本校における NTP サーバの運用と利用法
河口 尚宏*

大畑 正樹*

井上 忠照**The Operation and Utilization Method of the NTP Server in Kagawa National College ofTechnology
Naohiro KAWAGUCHI, Msaki OHATA , Tadaaki INOUE

Abstract
In Kagawa National College of Technology, the NTP server with a GPS (Global PositioningSystem) receiver had been out of order for about three years. We replaced it with a new serverin December 2011 and added an antenna in September 2012. We tested its actual operation forsix months, and as the result, we confirmed that this new server worked well and synchronizedwith UTC (Coordinated Universal Time) correctly.

Keywords: NTP Server, GPS ,Global Positioning System

1.

そこで、一昨年の 12 月にサーバの交換、さらに昨年はじめに本校詫間キャンパスでは、GPS 受信機（古野電気製：の 9 月に GPS アンテナの設置場所移動を行い、約 6 カTS-820）を用いて、NTP サーバを独自に構築、運用し月実働テストを行ってきた。その結果、キャンパス内ている。

で広く供用できるものと判断している。本稿では、新NTP( Network Time Protocol)とは、ネットワークに接サーバのシステム構成と評価データおよび利用法につ続される機器において、機器が持つ時計を正しい時刻いてまとめたので報告する。

へ同期するための通信プロトコルであり、NTP サーバ
2.

は、このプロトコルを用いて、正しい時刻へ同期させネットワークに於ける時刻同期の重要性
1990 年以降、世界では急速にコンピュータネットワるサービスを行うものである。
これまでの経過を概説すると、1990 年代末の情報通ークが普及した。コンピュータネットワーク（以下ネ信工学科の井上研究室での卒業研究でNTP サーバの構ットワークと呼ぶ）とは、複数のコンピュータを通信築とその評価が行われた。その後その運用を情報処理回線により接続する技術である。

センター（現情報基盤センター：以下センターと略す）

コンピュータの分野では、何らかのサービスを要求に委託されたのがその端緒となる。この NTP サーバはするコンピュータをクライアント、そしてその要求さセンター内のサーバ計算機で参照され一定の役割を果れたサービスを提供するコンピュータをサーバと呼ぶ。

たしてきた。

例えば、クライアントが通信販売のホームページを

しかし 3 年ほど前にこのサーバのハードウェア障害見たいという要求を送り、そしてサーバがその要求にによってサーバが停止していた。

応じてその通信販売のページの情報をクライアント側に送るという具合である。

***

香川高等専門学校 技術支援センター

ネットワークにより、上記に示したような情報の通詫間キャンパス 技術教育支援室

信を複数のコンピュータが行うのだが、このネットワ

香川高等専門学校

ーク上の複数のコンピュータは、時間的に同期がとれ詫間キャンパス 通信ネットワーク工学科ている必要がある。その例をいくつか挙げてみる。1)149

香川高等専門学校研究紀要 4(2013)2.1 ログファイルの正確さ、検査、監視

最終的に、このコードは 1 つのプログラムにコンパ

アプリケーションの多くは、測定データや生成デーイルされる。このように分散されたサーバからソフトタに対して、非常に大きな意味を付与する要素としてウェアのコンパイルを管理するには、複数のソースコタイムスタンプというものを使用する。タイムスタンードを決められた順序でコンパイルする「makefile」機

プとは、現実社会では、郵便物に押される印のことで能や、編集されるファイルの変更履歴を管理する「バあるが、情報関係では、ファイルなどの電子データにージョン管理システム」が使用される。ファイルのタ

おいて、その作成や更新などが行われた日時を示す情イムスタンプは、ベースとなるソースファイルが変更報とされるものである。

された場合にリビルドが必要なファイルの判別に使用

ログファイルとは、アプリケーション、OS、サービされる。ディレクトリの一部がファイル共有システム

スが処理内容、警告などの履歴を逐一記録し、障害発にマウントされ、サーバやクライアントが異なる現在生時や開発時などに参照できるようにするために作成時刻を使用している場合、「make」関数（makefile 機能するファイルのことである。

