实现基于NTP协议的网络校时功能

无论PC端还是移动端系统都自带时间同步功能，基于的都是NTP协议，这里使用C#来实现基于NTP协议的网络校时功能（也就是实现时间同步）。

1、NTP原理

NTP【Network Time Protocol】是用来使计算机时间同步化的一种协议，它可以使计算机对其服务器或时钟源（如石英钟，GPS等等)做同步化，它可以提供高精准度的时间校正（LAN上与标准间差小于1毫秒，WAN上几十毫秒），且可介由加密确认的方式来防止恶毒的协议攻击。

先介绍下NTP数据包格式（其标准化文档为RFC2030，NTP版本是第4版本）：

                           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)               |
      |                                                               |
      |                                                               |
      +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

其中协议字段的含义如下所示：

      LI：跳跃指示器，警告在当月最后一天的最终时刻插入的迫近闺秒（闺秒）。0表示无警告，1表示最后一分钟有61秒，2表示最后一分钟有59秒，3表示告警状态，时钟未被同步。 

      VN：版本号。这里是4。 

     Mode：工作模式。该字段包括以下值：0－预留；1－对称行为；3－客户机；4－服务器；5－广播；6－NTP控制信息。NTP协议具有3种工作模式，分别为主/被动对称模式、客户/服务器模式、广播模式。在主/被动对称模式中，有一对一的连接，双方均可同步对方或被对方同步，先发出申请建立连接的一方工作在主动模式下，另一方工作在被动模式下； 客户/服务器模 式与主/被动模式基本相同，惟一区别在于客户方可被服务器同步，但服务器不能被客户同步；在广播模式中，有一对多的连接，服务器不论客户工作 在何种模式下，都会主动发出时间信息，客户根据此信息调整自己的时间。

     Stratum：对本地时钟级别的整体识别。 

     Poll：有符号整数表示连续信息间的最大间隔。

     Precision：有符号整数表示本地时钟精确度。

     Root Delay：表示到达主参考源的一次往复的总延迟，它是有15～16位小数部分的符号定点小 数。

     Root Dispersion：表示一次到达主参考源的标准误差，它是有15～16位小数部分的无符号 定点小数。

     Reference Identifier：识别特殊参考源。 

     Originate Timestamp：NTP请求报文离开发送端是发送端的本地时间，采用64位时标格式。 

     Receive Timestamp：NTP请求报文接收到时接收端的本地时间，采用64位时标格式。

     Transmit Timestamp：这是应答报文离开应答者时应答者的本地时间，采用64位时标格式。

 

这里采用的是客户端请求服务器的模式，所以只介绍客户端模式报文发送，可选项不需要，如下

    字段名称                   单播
                              请求报文    响应报文
      ------------------------------------------------
      LI                      0          0-2
      VN                      4          3-4
      Mode                    3          4
      Stratum                 0          1-14
      Poll                    0          ignore
      Precision               0          ignore
      Root Delay              0          ignore
      Root Dispersion         0          ignore
      Reference Identifier    0          ignore
      Reference Timestamp     0          ignore
      Originate Timestamp     0          请求报文发送时间（T1）
      Receive Timestamp       0          请求报文到达服务端时间（T2）
      Transmit Timestamp    本地时间（T1） 服务端应答报文离开时服务端本地时间（T3）      

可以看到客户端发送本地时间（T1）过去后，服务端响应报文会将客户端报文发送时间放在字段Originate Timestamp字段中发回来，同时报文中带有请求报文到达服务端的时间（T2)和服务端应答报文离开服务端时的服务端时间（T3），而客户端接收到来自服务端发送的响应报文时的本地时间为T4，根据这四个参数可以计算：

