Мельников Д. А. - Организация и обеспечение безопасности информационно-технологических сетей и систем - 2012

ние передается через некоторое время. После каждого приёма NTP-со­ общения вычисляется сдвиг «0« между временем удалённого сервера и системными часами, используя для этого соответствующие значения статистических параметров «8«, «е« и «^«.

Системный процесс1 включает процедуры селекции, кластери­ зации и суммирования на основе соответствующих алгоритмов оп­ тимизации, и осуществляет поиск среди возможных серверов вре­ мени наиболее «лучших» кандидатов, с точки зрения их точности и надежности, для последующей синхронизации системных часов. Алгоритм селекции основан на византийских принципах обнару­ жения неисправностей или отказов и решает задачу по нейтрализа­ ции самых некорректных кандидатов, именуемых «ложными часа­ ми», и предотвращения их включения в перечень (группу) «надёж­ ных часов». Надёжные часы представляют собой такие часы, кото­ рые обеспечивают соответствующую точность синхронизации отно­ сительно известного доверенного стандартного источника време­ ни/частоты (синхронизируются от него), в то время как ложные ча­ сы представляют собой часы, которые показывают ложное или не­ точное время. Алгоритм кластеризации основан на статистических принципах и обеспечивает поиск группы часов, включающей наи­ более точные надежные часы. Алгоритм суммирования (объедине­ ния) решает задачу вычисления финального значения сдвига вре­ мени путём статистического усреднения значений наиболее точных надёжных часов, прошедших алгоритм кластеризации.

Процедура корректировки часов представляет собой систем­ ный процесс, который управляет временем и частотой системных часов, а в модели реализации он представляет собой генератор пе­ ременной частоты (ГПЧ). Метки времени, формируемые ГПЧ, «за­ мыкают» контур ФАПЧ, который управляет временем системных часов. Процесс, обеспечивающий подстройку часов, представляет собой процедуру корректировки времени, которая проводится 1 раз в секунду в целях вставки вычисленного сдвига времени и поддер­ жания постоянной частоты. Среднеквадратическое отклонение (сдвиг) времени представляет собой номинальную ошибку при оце­ нивании сдвига или джиттер системных часов. Среднеквадратиче­ ское отклонение (сдвиг) частоты представляет собой стабильность частоты генератора или отклонение частоты.

Клиентский программный NTP-модуль передаёт N TP-сооб­ щения каждому серверу времени с интервалом опроса, равным 2‘

1 В данном случае системный процесс назван так потому, что он является системным с точки зрения NTP-протокола, а с точки зрения операционной системы сервера или персонального компьютера клиента он является прикладным NTP-процессом.

секунд. В КГТРу4-стандарте «т« имеет диапазон значений от 4 (16 се­ кунд) до 17 (36 часов). Значение «т« определяется с помощью алго­ ритма настройки часов в целях его совпадения с временной кон­ стантой контура ФАПЧ «Тс = 2Т«. В режиме «клиент/сервер» сервер времени отвечает незамедлительно. Однако в симметричном режи­ ме каждый из двух удаленных серверов времени регулируют значе­ ние «т« в зависимости от текущего системного сдвига и системного джиттера, и поэтому они могут не согласиться с применением одно­ го и того же значения. Очень важно, чтобы динамическое поведение алгоритма настройки времени было под «чутким» контролем для поддержания стабильности в крупных NTP-подсетях. Это требует, чтобы удалённые серверы должны согласовывать единое значение «т«, равное минимальному показателю степени среди двух серверов времени. Для корректного согласования значения этого параметра NTPv4-npOTOKon включает специальные средства.

Модель реализации ЫТРу4-протокола включает специализи­ рованные средства для установки и корректировки системных ча­ сов. Полагается, что ОС реализует две функции:

1)прямая установка времени (например, ОС-Unix системный процесс «settimeofday»);

2)корректировка времени в пределах небольшого диапазона (с помощью минимальных приращений), путём ускорения или замедления течения времени, с помощью вычисленного кор­ ректирующего значения (например, ОС-Unix системный про­

цесс «adjtime»).