で使用される関数）は一部の導出オブジェクトのリビ

サーバのログファイルとそのレポートデータを使用

ルドに失敗し、作成された実行ファイルが最新のソーして、組織内の活動状況を評価することができる。こスに基づいたものではなくなる可能性がある。

れには、帯域幅の使用率、管理、認証、課金などの各2.4 電子メール機能の情報が含まれる。つまりこのファイルは様々なサーバからの情報を編集したものなので、タイムスタ電子メールメッセージは、発信元のタイムスタンプンプが正しいことが必要不可欠である。それぞれのサが付けられた状態でネットワークを通過する。このターバの時刻が正しくない場合、サーバが行ったサービイムスタンプが明らかに間違っている場合、受信側のスイベントを発生順に整列させるという基本的なこと一部で混乱を招く可能性がある。発信元の組織の信頼すらできない。ネットワーク障害が生じたとき、当然、性が疑われるのは言うまでもない。

原因の切り分けもできず、その問題を解決することが2.5 その他の不具合困難になる。

近年では、機密上安全な通信を保証するため通信デ
2.2 アクセスセキュリティと認証ータの暗号化、サーバ・クライアント計算機の正当性

Kerberos 認証という暗号による認証方式を例に挙げを保証する各種の電子証明書がしばしば使われる。こる。この認証は、「チケット」という複数の情報が含まれらの仕組みの正常な動作は、計算機（PC）の正しいれるファイルのやりとりによって行われる。この時刻を保持していることが前提で、時刻が狂っている

Kerberos 認証に対する攻撃方法としてこのチケットとと誤動作をもたらす。

呼ばれる認証用データを盗聴して、そのまま使う「リまた OS の不具合を修正する更新操作も時刻情報をプレイ攻撃」というやり方がある。この攻撃に対するもとに行われるため時刻が狂っていると正常な更新が防御方法として、チケットのタイムスタンプとサーバできない等の不具合を生ずることになる。の時間が 5 分以上ずれている場合、チケットを拒否するという方法をとるのだが、これは、それぞれの時間

3.

NTP サーバについてが正確に同期をとれていることを前提にしたシステム

3.1NTP サーバの原理
以上のような事例から、ネットワークに於いて時刻である。

同期をとることは極めて重要であることが分かる。し2.3 ソフトウェア開発

かしコンピュータの内蔵時計は、通常、安価な製品がプログラミング言語を用いて作成したソフトウェア使用されており、長期間ではかなりの誤差が発生する。の設計図(ソースコード)を、コンピュータ上で実行可能

この問題を解決するために、NTP サーバが導入された。

な形式(オブジェクトコード)に変換することをコンパ

NTP は stratum と呼ばれる階層構造を持ち、最上位のサーバ(stratum1)が正確な時計(stratum0)から標準時を取イルと呼ぶ。

得し、下位のサーバ(stratum 2 以降)はそれを参照する事

大規模なソフトウェア開発は、プログラマチームがで時刻を合わせる。

異なるサーバ（地理的に異なる場所に配置される場合正確な時計は、原子時計や GPS(Global Positioningもある）に保存されているコードで開発を行うために、広範囲に渡って分散されたタスクになる可能性がある。 System, 全地球測位システム)が使われる。NTP サーバ

150

河口尚宏 他 ： 本校におけるNTP サーバの運用と利用法の概念図を図 1、コンピュータの時刻を同期させる原理

電磁波を吸収あるいは放射する性質がある。その、吸2)を図 2 、本校での NTP 階層構成を図 3 に示す。

収ないし放射された電磁波のエネルギーから、その電磁波の周波数を求めることができる。周波数は時間（周期）の逆数であるので、これにより、正確な時間を求めることができる。UTC(Coordinated Universal Time：協定世界時 ）と呼ばれる公式な時刻は、SI 単位系の 1 秒をこの原子時計により定義している。NTP はこの UTCを利用して時刻を送受信している。
3.3GPS （Global Positioning System, 全地球測位システム）衛星による正確な時刻情報取得の原理 3)
GPS は、人工衛星のネットワークを使った全世界的測位システムで、位置、時間、速度を手軽かつ正確に計測できる。元来はアメリカ国防省が軍事用に開発し