NTP报文的往返时延delay=（T4-T1）-（T3-T2）

客户端与服务端时间差（时钟补偿）offset=（（T2-T1）+（T3-T4））/2

以上时间差计算是假定报文往返相同的情况下，如果请求报文时延和响应报文所花费时间不一致，则计算的时间差offset并不准确(一般来说肯定有误差，误差最大为往返时延的1/2)，但这点精度还在容忍范围。如此可以计算服务器端时间ServerTime = LocalTime + offset。

2、代码实现

2.1 报文构造

前面已经讲过，发送的报文Mode为3，版本为4，发送时间是本地时间，其余字段为0，代码如下（可选项不用）

 private const byte NTPDataLength = ;
 // NTP 数据包 (基于RFC 2030)
 byte[] NTPData = new byte[NTPDataLength];

  //NTP数据包初始化
 private void Initialize()
 {
      //版本4，模式客户端（3）
      NTPData[] = 0x1B;
      //其他初始化为0
      for (int i = ; i < ; i++)
      {
             NTPData[i] = ;
       }
       //发送端本地时间
       TransmitTimestamp = DateTime.Now;
 }

   2.2报文发送

NTP协议基于UDP，端口号为123，报文构造好后则发送报文，需要先获取NTP服务器端地址，百度搜索下第一个就是豆瓣的，笔者使用的是上海交通大学网络中心NTP服务器地址ntp.sjtu.edu.cn，参照国外一位作者的代码（该代码写于2001年，后续笔者会对该代码进行部分改动并封装，后面会放出改动的代码），通过域名解析的方式获得IP地址，然后进行连接。

 //在DNS服务器中查询NTP服务器的IP 地址（这里就不要输入IP地址了，否则报错）
 IPHostEntry hostadd = Dns.GetHostEntry(TimeServer);
 IPEndPoint EPhost = new IPEndPoint(hostadd.AddressList[], );

 //连接NTP服务器
 UdpClient TimeSocket = new UdpClient();
 TimeSocket.Connect(EPhost);

 //初始化NTP数据报文
 Initialize();
 //发送NTP报文
 TimeSocket.Send(NTPData, NTPData.Length);

2.3报文接收

    报文接收后，首先要记录接收报文时的本地时间，代码非常简单，如下

 NTPData = TimeSocket.Receive(ref EPhost);
 //记录接收到报文时的本地时间
 ReceptionTimestamp = DateTime.Now; 

2.4报文解析

首先介绍下时间格式，如下所示，时间分为秒和秒的小数部分，左边是高位，右边是低位，代码如下：

                        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
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                           Seconds                             |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                  Seconds Fraction (0-padded)                  |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

 private ulong GetMilliSeconds(byte offset)
 {
     ulong intpart = , fractpart = ;

     for (int i = ; i <= ; i++)
     {
         intpart =  * intpart + NTPData[offset + i];
     }
     for (int i = ; i <= ; i++)
     {
         fractpart =  * fractpart + NTPData[offset + i];
     }

     ulong milliseconds = intpart *  + (fractpart * ) / 0x100000000L;
     return milliseconds;
 }

主要讲解下秒的小数部分的表示，小数部分由32位整数表示，如果全部为1，并除以以0x100000000，也就是0xFFFFFFFF/0x100000000=0.999999999767(后面的就省略了)，可以看到通过换算小数部分最大值可以精确表示到0.999999999，也就是纳秒级别，这里忽略了大约200多皮秒的时间。对我们来说，只要毫秒时间可以了，所以毫秒计算公式为

milliseconds = 1000* fraction / 0x100000000

获得总毫秒时间后换算为具体年月日时间，代码如下

 private DateTime ComputeDate(ulong milliseconds)
 {
     TimeSpan span =TimeSpan.FromMilliseconds((double)milliseconds);
     DateTime time = new DateTime(, , );
     time += span;
     return time;
 }

基于此，计算上面所讲的T1、T2、T3

  // T1 请求报文客户端时间
 public DateTime OriginateTimestamp
 {
     get
     {
           return
 ComputeDate(GetMilliSeconds(offOriginateTimestamp));
     }
 }

