NTP协议介绍及实现方案

1 NTP协议简介 ............................................................................................................................... 2

2 NTP协议实现原理 ....................................................................................................................... 2

2.1 NTP协议的分层结构 ........................................................................................................ 2

2.2 NTP协议的对时方式 ........................................................................................................ 3

2.3 NTP协议的工作模式 ........................................................................................................ 4

3 NTP报文格式 ............................................................................................................................... 4

4 NTP实现方案 ............................................................................................................................... 7

4.1 服务器端实现方案 ............................................................................................................ 9

4.2 客户端实现方案 .............................................................................................................. 11

5 遗留问题..................................................................................................................................... 12

6 参考文献..................................................................................................................................... 12

1 NTP协议简介

NTP（Network Time Protocol，网络时间协议）是由RFC1305定义的时间同步协议，用来在分布时间服务器和客户端之间进行时钟同步，同时也是一个因特网标准，它采用应用层同步方法将计算机时钟和UTC时间（格林尼治时间）进行同步，因此时间精度不高，一般在10ms到100ms之间。

NTP协议属于应用层协议，定义了协议实现过程中所使用的结构、算法、实体和协议，它是基于IP和UDP的，也可以被其它协议组使用。

NTP协议时OSI参考模型的最高层协议，符合UDP传输协议格式，拥有专用端口123。NTP协议是OSI参考模型的高层协议，符合UDP传输协议格式，拥有专用端口123，在嵌入式linux系统中，采用Server/Cilent的模式来实现网络通信，客户端主动提出申请，而服务器端被动打开。又由于使用UDP套接字建立连接的好处在于，只有被该套接字指定为远程地址的计算机端口才能向该套接字发送数据，如果没有建立连接，任何IP地址和端口都能将数据发送到这个UDP套接字上。所以采用建立连接的UDP套接字来传输时间信息。

2 NTP协议实现原理

2.1 NTP协议的分层结构

NTP采用分层的方法来定义时钟的准确性，可分为从0~15共16个级别，级别编码越低，精确度和重要性越高。第0级设备是时间同步网络的基准时间参考源，位于同步子网络的顶端，目前普遍采用全球卫星定位系统，即由GPS播出的UTC时间代码。级别(n+1)从级别n获取时间。

图1 NTP协议分层结构图 子网络中的设备可以扮演多重角色，可以做客户机、服务器，也可以做对等机。比如图1中的第二层设备，对于第一层来讲是客户机，对于第三层来讲是服务器，对于第二层其它设备来讲可以是对等机。NTP协议就是通过这种网络层

状结构一层一层延伸下去，为其它设备提供对时服务。

2.2 NTP协议的对时方式

NTP协议的精确对时主要是在主从工作方式下实现的。NTP算法首先要根据服务器和客户端的往返报文来确定两地时钟的差值和报文在网络中传输的延迟。求出多组差值和延迟值之后，将误差明显很大的去掉，然后根据时钟选择算法选则合适的时延来调整客户端时钟。

假设客户方A要向服务器方B请求时间服务。A首先要生成一个标准的NTP查询信息包，通过网络发送到B。B收到查询信息包后，根据自己的本地时间，生成一个标准的NTP时间信息包，通过网络发回给A。具体过程如图2所示。

图2 NTP服务器和客户端对时过程

图2中，T1为客户方发送查询请求时间，T2为服务器收到查询请求的时间，T3为服务器回复时间信息包的时间，T4为客户方收到时间信息包的时间。T1包含在A发到B的查询信息包中，到了B方后，B记下T2和T3的时间，并将其写到回复给A的时间信息包中。当这个包到达A时，A记录下当时的时间T4。这样，A就拥有了4个时间T1、T2、T3、T4，通过这几个值计算出A和B之间时间上的差值，用以调整客户方时钟。

假设A与B之间时差值为，A和B之间用于网络传输的往返延时为，A发送至B的请求信息在网络上传播所消耗的时间为1，B发送至A的回复信息在网络上传播所消耗的时间为2。则有： 21132412TTTT （1）

如果查询信息包和回复的时间信息包在网络上传播的时间相同，即当网络路径对称时有12，则由式（1）可得：

2143()()24132()()TTTTTTTT （2）

时差可直接由T1、T2、T3、T4四个时刻值计算得到，与往返时延无关。但实际情况中，网络路径是不对称的，时差只能由式（1）计算得到，此时就必须估计出网络传输的单程延时，影响NTP协议精度最关键的因素在于由网络延迟的随机性而导致的始终延迟计算的不准确。

