简单的NTP客户端-C语言实现

最新推荐文章于 2025-05-27 14:56:28 发布

heloc

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分类专栏： Linux c/c++ 网络编程文章标签： linux ntp sntp 时间同步

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/C3080844491/article/details/77934050

本文介绍了如何使用C语言实现一个简单的NTP客户端，基于NTPv3单播模式，详细讲解了NTP协议、报文格式和时间戳，并提供了实现分析及完整源码。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

创建时间： 2017-09-11
最后修改时间： 2017-09-11

因个人水平有限，文章中存在不足，错误之处，还望指正

实验环境
Linux 2.6.32
gcc version 4.4.6 20120305 (Red Hat 4.4.6-4) (GCC)

引言

本NTP客户端实现是基于NTPv3单播模式来实现的，其中参考了SNTP的实现（SNTP为NTP的简化版）。

要完成客户端的开发需要准备一些知识，比如NTP工作模式，NTP报文格式等等，大体了解完这些后才能更好地掌握整个开发过程。

NTP协议

简介

NTP（Network Time Protocol），网络时间协议，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之间的时间同步，从而使网络内所有设备的时间基本保持一致。NTP工作于UDP的123端口。

NTP报文格式

0   2     5     8               16              24              32
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|LI | VN  |Mode |    Stratum    |     Poll      |   Precision   |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                          Root Delay                           |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                       Root Dispersion                         |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                     Reference Identifier                      |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                                                               |
|                   Reference Timestamp (64)                    |
|                                                               |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                                                               |
|                   Originate Timestamp (64)                    |
|                                                               |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                                                               |
|                   Receive Timestamp (64)                      |
|                                                               |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                                                               |
|                   Transmit Timestamp (64)                     |
|                                                               |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                                                               |
|                  Authentication (optional) (64)               |
|                                                               |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

                            NTPv3报文格式

Leap Indicator（LI）
闰秒指示符，这是一个2位的代码，用于警示在当天的最后一分钟里插入或删除的闰秒。取值如下：
```
0       无预告
1       最近一分钟有61秒
2       最近一分钟有59秒
3       警告状态（时钟未同步）
```
Version Number（VN）
版本号，这是一个3位的整数，用于表示NTP的版本。

Mode
模式，这是一个3位的整数，表示模式，值定义如下：

0           保留
1           对称主动
2           对称被动
3           客户端
4           服务器端
5           广播
6           为NTP控制控制消息
7           为自用保留

Stratum
本地时钟层级，这是一个八位无符号整数，表示本地时钟的层级，其值定义如下：

0           未定义或难以获得
1           主要参考（如无线电时钟钟，校正的院子时钟）
2-255       第二参考（通过NTP或SNTP）

Poll
轮询间隔，这是一个8位有符号整数，用于表示连续消息之间的最大间隔，以最接近2的N次幂来表示。如值为6表示2^6=64。
Precision
本地时钟精度精度，这是一个8位有符号整数，用于表示本地时钟精度，以最接近2的N次幂来表示。
Root Delay
这是一个32位有符号定点数，表示主要参考源的总往返时延，以秒为单位。该变量可以为正值和负值，具体取决于时间精度和偏移。
Root Dispersion
这是一个32位有符号定点数，表示相对于主参考源的最大误差，以秒为单位，在15和16位之间。通常在该字段中出现的值范围为0到几百毫秒
Reference Identifier
这是一个标识特定参考源的32位位串。在NTP版本3或版本4层级0或层级1服务器的情况下，这是一个4字符ASCII字符串，左对齐并且以0填充到32位。在NTP版本3辅助服务器中，这是参考源的32位IPv4地址。
Reference Timestamp
这是以64位时间戳格式表示的上次设置或更正的本地时钟时间。
Original Timestamp
这是以64位时间戳格式表示的请求离开客户端的时间。
Receive Timestamp
这是以64位时间戳格式表示的请求到达服务器端的时间。
Transmit Timestamp
这是以64位时间戳格式表示的应答离开服务器端的时间。
Authentication
认证信息。

NTP时间戳

+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                         Integer Part                          |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                         Fraction Part                         |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

                            NTP时间戳格式

NTP时间戳使用的是自1970-01-01所经过的秒数（单位为秒），它分为整数部分和小数部分。NTP时间戳整数部分与ICMP时间戳消息所使用的时间戳格式整数部分一致，但小数部分却是不同的。

在64位的NTP时间戳中，前32位为整数部分，后32位为小数部分，其转换如下：

frac * 1e6 / (2<<32)    
= frac /  4294.967296

根据以上转换规则可得NTP时间戳所能表示的最小精度为1 / 4294.967,296 = 0.2328307e-9，约等为0.232纳秒。

在32位的NTP时间戳中，前16位表示整数部分，后16位为小数部分，其转换与上面的类似：

frac * 1e6 / (2<<16)
= frac * 15.2587890625

NTP客户端操作

关于往返时延和本地时钟偏移的计算

为了计算相对于服务器的往返时延d和本地时钟偏移t，客户端根据客户端时钟设置请求中的发送时间戳。服务器将该字段复制到应答中的起始时间戳（Originate Timestamp），并根据服务器时钟设置接收时间戳（Receive Timestamp）和传送时间戳（Transmit Timestamp）。

当接收到服务器应答时，客户端根据NTP时间戳格式的时钟确定目的时间戳变量为到达时间。以下总结了四个时间戳：

Originate Timestamp     T1      客户端发送时间请求的时间
Receive Timestamp       T2      服务器收到时间请求的时间
Transmit Timestamp      T3      服务器发送时间回复的时间
Destination Timestamp   T4      客户端收到时间回复的时间

往返时延d和本地时钟偏移t定义为：

d = (T4 - T1) - (T2 - T3)
t = ((T2 - T1) + (T3 - T4)) / 2

实现（C语言）

实现分析

为了方便对NTP报文进行操作，自定义了ntphdr结构体，如下：


/* 32位时间戳 */
struct s_fixedpt {
    uint16_t    intpart;
    uint16_t    fracpart;
};

/* 64位时间戳 */
struct l_fixedpt {
    uint32_t    intpart;
    uint32_t    fracpart;
};

struct ntphdr {
#if __BYTE_ORDER == __BID_ENDIAN
    unsigned