简单的NTP客户端实现

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基于UDP报文进行传输，使用的UDP端口号为123。

使用NTP的目的是对网络内所有具有时钟的设备进行时钟同步，使网络内所有设备的时钟保持一致，从而使设备能够提供基于统一时间的多种应用。

对于运行NTP的本地系统，既可以接收来自其他时钟源的同步，又可以作为时钟源同步其他的时钟，并且可以和其他设备互相同步。

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。

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。控制报文仅用于需要网络管理的场合，它对于时钟同步功能来说并不是必需的，这里不做介绍。



 

主要字段的解释如下：

l              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。

l              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。

l              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。

l              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。

l              Poll：轮询时间，即两个连续NTP报文之间的时间间隔。

l              Precision：系统时钟的精度。

l              Root Delay：本地到主参考时钟源的往返时间。

l              Root Dispersion：系统时钟相对于主参考时钟的最大误差。

l              Reference Identifier：参考时钟源的标识。

l              Reference Timestamp：系统时钟最后一次被设定或更新的时间。

l              Originate Timestamp：NTP请求报文离开发送端时发送端的本地时间。

l              Receive Timestamp：NTP请求报文到达接收端时接收端的本地时间。

l              Transmit Timestamp：应答报文离开应答者时应答者的本地时间。

l              Authenticator：验证信息。

NTP的工作模式

 设备可以采用多种NTP工作模式进行时间同步：

             客户端/服务器模式

             对等体模式

            广播模式

            组播模式

用户可以根据需要选择合适的工作模式。在不能确定服务器或对等体IP地址、网络中需要同步的设备很多等情况下，可以通过广播或组播模式实现时钟同步；客户端/服务器和对等体模式中，设备从指定的服务器或对等体获得时钟同步，增加了时钟的可靠性。

以上信息来自于http://blog.163.com/yzc_5001/blog/static/2061963420121283050787/

下面是NTP客户端实现代码：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <netdb.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/time.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

#define SUB70 0x83aa7e80U		//1900-1970之间的时间差
#define NTP_PORT 123
#define NTP_SERVER "120.24.166.46"

#define uint32 unsigned int
#define uint64 unsigned long long

#define LI 0
#define VN 3
#define MODE 3
#define STRATUM 0
#define POLL 4
#define PREC -6

typedef struct _ntppack
{
uint32 li_vn;		    //LI VN MODE STRATUM POLL PRECISION
uint32 root_delay;	    //本地到主参考时钟源的往返时间
uint32 root_dispersion;		//系统时钟相对于主参考时钟的最大误差
uint32 reference_identifier;  //参考时钟源标识

uint64 reference_time;    //T4  系统时间最后一次被改变
uint64 originate_time;    //T1  离开发送端时发送端的时间
uint64 receive_time;      //T2  到达服务器时服务器的时间
uint64 transmit_time;     //T3  离开服务器时服务器的时间
}NTP;

NTP send_pack,recv_pack;
uint64 firsttime,finaltime;
uint64 delaytime,diftime;

void init(void)
{
send_pack.li_vn = htonl((LI << 30)|(VN << 27)|(MODE << 24)|(STRATUM << 16)|(POLL << 8)|(PREC & 0xff));
firsttime = (long long)time(NULL)+SUB70;

send_pack.reference_time = htonl(firsttime);
}

int main(void)
{
int sock;
struct sockaddr_in addr;
struct timeval tv1;

if((sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP)) < 0)
{
perror("socket");
exit(1);
}

memset(&addr, 0, sizeof(addr));
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(NTP_PORT);
addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(NTP_SERVER);

init();

sendto(sock, &send_pack, sizeof(send_pack), 0, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(struct sockaddr));

recv(sock, &recv_pack, sizeof(recv_pack), 0);<span style="white-space:pre">	</span>//block

/****转换字节序****/
recv_pack.root_delay = ntohl(recv_pack.root_delay);
recv_pack.root_dispersion = ntohl(recv_pack.root_dispersion);
recv_pack.reference_identifier = ntohl(recv_pack.reference_identifier);
recv_pack.reference_time = ntohl(recv_pack.reference_time);
recv_pack.originate_time = ntohl(recv_pack.originate_time);
recv_pack.receive_time = ntohl(recv_pack.receive_time);
recv_pack.transmit_time = ntohl(recv_pack.transmit_time);

diftime = ((recv_pack.receive_time - firsttime) +(recv_pack.transmit_time - finaltime)) >> 1;

delaytime = ((finaltime - firsttime) - (recv_pack.transmit_time - recv_pack.receive_time)) >> 1;

tv1.tv_sec = time(NULL)+diftime+delaytime;
tv1.tv_usec = 0;

if(settimeofday(&tv1, NULL) < 0)
{
perror("settimeofday");
exit(1);
}

system("date");

return 0;
}