通过NTP协议进行时间同步

最近发现手机的时间不是很准了，便到网上下了一个同步时间的小程序，简单了看了一下它的原理，是通过NTP协议来实现校时的，就顺便学习了一下NTP协议，用C#写了个简单的实现。

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工作原理

NTP的基本工作原理如下图所示。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。

        

   

• 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。

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（仅用于需要网络管理的场合，与本文无关，这里不做介绍）。

NTP基于UDP报文进行传输，使用的UDP端口号为123；时钟同步报文封装在UDP报文中，其格式如下图所示。

        

   

主要字段的解释如下：

• 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。
• 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。
• 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。
• 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。
• Poll：轮询时间，即两个连续NTP报文之间的时间间隔。
• Precision：系统时钟的精度。
• Root Delay：本地到主参考时钟源的往返时间。
• Root Dispersion：系统时钟相对于主参考时钟的最大误差。
• Reference Identifier：参考时钟源的标识。
• Reference Timestamp：系统时钟最后一次被设定或更新的时间。
• Originate Timestamp：NTP请求报文离开发送端时发送端的本地时间。
• Receive Timestamp：NTP请求报文到达接收端时接收端的本地时间。
• Transmit Timestamp：应答报文离开应答者时应答者的本地时间。
• Authenticator：验证信息。

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");

        }

    }

   

   

当然，我这里只是在造重复轮子，网上是有不少功能完整的开源项目的。另外，如果对SNTPv4（RFC 2030）感兴趣的，可以参考一下这个页面上的实现——Simple Network Time (NTP) Protocol Client。

最后，附上几个可以使用（不保证，具体能用否还得看电信和方校长的心情）的NTP服务器：

• 133.100.11.8 prefer
• 210.72.145.44
• 203.117.180.36
• 131.107.1.10
• time.asia.apple.com
• 64.236.96.53
• 130.149.17.21
• 66.92.68.246
• 18.145.0.30
• clock.via.net
• 137.92.140.80
• 133.100.9.2
• 128.118.46.3
• ntp.nasa.gov
• 129.7.1.66ntp-sop.inria.frserver
• 210.72.145.44(中国国家授时中心服务器IP地址)
• ntp.sjtu.edu.cn (上海交通大学网络中心NTP服务器地址）
• 202.120.2.101 (上海交通大学网络中心NTP服务器地址）