Протокол сетевого времени (NTP): синхронизация времени в компьютерных сетях.

Введение

Стандартный протокол синхронизации времени между устройствами

Протокол сетевого времени (NTP) — это сетевой протокол для синхронизации часов между компьютерными системами в сетях передачи данных с пакетной коммутацией и переменной задержкой. NTP, находящийся в эксплуатации с начала 1985 года, является одним из старейших интернет-протоколов, используемых в настоящее время. NTP был разработан Дэвидом Л. Миллсом из Университета Делавера. NTP предназначен для синхронизации всех участвующих компьютеров с точностью до нескольких миллисекунд от Координированного универсального времени (UTC). Протокол обычно описывается в терминах модели «клиент-сервер», но также может быть легко использован во взаимосвязанных отношениях, где оба узла рассматривают друг друга как потенциальный источник времени. Они также могут использовать широковещание или многоадресную рассылку, где клиенты пассивно прослушивают обновления времени после первоначального обмена данными для калибровки в обе стороны. Технология была впервые развернута в локальной сети как часть протокола маршрутизации Hello и реализована в маршрутизаторе Fuzzball — экспериментальной операционной системе, используемой для прототипирования сетей, где она работала в течение многих лет. Другие связанные сетевые инструменты были доступны как тогда, так и сейчас. К ним относятся протоколы Daytime и Time для записи времени событий, а также сообщения ICMP Timestamp и опция IP Timestamp. Более полные системы синхронизации, хотя и не обладающие алгоритмами анализа данных и дисциплинирования часов NTP, включают в себя Unix-демон timed, который использует алгоритм выборов для назначения сервера для всех клиентов, и службу цифровой синхронизации времени (DTSS), которая использует иерархию серверов, аналогичную модели слоев NTP. В 1985 году NTP версии 0 (NTPv0) был реализован как в Fuzzball, так и в Unix, а заголовок пакета NTP и вычисления задержки и смещения, которые сохранились в NTPv4, были задокументированы. Несмотря на относительно медленные компьютеры и сети, доступные в то время, точность лучше 100 миллисекунд обычно достигалась на трансатлантических соединениях, а точность в десятки миллисекунд — в сетях Ethernet. В 1988 году была опубликована гораздо более полная спецификация протокола NTPv1 с сопутствующими алгоритмами. Она основывалась на экспериментальных результатах и алгоритме фильтрации часов, задокументированных, и была первой версией, описывающей режимы «клиент-сервер» и «узел-узел». В 1991 году архитектура, протокол и алгоритмы NTPv1 были представлены более широкому инженерному сообществу с публикацией статьи Дэвида Л. Миллса в IEEE Transactions on Communications. В 1989 году было опубликовано определение NTPv2 с использованием конечного автомата и псевдокодом для описания его работы. В нем был введен протокол управления и схема криптографической аутентификации, которые сохранились в NTPv4 вместе с большей частью алгоритма. Однако дизайн NTPv2 был подвергнут критике сообществом DTSS за отсутствие формальной корректности, и процедура выбора часов была изменена для включения алгоритма Марзулло начиная с NTPv3. В 1992 году был определен NTPv3. RFC включал анализ всех источников ошибок, от эталонных часов до конечного клиента, что позволило рассчитать метрику, помогающую выбрать лучший сервер, когда несколько кандидатов, по-видимому, не согласны. Был введен широковещательный режим. В последующие годы, по мере добавления новых функций и улучшения алгоритмов, стало очевидно, что требуется новая версия протокола. В 2010 году была опубликована спецификация NTPv4. После выхода Миллса на пенсию из Университета Делавера эталонная реализация в настоящее время поддерживается как проект с открытым исходным кодом под руководством Харлана Стенна. Со стороны IANA рабочая группа ntp (протоколы сетевого времени) отвечает за рассмотрение предлагаемых черновиков. Протокол значительно продвинулся с момента NTPv4.

