Linux下 C/C++ NTP网络时间协议详解

NTP（Network Time Protocol，网络时间协议）是由RFC 1305定义的时间同步协议。它是通过网络在计算机系统之间进行时钟同步的网络协议。NTP 在公共互联网上通常能够保持时间延迟在几十毫秒以内的精度，并在理想条件下，它能在局域网下达到低于一毫秒的延迟精度。它使用用户数据报协议（UDP）在端口 123 上发送和接受时间戳。它是个 C/S 架构的应用程序。

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。
以上内容只是对NTP工作原理的一个粗略描述.

/*** T1，客户端发送请求时的 本地系统时间戳；* T2，服务端接收到客户端请求时的 本地系统时间戳；* T3，服务端发送应答数据包时的 本地系统时间戳；* T4，客户端接收到服务端应答数据包时的 本地系统时间戳。*/

NTP 报文格式

/** Dissecting NTP packets version 3 and 4 (RFC5905, RFC2030, RFC1769, RFC1361,* RFC1305).** Those packets have simple structure:*                      1                   2                   3*  0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1* +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+* |LI | VN  |Mode |    Stratum    |     Poll      |   Precision   |* +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+* |                          Root Delay                           |* +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+* |                       Root Dispersion                         |* +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+* |                    Reference Identifier                       |* +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+* |                   Reference Timestamp (64)                    |* |                                                               |* +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+* |                   Originate Timestamp (64)                    |* |                                                               |* +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+* |                    Receive Timestamp (64)                     |* |                                                               |* +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+* |                    Transmit Timestamp (64)                    |* |                                                               |* +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+* |                 Key Identifier (optional) (32)                |* +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+* |                 Message Digest (optional) (128/160)           |* |                                                               |* |                                                               |* |                                                               |* +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+* NTP timestamps are represented as a 64-bit unsigned fixed-point number,* in seconds relative to 0h on 1 January 1900. The integer part is in the* first 32 bits and the fraction part in the last 32 bits.*** NTP Control messages as defined in version 2, 3 and 4 (RFC1119, RFC1305) use* the following structure:*                      1                   2                   3*  0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1* +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+* |00 | VN  | 110 |R E M| OpCode  |           Sequence            |* +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+* |            Status             |        Association ID         |* +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+* |            Offset             |             Count             |* +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+* |                                                               |* |                     Data (468 octets max)                     |* |                                                               |* |                               |        Padding (zeros)        |* +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+* |                 Authenticator (optional) (96)                 |* |                                                               |* |                                                               |* +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+** Not yet implemented: complete dissection of TPCTRL_OP_SETTRAP,* NTPCTRL_OP_ASYNCMSG, NTPCTRL_OP_UNSETTRAPSETTRAP Control-Messages**/

NTP Version 3
NTP Version 4

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）

NTP的工作模式

NTP支持以下几种工作模式：

 1.客户端/服务器模式2.对等体模式3.广播模式4.组播模式

用户可以根据需要选择一种或几种工作模式进行时间同步，我们主要讲解客户端/服务器模式。

工作过程：

客户端上需要手工指定NTP服务器的地址。客户端向NTP服务器发送NTP时间同步报文。NTP服务器收到报文后会自动工作在服务器模式，并回复应答报文如果客户端可以从多个时间服务器获取时间同步，则客户端收到应答报文后，进行时钟过滤和选择，并与优选的时钟进行时间同步

一些常用的 NTP 服务器地址：

ntp.tencent.com
ntp1.tencent.com
ntp2.tencent.com
ntp3.tencent.com
ntp4.tencent.com
ntp5.tencent.com
ntp.aliyun.com
ntp1.aliyun.com
ntp2.aliyun.com
ntp3.aliyun.com
ntp4.aliyun.com
ntp5.aliyun.com
ntp6.aliyun.com
ntp7.aliyun.com
time.edu.cn
s2c.time.edu.cn
s2f.time.edu.cn

