네트워크 타임 프로토콜
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1. 개요
네트워크 타임 프로토콜(NTP)은 컴퓨터 시스템의 시계를 동기화하기 위한 네트워크 프로토콜이다. 1979년에 처음 시연되었으며, 이후 여러 버전을 거쳐 현재 NTPv4가 사용된다. NTP는 클라이언트-서버 또는 피어 투 피어 모델을 사용하여 시간 정보를 교환하고, 왕복 지연 시간과 오프셋을 계산하여 시계를 조정한다. NTP는 계층 구조를 사용하여 시간 소스를 분류하며, 계층 0은 원자 시계와 같은 고정밀 시간 측정 장치이고, 계층 1은 기준 시간 서버이다. NTP는 윤초 처리, 보안 문제, 소프트웨어 구현, 그리고 2036년 문제와 같은 기술적 문제들을 가지고 있다.
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네트워크 타임 프로토콜 | |
---|---|
일반 정보 | |
종류 | 네트워크 프로토콜 |
목적 | 장치 간의 시계 동기화 |
표준 | RFC 5905 |
개발자 | 데이비드 L. 밀즈 할런 스텐 네트워크 타임 재단 |
발표일 | 1985년 |
웹사이트 | 네트워크 타임 프로토콜 공식 웹사이트 |
기술 정보 | |
포트 번호 | 123 |
2. 역사
1979년, 네트워크 시간 동기화 기술은 뉴욕에서 열린 전국 컴퓨터 컨퍼런스에서 대서양 횡단 위성 네트워크를 통해 실행되는 인터넷 서비스의 최초 공개 시연으로 사용되었다. 이 기술은 나중에 1981년 인터넷 엔지니어링 노트(IEN) 173[4]에 설명되었으며, IETF RFC 778에 문서화된 공개 프로토콜이 개발되었다.
당시 사용 가능했던 다른 관련 네트워크 도구들로는 이벤트 시간을 기록하기 위한 Daytime 및 Time 프로토콜, 그리고 ICMP Timestamp 메시지 및 IP Timestamp 옵션(IETF RFC 781)이 있었다.
1985년, NTP 버전 0(NTPv0)이 Fuzzball과 유닉스 모두에 구현되었으며, NTP 패킷 헤더 및 왕복 지연 및 오프셋 계산은 IETF RFC 958에 문서화되었다. 당시에는 비교적 느린 컴퓨터와 네트워크가 사용되었지만, 대서양 횡단 링크에서 100밀리초 미만의 정확도를 일반적으로 얻을 수 있었고, 이더넷 네트워크에서는 수십 밀리초의 정확도를 얻을 수 있었다.
1988년, NTPv1 프로토콜의 사양이 IETF RFC 1059에 게시되었다. 1989년, IETF RFC 1119가 게시되어 상태 머신을 사용하여 NTPv2를 정의했다. 1992년, IETF RFC 1305가 NTPv3를 정의했다.
이후 몇 년 동안 새로운 기능이 추가되고 알고리즘이 개선되면서 2010년, IETF RFC 5905가 NTPv4에 대한 사양을 포함하여 게시되었다.[7] 델라웨어 대학교에서 밀스가 은퇴한 후, 참조 구현은 현재 Harlan Stenn이 이끄는 오픈 소스 프로젝트로 유지 관리되고 있다.[9][10]
2. 1. 관련 RFC
NTP 프로토콜의 발전 과정은 다양한 RFC 문서를 통해 확인할 수 있다. 다음은 NTP와 관련된 주요 RFC 문서 목록이다.RFC 번호 | 설명 |
---|---|
RFC 958 | NTPv0 정의. 이후 RFC 1059, RFC 1119, RFC 1305로 대체됨. |
RFC 1059 | NTPv1 정의. 이후 RFC 1119, RFC 1305로 대체됨. |
RFC 1119 | NTPv2 정의. 이후 RFC 1305로 대체됨. |
RFC 1305 | NTPv3 정의. 이후 RFC 5905로 대체됨. |
RFC 1361 | SNTPv3 정의. 이후 RFC 1769로 대체됨. |
RFC 1769 | SNTPv3 정의. 이후 RFC 2030, RFC 4330으로 대체됨. |
RFC 2030 | SNTPv4 정의. 이후 RFC 4330으로 대체됨. |
RFC 4330 | SNTPv4 정의. 이후 RFC 5905로 대체됨. |
RFC 5905 | NTPv4 정의. 2012년 기준 최신 버전. |
RFC 7822 | NTPv4 확장 필드 추가. |
RFC 8573 | NTPv4 메시지 인증 코드(MAC) 변경. |
RFC 9109 | NTPv4 포트 무작위화 권장. |
NTP는 일반적으로 인터넷 상에서 수십 밀리초 이내의 시간을 유지할 수 있으며, 이상적인 조건 하에서는 LAN 상에서 1밀리초 이하로 오차를 억제할 수 있다. 비대칭적인 경로 및 네트워크 혼잡에 의해 100밀리초 이상의 에러가 발생할 수 있다.[81][82]
1985년에 NTPv0이 퍼즈볼(Fuzzball)과 유닉스에 모두 구현되었으며, RFC 958 문건에 NTP 패킷 헤더와 왕복 지연, 오프셋 계산이 문서화되었다.[4] 이후 NTP는 여러 버전을 거쳐 발전했으며, 현재는 RFC 5905에 정의된 NTPv4가 널리 사용되고 있다. 단순 네트워크 시간 프로토콜(SNTP) 관련 RFC로는 RFC 1361, RFC 1769, RFC 2030, RFC 4330 등이 있다. NTPv4의 확장 및 보안 관련 내용을 담은 RFC로는 RFC 7822, RFC 8573, RFC 9109 등이 있다.
