NTP协议详解

前言
NTP(Network Time Protocol）网络时间协议基于UDP，用于网络时间同步的协议，使网络中的计算机时钟同步到UTC，再配合各个时区的偏移调整就能实现精准同步对时功能。提供NTP对时的服务器有很多，比如微软的NTP对时服务器，利用NTP服务器提供的对时功能，可以使我们的设备时钟系统能够正确运行。

NTP报文格式

NTP报文格式如上图所示，它的字段含义参考如下：

LI 闰秒标识器，占用2个bit
VN 版本号，占用3个bits，表示NTP的版本号，现在为3
Mode 模式，占用3个bits，表示模式
stratum（层），占用8个bits
Poll 测试间隔，占用8个bits，表示连续信息之间的最大间隔
Precision 精度，占用8个bits，，表示本地时钟精度
Root Delay根时延，占用8个bits，表示在主参考源之间往返的总共时延
Root Dispersion根离散，占用8个bits，表示在主参考源有关的名义错误
Reference Identifier参考时钟标识符，占用8个bits，用来标识特殊的参考源
参考时间戳，64bits时间戳，本地时钟被修改的最新时间。
原始时间戳，客户端发送的时间，64bits。
接受时间戳，服务端接受到的时间，64bits。
传送时间戳，服务端送出应答的时间，64bits。
认证符（可选项）

抛开复杂的协议报文，我们来理解一下NTP客户端与服务器的交互过程，进而理解参考时间戳、原始时间戳、接受时间戳、传送时间戳的关系。如图，客户端和服务端都有一个时间轴，分别代表着各自系统的时间，当客户端想要同步服务端的时间时，客户端会构造一个NTP协议包发送到NTP服务端，客户端会记下此时发送的时间t0，经过一段网络延时传输后，服务器在t1时刻收到数据包，经过一段时间处理后在t2时刻向客户端返回数据包，再经过一段网络延时传输后客户端在t3时刻收到NTP服务器数据包。特别声明，t0和t3是客户端时间系统的时间、t1和t2是NTP服务端时间系统的时间，它们是有区别的。对于时间要求不那么精准设备，直接使用NTP服务器返回t2时间也没有太大影响。但是作为一个标准的通信协议，它是精益求精且容不得过多误差的，于是必须计算上网络的传输延时。客户端与服务端的时间系统的偏移定义为θ、网络的往返延迟定义为δ，基于此，可以对t2进行精确的修正，已达到相关精度要求，它们的计算公式如下：

式中：

t0是请求数据包传输的客户端时间戳

t1是请求数据包回复的服务器时间戳

t2是响应数据包传输的服务器时间戳

t3是响应数据包回复的客户端时间戳

对此，我们只需将NTP服务端返回的时间t2加上网络延时δ的一半就可以了（t2+δ/2）。

NTP请求样例
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/time.h>
#include <netdb.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <dirent.h>
#include <time.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>

#define debugprintf 1
#ifdef debugprintf
   #define debugpri(mesg, args...) fprintf(stderr, "[NetRate print:%s:%d:] " mesg "\n", __FILE__, __LINE__, ##args)
#else
   #define debugpri(mesg, args...)
#endif

#define JAN_1970        0x83aa7e80
#define NTPFRAC(x) (4294 * (x) + ((1981 * (x))>>11))
#define USEC(x) (((x) >> 12) - 759 * ((((x) >> 10) + 32768) >> 16))
#define Data(i) ntohl(((unsigned int *)data)[i])
#define LI 0
#define VN 3
#define MODE 3
#define STRATUM 0
#define POLL 4
#define PREC -6
struct NtpTime
{
   unsigned int coarse;
   unsigned int fine;
};

void sendPacket(int fd)
{
   unsigned int data[12];
   struct timeval now;

