因为本地某个程序需要依赖准确的北京时间，程序运行的时候获取的是计算机的本地时间，但计算机的本地时间跟准确的北京时间可能存在延迟或超前，Windows自带了时钟同步机制，但他也存在问题，所以故事就从Windows时钟同步的坑说起。
计算机内部都有一个叫做「晶体振荡器」的东西，给它加上电压，它就会以固定的频率振动，然后根据一定的算法生成时间。但这个振动频率的「稳定性」，取决于它的制造工艺，以及外界环境的影响，外界环境包括电压和温度。比如，一台计算机时间久了主板上的电池亏电，就会出现时间走着走着就不准的情况。
所以在联网的条件下，Windows会以一定的时间频率（默认为1周）来跟时间服务器进行同步。这个频率可以通过注册表进行修改。方法如下：
- 在cmd输入“regedit"打开注册表，定位到”HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\W32Time\TimeProviders\NtpClient“节点下面，双击 SpecialPollInterval 键值，将对话框中的“基数栏”选择到“十进制”上，将此值的数值数据604800改为43200并选为“十进制（D）”键值意思是时间同步的间隔，单位为秒，原来7天就是7*24*3600=604800秒，1小时就是60分钟*60秒=3600秒，这里设置为了每12小时同步一次。
- 然后在空白处，新建一个名为“SpecialInterval”的“DWORD”的值，双击刚刚新建的“SpecialInterval”，将数值改为1。
- cmd输入“services.msc ”，在服务管理器中，将Windows Time服务重新启动，并将启动类型改为“自动”。
- 最后，在时间管理界面，可以查看本次同步时间以及下次同步时间。
问题的产生
尽管上述调整了自动跟时间服务器同步的时间频率，但是同步时，由于网络原因或者授时服务器没有响应，可能会出现超时导致时间无法同步成功，尽管同步失败，这里仍然会假模假样显示“时钟在xxx与xx同步成功”，它只是执行了同步操作，并不管是否最终同步成功，典型只管杀不管埋，并且同步失败也没有重试机制。由于我们的服务器时间比较久，可能是主板电池亏电，当时的本地时间比准确的北京时间慢了大概4~5秒，而Windows自动同步虽然显示成功，但实际上由于超时没有响应而导致同步失败，从而产生了事故。
如何准确的获取时间
如果有钞能力或者对时间的精确度要求特别高，可以购买GPS铷原子钟设备先从GPS上（铯原子钟）获取最新时间，然后在本地通过铷原子钟产生精确的时间，最后获取然后同步到计算机内。
▲ Windows时间同步服务
▲ GPS铷原子钟
如果没有以上金钱或者对精度的要求，只能退而求其次，从Internet获取时间了。
Too simple, Sometimes naive
从Internet获取时间，一开始自然就会想那就是找一个授时中心的网站，通来解析HTML获取里面的时间，比如下面这个页面。
这里面有比较严重的问题，比如获取网页有延迟，解析也有延迟。获取到了返回的时间后，然后解析，这时候真实的时间还在往前走，从而导致不准确。而且这类网页的时间，一般都是在刷新的时候，才会从服务端获取，刷新完成之后，就是在本地通过JavaScript来更新了，这就依靠了本地系统时间。能够验证的是，一些时间发布网站，如果一直开着，一段时间之后，可以发现时间变得不准确。
NTP协议
那么如何以正确的姿势来进行时间同步呢？这就不得不提NTP(Network Time Protocol )网络时间协议。Windows里面的时间同步就是使用的NTP协议，它可以提供高精准度的时间校正（LAN上与标准时间差小于1毫秒，WAN上几十毫秒），这个协议rfc4330的规范文档里写的非常详细，它有一个子集SNTP( Simple Network Time Protocol )，只考虑和一个Server对时，一般在客户端软件使用。
NTP的较时原理是，每一个NTP通信包内包含对方的接收和发送时间戳(TimeStamp)、我方的接收和发送时间戳。在收到上述包后即可计算出时间的偏差量与网络延迟。时间信息的传输都使用UDP协议，服务端口为123，所以看到网上使用TCP来使用NTP的方法，都是虚假的NTP，大家注意识别。
在上述协议文档里，每一个NTP包的格式如下：
每一个NTP包=NTP头（16个字节byte，8bit)+4个时间戳（每个8字节byte，64bit）=48个字节。
NTP头的格式如上图，包括：LI | VN | Mode | Stratum | Poll | Precision | Root Delay | Root Dispersion | Reference Identifier
- LI（Leap Indicator）：长度为2 bit，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。
- VN（Version Number）：长度为3bit，表示NTP的版本号，目前的最新版本为3，SNTP版本号为4。
- Mode：长度为3bit，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。如果是客户端，这里填3。
- Stratum：长度为8bit，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。
- Poll：长度为8bit，轮询时间，即两个连续NTP报文之间的时间间隔。