3. 시간 동기화 알고리즘
일반적인 NTP 클라이언트는 하나 이상의 NTP 서버를 정기적으로 폴링한다. 클라이언트는 시간 오프셋과 왕복 지연 시간을 계산해야 한다. 시간 오프셋 ''θ''는 양수 또는 음수(클라이언트 시간 > 서버 시간)로, 두 시계 간의 절대 시간 차이이며, 다음 식으로 표현된다.
:
왕복 지연 시간 ''δ''는 다음과 같이 표현된다.
:
여기서
''θ''와 ''δ'' 값은 필터를 거치고 통계 분석을 받는다. 이상값은 버려지고, 시간 오프셋의 추정치는 나머지 3개의 최상의 후보에서 파생된다. 그런 다음 시계 주파수는 오프셋을 점진적으로 줄이도록 조정하여 피드백 루프를 생성한다.[23]
정확한 동기화는 클라이언트와 서버 간의 송신 및 수신 경로 모두 대칭적인 공칭 지연 시간을 가질 때 달성된다.
4. 계층 구조 (Clock strata)
NTP는 시간 소스의 계층적 시스템을 사용한다. 각 계층 레벨은 ''stratum''이라고 하며, 최상위 기준 시계를 stratum 0, stratum 0에 동기화된 서버를 stratum 1로 한다. 이후, stratum ''n''에 동기화된 서버를 stratum ''n''+1로 정의한다. 이 번호는 기준 시계로부터의 거리를 나타내며, 계층 내 의존 관계 루프를 방지한다. stratum 값은 품질이나 신뢰성을 보장하지 않으며, stratum 2 서버보다 stratum 3 서버가 더 고품질인 경우도 있다.
다음은 stratum 0, 1, 2, 3에 대한 설명이다.
; Stratum 0
: 원자 시계, GPS, 전파 시계 등 고정밀 계시 장치다. 연결된 컴퓨터에 인터럽트나 타임스탬프를 트리거하는, 매우 정확한 초당 1회 펄스를 생성한다. 레퍼런스 클록이라고도 한다.
; Stratum 1
: 연결된 stratum 0 장치와 수 마이크로초 이내로 시스템 시각이 동기화된 컴퓨터다. 새니티 체크 및 백업을 위해 다른 stratum 1 서버와 피어링할 수 있다.[94] 주 타임 서버라고도 한다.[81][82]
; Stratum 2
: 네트워크를 통해 stratum 1 서버에 동기화된 컴퓨터다. 보통 여러 stratum 1 서버에 쿼리를 보내며, 피어 그룹 내 다른 장치에 더 안정적인 시간을 제공하기 위해 다른 stratum 2 컴퓨터와 피어링하기도 한다.
; Stratum 3
: stratum 2 서버에 동기화된 컴퓨터다. 피어링 및 데이터 샘플링에 stratum 2와 동일한 알고리즘을 사용하며, stratum 4 컴퓨터의 서버로 기능할 수 있다.