   if (sizeof(data) != 48)
   {
   fprintf(stderr,"size error\n");
   return;
   }

   memset((char*)data, 0, sizeof(data));
   data[0] = htonl((LI << 30) | (VN << 27) | (MODE << 24) | (STRATUM << 16) | (POLL << 8) | (PREC & 0xff));//构造协议头部信息
   data[1] = htonl(1<<16);
   data[2] = htonl(1<<16);
   gettimeofday(&now, NULL);
   data[10] = htonl(now.tv_sec + JAN_1970);//构造传输时间戳
   data[11] = htonl(NTPFRAC(now.tv_usec));
   send(fd, data, 48, 0);
}
//获取NTP服务器返回的时间
void getNewTime(unsigned int *data,struct timeval *ptimeval)
{
   struct NtpTime trantime;
   trantime.coarse = Data(10);
   trantime.fine = Data(11);

   ptimeval->tv_sec    = trantime.coarse - JAN_1970;
   ptimeval->tv_usec    = USEC(trantime.fine);
}

int getNtpTime(struct hostent* phost,struct timeval *ptimeval)
{
   if(phost == NULL)
   {
       debugpri("err:host is null!\n");
       return -1;
   }
   int sockfd;
   struct sockaddr_in addr_src,addr_dst;
   fd_set fds;
   int ret;
   int recv_len;
   unsigned int buf[12];
   memset(buf,0,sizeof(buf));
   int addr_len;
   int count = 0;

   struct timeval timeout;

   addr_len = sizeof(struct sockaddr_in);

   memset(&addr_src, 0, addr_len);
   addr_src.sin_family = AF_INET;
   addr_src.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
   addr_src.sin_port = htons(0);

   memset(&addr_dst, 0, addr_len);
   addr_dst.sin_family = AF_INET;
   memcpy(&(addr_dst.sin_addr.s_addr), phost->h_addr_list[0], 4);
   addr_dst.sin_port = htons(123);//ntp默认端口123

   if(-1==(sockfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,IPPROTO_UDP)))//创建UDP socket
   {
       debugpri("create socket error!\n");
       return -1;
   }

   ret = bind(sockfd, (struct sockaddr*)&addr_src, addr_len);//bind
   if(-1==ret)
   {
       debugpri("bind error!\n");
       close(sockfd);
       return -1;
   }

   ret = connect(sockfd, (struct sockaddr*)&addr_dst, addr_len);//连接NTP服务器
   if(-1==ret)
   {
       debugpri("connect error!\n");
       close(sockfd);
       return -1;
   }
   sendPacket(sockfd);   //发送请求包
   while (count < 50)//轮询请求
   {
       FD_ZERO(&fds);
       FD_SET(sockfd, &fds);

       timeout.tv_sec = 0;
       timeout.tv_usec = 100000;
       ret = select(sockfd + 1, &fds, NULL, NULL, &timeout);
       if (0 == ret)
       {
           count++;
           debugpri("ret == 0\n");
           sendPacket(sockfd);
           usleep(100*1000);
           continue;
       }
       if(FD_ISSET(sockfd, &fds))
       {
           recv_len = recvfrom(sockfd, buf, sizeof(buf), 0, (struct sockaddr *)&addr_dst, (socklen_t*)&addr_len);
           if(-1==recv_len)
           {
               debugpri("recvfrom error\n");
               close(sockfd);
               return -1;
           }
           else if(recv_len > 0)
           {
               debugpri("receiv data\n");
               getNewTime(buf,ptimeval);
               debugpri("sec = %d usec = %d",ptimeval->tv_sec ,ptimeval->tv_usec);//打印输出NTP服务器返回的时间
               break;
           }
       }
       else
       {
           debugpri("count %d \n",count);
           usleep(50*1000);
           count ++;
       }
   }
   if(count >=50)
   {
       debugpri("getNewTime timeout fail \n");
       close(sockfd);
       return -1;
   }
   close(sockfd);
   return 0;
}

int main(int argc, char** argv)
{
   struct timeval TimeSet;
   static struct hostent *host = NULL;

   host = gethostbyname(argv[1]);
   memset(&TimeSet ,0 ,sizeof(TimeSet));
   getNtpTime(host,&TimeSet);
   return 0;

}
常用的NTP服务端站点
time.windows.com