図 1 NTP サーバの概念図
TC

受信瞬間 T i-2

タイムサーバの時刻の流れたものであるが、一部は民間用に公開され、航空、船舶の航法用のみならず、カー・ナビゲーションシステ

送信瞬間 T i-1

ム、携帯電話等で広く使用されている。

TC = (Ti-1 + Ti-2 ) / 2

信号

GPS による測位の基本は、時刻による距離測定であ信号る。まず、GPS 衛星とユーザ受信機ともに正確な時計
TS = (Ti + Ti -3 ) / 2

クライアントPCの時刻の流れ
送信瞬間 T i-3
伝搬時間 tを共有している場合を考える。この時、ある GPS 衛星

受信瞬間 T i

TSから電波を送信した時刻 tt [sec]と、ユーザ受信機で受伝搬時間 t信号の伝搬時間が行きと帰りで同じだったと仮定すると、クライアントとサーバの時刻のずれ Tは、信した時刻 tr [sec] を測定すれば、その間の距離 r[m]Δ T = (Ti -1 + T i - 2 ) / 2 - (Ti + Ti -3 ) / 2= TC - TS

は光速 c[m/sec] を使ってより、求まる。

r = c(t r - tt )伝搬時間が同じであり、クライアントPCの時刻が正確であれば、TCとTSは一致するため、 Tは0となり、クライアントとサーバの時刻にずれはない。

受信瞬間 T i-2

タイムサーバの時刻の流れ

Ti-2により求めることができる。

TC

TC

送信瞬間 T i-1 Ti-1

次に複数の GPS 衛星(N 個) を考え、i 番目の GPS衛星とユーザ受信機の間の測定距離を ri [m] とする。

TC = (Ti-1 + Ti-2 ) / 2

信号クライアントPCの時刻の流れ 送信瞬間 Tt

信機の位置を求めることを考える。ユーザ受信機位置

T

TS = (Ti + Ti -3 ) / 2
i-3

GPS 衛星の位置はわかっているものとしてユーザ受信号

TS

伝搬時間

を ( x, y , z )、i 番目の GPS 衛星の位置を( xi , yi , zi ) とt 受信瞬間T i伝搬時間

すると、

しかし、実際は赤字で示すように、クライアントの時刻にはずれが生じる。
このクライアントとサーバの時刻のずれ TをもとにNTPが、クライアントとタイムサーバとの時刻同期をとる。

図 2 NTP サーバの時刻同期の原理図

図 3 本校での NTP 階層構造
3.2 原子時計の原理
図 4 GPS による位置測定原理図

原子や分子には、それぞれに決まっている周波数の151

香川高等専門学校研究紀要 4(2013)

ri = ( xi - x ) 2 + ( yi - y ) 2 + ( zi - z ) 2となる。
したがって

r1 = ( x1 - x) 2 + ( y1 - y ) 2 + ( z1 - z ) 2
r2 = ( x2 - x) 2 + ( y2 - y ) 2 + ( z 2 - z ) 2
r3 = ( x3 - x) 2 + ( y3 - y ) 2 + ( z3 - z ) 2・・・・・
rN = ( x N - x) 2 + ( y N - y ) 2 + ( z N - z ) 2の連立方程式を ( x, y, z ) について解けばよい。
未知数は 3 つなので、式は 3 つ有ればよい。つまり最低でも衛星が 3 つ必要となる。これは、図 4 のように、ユーザ位置を、送信源からの距離が一定の球面の交点として求めることに照応する。
ただし先にも述べたとおり、上記説明は、受信側で図 5 本校における NTP サーバの概要図

