前段时间瞎折腾，给自己的黑莓Bold 9900写了个通过NTP同步时间的小工具，顺便在这里记录一下我在实现一个NTP客户端时对这个协议的理解。
端口号
NTP协议使用UDP作为传输层协议，服务器监听UDP端口123，在收到有效的报文后，服务器会发送响应报文，否则服务器将直接忽略不做响应。
时间格式
NTP协议使用三种时间格式。
NTP短时间格式
短时间格式长度为32位，其中高16位代表从NTP时间戳0秒至现在的秒数，低16位代表1秒以内的分数部分。
这个格式只会在NTP报文的delay和dispersion字段中用到。
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| 0 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 | Fraction |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|
NTP时间戳
NTP时间戳格式长度为64位，其中高32位代表从NTP时间戳0秒至现在的秒数，低32位代表1秒以内的分数部分。
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| 0 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 |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Fraction |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|
NTP日期格式
NTP日期格式长度为128位，其中高32位用来表示NTP时间纪元，然后用32位表示从当前纪元开始经过的秒数，最后用64位表示1秒以内的分数部分。
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| 0 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
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Era Number |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Era Offset |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| |
| Fraction |
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+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
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报文格式
一个NTP v3的报文必须包含如下字段：
LI - Leap Indicator，2 bit整型数，指示当月最后一分钟是否包含闰秒VN - Version Number，3 bit整型数，指示NTP协议的版本号。如NTP v3就是3。MODE - 3 bit整型数，指示发包方的工作模式。通常来说客户端使用3(client)请求时间，服务端使用4(server)返回时间。STRATUM - 8 bit整型数，代表NTP层数。0代表时钟源，如装备有GPS接收机的主服务器；1-15逐层作为下游服务器，16被定义为“无法同步”。POLL - 8 bit有符号整型数，代表在间隔多少秒后再进行下一次同步。值由log2(second)计算得出。PRECISION - 8 bit有符号整型数，代表系统时钟的精确度。ROOT DELAY - NTP短时间格式，指示从客户端到根服务器(stratum 1的服务器)的延迟。ROOT DISPERSION - NTP短时间格式，指示数据从根服务器到客户端之间可能引入的误差。REFERENCE ID - 32 bit代码，用于标识一个特定的服务器，或一个参考时钟。
- 对于stratum 0的数据包，该字段为4个ASCII字符，称作“kiss code”，用于调试和监控。
- 对于stratum 1的数据包，该字段为参考时钟的标识符。标识符由IANA维护，此外以“X”开头的标识符都被预留给未注册的试验和开发用途。
- 对于stratum 2~15的数据包，该字段为服务器的标识符。当服务器使用IPv4时，该字段为服务器的IP地址；当服务器使用IPv6时，该字段为IPv6地址的前四段。
REFERENCE TIMESTAMP - NTP时间戳格式，内容为客户端最后同步的时间。ORIGIN TIMESTAMP - NTP时间格式，内容为数据包离开客户端的时间。RECEIVE TIMESTAMP - NTP时间格式，内容为数据包抵达服务器的时间。TRANSMIT TIMESTAMP - NTP时间格式，内容为数据包离开服务器的时间。DESTINATION TIMESTAMP - NTP时间格式，内容为数据包抵达客户端的时间。
- 注：DESTINATION TIMESTAMP并不会包含在数据包中，而是在客户端收到数据包之后，它的数值才会被确定。
那么全部组合起来，就是这个样子的：
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| 0 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 ID |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| |
+ Reference Timestamp (64) +
| |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| |
+ Origin Timestamp (64) +
| |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| |
+ Receive Timestamp (64) +
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+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| |
+ Transmit Timestamp (64) +
| |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
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然而上述字段并不需要全部填写数据，实际上除了LI、VN、MODE、STRATUM之外，剩下的所有字段都可以填零。如下就是一个我用来测试的数据包：
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| HEX:
DB 10 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
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拆开来看的话：
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| BIN:
LI = 0b11 = 3 unknown (clock unsyncronized)
VN = 0b011 = 3
MODE = 0b011 = 3 client
STRATUM = 0b00010000 = 16
POLL = 0b00000000 = 0
PRECISION = 0b00000000 = 0
ROOT DELAY = 0b00000000000000000000000000000000
ROOT DISPERSION = 0b00000000000000000000000000000000
REFERENCE ID = 00000000000000000000000000000000
REFERENCE TIMESTAMP = 00000000000000000000000000000000 00000000000000000000000000000000
ORIGIN TIMESTAMP = 00000000000000000000000000000000 00000000000000000000000000000000
RECEIVE TIMESTAMP = 00000000000000000000000000000000 00000000000000000000000000000000
TRANSMIT TIMESTAMP = 00000000000000000000000000000000 00000000000000000000000000000000
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计算second和fraction
计算second很简单，取出timestamp的高32位就可以了；但是从fraction计算毫秒数比较麻烦，需要通过fraction * 10^6 / 2^32计算得到毫秒数。
这里我给出一个Java的代码片段：
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| final long seconds = (ntpTimestamp >>> 32) & 0xFFFFFFFFL;
final long secondsInMilliseconds = seconds * 1000;
final long fractionInTimestamp = (ntpTimestamp & 0xFFFFFFFFL);
final long milliseconds = fractionInTimestamp * Math.pow(10, 6) / Math.pow(2, 32);
|
然后计算1900年1月1日 00:00:00的UNIX时间戳作为基准UNIX时间戳，再加上secondsInMilliseconds和milliseconds，就可以得到NTP返回的当前时间了。
参考文档
- Network Time Protocol Version 4: Protocol and Algorithms Specification - RFC
- Network Time Protocol (NTP) 网络时间协定 - Jan Ho 的网络世界
- The Root of All Timing: Understanding root delay and root dispersion in NTP
- NTP Timestamp - Thompson’s Technological Insight
- A Very Short Introduction to NTP Timestamps
- NtpPacketUtils#getNtpTimestampMilliseconds - blackberry_time_sync_ntp - GitHub