The Network Time Protocol (NTP) is a networking protocol for clock synchronization between computer systems over packet switched, variable latency data networks. In operation since before 1985, NTP is one of the oldest Internet protocols in current use. NTP was designed by David L. Mills of the University of Delaware. NTP is intended to synchronize all participating computers to within a few milliseconds of Coordinated Universal Time (UTC). The protocol is usually described in terms of a client–server model, but can as easily be used in peer to peer relationships where both peers consider the other to be a potential time source. They can also use broadcasting or multicasting, where clients passively listen to time updates after an initial round trip calibrating exchange. and a public protocol was developed from it that was documented in The technology was first deployed in a local area network as part of the Hello routing protocol and implemented in the Fuzzball router, an experimental operating system used in network prototyping, where it ran for many years. Other related network tools were available both then and now. They include the Daytime and Time protocols for recording the time of events, as well as the ICMP Timestamp messages and IP Timestamp option More complete synchronization systems, although lacking NTP's data analysis and clock disciplining algorithms, include the Unix daemon timed, which uses an election algorithm to appoint a server for all the clients; and the Digital Time Synchronization Service (DTSS), which uses a hierarchy of servers similar to the NTP stratum model. In 1985, NTP version 0 (NTPv0) was implemented in both Fuzzball and Unix, and the NTP packet header and round trip delay and offset calculations, which have persisted into NTPv4, were documented in Despite the relatively slow computers and networks available at the time, accuracy of better than 100 milliseconds was usually obtained on Atlantic spanning links, with accuracy of tens of milliseconds on Ethernet networks. In 1988, a much more complete specification of the NTPv1 protocol, with associated algorithms, was published in It drew on the experimental results and clock filter algorithm documented in and was the first version to describe the client–server and peer to peer modes. In 1991, the NTPv1 architecture, protocol and algorithms were brought to the attention of a wider engineering community with the publication of an article by David L. Mills in the IEEE Transactions on Communications. In 1989, was published defining NTPv2 by means of a state machine, with pseudocode to describe its operation. It introduced a management protocol and cryptographic authentication scheme which have both survived into NTPv4, along with the bulk of the algorithm. However the design of NTPv2 was criticized for lacking formal correctness by the DTSS community, and the clock selection procedure was modified to incorporate Marzullo's algorithm for NTPv3 onwards. In 1992, defined NTPv3. The RFC included an analysis of all sources of error, from the reference clock down to the final client, which enabled the calculation of a metric that helps choose the best server where several candidates appear to disagree. Broadcast mode was introduced. In subsequent years, as new features were added and algorithm improvements were made, it became apparent that a new protocol version was required. In 2010, was published containing a proposed specification for NTPv4. Following the retirement of Mills from the University of Delaware, the reference implementation is currently maintained as an open source project led by Harlan Stenn. On the IANA side, a ntp (network time protocols) work group is in charge of reviewing proposed drafts. The protocol has significantly progressed since NTPv4.

СНТП

Поскольку NTP заменил использование старого протокола времени, некоторые сценарии использования всё же находили полный протокол слишком сложным. В 1992 году был определён Простой протокол сетевого времени (SNTP) для заполнения этой ниши. Стандарт SNTPv3 описывает способ использования NTPv3, не требующий хранения состояния в течение длительных периодов времени. Топология становится практически идентичной топологии протокола Time, поскольку используется только один сервер. В 1996 году SNTP был обновлён до SNTPv4 с некоторыми функциями разрабатываемого в то время NTPv4. Текущая версия SNTPv4 была включена в основной стандарт NTPv4 в 2010 году. SNTP полностью совместим с NTP, поскольку не определяет новый протокол. Однако, из-за использования упрощённых алгоритмов, он обеспечивает менее точное время, поэтому не рекомендуется синхронизировать время с источником SNTP.

Временные метки

64-битные двоичные метки времени с фиксированной точкой, используемые NTP, состоят из 32-битной части для секунд и 32-битной части для дробной секунды, что обеспечивает временную шкалу с периодом переполнения в 232 секунды (136 лет) и теоретическое разрешение в 2−32 секунды (233 пикосекунды). NTP использует эпоху, начинающуюся 1 января 1900 года. Следовательно, первое переполнение произойдет 7 февраля 2036 года. NTPv4 вводит 128-битный формат даты: 64 бита для секунд и 64 бита для дробной секунды. Наиболее значимые 32 бита этого формата – номер эры, который в большинстве случаев устраняет неоднозначность переполнения. По словам Миллса, "64-битного значения для дробной части достаточно, чтобы определить время, необходимое фотону для обгона электрона на скорости света. 64 бита для секунд достаточно, чтобы обеспечить однозначное представление времени до тех пор, пока вселенная не погаснет."

Референтная реализация

Референтная реализация NTP, вместе с протоколом, непрерывно разрабатывалась более 20 лет. Обратная совместимость поддерживалась при добавлении новых функций. Она содержит несколько критически важных алгоритмов, особенно для синхронизации часов, которые могут работать некорректно при синхронизации с серверами, использующими другие алгоритмы. Программное обеспечение было портировано практически на все вычислительные платформы, включая персональные компьютеры. Оно работает как демон ntpd в Unix или как служба в Windows. Поддерживаются опорные часы, а их отклонения фильтруются и анализируются так же, как и отклонения удаленных серверов, хотя обычно их опрос производится чаще.

