什么是时间同步？

提到时间同步，你会想到什么？

很多人会想到影视剧中的经典情节，比如两人拿枪互指：“我数到三，我们一起把枪放下”，或是行动或战争开始前，大家对表的时间。

《让子弹飞》中张麻子和黄四郎对峙

时间同步其实就是指多个时钟（clock，计时设备）之间的同步，理论上来说，这个同步既包括点时间的同步，也包括走时（即频率）的同步。

在《我和我的祖国》这部电影的“回归”一节中，中国和英国强调要在1997年7月1日0时0分0秒升起中国国旗，那么要达成这一共识，首先他们需要保证双方的时钟是同步的。

《我和我的祖国》中外交部礼宾司副司长安文彬与交接仪式执行总监莫林同步时间

网络中的时间同步是普遍而重要的，你和朋友约好5点吃饭，你迟到了20分钟他可能就会生气（接受范围是数十分钟的误差）；你的另一半过生日，你没能在12点准时祝她生日快乐，那她可能就会生气（接受范围是一分钟内的误差）；古早时期，当电脑主板的纽扣电池电耗尽后，关机时不会走时，再次开机时间会对不上，会影响拨号上网，可能也不能通过一些网站的安全性检验而无法访问（接受范围是一般分钟级或小时级的误差）。

这些场景看似只有一个时钟，但其实都蕴含着“标准时”的概念，即我们需要把时钟与“标准时”同步。标准时可以来自原子钟，卫星等，对于网络内的时间同步，我们大可以将“标准时”看做是给定的一个节点，而不用去管这个时间是否符合你感知意义下的“准确”，比如计算机网络中的时间，许多都是从1970年1月1日0时0分0秒开始计数的定长整数型，则计算机的时间同步，只需要同步这个数字，我们可以将这样的数字叫做时间戳（timestamp）。

计算机网络的时间同步

计算机之间的网络同步普遍而重要。在分布式系统中，尽管受限于通信的时间开销，很多时候时间同步并不会成为分布式系统性能的瓶颈，但依然充当着下限的作用。比如一个共享存储系统，A接受到B传来的tB时间将磁盘X处写成0, C传来的tC时间将磁盘X处写成1，那么究竟磁盘应该是被写成0还是1呢？

在不了解时钟同步前，你可能会回答，如果tC大于tB就是1，反过来就是0。但假设B和C的时间误差绝对值在T以内，那么这个操作只有在tC和tB的差的绝对值大于T的时候才是100%保证正确的，也就是说系统的性能与正确性和B与C之间的时钟同步息息相关。

网络中的时间同步，概括的来讲基本都是采用双向探针同步（BPS, Bidirectional Probing Synchronization）的思想。从A到B发送一个数据包，记录了A的发送时间tA和B的接收时间rB，从B到A发送一个数据包，记录了B的发送时间tB和A的接受时间rA，那么rB-tA和rA-tB理论上是相同的，如果有差别，就看做是B和A之间的时钟误差。所以误差就是用B的两个时间相加，减去A的两个时间相加，再除以2。

当然这个过程没有理论上这么简单，过程中的误差不可胜数。比如网络的波动，网络的拥塞同样会带来误差。当前的许多网络中存在多路径，如果只是随便发数据包，连从A到B和从B到A走的是同一条路径都不能保证，那么rB-tA和rA-tB在理论上都未必是相同的。同步网络中的多个节点，如果保证效果也是一个问题。

网络时间协议（NTP, network time protocol）

当前网络中最常见的时间同步方法就是网络时间协议NTP。它的思想简单概括（并不全面）就是选择多次BPS中往返时间（RTT）最小的那个作为判定依据。每一次做同步的时候，NTP发送多个双向探针，每次新探针结果出现就把旧的探针结果替换掉（比如第5次替换第1次），但每次判断是是从所有保存的结果中选择RTT最小的（比如当第5次的结果到达时，选择的依旧是第3次的误差）。当然NTP的设计远比这要更复杂严谨，在此就不详细介绍了，感兴趣的朋友可以阅读网络上关于NTP的详细介绍，或是RFC 958。NTP在局域网内可能可以达到微秒级别的误差，在广域网内也可以保证毫秒级别的误差，是简单常用的时间同步协议，它不需要另外的硬件支持，大家可以在自己的个人电脑中配置这项协议。

精确时间协议（PTP, Precise Time Protocol）

传统的BPS思想其实不考虑网络中的网络设备对于测量时间的影响，但实际上往往正是在网络设备上出现了排队拥塞，或是处理数据包时间的波动。所以在IEEE 1588中，提出了精确时间协议（PTP）。PTP的主要思想是引入网络内设备的支持，PTP定义了两类网络内设备，TC（transparent clock）和BC（boundary clock），这些设备能够记录数据包在设备内的处理时间，这样就可以从端到端时间（即BPS中的rB-tA和rA-tB）中减去这些会带来很大误差的干扰因素，从而提高测量的精度。

当前，许多高性能网络中对于PTP的支持已经相当普遍。在理想情况下，PTP可以做到纳秒级别的误差，但PTP有两个核心缺点，一是当部分部署或部分支持时精度损失严重；二是依然会受到网络拥塞的影响。

全球定位系统（GPS, Global Position System）

是的，你没有理解错，就是许多汽车会装的车载导航的那个GPS。GPS本质是一个卫星定位系统，它同时具备了时间同步功能。设备通过安装GPS天线和GPS服务来获取卫星时间，获得高精度的准确时间，可以达到纳秒级别。但GPS的服务比较昂贵，且要求很苛刻，比如需要专用硬件和专用缆线等的支持，难以用于计算机网络内每一个设备的同步。不过进行跨地域、远距离的时间同步时，往往可以用卫星时间作为网络同步的“第一跳”，即每一个网络中少量节点和卫星通过GPS进行时间同步。

前沿工作和结语

当前，网络领域的前沿研究中有许多针对时间同步的工作：利用物理层和数据链路层支持的DTP（SIGCOMM‘16），考虑引入支持向量机和网络效应的HUYGENS（NSDI‘18），使用可编程数据平面的进行网内同步的DPTP（SOSR’19）等等。在此就不加介绍了，欢迎感兴趣的朋友阅读论文。

网络内时间同步，正朝着稳定的纳秒精度，更低的额外开销的目标前进，软件上的方法革新，硬件上的更多支持，都在为这个方向打开新的研究思路。

（来源：赛博新经济公众号）