Системный процесс «adjtime» используется при корректировке времени, если корректирующее значение не превосходит предель­ ное значение, а системный процесс «settimeofday» - если превосходит предельное значение.

19.6. Типы данных (логическая характеристика)

Все значения NTP-времени представляются в бинарном фор­ мате (twos-complement format), в котором биты нумеруются, начи­ ная с нуля, слева на право (причём крайний левый бит - бит высше­ го порядка или старший). В настоящее время существуют три фор­ мата NTP-времени:

•32-битовый укороченный формат (рис. 19.4,1). Этот формат используется в полях заголовка NTP-сообщения, содержащих значения задержки и дисперсии, когда использование значе­ ний с высокой точностью или в более широком диапазоне не

314 Глава 19. Система сетевого времени (синхронизации)

приемлемо. Он включает 16-битовое поле целых секунд и 16битовое поле долей секунды;

|_ 0 _________________________________________ 15\16________________________________________ Щ

I Секунды I Д оли секунды J

Рис. 1 9 .4 ,1 . 32-битовый укороченный формат NTP-времени

о64-битовый формат метки времени (рис. 19.4,2). Этот формат используется в заголовках NTP-сообщений или в других полях с ограниченной длиной. Он включает 32-битовое поле целых секунд (136 лет) и 32-битовое поле долей секунды (точность 232 пикосекунды);

_ о _______________________________________________________________________________________ 31_

___________________________________________Секунды __________________________________________

_______________________________________ Д оли секунды _______________________________________

Рис. 19.4,2. 64-битовый формат метки времени

в128-битовый формат даты (рис. 19.4,3). Этот формат использу­ ется только тогда, когда существует возможность хранения с достаточным объёмом памяти. Он включает 64-битовое поле целых секунд (584 млрд, лет) и 64-битовое поле долей секунды (0,05 аттосекунды или 0,5е-18). В целях согласования отобра­ жений между форматами поле целых секунд разделено на два субполя: 32-битовое поле номера эпохи и 32-битовое по­ ле сдвига эпохи. Эпохи не могут напрямую формироваться NTP-протоколом, и в этом просто нет необходимости. Если это будет необходимо, то тогда номер эпохи может быть получен из внешних источников, например, из файловой системы или специализированного аппаратного устройства.

Вформатах даты и метки времени точкой отсчёта первичной эпохи, или основной датой нулевой эры (0), является ОСШчасов 1 ян­ варя 1900 г. по UTC-шкале времени, когда все биты нулевые. Необ­ ходимо заметить, что строго говоря, UTC-времени не существовало до 1 января 1972 г., но существует договорённость о том, что оно су­ ществовало всю вечность, и даже в случае, когда вся информация о применении вставочных секунд могла быть потеряна. Все даты оп­ ределяются относительно первичной эпохи. Если значение даты больше, чем нулевое, то она представляется временем после точки отсчёта первичной эпохи, если же - меньше, то она представляется временем до точки отсчёта первичной эпохи. (Примечание. Поле «Сдвиг эпохи» в формате даты и поле «Секунды» в формате метки времени интерпретируются одинаково.)

О________________________________________________________ 31_

__________________________ Ном ер э п о х и ___________________________

___________С двиг относительно то чки о тсчета эпохи___________ } Секунды

Доли секунды

Рис. 1 9 .4 ,3 .128-битовый формат даты

Метки времени представляют собой беззнаковые значения вре­ мени, а выполнение операций над ними приводит к результату, ко­ торый относится к той же самой или смежной эпохе. Нулевая эра включает даты, начиная с точки отсчёта первичной эпохи до опреде­ лённого момента времени в 2036 г., когда поле метки времени полно­ стью заполнится единицами и в следующий момент времени обну­ литься, и после этого начнётся первая эра (1). В обоих форматах ну­ левое значение представляет собой особый случай, при котором не­ известно время или отсутствует возможность синхронизировать вре­ мя. На рис. 19.5 представлено несколько исторических NTP-дат и их значения в соответствие с Модифицированным Юлианским днём (Modified Julian Date - MJD), NTP-эпохой и NTP-меткой времени.

