NTP（Network Time Protocol，網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議）是由RFC 1305定義的時間同步協(xié)議，用來在分布式時間服務(wù)器和客戶端之間進(jìn)行時間同步。NTP基于UDP報文進(jìn)行傳輸，使用的UDP端口號為123。

使用NTP的目的是對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有具有時鐘的設(shè)備進(jìn)行時鐘同步，使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有設(shè)備的時鐘保持一致，從而使設(shè)備能夠提供基于統(tǒng)一時間的多種應(yīng)用。

對于運行NTP的本地系統(tǒng)，既可以接收來自其他時鐘源的同步，又可以作為時鐘源同步其他的時鐘，并且可以和其他設(shè)備互相同步。

NTP工作原理

NTP的基本工作原理如圖所示。Device A和Device B通過網(wǎng)絡(luò)相連，它們都有自己獨立的系統(tǒng)時鐘，需要通過NTP實現(xiàn)各自系統(tǒng)時鐘的自動同步。為便于理解，作如下假設(shè)：

在Device A和Device B的系統(tǒng)時鐘同步之前，Device A的時鐘設(shè)定為10:00:00am，Device B的時鐘設(shè)定為11:00:00am。

?Device B作為NTP時間服務(wù)器，即Device A將使自己的時鐘與Device B的時鐘同步。

?? NTP報文在Device A和Device B之間單向傳輸所需要的時間為1秒。

?????? 系統(tǒng)時鐘同步的工作過程如下：

?? Device A發(fā)送一個NTP報文給Device B，該報文帶有它離開Device A時的時間戳，該時間戳為10:00:00am（T1）。

? 當(dāng)此NTP報文到達(dá)Device B時，Device B加上自己的時間戳，該時間戳為11:00:01am（T2）。

? 當(dāng)此NTP報文離開Device B時，Device B再加上自己的時間戳，該時間戳為11:00:02am（T3）。

? 當(dāng)Device A接收到該響應(yīng)報文時，Device A的本地時間為10:00:03am（T4）。

至此，Device A已經(jīng)擁有足夠的信息來計算兩個重要的參數(shù)：

?NTP報文的往返時延Delay=（T4-T1）-（T3-T2）=2秒。

? Device A相對Device B的時間差offset=（（T2-T1）+（T3-T4））/2=1小時。

這樣，Device A就能夠根據(jù)這些信息來設(shè)定自己的時鐘，使之與Device B的時鐘同步。

NTP的報文格式

NTP有兩種不同類型的報文，一種是時鐘同步報文，另一種是控制報文。控制報文僅用于需要網(wǎng)絡(luò)管理的場合，它對于時鐘同步功能來說并不是必需的，這里不做介紹。

?

主要字段的解釋如下：

l????????????? LI（Leap Indicator）：長度為2比特，值為“11”時表示告警狀態(tài)，時鐘未被同步。為其他值時NTP本身不做處理。

l????????????? VN（Version Number）：長度為3比特，表示NTP的版本號，目前的最新版本為3。

l????????????? Mode：長度為3比特，表示NTP的工作模式。不同的值所表示的含義分別是：0未定義、1表示主動對等體模式、2表示被動對等體模式、3表示客戶模式、4表示服務(wù)器模式、5表示廣播模式或組播模式、6表示此報文為NTP控制報文、7預(yù)留給內(nèi)部使用。

l????????????? Stratum：系統(tǒng)時鐘的層數(shù)，取值范圍為1～16，它定義了時鐘的準(zhǔn)確度。層數(shù)為1的時鐘準(zhǔn)確度最高，準(zhǔn)確度從1到16依次遞減，層數(shù)為16的時鐘處于未同步狀態(tài)，不能作為參考時鐘。