衛星搭載の原子時計と同程度の正確な時計を持っていることを前提としている。実際には受信装置に内蔵された時計は低精度であり、衛星搭載の正確な時計とのこのシステムで使用している TS-820（古野電気製）時刻差が存在するので、この時差を未知数として取りという GPS タイムサーバは、GPS の測位演算プロセス扱い式を立てる。i 番目の GPS 衛星とユーザ受信機ので得られる±1μsec の精度で UTC 時刻に同期している

正確な距離を ri [m]、受信機の時計の誤差を δ [sec] 、1 秒パルスを用いたタイムサーバである。

受信機の時計誤差を含む測定時間差から求めた疑似距
離を ri ' [m] とするとその間の関係は

r 'i = ri + cδとなる。
したがって(r '1 -cδ ) 2 = ( x1 - x) 2 + ( y1 - y ) 2 + ( z1 - z ) 2(r '2 -cδ ) 2 = ( x2 - x) 2 + ( y2 - y ) 2 + ( z 2 - z ) 2(r '3 -cδ ) 2 = ( x3 - x) 2 + ( y3 - y ) 2 + ( z3 - z ) 2・・・・・
図 6 タイムサーバ TS-820（古野電気製）(r ' N -cδ ) 2 = ( x N - x) 2 + ( y N - y ) 2 + ( z N - z ) 2の連立方程式を ( x, y , z , δ ) について解けばよい。未知数が４つなので、式は最低４つ必要であり、したがって衛星は最低でも 4 個必要となる。
つまり、受信機の時計の誤差を δ [sec] を求める事が可能であり、これは言い換えると衛星が 4 個以上用意できれば、正確な時刻を求めることが可能であると言うことができる。
4.

本校における NTP サーバの概要
本校における NTP サーバの概要図を図 5 に示す。4)

図7

152

NTP サーバ （デル製）

河口尚宏 他 ： 本校におけるNTP サーバの運用と利用法

5.

NTP サーバの運用、評価

表 1 に 2012 年 10 月以前の受信状況の一部、表 2 に2012 年 9 月中旬、本校の屋上に、GPS アンテナの取2012 年 10 月以降の受信状況の一部を示す。
date - timeof fse t- time (ms) of fse t- time - var sync ( OK2 0 11 / 1 2 / 1 3 / 2 1 :0 7 :0 1- 1 .5 0 7
1 .7 4 7 O K
2 0 11 / 1 2 / 1 3 / 2 1 :1 2 :0 1
- 0 .3 8 50 .0 4 6 O K
2 0 11 / 1 2 / 1 3 / 2 1 :1 7 :0 1
- 0 .5 3 20 .0 5 O K
2 0 11 / 1 2 / 1 3 / 2 1 :2 0 :0 1- 0 .5 4 10 .0 1 2 O K
2 0 11 / 1 2 / 1 3 / 2 1 :2 5 :0 1 N/ AN/ ANG
2 0 11 / 1 2 / 1 3 / 2 1 :3 0 :0 1 N/ AN/ ANG
2 0 11 / 1 2 / 1 3 / 2 1 :3 5 :0 1 N/ AN/ ANG
2 0 11 / 1 2 / 1 3 / 2 1 :4 0 :0 1 N/ AN/ ANG
2 0 11 / 1 2 / 1 3 / 2 1 :4 5 :0 1 N/ AN/ ANG
2 0 11 / 1 2 / 1 3 / 2 1 :5 0 :0 1- 0 .3 2 60 .0 0 5 O K
2 0 11 / 1 2 / 1 3 / 2 1 :5 5 :0 1- 0 .3 7 8
0 .0 4 6 O K
2 0 11 / 1 2 / 1 3 / 2 2 :0 0 :0 1- 0 .0 5 10 .0 1 6 O K
2 0 11 / 1 2 / 1 3 / 2 2 :0 5 :0 1- 0 .0 5 20 .0 0 5 O K
2 0 11 / 1 2 / 1 3 / 2 2 :1 0 :0 1- 0 .0 2 20 .0 0 4 O K
2 0 11 / 1 2 / 1 3 / 2 2 :1 5 :0 1
- 0 .0 1 70 .0 0 1 O K