Рис. 19.5. Наиболее интересные исторические NTP-даты

Пусть «р» будет число старших битов, отведенных для дробной части секунды. Тогда точность часов определяется выражением 2- р в секундах. С целью минимизации отклонения и содействия в форми­ ровании максимально непредсказуемых для нарушителя значений меток времени младшие биты должны быть установлены в форме ре­

альной случайной последовательности битов. Точность часов пред­ ставляет собой текущее время для считывания системного времени, в секундах. (.Примечание. Точность, определённая таким образом, может быть больше или меньше, чем разрешение. Параметр «р«, используе­ мый для обозначения точности, всегда больше двух.)

При обработке значений дат и меток времени допускается только одна арифметическая операция - вычитание по модулю два, в результате которого получается 127или 63-битовое знаковое значе­ ние. Чрезвычайно необходимо, чтобы разности первого порядка ме­ жду двумя датами сохраняли полную 128-битовую точность, а разно­ сти первого порядка между двумя метками времени сохраняли пол­ ную 64-битовую точность. Однако разности обычно представляют собой весьма малые значения, как правило, сравнимые с коротким промежутком времени в несколько секунд, и поэтому они могут быть преобразованы в удвоенный формат с плавающей запятой (точкой) для последующей обработки, причём без снижения точности.

Очень важно, чтобы двоичные арифметические действия не отличались между собой при обработке знаковых и беззнаковых ве­ личин (несмотря на то, что их можно сравнивать по знаку в записи), в противном случае необходимо ввести указания по условному обо­ значению. Таким образом, даже на наличие различий между знако­ выми датами и беззнаковыми метками времени, они обрабатывают­ ся одинаково. Существует опасность, связанная с вычислением 64-битовых меток времени перекрывающих границы эпох, напри­ мер, в 2036 г., которая может привести к обнулению всех битов мет­ ки времени. Фактически, если клиент синхронизировался от серве­ ра времени за 68 лет до начала действия протокола, то тогда всё равно будут иметь место корректные значения, даже невзирая на то, что клиент и сервер функционируют в граничащих эпохах.

Некоторые значения времени указываются в экспоненциаль­ ном формате, это относится к точности значений времени, времен­ ным константам и интервалам опроса. Для этого используется 8-битовый знаковый целочисленный формат, в котором секунды выражаются как двоичный логарифм (log2). Для обработки значе­ ний в этом формате допускается только две арифметических опе­ рации: увеличение или уменьшение. Например, если интервал оп­ роса составляет 1024 секунды, то в экспоненциальной форме этот интервал будет равен 10.

Для преобразования системного времени в любой NTPформат даты и метки времени необходимо знать число секунд «s» от точки отсчёта первичной эпохи до значения системного времени. Для заданного «s» определяем:

«era» = s/232 и «timestamp» = s - eraxl32,

которые имеют место и при положительных и отрицательных зна­ чениях даты. Для заданных значений эпохи {«era») и метки времени

{«timestamp») определяем:

s = erax232 + timestamp .

Преобразование NTP-времени в системное время и наоборот может быть с незначительными ошибками, но это не является про­ блемой данного стандарта. {Примечание. Число дней в нулевой эре

(0) на один больше, чем число дней в большинстве других эпох, и выравнивание эпох не произойдет до тех пор, пока не наступит 2400 год эры 3.)

19.7. Структуры данных (логическая характеристика)

Переменные состояния разделены по классам в соответствии с их функциональным предназначением:

опакетные переменные представляют собой величины, разме­ щаемые в заголовках NTP-сообщений, которые, в свою оче­ редь, содержаться в передаваемых и принимаемых IP-пакетах;

•переменные удаленного сервера и процедуры опроса представляют собой величины, которыми обменивается каждый сервер по отдельному виртуальному соединению;

всистемные переменные представляют собой величины, которые описывают состояние сервера времени, то есть, как оно пони­ мается зависимыми от него клиентами;

опеременные настройки часов представляют собой величины, ко­ торые используются во внутренних процессах обработки па­ раметров при реализации алгоритма настройки часов;

одополнительные классы параметров и переменных.