NTP客户端连接服务器获取网络时间戳

typedef enum xntp_mode_t
{ntp_mode_unknow     = 0,  ///< 未定义ntp_mode_initiative = 1,  ///< 主动对等体模式ntp_mode_passive    = 2,  ///< 被动对等体模式ntp_mode_client     = 3,  ///< 客户端模式ntp_mode_server     = 4,  ///< 服务器模式ntp_mode_broadcast  = 5,  ///< 广播模式或组播模式ntp_mode_control    = 6,  ///< 报文为 NTP 控制报文ntp_mode_reserved   = 7,  ///< 预留给内部使用
} xntp_mode_t;static x_void_t output_tu(x_cstring_t xszt_info, xtime_vnsec_t xtm_vnsec)
{printf("%s : ", xszt_info);output_ns(xtm_vnsec);printf("\n");
}/**********************************************************/
/***打上信息标号，输出 NTP 时间戳 的 具体时间信息。*/
static x_void_t output_tm(x_cstring_t xszt_info, xtime_stamp_t * xtm_stamp)
{printf("%s : ", xszt_info);output_ts(xtm_stamp);printf("\n");
}...
xtime_vnsec_t ntpcli_get_time(x_cstring_t xszt_host,x_uint16_t xut_port,x_uint32_t xut_tmout)
{x_int32_t     xit_errno = EPERM;xtime_vnsec_t xtm_vnsec = XTIME_INVALID_VNSEC;xntp_cliptr_t xntp_this = X_NULL;do{xntp_this = ntpcli_open();if (X_NULL == xntp_this){break;}xit_errno = ntpcli_config(xntp_this, xszt_host, xut_port);if (0 != xit_errno){errno = xit_errno;break;}xtm_vnsec = ntpcli_req_time(xntp_this, xut_tmout);} while (0);if (X_NULL != xntp_this){ntpcli_close(xntp_this);xntp_this = X_NULL;}return xtm_vnsec;
}
/**********************************************************/
/***初始化 NTP 的请求数据包。*/
static x_void_t ntp_init_req_packet(xntp_pack_t * xnpt_dptr)
{
...xnpt_dptr->xct_lvmflag   = NTP_LI_VN_MODE(0, 3, ntp_mode_client);xnpt_dptr->xct_stratum   = 0;xnpt_dptr->xct_ppoll     = 4;xnpt_dptr->xct_percision = (x_char_t)(-6);xnpt_dptr->xut_rootdelay = (1 << 16);xnpt_dptr->xut_rootdisp  = (1 << 16);xnpt_dptr->xut_refid     = 0;xnpt_dptr->xtms_reference.xut_seconds  = 0;xnpt_dptr->xtms_reference.xut_fraction = 0;xnpt_dptr->xtms_originate.xut_seconds  = 0;xnpt_dptr->xtms_originate.xut_fraction = 0;xnpt_dptr->xtms_receive  .xut_seconds  = 0;xnpt_dptr->xtms_receive  .xut_fraction = 0;xnpt_dptr->xtms_transmit .xut_seconds  = 0;xnpt_dptr->xtms_transmit .xut_fraction = 0;
}/**********************************************************/
/*** 发送 NTP 请求，获取服务器时间戳。*/
xtime_vnsec_t ntpcli_req_time(xntp_cliptr_t xntp_this, x_uint32_t xut_tmout)
{x_int32_t xit_errno = EPERM;// 参数验证if (X_NULL == xntp_this){errno = EINVAL;return XTIME_INVALID_VNSEC;}if (name_is_ipv4(xntp_this->xszt_host, X_NULL))xit_errno = ntpcli_get_4T(xntp_this, xntp_this->xszt_host, xut_tmout);elsexit_errno = ntpcli_get_4T_by_name(xntp_this, xut_tmout);if (0 != xit_errno){errno = xit_errno;return XTIME_INVALID_VNSEC;}return ntp_calc_4T(xntp_this->xtm_4time);
}/** 常用的 NTP 服务器地址列表 */
x_cstring_t xszt_host[] =
{"ntp.tencent.com" ,"ntp1.tencent.com","ntp2.tencent.com","ntp3.tencent.com","ntp4.tencent.com","ntp5.tencent.com","ntp1.aliyun.com" ,"ntp2.aliyun.com" ,"ntp3.aliyun.com" ,"ntp4.aliyun.com" ,"ntp5.aliyun.com" ,"ntp6.aliyun.com" ,"ntp7.aliyun.com" ,"time.edu.cn"     ,"s2c.time.edu.cn" ,"s2f.time.edu.cn" ,"s2k.time.edu.cn" ,X_NULL
};/** 网络地址（IP 或 域名）类型 */
typedef x_char_t x_host_t[TEXT_LEN_256];/*** 命令选项的各个参数。*/
typedef struct xopt_args_t
{x_bool_t   xbt_usage; ///< 是否显示帮助信息x_uint16_t xut_port;  ///< NTP 服务器端口号（默认值为 123）x_host_t   xntp_host; ///< NTP 服务器地址x_int32_t  xit_rept;  ///< 请求重复次数（默认值为 1）x_uint32_t xut_tmout; ///< 网络请求的超时时间（单位为 毫秒，默认值取 3000）
} xopt_args_t;/** 简单的判断 xopt_args_t 的有效性 */
#define XOPT_VALID(xopt) (('\0' != (xopt).xntp_host[0]) && ((xopt).xit_rept > 0))/**********************************************************/
/*** 字符串忽略大小写的比对操作。*/
static x_int32_t xstr_icmp(x_cstring_t xszt_lcmp, x_cstring_t xszt_rcmp)