- Precision：长度为8bit，系统时钟的精度。
- Root Delay：长度为32bit，本地到主参考时钟源的往返时间。
- Root Dispersion：长度为32bit，系统时钟相对于主参考时钟的最大误差。
- Reference Identifier：长度为32bit，参考时钟源的标识。
- Reference Timestamp：长度为64bit，系统时钟最后一次被设定或更新的时间。
- Originate Timestamp：长度为64bit，NTP请求报文离开发送端时发送端的本地时间。
- Receive Timestamp：长度为64bit，NTP请求报文到达接收端时接收端的本地时间。
- Transmit Timestamp：长度为64bit，应答报文离开应答者时应答者的本地时间。
- Key Identifier：长度32bit，验证信息。
4个时间戳（TimeStamps）共32个字节，他们是：
- Original Timestamp, 记为T1,为客户端发送请求的时间。
- Receive Timestamp, 记为T2, 为服务端接收到请求的时间。
- Transmit Timestamp, 记为T3, 为服务端答复时间。
- Destination Timestamp, 记为T4, 位客户端收到答复的时间，这个时间一般在客户端收到服务端返回值时，自己记录。
协议中的时间格式，文档里也有说明，前32位，表示1900以来的秒数，后32位bit，表示秒下的部分，他是伟描述的4294.967296（=2^32/10^6）倍。
有了以上4个时间，那么就可以计算：
- 网络延迟delay: (T2-T1)+(T4-T3)，这个就是消息在网络中来回传输的时间。
- 客户端与服务端的时间差，offset=[(T2-T1)+(T3-T4)]/2，两个时间差取平均。
在获得了时间差之后，客户端本地，只需要将本地时间加上这个时间差（T4+offset），就可以得到准确的时间。当然如果精度要求不高，可以直接使用服务端返回的时间加上网络延迟的一半（T3+delay/2）也行。
这里举例说明，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。
SNTP协议的实现
原理清楚了，实现起来并不难，难点主要在于请求头的设置，以及从NTP包里对时间的解析，在GitHub上有很多项目，比如GuerrillaNtp，我们可以直接拿过来使用。使用方法也很简单：
// query the SNTP server
TimeSpan offset;
try
{
using (var ntp = new NtpClient(Dns.GetHostAddresses("time.windows.com ")[0]))
offset = ntp.GetCorrectionOffset();
}
catch (Exception ex)
{
// timeout or bad SNTP reply
offset = TimeSpan.Zero;
}
// use the offset throughout your app
DateTime accurateTime = DateTime.Now + offset;这里简单说明一下代码里的具体实现，他的请求部分代码为：
public NtpPacket Query() { return Query(new NtpPacket()); }这里面New了一个NtpPacket，这个Packet是一个48字节的数组，在New的时候，初始化了三个参数：
public NtpPacket()
: this(new byte[48])
{
Mode = NtpMode.Client;
VersionNumber = 4;
TransmitTimestamp = DateTime.UtcNow;
}
public NtpMode Mode
{
get { return (NtpMode)(Bytes[0] & 0x07); }
set { Bytes[0] = (byte)((Bytes[0] & ~0x07) | (int)value); }
}
public int VersionNumber
{
get { return (Bytes[0] & 0x38) >> 3; }
set { Bytes[0] = (byte)((Bytes[0] & ~0x38) | value << 3); }
}
public DateTime? TransmitTimestamp { get { return GetDateTime64(40); } set { SetDateTime64(40, value); } }
分别是模式：填的客户端，值为3；版本号，目前SNTP的最新版本号为4；客户端发送请求时间，这3个参数必填，其他参数保持默认即可。
然后是发起请求：
public NtpClient(IPEndPoint endpoint) : this(endpoint, TimeSpan.FromSeconds(1)) { }
public NtpClient(IPEndPoint endpoint, TimeSpan timeout)
{
socket = new Socket(endpoint.AddressFamily, SocketType.Dgram, ProtocolType.Udp);
Timeout = timeout;
try
{
socket.Connect(endpoint);