г.Переменная в заголовке принятого NTP-сообщения

X.Переменная в заголовке переданного NTP-сообщения

р.Переменная удаленного сервера/опроса

S.Системная переменная

с.Переменная настройки часов

Рис. 19.6. условные обозначения префиксов

Условные обозначения структур данных. С целью установ­ ления различия между переменными с одним и тем же именем, но используемых в различных процедурах, вводятся их условные обо­

значения, представленные на рис. 19.6. Переменная в принятом NTP-сообщении « V » является составным элементом пакетной струк­ туры «г» и имеет полное наименование «r.v». Аналогично обознача­ ет переменная в переданном NTP-сообщении - «x.v», переменная удалённого сервера - «p.v», системная переменная - «s.v», и пере­ менная настройки часов - «c.v». Для каждого виртуального соеди­ нения устанавливаются переменные удалённого сервера. Систем­ ные переменные и переменные часов устанавливаются только 1 раз.

Общие параметры. В данном стандарте помимо классов пе­ ременных представлены несколько общих параметров, часть кото­ рых представлена на рис. 19.7.

В любой прикладной системе таких общих параметров гораздо больше, а их количество зависит от самой прикладной системы. Не­ которые из общих параметров записываются в постоянное запоми­ нающее устройство (ПЗУ), например, номер порта транспортного уровня, утверждённый IANA. Другие общие параметры, например допустимое отклонение частоты («ср«), касаются предположения о наиболее худшем функционировании системных часов после их синхронизации и последующем допустимом дрейфе в условиях по­ тери связи с источниками синхронизации (синхроисточники). В ча­ стности, это относится к максимальным и минимальным значениям параметров, определяющих границы переменных состояния.

Некоторые прикладные системы могут настраивать и управ­ лять своими переменными с помощью специализированных команд настройки. Например, прикладной эталонный источник вычисляет значение точности «PRECISION» как логарифм двух (log2) от мини­ мального значения времени за несколько итераций при считывании системного времени.

Рис. 19.7. Общие параметры

Переменные в заголовке NTP-сообщения. Наиболее важны­ ми переменными состояния, с объективной точки зрения, являются переменные в заголовке NTP-сообщения (рис. 19.8). Заголовок NTP'

Основной заголовок NTP-сообщения начинается с первого би­ та сообщения до конца поля «Метка времени сервера при отправке NTP-ответа клиенту» (Transmit Timestamp).

Назначение и кодирование полей NTP-сообщения следующие: 1. «Leap Indicator» (LI): индикатор перехода - 2-битовый код, ука­

зывающий на использование секунд перехода через ОСШчасов, которые будут вставлены или удалены на последней минуте текущего дня, и имеющий следующую кодировку:

Код _________________________________З н а ч е н и е ___________

00 П р е д у п р е ж д е н и е о тсутств ует

01 П о сл ед н яя м и нута со д ер ж и т 61 секунд у

юП о сл ед н яя м и нута с о д ер ж и т 5 9 секунд

Корневая задержка (32) Корневая дисперсия (32)

____________________ Идентификатор источника времени (32)_________________ _

Метка времени источника эталонного времени (64)

Метка времени отправки NTP-сообщения серверу (64)

Метка времени сервера при получении NTP-сообщения клиента (64)

Метка времени сервера при отправке NTP-ответа клиенту (64)

Первое поле расширения (переменная длина)

Второе поле расширения (переменная длина)

______Идентификатор криптоключз (32)______

Криптографическая проверочная сумма (128)

Рис. 19.9. Формат заголовка NTP-сообщения

2.«Version Number» (VN): номер версии NTP-протокола - 3- битовый целочисленный код. Текущая версия «4».

3.«Mode»: режим функционирования - 3-битовый целочисленный код. Имеет следующую кодировку:

Код ___________________________________З н а ч е н и е ___________

0 З а р е зе р в и р о в а н о

1 С и м м етри чны й активны й реж им

2С и м м етри чны й пассивны й реж им

3К л и ент

4С е р в е р

5Ш иро ковещ ател ьн ы й реж им