り付け工事を行った。
これは以前取り付けていた場所が、受信に不十分だったため、行った工事である。
十分に重量のあるコンクリートブロックに、図 9 の写真のように、穴を開けねじ止めをした。ブロックは 2つ用意してそれらを針金で結ぶことにより、さらに十分な重量を得るように工夫をした。

表 1 2012 年 10 月以前の受信状況の一部
2 0 12 / 1 0 / 1 4 / 1 1 :5 5 :0 12 0 12 / 1 0 / 1 4 / 1 2 :0 0 :0 12 0 12 / 1 0 / 1 4 / 1 2 :0 5 :0 12 0 12 / 1 0 / 1 4 / 1 2 :1 0 :0 1
2 0 12 / 1 0 / 1 4 / 1 2 :1 5 :0 12 0 12 / 1 0 / 1 4 / 1 2 :2 0 :0 12 0 12 / 1 0 / 1 4 / 1 2 :2 5 :0 12 0 12 / 1 0 / 1 4 / 1 2 :3 0 :0 12 0 12 / 1 0 / 1 4 / 1 2 :3 5 :0 12 0 12 / 1 0 / 1 4 / 1 2 :4 0 :0 12 0 12 / 1 0 / 1 4 / 1 2 :4 5 :0 12 0 12 / 1 0 / 1 4 / 1 2 :5 0 :0 12 0 12 / 1 0 / 1 4 / 1 2 :5 5 :0 12 0 12 / 1 0 / 1 4 / 1 3 :0 0 :0 1
2 0 12 / 1 0 / 1 4 / 1 3 :0 5 :0 1

図 8 GPS アンテナ 全体図0 .0 0 1- 0 .0 0 10 .0 0 10 .0 0 20 .0 0 40 .0 0 70 .0 0 20 .0 0 50 .0 0 80 .0 0 3- 0 .0 0 1- 0 .0 0 3- 0 .0 0 5- 0 .0 0 5- 0 .0 0 60 .0 0 2 O K
0 .0 0 1 O K
0 .0 0 1 O K
0 .0 0 1 O K
0 .0 0 1 O K
0 .0 0 2 O K
0 .0 0 1 O K
0 .0 0 1 O K
0 .0 0 1 O K
0 .0 0 1 O K
0 .0 0 2 O K
0 .0 0 1 O K
0 .0 0 2 O K
0 .0 0 1 O K
0 .0 0 1 O K

表 2 2012 年 10 月以降の受信状況の一部
offset- time は、GPS 衛星が提供する正確なUTC とNTPサーバ(stratum1)の時刻差を示す。
offset-time-var はoffsettime の変動の目安となる分散である。単位はミリ秒である。末尾の OK は衛星を４個以上補足し正確な時刻が得られた状態（同期）を示している。NG はこれに失敗したことと示している。
この工事を行った後の受信状況は改善された。現在までのところ、受信状況の欄で NG は出ていない。

図 9 GPS アンテナ 取り付け部

図 102012 年 10 月 15 日 時間差データ
153

香川高等専門学校研究紀要 4(2013)

図 10 に 2012 年 10 月 15 日の 7 時から 10 時まで 5 分

ms-delay とは、マイクロソフトの NTP サーバと、本毎に、時間差をとったデータをグラフ化したものを示校の入り口となるサーバとの往復時間となる。

す。また、図 11 には、offset-time の絶対値の度数分布

sinet-delay も同様に、サイネットの NTP サーバと本校表を示す。図 10 及び図 11 における時間の単位はマイとの入り口となるサーバとの往復時間である。
ms-offset は、本校 NTP サーバとマイクロソフトのクロ秒に変換している。
図 11 からも分かるように、サンプル数 37 個のうちNTP サーバとの時間差、sinet-offset は、サイネットの31 個、つまり全体の84％が4μS 以内で収まっている。