Stratum 상한은 15이며, stratum 16은 장치가 비동기 상태임을 나타낸다. 각 컴퓨터의 NTP 알고리즘은 벨만-포드 최단 경로 스패닝 트리를 구축, 모든 클라이언트로부터 stratum 1 서버까지 누적 왕복 지연 시간을 최소화한다.[102]
NTP는 stratum 외에 참조 식별자(refid, 4바이트)로 각 서버의 동기화 원본을 식별한다. Stratum 1 서버는 동기화하는 stratum 0 서버의 구현을 최장 4자리 ASCII 코드로 표현한다. RFC5905에 규정된 내용은 다음과 같다.
참조 식별자 (refid)[95] | 시간원 |
---|---|
GOES | 지구 정지 궤도 환경 위성(미국 기상 위성) |
GPS | 글로벌 포지셔닝 시스템 |
GAL | 갈릴레오 (유럽 위성 항법 시스템) |
PPS | 초당 1펄스(pps) 시간원 |
IRIG | |
WWVB | 장파 표준 전파 WWVB (미국 콜로라도주 포트 콜린스 60kHz) |
DCF | 장파 표준 전파 DCF77 (독일 마인플링겐 77.5kHz) |
HBG | 장파 표준 전파 (스위스 프랑젱 75kHz, 운용 중단) |
MSF | 장파 표준 전파 MSF (영국 앤손 60kHz) |
JJY | 장파 표준 전파 JJY (일본 후쿠시마현 타무라시 40kHz, 사가현 사가시 60kHz) |
LORC | 100kHz |
TDF | 중파 표준 전파 (프랑스 알루아 162kHz) |
CHU | 단파 표준 전파 (캐나다 온타리오주 오타와) |
WWV | 단파 표준 전파 WWV (미국 콜로라도주 포트 콜린스) |
WWVH | 단파 표준 전파 WWVH (미국 하와이주 카우아이) |
NIST | 미국 국립 표준 기술 연구소(NIST) 전화 시보 서비스 |
ACTS | NIST 전화 시보 서비스 |
USNO | 미국 해군 천문대(USNO) 전화 시보 서비스 |
PTB | PTB 전화 시보 서비스 |
MRS | 여러 참조 원 |
XFAC | 인터페이스 연동 변경 (IP 주소 변경 또는 손실) |
STEP | 단계적 시간 변경 (오프셋: 단계 임계값 125ms 이상, 패닉 임계값 1000초 이하) |
Stratum 2 이상 서버는 동기화 대상 NTP 서버 IP 주소를 refid에 기술한다. NTP 서버 간 동기화 대상 루프 방지에 사용된다. IPv4 주소는 그대로, IPv6 주소는 md5 해시 계산 후 처음 4바이트를 사용한다.
5. 윤초 처리
윤초 이벤트가 발생하는 날, ntpd는 설정 파일, 부착된 기준 시계 또는 원격 서버로부터 알림을 받는다. NTP 시계는 실제로 이벤트 동안 멈추지만, 시간이 엄격하게 증가해야 한다는 요구 사항 때문에 시스템 시간을 쿼리하는 모든 프로세스는 시간 순서를 보존하면서 약간 증가시킨다. 만약 음수 윤초가 필요하게 된다면, 23:59:58, 00:00:00 시퀀스로 23:59:59를 건너뛰어 삭제될 것이다.[51]
윤초 스머링(leap smearing)이라고 불리는 대체 구현은 UTC 시간으로 정오부터 정오까지 24시간 동안 윤초를 점진적으로 도입하는 것으로 구성된다. 이 구현은 구글(내부적으로 및 공개 NTP 서버에서 모두), 아마존 AWS,[52] 페이스북에서 사용된다.[53] Chrony는 윤초 스머를 지원하지만, 윤초 스머는 표준이 아니며 혼합 시 클라이언트 계산을 망칠 것이므로 공개 NTP 풀과 혼합해서는 안 된다.[54]
NTP 프로토콜에서는 전파 시계의 시각 전송 형식처럼 윤초 처리도 규정하고 있다. 윤초의 삽입 또는 삭제가 수행된다는 알림은 설정 파일, 참조 클록 또는 원격 서버 중 하나로부터 받는다. 참조 클록 또는 원격 서버로부터 받는 경우, NTP 패킷 내의 윤초 경고 정보 필드가 사용된다.
