PTP正在取代NTP：数据中心如何实现实时精度同步

几十年来，网络时间协议（NTP）一直是数据中心网络时间同步的黄金标准。但这种情况正在发生改变。现代网络对精度的要求比以往任何时候都更高，而传统的NTP往往无法满足这些要求。

为了克服这一挑战，数据中心现在正在迁移到其他网络时间维护方法，例如精确时间协议（PTP）——这是一种实施起来更复杂但值得额外努力的方法，能够实现全新水平的时间同步精度。

什么是网络时间，为什么它对数据中心如此重要

网络时间是指连接到网络的设备之间的时间同步。

为了准确交换数据并避免错误，网络上的所有设备都必须保持同步。否则，可能会出现问题，比如一台服务器由于时间设置不一致，可能会错误地认为从另一台服务器接收的数据是延迟的。

保持网络时间同步在任何网络上都很重要。但在数据中心中这一点尤为关键，因为数据中心通常拥有大量网络连接设备，网络时间的微小不一致可能会滚雪球般地发展成重大的网络同步问题。

NTP的局限性

自1980年代以来，跨网络同步时间的主要方法一直是网络时间协议（NTP）。NTP的工作方式简单直接：网络上的设备定期与NTP服务器核对时间，服务器会告诉它们正确的时间。如果设备上的时间与NTP服务器的"官方"时间不同步，设备会更新其时间设置。

在网络可以容忍几毫秒（即千分之一秒）时间不一致的情况下，NTP运行得很好。但超出这个范围，基于NTP的时间同步就不太可靠了，主要原因包括：

定期检查：使用NTP时，设备只会定期与NTP服务器核对时间——通常验证事件之间会间隔几分钟。在此期间，设备可能会因本地时钟偏离NTP时间而失去同步。

网络延迟问题：即使设备非常频繁地轮询NTP服务器，服务器通过网络响应所需的延迟也可能导致不准确的时间读数。这些延迟可能只有几分之一秒，但对于需要极其精确网络时间的数据中心来说，这仍然是一个问题。

计算延迟：轮询NTP服务器和获取时间数据也需要时间，因为这需要计算资源——同样，虽然延迟可能极小，但仍然很重要。

这些挑战使得NTP不适合托管需要真正实时数据交换工作负载的数据中心——比如支持实时金融交易、机器人过程协调或自动驾驶车辆管理的数据中心。为了支持这些应用场景，数据中心需要维持微秒级的时间精度。（一微秒是一毫秒的千分之一。）

向PTP的转变

幸运的是，对于面临这些挑战的数据中心运营商来说，有一个NTP的替代方案：精确时间协议（PTP）。

与NTP不同，PTP不仅仅依赖服务器-客户端模式来同步网络设备间的时间。相反，它使用时间服务器结合客户端设备上称为硬件时间戳的方法。硬件时间戳涉及专门的硬件组件，通常嵌入在网络接口卡（NIC）中，用于跟踪时间。

在PTP下仍然存在中央时间服务器。但不是由服务器上的软件连接到时间服务器，而是由为此任务优化的硬件设备来完成这项工作。这些设备还包含内置时钟，使它们能够比转发到服务器上的通用时钟更快地记录时间数据。

结果是，在大多数情况下，PTP比NTP快得多且更可靠。虽然时间不一致仍可能发生，但在PTP下通常要小得多。

关于PTP使用情况的全面统计数据难以获得。但一些消息来源表明，例如在实时金融交易中，85%的工作负载现在依赖PTP。其他预测显示，PTP解决方案市场将以约8.5%的复合年增长率增长至2031年。

数据中心中PTP的挑战

虽然PTP比NTP更强大、更准确，但对于数据中心来说，实施起来也更复杂（在许多情况下也更昂贵）。这主要是因为——虽然数据中心运营商可以仅使用免费软件实现NTP服务器——但PTP需要两种关键类型的硬件组件：

具有硬件时间戳功能的NIC。如上所述，这些在启用基于PTP的时间测量中起关键作用。

能够向PTP服务器提供时间数据的集中式高精度时钟。这很重要，因为PTP只有在PTP服务器的时间读数也准确的情况下才准确——为了实现高度精确的时间读数，最好直接在数据中心内部署本地计时设备，如原子钟。也可以从远程时间服务器检索时间，但这样做通常会引入微秒级的网络延迟——如果您的时间读数相差几微秒，那么使用PTP的整个目的就被破坏了。

除此之外，数据中心内部网络的小效率问题，如拥塞或数据包丢失问题导致PTP时间轮询延迟，也可能使PTP不准确。因此，要有效使用PTP，数据中心运营商必须优化其网络并部署必要的硬件组件。

这些都不容易。但同样，对于旨在重新定义"实时"含义并支持无法容忍四十年前设计的网络时间协议同步延迟的工作负载的数据中心来说，这越来越必要。

数据中心时间同步的未来

随着工作负载对精度要求越来越高，PTP正在成为数据中心时间同步的新标准。虽然其实施复杂且成本高昂，但对于支持实时应用的数据中心来说，微秒级精度的好处远远超过了挑战。

通过投资PTP，运营商可以为其基础设施提供未来保障，并满足下一代技术的需求。

Q&A

Q1：PTP是什么？它与NTP有什么不同？

A：PTP是精确时间协议，与传统的NTP网络时间协议不同，PTP不仅依赖服务器-客户端模式，而是使用时间服务器结合硬件时间戳方法。PTP使用嵌入在网络接口卡中的专门硬件组件来跟踪时间，能够实现微秒级的时间精度，而NTP只能达到毫秒级精度。

Q2：为什么数据中心需要从NTP迁移到PTP？

A：现代数据中心托管的工作负载需要真正的实时数据交换，如实时金融交易、机器人过程协调等，这些应用需要微秒级的时间精度。NTP存在定期检查间隔长、网络延迟和计算延迟等问题，无法满足这些高精度要求，而PTP能够提供更快、更可靠的时间同步。

Q3：实施PTP需要哪些硬件设备？

A：实施PTP需要两种关键硬件组件：一是具有硬件时间戳功能的网络接口卡（NIC），二是能够向PTP服务器提供时间数据的集中式高精度时钟，如原子钟。这些硬件设备使PTP能够实现比NTP更高的时间同步精度，但也使实施变得更加复杂和昂贵。