2.3 NTP协议的工作模式

NTP协议支持三种对时方式：

（1）服务器客户端模式：用户向一个或几个服务器提出服务请求，根据所交换的信息，计算两地时间偏差和网络延迟，从中选择认为最准确的时间偏差，并调整本地的时钟。

（2）广播模式：此种模式适用于高速的局域网中。局域网中一个或多个服务器以固定的时间周期向某个多播地址广播自己的时标，客户端不计算时间偏差和网络延迟，直接用收到的时标修正自己的时钟，忽略各种误差。该种方式的精度不高。

（3）对称模式：两个以上的时间服务器互为主从，进行时间信息的通讯，相互校正对方的时间，以维持整个同步子网的时间一致性。该种方式的可靠性比较高。

对称模式和服务器客户端模式两种方式比较类似，只是服务器客户端模式不给同层的时间服务器提供时间同步服务。

3 NTP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，对于时钟同步功能来说并不是必须的。时钟同步报文封装在UDP报文中。NTP的报文格式见图3所示。

图3 NTP协议时钟同步报文格式

Leap Indicator(LI)：2bit 码，对当日发生的跳跃(闰秒)的最后一分钟发出警告，插入或者删除了一秒。

VN(Version Number)：3bit 的整数，表示 NTP 的版本号码，目前最新的版本是 3。

Mode：3bit 整数，表示工作模式，其定义的数值如表1所示。

表1 工作模式字段描述

0 保留

1 主动对称

2 被动对称

3 客户端

4

服务器端

5 广播

6 保留给 NTP 控制信息

7 保留给个人使用

Stratum： 8bit 的无符号整数，值越大，层数越低，值越小，层数越高，表示级别更高的服务器。最大值为15，其数值定义如表2所示。

表2 Stratum字段描述

0 无定义

1 首级时钟源 2~15 次级时钟源（通过NTP）

Poll：8bit有符号整数，表示相继两个消息间的最大间隔。单位为秒，以 2 的幂表示，范围在 NTP.MINPOLL 和 NTP.MAXPOLL 之间，理论上的范围为

4(16sec)-14(16284sec)，大多数实际应用范围为 6(64sec)-10(1024sec)。

Precision：8bit 有符号整数，用来表示本地时钟的准确性，单位为秒，以 2 的幂表示。

Root delay：32bit有符号定点数，表示到主要时间源往返的时间延迟，小数点在 15 和 16bit 之间。依靠相对的频率和时间作为补偿，记录值可呈现

正值和负值，范围从几毫秒到几百毫秒。（本地时钟和当前时钟源同步得到的网络延迟）。

Root dispersion：32bit 有符号定点数，表示相对于主要时间参考源的最大差错，小数点在 15 和 16bit 之间，只有可能出现正值，这值通常从 0 毫秒到几

百毫秒。（本地时钟和当前时钟源同步得到的最大可能误差的最佳估计值）。

Reference Clock Identifier：32bit 码，识别特殊的参考时间源。0 层（未具体说明）或 1 层（主要参考），这是一个 4 组 8bit、左边对齐的 0 填充 ASCII 字符串，ASCII标识符说明见表3所示。

表3 ASCII标识符说明

Stratum Code 字段含义

0 DCN DCN DCN路由选择协议

0 NIST NIST NIST公众模式

0 TSP TSP TSP时间协议

0 DTS DTS 数字时间服务器

1 ATOM ATOM 原子钟（已校准）

1 VLF VLF VLF无线电（OMEGA等等）

1 callsign callsign 一般无线电

1 LORC LORC LORAN-C无线电导航

1 GOES GOES GPES UHF环境卫星

1 GPS GPS GPS UHF卫星定位

Reference timestamp：本地时钟最后被设定或校正的时间，64bit．

Originate timestamp：Client 对 Server 发出请求的本地时间，64bit．

Receive timestamp：请求到达 Server 的本地时间，64bit．

Transmit timestamp：Server 对 Client 发出响应的本地时间，64bit．

Authenticator (optional)：当 NTP 认证机制被实现时，此项包含有认证信息。