NTP サーバと、本校の NTP サーバとの時間差となる。

また offset-time の絶対値の標準偏差も 1.66 であり、ばjitter とは、offset の変動の目安となる分散を表していらつきも少ない。極めて精度が高いといえる。

る。
3 月 2 日の ms-offset の絶対値の平均値は 10.6[ms]、12sinet-offset の絶対値の平均値は 130[μs]であり、本校と10の NTP サーバとのずれは大きなものである。このことは、表 3、及び表 4 の数値からも一目瞭然であろう。

8ms-delay や sinet-delay とは、先ほど説明したように、本校の NTP サーバと相手側の NTP サーバとの通信時度 6数4間である。マイクロソフトはアメリカにサーバがあるため、サイネットより時間がかかっている。これらのことから、通信に時間がかかれば、当然のことながら、2時刻のずれが大きくなるという証左であり、自前のNTP サーバを構築する利点を証明することになる。

01

2345678

謝辞
本原稿を作成するにあたり、多くの人から多大なるoffset-timeの絶対値 (μS)

支援を受けました。この場を借りて感謝の意を表した
図 11 offset-time の絶対値の度数分布

いと思います。

次に、他の公開NTP サーバとの比較を行った。
今回、参考文献

比較対象としたのは、マイクロソフトとサイネットの

1)

NTP サーバである。サイネットとは、国立情報学研究

http://www.marubun.co.jp/product/network/ntp/qgc18e0000

所が、構築運用している情報通信ネットワークである。

010oqg-att/symmetricom_wp_1.pdf

表 3 及び、表 4 に 3 月 2 日に行った他の NTP サーバ

2)“ ネットワークにおける時刻同期の重要性 ”“ NTP 入門 ”との比較データの一部を示す。時間の単位はミリ秒でhttp://www.nisoc.or.jp/~karl/nisoc/ntp.pptある。

3)

date
2013/03/02/00:00:01
2013/03/02/00:20:01
2013/03/02/00:40:01
2013/03/02/01:00:01
2013/03/02/01:20:01
2013/03/02/01:40:01
2013/03/02/02:00:01

ms- de lay ms- off se t ms- jitte r
163.595
22.2514.801
163.595
22.251
5.586
163.834
16.6655.524
163.592
20.77
9.629
163.957
17.5757.322
163.599
11.13
6.445
163.0916.5394.391

4) ファン ティ ホン ザン：“ FreeBSD と xntpd を用いた GPS タイムサーバーの構築 ”
詫間電波工業高等専門学校 平成11年度情報通信工学科卒業研究論文(2000)

表 3 マイクロソフトの NTP サーバとの比較の一部
date2013/03/02/00:00:01
2013/03/02/00:20:01
2013/03/02/00:40:01
2013/03/02/01:00:01
2013/03/02/01:20:01
2013/03/02/01:40:01
2013/03/02/02:00:01

野村清英：“ GPS と物理 ”
http://maya.phys.kyushu-u.ac.jp/~knomura/museum/GPS/sin e t- de lay sin e t- of fse t sin e t- jitter
25.8740.067
0.041
25.8710.076
0.009
25.8450.069
0.007
25.8450.069
0.087
26.0740.235
0.254
26.0740.235
3.744
25.8930.067
1.138

表 4 サイネットの NTP サーバとの比較の一部

154河口尚宏 他 ： 本校におけるNTP サーバの運用と利用法

付録 本校の NTP サーバの利用方法

4.設定の変更をクリックする。

以下に本校のNTP サーバの利用方法について説明しておく。以下を参考にして、利用していただければ幸いである。OS は Windows Vista. Windows7 であることを前提にしているので、他の OS については読み替えていただきたい。
1.時計の部分をクリックする。
2.日付と時刻の設定の変更というところをクリックする。

42
1

3.インターネット時刻というタブをクリックする。

5.サーバーのところに NTP サーバのアドレスを入力して、今すぐ更新をクリックする。OK ボタンをクリックする。その後は、自動的に適切な時間間隔で更新され3る。
NTP サーバのアドレスは、センターへ問い合わせてください。

5155