 // T2 接收到请求报文时服务器端时间
 public DateTime ReceiveTimestamp
 {
     get
     {
         DateTime time = ComputeDate(GetMilliSeconds(offReceiveTimestamp));
         // 协调世界时转为当地时间
         TimeSpan offspan = TimeZone.CurrentTimeZone.GetUtcOffset(DateTime.Now);
         return time + offspan;
     }
 }

 // T3 响应报文发送时服务器端时间
 public DateTime TransmitTimestamp
 {
     get
     {
         DateTime time = ComputeDate(GetMilliSeconds(offTransmitTimestamp));
         // 协调世界时转为当地时间
        TimeSpan offspan = TimeZone.CurrentTimeZone.GetUtcOffset(DateTime.Now);
        return time + offspan;
     }
 }

这样可以计算得到时钟补偿offset = (ReceiveTimestamp - OriginateTimestamp) - (ReceptionTimestamp - TransmitTimestamp)

 3、代码封装

    代码封装基于原国外代码基础之上，重复造车轮意义不大，原代码没有进行时钟补偿，直接使用了服务器端发送时间即 TransmitTimestamp(T3)，对其封装后直接获取当前时间就可以了，不用再做修改了，代码如下(比较简单，就没有注释了)

     public class BeijingTime
     {
         private const string HOST = "ntp.sjtu.edu.cn";  

         private static BeijingTime _instance = null;
         private NTPClient _client;

         private TimeSpan _tsClock = new TimeSpan();

         private bool _IsConnect = false;       //没有建立连接

         private BeijingTime()
         {
             _client = new NTPClient(HOST);
         }

         public bool IsConnect
         {
             get { return _IsConnect; }
         }

         public DateTime BeijingTimeNow
         {
             get { return DateTime.Now.Add(_tsClock); }
         }

         /// <summary>
         /// 设置本地时间，返回失败可能是因为权限不足，请在管理员权限下使用
         /// </summary>
         /// <param name="dtLocal"></param>
         /// <returns></returns>
         public bool SetLocalTime(DateTime dtLocal)
         {
             return _client.SetTime(dtLocal);
         }

         public bool Connect()
         {
             try
             {
                 _client.Connect();
                 _IsConnect = true;
                 _tsClock = new TimeSpan(_client.LocalClockOffset);  

                 return true;
             }
             catch (Exception)
             {
                 _IsConnect = false;
                 return false;
             }
         }

         public static BeijingTime Instance
         {
             get
             {
                 if (_instance == null)
                 {
                     _instance = new BeijingTime();
                 }

                 return _instance;
             }
         }
     }

4、测试结果

下载封装好的代码，如下方式调用

 static void Main(string[] args)
 {
     Utility.BeijingTime beijing = Utility.BeijingTime.Instance;
     beijing.Connect();
     Console.WriteLine(string.Format("时钟补偿:{0:f6}",(beijing.BeijingTimeNow - DateTime.Now).TotalSeconds));
     Console.WriteLine(string.Format("本地时间:{0}",beijing.BeijingTimeNow.ToString()));
     Console.ReadLine();
 }

结果如下：因为本身使用Windows自带同步功能同步过，所以结果还是蛮精确的

5、后记

    网上虽然有很多相关介绍的文章，但个别地方讲的并不仔细，大多代码也不能直接拿来用，就参照国外的源代码和RFC2030文档写了这篇文章，并修改了代码，方便不愿意看原理的人直接下载代码就可以使用。NTP协议内容很多，这里只讲了客户端请求服务端的方式。限于笔者个人水平，文章中难免会出现疏漏，还望指正。

参考文章

1、http://blog.sina.com.cn/s/blog_772ee6f30100pbzw.html

2、http://www.ietf.org/rfc/rfc2030.txt

3、http://blog.163.com/yzc_5001/blog/static/2061963420121283050787/