Время Windows

Все версии Microsoft Windows, начиная с Windows 2000, включают службу Windows Time (W32Time), которая позволяет синхронизировать системное время с сервером NTP. Изначально W32Time был реализован для протокола аутентификации Kerberos версии 5, которому требовалось, чтобы время было точным с точностью до 5 минут для предотвращения атак повторного воспроизведения. Сетевой сервер времени в Windows 2000 Server (и Windows XP) не поддерживает дисциплинированную синхронизацию по NTP, а только локально дисциплинированную синхронизацию с коррекцией NTP/SNTP. Начиная с Windows Server 2003 и Windows Vista, NTP-провайдер для W32Time стал совместим с существенной частью NTPv3. Microsoft утверждает, что W32Time не может надежно поддерживать синхронизацию времени с точностью до одной секунды. Если требуется более высокая точность, Microsoft рекомендует использовать более новую версию Windows или другую реализацию NTP. Начиная с Windows 10 версии 1607 и Windows Server 2016, W32Time можно настроить для достижения точности времени 1 с, 50 мс или 1 мс при определенных рабочих условиях.

ОткрытьNTPD

В 2004 году Хеннинг Брауер из OpenBSD представил OpenNTPD – реализацию NTPv3/SNTPv4, ориентированную на безопасность и использующую разделение привилегий. Хотя она в большей степени предназначена для простых, общих нужд пользователей OpenBSD, она также включает в себя некоторые улучшения безопасности протокола, сохраняя при этом совместимость с существующими NTP-серверами. Упрощенная кодовая база жертвует точностью, которая считается излишней в данном сценарии использования. Портативная версия доступна в репозиториях пакетов Linux.

NTPsec

NTPsec — это ответвление эталонной реализации, прошедшее систематическую проверку и усиление безопасности. Ответвление было создано в июне 2015 года в ответ на серию инцидентов безопасности, произошедших в 2014 году. Первый стабильный релиз был выпущен в октябре 2017 года. За счёт удаления небезопасных функций, прекращения поддержки устаревшего оборудования и устаревших вариантов Unix, NTPsec удалось сократить исходную кодовую базу на 75%, что упростило её аудит. Аудит кода, проведённый в 2017 году, выявил восемь уязвимостей, включая две, отсутствовавшие в оригинальной эталонной реализации, однако NTPsec не подвергся восьми другим уязвимостям, которые остались в эталонной реализации.

хронический

chrony — независимая реализация NTP, в основном спонсируемая Red Hat, которая использует её в качестве программы времени по умолчанию в своих дистрибутивах. Написанная с нуля, chrony имеет более простую кодовую базу, что обеспечивает повышенную безопасность и меньшее потребление ресурсов. Chrony была признана "надежной" и имеет небольшое количество зафиксированных инцидентов. Она способна достигать повышенной точности при подключении к локальной сети, используя аппаратную метку времени на сетевом адаптере. Поддержка Network Time Security (NTS) была добавлена в версии 4.0. Программа распространяется под лицензией GNU General Public License версии 2, была создана Ричардом Курноу в 1997 году и в настоящее время поддерживается Мирославом Личваром.

Другие

был начат Полом Хеннингом Кампом из FreeBSD в 2014 году и заброшен в 2015 году. Реализация финансировалась Фондом Linux. Это SNTP-клиент, встроенный в systemd. Он используется Debian, начиная с версии "bookworm", и производными сборками Ubuntu.

Скольцевые секунды

В день события введения високосной секунды, ntpd получает уведомление из конфигурационного файла, от подключенных опорных часов или от удаленного сервера. Хотя во время события часы NTP фактически останавливаются, из-за требования, чтобы время всегда казалось строго возрастающим, любые процессы, обращающиеся к системному времени, приводят к его незначительному увеличению, сохраняя последовательность событий. Если когда-либо возникнет необходимость во введении отрицательной високосной секунды, она будет удалена последовательностью 23:59:58, 00:00:00, пропуская 23:59:59. Альтернативная реализация, называемая "размазыванием високосной секунды", заключается в постепенном введении високосной секунды в течение 24 часов, с полудня до полудня по времени UTC. Эту реализацию используют Google (как внутри компании, так и на своих публичных NTP-серверах), Amazon AWS и Facebook. Chrony поддерживает размазывание високосной секунды в конфигурациях , но такое использование не следует смешивать с публичным пулом NTP, поскольку размазывание високосной секунды не является стандартным и может привести к ошибкам в вычислениях клиентов при смешанном использовании.

