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 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 |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
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| 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) +
| |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
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+ Origin Timestamp (64) +
| |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| |
+ Receive Timestamp (64) +
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+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| |
+ Transmit Timestamp (64) +
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+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
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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