使用SNTP协议获取时间

要了解SNTP，首先需要了解NTP协议。SNTP是NTP的子集，简化了NTP的许多算法和步骤，得到了效率，但时间的精度不如NTP，可是对于民用时间来说足够了，大概最多差距几秒的样子。

 

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时间戳

NTP时间戳是该协议的重要产品，用来对时间进行精确表示。它由一个64位无符号浮点数组成，整数部分为头32位，小数部分为后32位；单位为秒，时间相对于1900年1月零点。它能表示的最大数字为4，294，967，295秒，同时具有232PS的精确性，这能满足最苛刻的时间要求。值得注意的是在1968年的某一个时间（2，147，483，648秒）时间戳的最高位已被设置为1，在2036年的某一个时间（4，294，967，295秒）64位字段将会溢出，所有位将会被置为零，此时的时间戳将会被视为无效。为了解决这一问题，尽量延长SNTP时间戳的使用时间，一种可能的办法为：如果最高位设置为1，UTC时间范围为1968-2036之间，时间计算起点从1900年1月0点0分0秒开始计算；如果最高位设置为0，UTC时间范围为2036-2104之间，时间计算起点从2036年2月7日6点28分16秒开始计算；

 

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：当前时间闰秒标志。字段长度为2位整数，只在服务器端有效。取值定义为：

LI=0：无警告；

LI=1：最后一分钟是61秒；

LI=2：最后一分钟是59秒；

LI=3：警告（时钟没有同步）

服务器在开始时，LI设置为3，一旦与主钟取得同步后就设置成其它值。

 

l  VN（Version Number）：长度为3比特，表示NTP的版本号，可以是3或者是4

Mode：指示协议模式。字段长度为3位，取值定义为：

Mode=0：保留

Mode=1：对称主动；

Mode=2：对称被动；

Mode=3：客户；

Mode=4：服务器；

Mode=5：广播；

Mode=6：保留为NTP控制信息；

Mode=7：保留为用户定义；

在单播和多播模式，客户在请求时把这个字段设置为3，服务器在响应时把这个字段设置为4。在广播模式下，服务器把这个字段设置为5。

 

l  Poll Interval：指示数据包的最大时间间隔，以秒为单位，作为2的指数方的指数部分，该字段只在服务器端有效。字段长度为8位整数，取值范围从4-17，即16秒到131,072秒。

 

l  Precision：指示系统时钟的精确性，以秒为单位，作为2的指数方的指数部分，该字段只在服务器端有效。字段长度为8位符号整数，取值范围从-6到-20。

 

l  Root Delay：指示与主时钟参考源的总共往返延迟，以秒为单位，该字段只在服务器端有效。字段长度为32位浮点数，小数部分在16位以后，取值范围从负几毫秒到正几百毫秒。

 

l  Root Dispersion：指示与主时钟参考源的误差，以秒为单位，该字段只在服务器端有效。字段长度为32位浮点数，小数部分在16位以后，取值范围从零毫秒到正几百毫秒。

 

l  Reference Identifier：指示时钟参考源的标记，该字段只在服务器端有效。对于一级服务器，字段长度为4字节ASCII字符串，左对齐不足添零。对于二级服务器，在IPV4环境下，取值为一级服务器的IP地址，在IPV6环境下，是一级服务器的NSAP地址。

 

l  Reference Timestamp：指示系统时钟最后一次校准的时间，该字段只在服务器端有效，以前面所述64位时间戳格式表示。

 

l  Originate Timestamp：指示客户向服务器发起请求的时间，以前面所述64位时间戳格式表示。

l  Receive Timestamp：指服务器收到客户请求的时间 ，以前面所述64位时间戳格式表示。

 

l  Transmit Timestamp：指示服务器向客户发时间戳的时间，以前面所述64位时间戳格式表示。

l  Authenticator（可选）：当需要进行SNTP认证时，该字段包含密钥和信息加密码

 

国内可用的NTP Server

1.cn.pool.ntp.org

2.cn.pool.ntp.org

3.cn.pool.ntp.org

0.cn.pool.ntp.org

cn.pool.ntp.org

tw.pool.ntp.org

0.tw.pool.ntp.org

1.tw.pool.ntp.org

2.tw.pool.ntp.org

3.tw.pool.ntp.org

这十台服务器从地理位置上说离我们最近，它们所提供给我们的时间与标准时间之间的差别也最小，在国内使用，精度完全够用！

用python实现sntp客户端

#coding=utf-8
import socket
import struct
import sys
import time

NTP_SERVER = '2.cn.pool.ntp.org'
#1970年的NTP时间戳
TIME1970 =2208988800L

def sntp_client():
    client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
    
    
    #客户端主要构造前三个字段即可，后面所有位都填充0
    #'\x23' 展开为 00 100 011 分别填充LI, VN, Mode字段
    #余下的47 * 8 = 376位都填充0
    data = '\x23' + 47 * '\0'  
    client.sendto(data, (NTP_SERVER, 123))
    data, address = client.recvfrom(1024)
    if data:
        print 'Response received from:', address
    
    #得到Transmit Timestamp：即服务器向客户发时间戳的时间 
    t = struct.unpack( '!12I', data)[10]
    
    #减去1970年的NTP时间，得到Unix时间戳
    t -= TIME1970
    print '\tTime=%s' % time.ctime(t)

if __name__ == '__main__':
    sntp_client()

 

1970年的NTP时间戳获得

不同的时间戳只不过是相对的时间点不同，NTP时间戳是距1900年1月1日0点0分0秒的秒数，而Unix时间戳是距1970年1月1日0点0分0秒的秒数。我们想知道1970年的NTP时间戳，实际上是1970年和1900年之间的秒数。而这个数字也等于 abs(1900年的Unix时间戳)。

所以我们可以利用在线Unix时间戳转换工具算出这个值。取正之后，就是1970年的NTP时间戳。

本来想用Python算出这个值，可是python的mktime函数不支持1970年以前的时间。

不知道有没有其它的函数可以算出，等以后遇到后可以再补充。