경고 정보를 받은 측에서 어떻게 처리할지는 컴퓨터 프로그램의 구현에 맡겨진다. 그러나 삭제된 1초에 자동 시작하는 서비스가 있을 수도 있고, 외부 요인으로 날짜가 변경되면 무효가 되는 라이선스가 있을 수 있으므로 주의가 필요하다.[106]
leap smearing이라고 불리는 구현에서는 1초를 삽입하는 대신, 윤초 전후 20시간에 걸쳐 천천히 1초 분량의 시간을 늘림으로써 문제를 회피한다.[107] 이 구현은 구글(Google) (내부적으로도 공개 NTP 서버에서도)과 아마존 AWS(Amazon Web Services)에서 사용되고 있다.[108]
6. 소프트웨어 구현
NTP는 다양한 운영 체제 및 장비에서 구현되어 사용된다. 주요 구현 사례는 다음과 같다:
구현 | 설명 |
---|---|
참조 구현 | NTP 프로젝트에서 제공하는 공식 구현으로, 유닉스 환경에서는 데몬 형태인 ntpd로, 윈도우 환경에서는 서비스 형태로 제공된다.[23] 2017년 감사에서 14가지 잠재적인 보안 문제가 발견되었다.[26] |
Windows Time 서비스 | 윈도우 운영 체제에 내장된 시간 동기화 서비스로, W32Time이라는 이름으로 제공된다.[27] 윈도우 2000 이후 모든 버전에 포함되어 있다. 윈도우 서버 2003 및 윈도우 비스타부터 NTPv3와 호환된다.[29] 윈도우 10 버전 1607 및 윈도우 서버 2016부터 특정 조건에서 1ms의 시간 정확도를 달성할 수 있다.[32][30][33] |
OpenNTPD | OpenBSD 프로젝트에서 개발한 보안에 중점을 둔 NTP 구현이다.[34] 권한 분리 설계를 포함하며, 기존 NTP 서버와의 호환성을 유지하면서 보안을 개선했다. |
NTPsec | 참조 구현에서 파생된 보안 강화 버전이다.[36] 2015년 6월에 포크되었으며, 2017년 10월에 첫 프로덕션 릴리스가 출시되었다.[37] |
chrony | 리눅스 배포판에서 주로 사용되는 NTP 구현으로, 불안정한 네트워크 환경에 적합하다.[42] 레드햇 배포판에서 기본 시간 프로그램으로 사용된다.[40] |
ntpd-rs | Rust 언어로 작성된 NTP 구현으로, 메모리 안전성을 보장한다.[47] |
기타 | Ntimed,[48] systemd-timesyncd[50] 등 다양한 NTP 구현이 존재한다. |
7. 보안 문제
NTP는 오랜 역사를 거치며 다양한 보안 취약점이 발견되고 해결되었다. 2009년에는 참조 구현에서 심각한 보안 문제가 발견되어 큰 우려를 낳았다.[55][56] 2014년에는 스택 버퍼 오버플로우 취약점이 발견되어 애플이 자동 업데이트 기능을 사용하기도 했다.[58][59]
NTP 서버는 중간자 공격에 취약할 수 있으며, 서비스 거부 공격에 악용될 수도 있다.[71][72] 분산 서비스 거부 공격의 일종인 NTP 증폭 공격은 작은 쿼리를 대상 서버로 보내 증폭된 응답을 유도하는 방식으로 이루어진다.[73] 이러한 공격을 방지하기 위해 NTP 서버 소프트웨어를 최신 버전으로 유지하고, 외부 쿼리를 무시하도록 설정하는 것이 중요하다.
NTPv4는 대칭 키 모드와 공개 키 시스템인 "autokey"를 지원하지만, autokey는 여러 설계 결함이 발견되어 더 이상 사용되지 않는다.
최근에는 TLS 및 AEAD를 사용하는 네트워크 시간 보안(NTS)이 개발되어 NTPv4의 보안을 강화했다.[75] NTS는 별도의 "키 설정" 서버를 통해 비대칭 암호화를 처리하여 효율성을 높였다. NTS는 현재 클라우드플레어를 포함한 여러 시간 서버에서 지원되고 있으며,[76][77] NTPSec 및 chrony에서도 지원된다.[78]
마이크로소프트는 Windows 도메인 ID를 사용하여 NTPv3/SNTPv4 패킷을 인증하는 MS-SNTP 방식을 사용한다.[79] 이 방식은 삼바를 통해 구현되며, 참조 ntpd 및 chrony에서 지원된다.[80]
2017년 리눅스 재단의 핵심 인프라 이니셔티브는 NTP[61][62]와 NTPsec[63]가 Chrony[64]보다 보안 문제가 더 많다는 감사 결과를 발표했다.[65] NTPsec은 2015년에 보안 강화를 위해 포크된 구현으로, 2017년 감사에서 8가지 보안 문제가 발견되었지만, 참조 구현에 남아있던 8가지 문제는 해결되었다.[39]
8. 한국의 NTP 서버
한국에서는 한국표준과학연구원(KRISS)이 국가 표준시를 유지하며 NTP 서버를 운영하고 있다. 일본의 경우, 정보통신연구기구(NICT)가 일본 표준시에 직결된 stratum 1의 NTP 서비스 (ntp.nict.jp)를 제공하고,[135] 인터넷 멀티피드(MFEED)는 stratum 2의 NTP 서비스 (time.bora.net)를 제공한다.