{x_int32_t xit_lvalue = 0;x_int32_t xit_rvalue = 0;if (xszt_lcmp == xszt_rcmp)return 0;if (X_NULL == xszt_lcmp)return -1;if (X_NULL == xszt_rcmp)return 1;do{if (((xit_lvalue = (*(xszt_lcmp++))) >= 'A') && (xit_lvalue <= 'Z'))xit_lvalue -= ('A' - 'a');if (((xit_rvalue = (*(xszt_rcmp++))) >= 'A') && (xit_rvalue <= 'Z'))xit_rvalue -= ('A' - 'a');} while (xit_lvalue && (xit_lvalue == xit_rvalue));return (xit_lvalue - xit_rvalue);
}/**********************************************************/
/***显示应用程序的 命令行格式。*/
x_void_t usage(x_cstring_t xszt_app)
{x_int32_t xit_iter = 1;printf("Usage:\n %s [-h] [-n <number>] -s <host> [-p <port>] [-t <msec>]\n", xszt_app);printf("\t-h          Output usage.\n");printf("\t-n <number> The times of repetition.\n");printf("\t-s <host>   The host of NTP server, IP or domain.\n");printf("\t-p <port>   The port of NTP server, default 123.\n");printf("\t-t <msec>   Network request timeout in milliseconds, default 3000.\n");printf("\nCommon NTP server:\n");for (xit_iter = 0; X_NULL != xszt_host[xit_iter]; ++xit_iter){printf("\t%s\n", xszt_host[xit_iter]);}printf("\n");
}/**********************************************************/
/*** 从命令行中，提取工作的选项参数信息。*/
x_void_t get_opt(x_int32_t xit_argc, x_cstring_t xszt_argv[], xopt_args_t * xopt_args)
{
...for (; xit_iter < xit_argc; ++xit_iter){if (!xopt_args->xbt_usage && (0 == xstr_icmp("-h", xszt_argv[xit_iter]))){xopt_args->xbt_usage = X_TRUE;}else if (0 == xstr_icmp("-s", xszt_argv[xit_iter])){if ((xit_iter + 1) < xit_argc){
...}}else if (0 == xstr_icmp("-n", xszt_argv[xit_iter])){if ((xit_iter + 1) < xit_argc)xopt_args->xit_rept = atoi(xszt_argv[++xit_iter]);}else if (0 == xstr_icmp("-p", xszt_argv[xit_iter])){if ((xit_iter + 1) < xit_argc)xopt_args->xut_port = (x_uint16_t)atoi(xszt_argv[++xit_iter]);}else if (0 == xstr_icmp("-t", xszt_argv[xit_iter])){if ((xit_iter + 1) < xit_argc)xopt_args->xut_tmout = (x_uint32_t)atoi(xszt_argv[++xit_iter]);}}
}int main(int argc, char * argv[])
{
...do{get_opt(argc, argv, &xopt_args);if (!XOPT_VALID(xopt_args)){usage(argv[0]);break;}if (xopt_args.xbt_usage){usage(argv[0]);}xntp_this = ntpcli_open();if (X_NULL == xntp_this){printf("ntpcli_open() return X_NULL, errno : %d\n", errno);break;}ntpcli_config(xntp_this, xopt_args.xntp_host, xopt_args.xut_port);for (xit_iter = 0; xit_iter < xopt_args.xit_rept; ++xit_iter){xtm_vnsec = ntpcli_req_time(xntp_this, xopt_args.xut_tmout);if (XTMVNSEC_IS_VALID(xtm_vnsec)){xtm_ltime = time_vnsec();xtm_descr = time_vtod(xtm_vnsec);xtm_local = time_vtod(xtm_ltime);printf("\n[%d] %s:%d : \n",xit_iter + 1,xopt_args.xntp_host,xopt_args.xut_port);printf("\tNTP response : [ %04d-%02d-%02d %d %02d:%02d:%02d.%03d ]\n",xtm_descr.ctx_year  ,xtm_descr.ctx_month ,xtm_descr.ctx_day   ,xtm_descr.ctx_week  ,xtm_descr.ctx_hour  ,xtm_descr.ctx_minute,xtm_descr.ctx_second,xtm_descr.ctx_msec  );printf("\tLocal time   : [ %04d-%02d-%02d %d %02d:%02d:%02d.%03d ]\n",xtm_local.ctx_year  ,xtm_local.ctx_month ,xtm_local.ctx_day   ,xtm_local.ctx_week  ,xtm_local.ctx_hour  ,xtm_local.ctx_minute,xtm_local.ctx_second,xtm_local.ctx_msec  );printf("\tDeviation    : %lld us\n",((x_int64_t)(xtm_ltime - xtm_vnsec)) / 10LL);}else{printf("\n[%d] %s:%d : errno = %d\n",xit_iter + 1,xopt_args.xntp_host,xopt_args.xut_port,errno);}}} while (0);if (X_NULL != xntp_this){ntpcli_close(xntp_this);xntp_this = X_NULL;}
...return 0;
}
...

运行结果：

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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。

• tcpdump抓包分析

NTP协议应用于分布式时间服务器和客户端之间，实现客户端和服务器的时间同步，从而使网络内所有设备的时钟基本保持一致。下面的报文是客户端连接服务器时产生的交互过程。

• NTP协议解析

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总结

NTP客户端启动与NTP服务器的时间请求交换。交换的结果是，客户端能够计算链路延迟及其本地偏移，并调整其本地时钟以匹配服务器计算机上的时钟。

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参考：1.RFC 1305
2.http://ntp.neu.edu.cn/archives/92/
3.http://ntp.neu.edu.cn/archives/95