Проблемы безопасности

Поскольку корректировка системного времени обычно является привилегированной операцией, часть или весь код NTP должна выполняться с определенными привилегиями для поддержки его основных функций. В эталонной реализации кодовой базы NTP было выявлено лишь несколько других проблем безопасности, однако те, что проявились в 2009 году, вызвали серьезную обеспокоенность. Протокол постоянно пересматривался и анализировался на протяжении всей своей истории. Кодовая база эталонной реализации в течение нескольких лет подвергалась аудитам безопасности, проводимым различными организациями. В 2014 году была обнаружена и устранена уязвимость, связанная с переполнением буфера стека. Компания Apple была настолько обеспокоена этой уязвимостью, что впервые использовала функцию автоматического обновления. На системах, использующих эталонную реализацию, работающую с правами пользователя root, это могло привести к неограниченному доступу. Некоторые другие реализации, такие как OpenNTPD, имеют меньший объем кода и используют другие меры защиты, такие как разделение привилегий, что делает их невосприимчивыми к этой уязвимости. Аудит безопасности 2017 года трех реализаций NTP, проведенный по заказу Инициативы по базовой инфраструктуре Linux Foundation, показал, что NTP и NTPsec представляли большую проблему с точки зрения безопасности, чем Chrony. Серверы NTP могут быть уязвимы для атак типа "человек посередине", если пакеты не подписаны криптографически для аутентификации. Вычислительные затраты могут сделать это непрактичным для загруженных серверов, особенно во время атак типа "отказ в обслуживании". Подделка сообщений NTP в атаке "человек посередине" может использоваться для изменения системного времени на клиентских компьютерах и позволяет проводить ряд атак, основанных на обходе истечения срока действия криптографических ключей. К числу сервисов, подверженных воздействию поддельных сообщений NTP, относятся TLS, DNSSEC, различные схемы кэширования (например, кэш DNS), протокол Border Gateway Protocol (BGP), Bitcoin и ряд схем постоянной аутентификации. NTP использовался в распределенных атаках типа "отказ в обслуживании". На сервер NTP отправляется небольшой запрос с подделанным обратным IP-адресом, указывающим на целевой адрес. Подобно атаке амплификации DNS, сервер отвечает гораздо большим пакетом, что позволяет злоумышленнику значительно увеличить объем данных, отправляемых на целевой адрес. Чтобы избежать участия в атаке, программное обеспечение сервера NTP можно обновить или настроить серверы на игнорирование внешних запросов.

Because adjusting system time is generally a privileged operation, part or all of NTP code has to be run with some privileges in order to support its core functionality. Only a few other security problems have been identified in the reference implementation of the NTP codebase, but those that appeared in 2009 were cause for significant concern. The protocol has been undergoing revision and review throughout its history. The codebase for the reference implementation has undergone security audits from several sources for several years. A stack buffer overflow exploit was discovered and patched in 2014. Apple was concerned enough about this vulnerability that it used its auto update capability for the first time. On systems using the reference implementation, which is running with root user's credential, this could allow unlimited access. Some other implementations, such as OpenNTPD, have smaller code base and adopted other mitigation measures like privilege separation, are not subject to this flaw. A 2017 security audit of three NTP implementations, conducted on behalf of the Linux Foundation's Core Infrastructure Initiative, suggested that both NTP and NTPsec were more problematic than Chrony from a security standpoint. NTP servers can be susceptible to man in the middle attacks unless packets are cryptographically signed for authentication. The computational overhead involved can make this impractical on busy servers, particularly during denial of service attacks. NTP message spoofing from a man in the middle attack can be used to alter clocks on client computers and allow a number of attacks based on bypassing of cryptographic key expiration. Some of the services affected by fake NTP messages identified are TLS, DNSSEC, various caching schemes (such as DNS cache), Border Gateway Protocol (BGP), Bitcoin and a number of persistent login schemes. NTP has been used in distributed denial of service attacks. A small query is sent to an NTP server with the return IP address spoofed to be the target address. Similar to the DNS amplification attack, the server responds with a much larger reply that allows an attacker to substantially increase the amount of data being sent to the target. To avoid participating in an attack, NTP server software can be upgraded or servers can be configured to ignore external queries.

Безопасные расширения

NTP включает в себя поддержку аутентификации серверов для клиентов. NTPv3 поддерживает режим симметричного ключа, который бесполезен против атак типа "человек посередине" (MITM). Система публичных ключей, известная как "autokey" в NTPv4, адаптированная из IPSec, обеспечивает надежную аутентификацию, без опубликованных исправлений, за исключением изменения кода аутентификации сообщений. Network Time Security (NTS) – это защищенная версия NTPv4, использующая TLS и AEAD. Главное преимущество перед предыдущими попытками заключается в том, что отдельный сервер установления ключей обрабатывает ресурсоемкую асимметричную криптографию, которую необходимо выполнить только один раз. Если сервер выйдет из строя, предыдущие пользователи все равно смогут получать точное время без опасений атак типа MITM. В настоящее время NTS поддерживается несколькими серверами времени, включая Cloudflare. Она поддерживается NTPSec и chrony. Microsoft также разработала подход к аутентификации пакетов NTPv3/SNTPv4 с использованием идентификатора домена Windows, известный как MS SNTP. Эта система реализована в эталонных реализациях ntpd и chrony с использованием samba для подключения к домену.