l????????????? Poll：輪詢時間，即兩個連續(xù)NTP報文之間的時間間隔。

l????????????? Precision：系統(tǒng)時鐘的精度。

l????????????? Root Delay：本地到主參考時鐘源的往返時間。

l????????????? Root Dispersion：系統(tǒng)時鐘相對于主參考時鐘的最大誤差。

l????????????? Reference Identifier：參考時鐘源的標(biāo)識。

l????????????? Reference Timestamp：系統(tǒng)時鐘最后一次被設(shè)定或更新的時間。

l????????????? Originate Timestamp：NTP請求報文離開發(fā)送端時發(fā)送端的本地時間。

l????????????? Receive Timestamp：NTP請求報文到達(dá)接收端時接收端的本地時間。

l????????????? Transmit Timestamp：應(yīng)答報文離開應(yīng)答者時應(yīng)答者的本地時間。

l????????????? Authenticator：驗證信息。

NTP的工作模式

?設(shè)備可以采用多種NTP工作模式進(jìn)行時間同步：

?????????? ? 客戶端/服務(wù)器模式

?????????? ??對等體模式

?????????? ?廣播模式

????????? ? 組播模式

用戶可以根據(jù)需要選擇合適的工作模式。在不能確定服務(wù)器或?qū)Φ润wIP地址、網(wǎng)絡(luò)中需要同步的設(shè)備很多等情況下，可以通過廣播或組播模式實現(xiàn)時鐘同步；客戶端/服務(wù)器和對等體模式中，設(shè)備從指定的服務(wù)器或?qū)Φ润w獲得時鐘同步，增加了時鐘的可靠性。
1. 客戶端/服務(wù)器模式

在客戶端/服務(wù)器模式中，客戶端向服務(wù)器發(fā)送時鐘同步報文，報文中的Mode字段設(shè)置為3（客戶模式）。服務(wù)器端收到報文后會自動工作在服務(wù)器模式，并發(fā)送應(yīng)答報文，報文中的Mode字段設(shè)置為4（服務(wù)器模式）。客戶端收到應(yīng)答報文后，進(jìn)行時鐘過濾和選擇，并同步到優(yōu)選的服務(wù)器。

在該模式下，客戶端能同步到服務(wù)器，而服務(wù)器無法同步到客戶端。

2. 對等體模式

?在對等體模式中，主動對等體和被動對等體之間首先交互Mode字段為3（客戶端模式）和4（服務(wù)器模式）的NTP報文。之后，主動對等體向被動對等體發(fā)送時鐘同步報文，報文中的Mode字段設(shè)置為1（主動對等體），被動對等體收到報文后自動工作在被動對等體模式，并發(fā)送應(yīng)答報文，報文中的Mode字段設(shè)置為2（被動對等體）。經(jīng)過報文的交互，對等體模式建立起來。主動對等體和被動對等體可以互相同步。如果雙方的時鐘都已經(jīng)同步，則以層數(shù)小的時鐘為準(zhǔn)

3. 廣播模式

在廣播模式中，服務(wù)器端周期性地向廣播地址255.255.255.255發(fā)送時鐘同步報文，報文中的Mode字段設(shè)置為5（廣播模式）。客戶端偵聽來自服務(wù)器的廣播報文。當(dāng)客戶端接收到第一個廣播報文后，客戶端與服務(wù)器交互Mode字段為3（客戶模式）和4（服務(wù)器模式）的NTP報文，以獲得客戶端與服務(wù)器間的網(wǎng)絡(luò)延遲。之后，客戶端就進(jìn)入廣播客戶端模式，繼續(xù)偵聽廣播報文的到來，根據(jù)到來的廣播報文對系統(tǒng)時鐘進(jìn)行同步。

4. 組播模式

在組播模式中，服務(wù)器端周期性地向用戶配置的組播地址（若用戶沒有配置組播地址，則使用默認(rèn)的NTP組播地址224.0.1.1）發(fā)送時鐘同步報文，報文中的Mode字段設(shè)置為5（組播模式）。客戶端偵聽來自服務(wù)器的組播報文。當(dāng)客戶端接收到第一個組播報文后，客戶端與服務(wù)器交互Mode字段為3（客戶模式）和4（服務(wù)器模式）的NTP報文，以獲得客戶端與服務(wù)器間的網(wǎng)絡(luò)延遲。之后，客戶端就進(jìn)入組播客戶模式，繼續(xù)偵聽組播報文的到來，根據(jù)到來的組播報文對系統(tǒng)時鐘進(jìn)行同步。

NTP時間同步的實現(xiàn)

有了上述基礎(chǔ)知識后，我們就可以實現(xiàn)自己的時間同步工具了，下文附了一個簡單的C#的實現(xiàn)。

????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;???????????//系統(tǒng)時鐘的層數(shù)，取值范圍為1～16，它定義了時鐘的準(zhǔn)確度

????????byte?Poll = 1;??????????????//輪詢時間，即兩個連續(xù)NTP報文之間的時間間隔

????????byte?Precision = 1;?????????//系統(tǒng)時鐘的精度

????????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的版本號為3

????????????var?Mode =?"011";???????//客戶模式

?

????????????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時間中，時間是用64bit來表示的，記錄的是1900年后的秒數(shù)（utc格式）

?????????????*?高32位是整數(shù)部分，低32位是小數(shù)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");

????????}

????}

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的通过NTP协议进行时间同步的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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