과거 후쿠오카 대학의 NTP 서버 (clock.nc.fukuoka-u.ac.jp)는 과도한 트래픽으로 인해 운영이 중단되었다.[140][141]
다양한 ISP 및 연구 기관에서 NTP 서버를 운영하고 있으며, 공개 NTP 서버 목록에서 확인할 수 있다.
8. 1. 공개 NTP 서버
공개 NTP 서버는 누구나 사용할 수 있도록 개방된 NTP 서버이다. ntp.org에서는 전 세계 공개 NTP 서버 목록을 제공하며, stratum 1, stratum 2, NTP 풀 서버 목록을 확인할 수 있다.[104][https://www.pool.ntp.org/ja/ NTP pool project]는 이 문제에 대한 국제적인 프로젝트로, DNS 라운드 로빈을 통해 NTP 클라이언트의 접속을 분산하는 공개 DNS 서버를 제공한다. 서버 이름으로 `0.pool.ntp.org`, `1.pool.ntp.org` 등과 같이 지정하면 전 세계 NTP 서버에서 임의로 선택된 IP 주소가 반환된다. 대륙별, 국가별 지역 할당도 이루어지는데, 예를 들어 `0.kr.pool.ntp.org`는 한국, `0.jp.pool.ntp.org`는 일본, `0.asia.pool.ntp.org`는 아시아 지역의 NTP 서버 IP 주소를 무작위로 반환한다.[104]
다음은 공개 NTP 서버 목록이다.
- [https://support.ntp.org/bin/view/Servers/WebHome 공개 NTP 시간 서버 목록]
- [https://support.ntp.org/bin/view/Servers/StratumOneTimeServers 스트라텀 1 시간 서버]
- [https://support.ntp.org/bin/view/Servers/StratumTwoTimeServers 스트라텀 2 시간 서버]
- [https://support.ntp.org/bin/view/Servers/NTPPoolServers NTP 풀 시간 서버]
- [https://www.mfeed.ad.jp/ntp/ 시각 정보 제공 서비스 for Public] - 인터넷 멀티피드(MFEED)에 의한 stratum 2의 NTP 서비스.
- [https://jjy.nict.go.jp/tsp/PubNtp/ NICT 공개 NTP 서비스] - 일본 표준시에 직결된 stratum 1의 NTP 서비스.
- [http://www.ring.gr.jp/ring/ntp.html.ja NTP service : ntp.ring.gr.jp] - Ring Server Project 참가 조직 제공에 의한 풀 서버.
- [http://wiki.nothing.sh/page/NTP NTP - wiki@nothing]
9. 2036년 문제
NTP에서 사용하는 64비트 이진 고정 소수점 타임스탬프는 초를 나타내는 32비트 부분과 초의 소수 부분을 나타내는 32비트 부분으로 구성되어 있으며, 232초(136년)마다 정수 오버플로가 발생하고 이론적인 해상도는 2−32초(233피코초)이다. NTP는 1900년 1월 1일을 에포크로 사용하므로, 첫 번째 롤오버는 2036년 2월 7일에 발생한다.[19][20] 이를 '''2036년 문제'''라고 한다.
NTPv4는 128비트 날짜 형식을 도입했는데, 초를 나타내는 64비트와 초의 소수 부분을 나타내는 64비트로 구성된다. 이 형식의 최상위 32비트는 대부분의 경우 롤오버 모호성을 해결하는 ''에라 번호''이다.[21] 밀스에 따르면, "분수를 나타내는 64비트 값은 광자가 빛의 속도로 전자를 통과하는 데 걸리는 시간을 해결하기에 충분하다. 64비트 초 값은 우주가 희미해질 때까지 명확한 시간 표현을 제공하기에 충분하다."라고 한다.[22]
최상위 비트가 0인 경우 시각이 2036년부터 2104년 사이인 것으로 간주하여, 2036년 2월 7일 6시 28분 16초(UTC)를 기점으로 계산함으로써 2036년 문제를 회피하는 방법이 기술되어 있다.[96]
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