PTP正在取代NTP：數據中心如何實現實時精度同步

幾十年來，網絡時間協議（NTP）一直是數據中心網絡時間同步的黃金標準。但這種情況正在發生改變。現代網絡對精度的要求比以往任何時候都更高，而傳統的NTP往往無法滿足這些要求。

為了克服這一挑戰，數據中心現在正在遷移到其他網絡時間維護方法，例如精確時間協議（PTP）——這是一種實施起來更復雜但值得額外努力的方法，能夠實現全新水平的時間同步精度。

什么是網絡時間，為什么它對數據中心如此重要

網絡時間是指連接到網絡的設備之間的時間同步。

為了準確交換數據并避免錯誤，網絡上的所有設備都必須保持同步。否則，可能會出現問題，比如一臺服務器由于時間設置不一致，可能會錯誤地認為從另一臺服務器接收的數據是延遲的。

保持網絡時間同步在任何網絡上都很重要。但在數據中心中這一點尤為關鍵，因為數據中心通常擁有大量網絡連接設備，網絡時間的微小不一致可能會滾雪球般地發展成重大的網絡同步問題。

NTP的局限性

自1980年代以來，跨網絡同步時間的主要方法一直是網絡時間協議（NTP）。NTP的工作方式簡單直接：網絡上的設備定期與NTP服務器核對時間，服務器會告訴它們正確的時間。如果設備上的時間與NTP服務器的"官方"時間不同步，設備會更新其時間設置。

在網絡可以容忍幾毫秒（即千分之一秒）時間不一致的情況下，NTP運行得很好。但超出這個范圍，基于NTP的時間同步就不太可靠了，主要原因包括：

定期檢查：使用NTP時，設備只會定期與NTP服務器核對時間——通常驗證事件之間會間隔幾分鐘。在此期間，設備可能會因本地時鐘偏離NTP時間而失去同步。

網絡延遲問題：即使設備非常頻繁地輪詢NTP服務器，服務器通過網絡響應所需的延遲也可能導致不準確的時間讀數。這些延遲可能只有幾分之一秒，但對于需要極其精確網絡時間的數據中心來說，這仍然是一個問題。

計算延遲：輪詢NTP服務器和獲取時間數據也需要時間，因為這需要計算資源——同樣，雖然延遲可能極小，但仍然很重要。

這些挑戰使得NTP不適合托管需要真正實時數據交換工作負載的數據中心——比如支持實時金融交易、機器人過程協調或自動駕駛車輛管理的數據中心。為了支持這些應用場景，數據中心需要維持微秒級的時間精度。（一微秒是一毫秒的千分之一。）

向PTP的轉變

幸運的是，對于面臨這些挑戰的數據中心運營商來說，有一個NTP的替代方案：精確時間協議（PTP）。

與NTP不同，PTP不僅僅依賴服務器-客戶端模式來同步網絡設備間的時間。相反，它使用時間服務器結合客戶端設備上稱為硬件時間戳的方法。硬件時間戳涉及專門的硬件組件，通常嵌入在網絡接口卡（NIC）中，用于跟蹤時間。

在PTP下仍然存在中央時間服務器。但不是由服務器上的軟件連接到時間服務器，而是由為此任務優化的硬件設備來完成這項工作。這些設備還包含內置時鐘，使它們能夠比轉發到服務器上的通用時鐘更快地記錄時間數據。

結果是，在大多數情況下，PTP比NTP快得多且更可靠。雖然時間不一致仍可能發生，但在PTP下通常要小得多。

關于PTP使用情況的全面統計數據難以獲得。但一些消息來源表明，例如在實時金融交易中，85%的工作負載現在依賴PTP。其他預測顯示，PTP解決方案市場將以約8.5%的復合年增長率增長至2031年。

數據中心中PTP的挑戰

雖然PTP比NTP更強大、更準確，但對于數據中心來說，實施起來也更復雜（在許多情況下也更昂貴）。這主要是因為——雖然數據中心運營商可以僅使用免費軟件實現NTP服務器——但PTP需要兩種關鍵類型的硬件組件：

具有硬件時間戳功能的NIC。如上所述，這些在啟用基于PTP的時間測量中起關鍵作用。

能夠向PTP服務器提供時間數據的集中式高精度時鐘。這很重要，因為PTP只有在PTP服務器的時間讀數也準確的情況下才準確——為了實現高度精確的時間讀數，最好直接在數據中心內部署本地計時設備，如原子鐘。也可以從遠程時間服務器檢索時間，但這樣做通常會引入微秒級的網絡延遲——如果您的時間讀數相差幾微秒，那么使用PTP的整個目的就被破壞了。

除此之外，數據中心內部網絡的小效率問題，如擁塞或數據包丟失問題導致PTP時間輪詢延遲，也可能使PTP不準確。因此，要有效使用PTP，數據中心運營商必須優化其網絡并部署必要的硬件組件。

這些都不容易。但同樣，對于旨在重新定義"實時"含義并支持無法容忍四十年前設計的網絡時間協議同步延遲的工作負載的數據中心來說，這越來越必要。

數據中心時間同步的未來

隨著工作負載對精度要求越來越高，PTP正在成為數據中心時間同步的新標準。雖然其實施復雜且成本高昂，但對于支持實時應用的數據中心來說，微秒級精度的好處遠遠超過了挑戰。

通過投資PTP，運營商可以為其基礎設施提供未來保障，并滿足下一代技術的需求。

Q&A

Q1：PTP是什么？它與NTP有什么不同？

A：PTP是精確時間協議，與傳統的NTP網絡時間協議不同，PTP不僅依賴服務器-客戶端模式，而是使用時間服務器結合硬件時間戳方法。PTP使用嵌入在網絡接口卡中的專門硬件組件來跟蹤時間，能夠實現微秒級的時間精度，而NTP只能達到毫秒級精度。

Q2：為什么數據中心需要從NTP遷移到PTP？

A：現代數據中心托管的工作負載需要真正的實時數據交換，如實時金融交易、機器人過程協調等，這些應用需要微秒級的時間精度。NTP存在定期檢查間隔長、網絡延遲和計算延遲等問題，無法滿足這些高精度要求，而PTP能夠提供更快、更可靠的時間同步。

Q3：實施PTP需要哪些硬件設備？

A：實施PTP需要兩種關鍵硬件組件：一是具有硬件時間戳功能的網絡接口卡（NIC），二是能夠向PTP服務器提供時間數據的集中式高精度時鐘，如原子鐘。這些硬件設備使PTP能夠實現比NTP更高的時間同步精度，但也使實施變得更加復雜和昂貴。