kleines Unterkapitel im RFC 5905.[1]
Der Aufbau des Protokolls ist mit dem von NTP identisch. SNTP-Clients können damit die Zeit auch von NTP-Servern beziehen. Der wesentliche Unterschied liegt in den verwendeten Algorithmen zur Zeitsynchronisation. Während bei NTP die Zeitsynchronisation in der Regel mit mehreren Zeitservern erfolgt, wird bei SNTP nur ein Zeitserver verwendet. SNTP verzichtet auch auf die Beeinflussung von Phase und Frequenz des lokalen Zeitgebers.
Ältere Windows-Versionen wie Windows 2000 verwenden SNTP, um die Uhrzeit auf dem lokalen Computer aktuell zu halten. Dies wird durch den Windows-Service W32Time übernommen. In Windows XP und Windows Server 2003 wurde die Dynamic-Link-Library W32Time.dll überarbeitet, so dass nun NTP zur Zeitsynchronisation verwendet wird.
Da Microsoft das Verfahren zur Zeitsynchronisation erst mit Windows 2000 einführte, haben einige Softwarehersteller eigenständige Programme zur Zeitsynchronisation unter Windows entwickelt. Moderne Authentifizierungssysteme (wie Kerberos), die in Windows 2000 und neueren Versionen verwendet werden, benötigen zur Erhöhung der Sicherheit Zeitstempel, daher ergibt sich auch hier ein Anwendungsfall für NTP.
Implementierung
Neben der Referenz-NTP-Software (ntpd), die auf der NTP-Website für diverse Betriebssysteme erhältlich ist, bieten eine Reihe von Herstellern fertige Standalone-Lösungen an, die als NTP-Zeitquelle in Computernetzwerken jeder Größe Verwendung finden können.
Einige tausend NTP-Server haben einen NTP-Pool gebildet.
In den deutschsprachigen Ländern gibt es folgende hauptsächlich verwendete öffentliche NTP-Server:
| Land | Pool-Server | amtliche Metrologie |
|---|---|---|
| Deutschland | de.pool.ntp.org | ptbtime1.ptb.de |
| Österreich | at.pool.ntp.org | time.metrologie.at |
| Schweiz | ch.pool.ntp.org | ntp.metas.ch |
| Liechtenstein | li.pool.ntp.org | ntp.metas.ch |
Protokollalternativen
PTP
Das Precision Time Protocol (PTP) ist ein Netzwerkprotokoll, das die Synchronität der Uhrzeiteinstellungen mehrerer Geräte in einem Rechnernetzwerk bewirkt. Anders als beim Network Time Protocol (NTP) strebt PTP höchste Genauigkeit (Nano- bzw. Pikosekunden) in lokal begrenzten Netzen an. Damit ist in Hardware-Ausführung eine Genauigkeit von Nanosekunden und als Software unter einer Mikrosekunde möglich. PTP ist definiert in der IEEE 1588 und in IEC 61588 übernommen worden.
NTS
Network Time Security (NTS) ist ein Netzwerkprotokoll zur kryptographischen Absicherung von NTP. NTS wurde von der Internet Engineering Task Force (IETF) unter Mitarbeit von Akamai, Netnod und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) entwickelt und am 1. Oktober 2020 im RFC 8915
veröffentlicht. Es orientiert sich an den im RFC 7384
genannten Sicherheitsanforderungen. Insbesondere gewährleistet NTS Authentifizierbarkeit der Zeitserver, Integrität und Authentizität von NTP-Paketen sowie Skalierbarkeit. Die Genauigkeit der Uhrensynchronisation soll trotz des zusätzlichen Overheads von NTS nicht nachteilig beeinflusst werden. Der Schlüsselaustausch basiert auf TLS 1.3 (RFC 8446 ) und erfolgt standardmäßig über den TCP-Port 4460.
Beispiele für öffentlich erreichbare NTP-Server, die NTS unterstützen, sind:
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Softwarealternativen
OpenNTPD
Im Jahre 2004 präsentierte Henning Brauer die NTP Implementierung OpenNTPD, welche einen Fokus auf Sicherheit legt. Das Protokoll ist kompatibel zu bestehenden NTP-Servern. Ursprünglich ist es für OpenBSD geschrieben worden, ist jedoch mittlerweile auch als portable Version und als Paket in der Linux-Paketverwaltung verfügbar. OpenNTPD steht in der Kritik, nicht dieselbe Genauigkeit zu bieten wie NTP. Die Abweichungen können hierbei 50–200 ms betragen, OpenBSD bestätigt dies, da es nicht zu den Designzielen gehörte hoch präzise zu sein.
Ntimed
Das NTPD-Programm dient als Zeitserver, Zeitclient und deckt viele weitere Funktionen ab. Da der Quelltext der NTP-Referenzimplementierung mit über 300.000 Zeilen sehr umfangreich ist, fördert die Linux Foundation mit dem Projekt Ntimed von FreeBSD-Entwickler Poul-Henning Kamp eine Modularisierung. Der Client-Quelltext umfasst ca. 3700 Zeilen. Slave-Server, Refclocks und Protokolle wie PTP werden bei Interesse am Projekt ergänzt.
NTPsec
NTPsec ist ein Fork des originalen NTPD-Projekts mit dem Ziel, das Programm durch verschiedene Maßnahmen sicherer zu machen. So wurde die Codebasis aktuellen Standards angepasst und konnte u. a. dadurch von 253k auf 62k Zeilen Quellcode reduziert werden.
tlsdate
Mit gefälschten NTP-Antworten kann der Schutz des HTTP-Strict-Transport-Security-Protokolls (HSTS) von HTTPS umgangen werden. Zudem werden NTP-Server mitunter für Reflection-Angriffe missbraucht, da NTP das verbindungslose UDP verwendet. Wenn Angreifer Pakete mit gefälschter Absenderadresse an einen NTP-Server leiten, landet die Antwort beim Opfer. Ist die Antwort größer als die Anfrage, kann man damit Denial-of-Service-Angriffe verstärken. Diese und weitere Probleme umgeht das später entstandene TLS-Protokoll, da es ebenfalls Zeitangaben überträgt. Mit dem von Jacob Appelbaum entwickelten Programm tlsdate übernimmt das TLS-Protokoll auch die Funktion des NTP-Protokolls.
Ein Nachteil von tlsdate ist seine recht große Ungenauigkeit von maximal ±1 Sekunde, zuzüglich der Netzwerklatenz. Primär resultiert die relativ große Ungenauigkeit aus der bei TLS 1.2 bestehenden Zeitstempelauflösung von einer Sekunde.[6] Ab der TLS-Version 1.3 fällt die bisher über TLS übertragene Zeit weg. tlsdate ist somit in der vorliegenden Version keine dauerhafte Problemlösung.[6]
chrony
Chrony ist eine eigenständige Implementierung von NTP und NTS und wird unter GPLv2 veröffentlicht.
Anhang
Siehe auch
- Daytime – Zeitübertragung im ASCII-Format
- Allan-Varianz
- Y2K36
Links
Weblinks
TMP
Normen und Standards
NTP ist als Request for Comments (RFC) standardisiert:
- Vorlage:RFC-Internet
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Ergänzungen:
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Spezifische Anwendung-RFC: