通过NTP协议进行时间同步

NTP（Network Time Protocol，网络时间协议）是由RFC 1305定义的时间同步协议，用来在分布式时间服务器和客户端之间进行时间同步。NTP基于UDP报文进行传输，使用的UDP端口号为123。

使用NTP的目的是对网络内所有具有时钟的设备进行时钟同步，使网络内所有设备的时钟保持一致，从而使设备能够提供基于统一时间的多种应用。

对于运行NTP的本地系统，既可以接收来自其他时钟源的同步，又可以作为时钟源同步其他的时钟，并且可以和其他设备互相同步。

NTP工作原理

NTP的基本工作原理如图所示。Device A和Device B通过网络相连，它们都有自己独立的系统时钟，需要通过NTP实现各自系统时钟的自动同步。为便于理解，作如下假设：

在Device A和Device B的系统时钟同步之前，Device A的时钟设定为10:00:00am，Device B的时钟设定为11:00:00am。

Device B作为NTP时间服务器，即Device A将使自己的时钟与Device B的时钟同步。

NTP报文在Device A和Device B之间单向传输所需要的时间为1秒。

系统时钟同步的工作过程如下：

Device A发送一个NTP报文给Device B，该报文带有它离开Device A时的时间戳，该时间戳为10:00:00am（T1）。

当此NTP报文到达Device B时，Device B加上自己的时间戳，该时间戳为11:00:01am（T2）。

当此NTP报文离开Device B时，Device B再加上自己的时间戳，该时间戳为11:00:02am（T3）。

当Device A接收到该响应报文时，Device A的本地时间为10:00:03am（T4）。

至此，Device A已经拥有足够的信息来计算两个重要的参数：

NTP报文的往返时延Delay=（T4-T1）-（T3-T2）=2秒。

Device A相对Device B的时间差offset=（（T2-T1）+（T3-T4））/2=1小时。

这样，Device A就能够根据这些信息来设定自己的时钟，使之与Device B的时钟同步。

NTP的报文格式

NTP有两种不同类型的报文，一种是时钟同步报文，另一种是控制报文。控制报文仅用于需要网络管理的场合，它对于时钟同步功能来说并不是必需的，这里不做介绍。

主要字段的解释如下：

l LI（Leap Indicator）：长度为2比特，值为“11”时表示告警状态，时钟未被同步。为其他值时NTP本身不做处理。

l VN（Version Number）：长度为3比特，表示NTP的版本号，目前的最新版本为3。

l Mode：长度为3比特，表示NTP的工作模式。不同的值所表示的含义分别是：0未定义、1表示主动对等体模式、2表示被动对等体模式、3表示客户模式、4表示服务器模式、5表示广播模式或组播模式、6表示此报文为NTP控制报文、7预留给内部使用。

l Stratum：系统时钟的层数，取值范围为1～16，它定义了时钟的准确度。层数为1的时钟准确度最高，准确度从1到16依次递减，层数为16的时钟处于未同步状态，不能作为参考时钟。

l Poll：轮询时间，即两个连续NTP报文之间的时间间隔。

l Precision：系统时钟的精度。

l Root Delay：本地到主参考时钟源的往返时间。

l Root Dispersion：系统时钟相对于主参考时钟的最大误差。

l Reference Identifier：参考时钟源的标识。

l Reference Timestamp：系统时钟最后一次被设定或更新的时间。

l Originate Timestamp：NTP请求报文离开发送端时发送端的本地时间。

l Receive Timestamp：NTP请求报文到达接收端时接收端的本地时间。

l Transmit Timestamp：应答报文离开应答者时应答者的本地时间。

l Authenticator：验证信息。

NTP的工作模式

设备可以采用多种NTP工作模式进行时间同步：

客户端/服务器模式

对等体模式

广播模式

组播模式

用户可以根据需要选择合适的工作模式。在不能确定服务器或对等体IP地址、网络中需要同步的设备很多等情况下，可以通过广播或组播模式实现时钟同步；客户端/服务器和对等体模式中，设备从指定的服务器或对等体获得时钟同步，增加了时钟的可靠性。
1. 客户端/服务器模式

在客户端/服务器模式中，客户端向服务器发送时钟同步报文，报文中的Mode字段设置为3（客户模式）。服务器端收到报文后会自动工作在服务器模式，并发送应答报文，报文中的Mode字段设置为4（服务器模式）。客户端收到应答报文后，进行时钟过滤和选择，并同步到优选的服务器。

在该模式下，客户端能同步到服务器，而服务器无法同步到客户端。

2. 对等体模式

在对等体模式中，主动对等体和被动对等体之间首先交互Mode字段为3（客户端模式）和4（服务器模式）的NTP报文。之后，主动对等体向被动对等体发送时钟同步报文，报文中的Mode字段设置为1（主动对等体），被动对等体收到报文后自动工作在被动对等体模式，并发送应答报文，报文中的Mode字段设置为2（被动对等体）。经过报文的交互，对等体模式建立起来。主动对等体和被动对等体可以互相同步。如果双方的时钟都已经同步，则以层数小的时钟为准

3. 广播模式

在广播模式中，服务器端周期性地向广播地址255.255.255.255发送时钟同步报文，报文中的Mode字段设置为5（广播模式）。客户端侦听来自服务器的广播报文。当客户端接收到第一个广播报文后，客户端与服务器交互Mode字段为3（客户模式）和4（服务器模式）的NTP报文，以获得客户端与服务器间的网络延迟。之后，客户端就进入广播客户端模式，继续侦听广播报文的到来，根据到来的广播报文对系统时钟进行同步。

4. 组播模式

在组播模式中，服务器端周期性地向用户配置的组播地址（若用户没有配置组播地址，则使用默认的NTP组播地址224.0.1.1）发送时钟同步报文，报文中的Mode字段设置为5（组播模式）。客户端侦听来自服务器的组播报文。当客户端接收到第一个组播报文后，客户端与服务器交互Mode字段为3（客户模式）和4（服务器模式）的NTP报文，以获得客户端与服务器间的网络延迟。之后，客户端就进入组播客户模式，继续侦听组播报文的到来，根据到来的组播报文对系统时钟进行同步。

NTP时间同步的实现

有了上述基础知识后，我们就可以实现自己的时间同步工具了，下文附了一个简单的C#的实现。

class NptClient

{

IPAddress ntpServer;

public NptClient(IPAddress ntpServer)

{

this.ntpServer = ntpServer;

}

public DateTime GetServerTime()

{

var startTime = DateTime.Now;

var ntpTime = NTPData.Test(ntpServer);

var recvTime = DateTime.Now;

var offset = ((ntpTime.ReceiveTimestamp - startTime) + (ntpTime.TransmitTimestamp - recvTime));

offset = offset.Subtract(TimeSpan.FromSeconds(offset.TotalSeconds / 2));

return recvTime + offset;

}

[StructLayout(LayoutKind.Sequential)]

class NTPData

{

byte header = 0;

byte Stratum = 1; //系统时钟的层数，取值范围为1～16，它定义了时钟的准确度

byte Poll = 1; //轮询时间，即两个连续NTP报文之间的时间间隔

byte Precision = 1; //系统时钟的精度

BigEndianUInt32 rootDelay;

BigEndianUInt32 referenceIdentifier;

BigEndianUInt32 ReferenceIdentifier;

public NtpTime ReferenceTimestamp { get; private set; }

public NtpTime OriginateTimestamp { get; private set; }

public NtpTime ReceiveTimestamp { get; private set; }

public NtpTime TransmitTimestamp { get; private set; }

public NTPData()

{

this.header = GetHeader();

}

byte GetHeader()

{

var LI = "00";

var VN = "011"; //NTP的版本号为3

var Mode = "011"; //客户模式

return Convert.ToByte(LI + VN + Mode, 2);

}

public static NTPData Test(IPAddress ntpServer)

{

var data = MarshalExtend.GetData(new NTPData());

var udp = new System.Net.Sockets.UdpClient();

udp.Send(data, data.Length, new IPEndPoint(ntpServer, 123));

var ep = new IPEndPoint(IPAddress.Any, 0);

var replyData = udp.Receive(ref ep);

return MarshalExtend.GetStruct<NTPData>(replyData, replyData.Length);

}

[StructLayout(LayoutKind.Sequential)]

class NtpTime

{

BigEndianUInt32 seconds;

BigEndianUInt32 fraction;

static readonly DateTime baseTime = new DateTime(1900, 1, 1, 0, 0, 0, DateTimeKind.Utc);

public static implicit operator DateTime(NtpTime time)

{

/* rfc1305的ntp时间中，时间是用64bit来表示的，记录的是1900年后的秒数（utc格式）

* 高32位是整数部分，低32位是小数部分 */

var milliseconds = (int)(((double)time.fraction / uint.MaxValue) * 1000);

return baseTime.AddSeconds(time.seconds).AddMilliseconds(milliseconds).ToLocalTime();

}

public override string ToString()

{

return ((DateTime)this).ToString("o");

}

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