}
catch
{
socket.Dispose();
throw;
}
}
public NtpPacket Query(NtpPacket request)
{
request.ValidateRequest();
socket.Send(request.Bytes);
var response = new byte[160];
int received = socket.Receive(response);
var truncated = new byte[received];
Array.Copy(response, truncated, received);
NtpPacket reply = new NtpPacket(truncated) { DestinationTimestamp = DateTime.UtcNow };
reply.ValidateReply(request);
return reply;
}在Query方法里，首先验证了请求数据是否正确，然后使用socket发送该请求，随后，新建了一个response数组，用来接收返回，然后将返回数据response，复制到truncated数组中，然后新建了一个NetPacket，并将DestinationTimestamp设置为了当前接收授时服务器返回数据时的系统时间，所有的时间解析，都是在NtpPacket里面完成。
public DateTime? ReferenceTimestamp { get { return GetDateTime64(16); } set { SetDateTime64(16, value); } }
public DateTime? OriginTimestamp { get { return GetDateTime64(24); } set { SetDateTime64(24, value); } }
public DateTime? ReceiveTimestamp { get { return GetDateTime64(32); } set { SetDateTime64(32, value); } }
public DateTime? TransmitTimestamp { get { return GetDateTime64(40); } set { SetDateTime64(40, value); } }
public DateTime? DestinationTimestamp { get; set; }
public TimeSpan RoundTripTime
{
get
{
CheckTimestamps();
return (ReceiveTimestamp.Value - OriginTimestamp.Value) + (DestinationTimestamp.Value - TransmitTimestamp.Value);
}
}
public TimeSpan CorrectionOffset
{
get
{
CheckTimestamps();
return TimeSpan.FromTicks(((ReceiveTimestamp.Value - OriginTimestamp.Value) + (TransmitTimestamp.Value - DestinationTimestamp.Value)).Ticks / 2);
}
}CorrectionOffset和RoundTripTime分别表示本机和时间服务器的时差和网络延时。
获取到最新时间之后，可以调用Windows API，将获取的最新时间，设置回计算机。
class SystemTimeHelper
{
internal struct SYSTEMTIME
{
public ushort wYear;
public ushort wMonth;
public ushort wDayOfWeek;
public ushort wDay;
public ushort wHour;
public ushort wMinute;
public ushort wSecond;
public ushort wMilliseconds;
/// <summary>
/// 从System.DateTime转换。
/// </summary>
/// <param name="time">System.DateTime类型的时间。</param>
public void FromDateTime(DateTime time)
{
wYear = (ushort)time.Year;
wMonth = (ushort)time.Month;
wDayOfWeek = (ushort)time.DayOfWeek;
wDay = (ushort)time.Day;
wHour = (ushort)time.Hour;
wMinute = (ushort)time.Minute;
wSecond = (ushort)time.Second;
wMilliseconds = (ushort)time.Millisecond;
}
/// <summary>
/// 转换为System.DateTime类型。
/// </summary>
/// <returns></returns>
public DateTime ToDateTime()
{
return new DateTime(wYear, wMonth, wDay, wHour, wMinute, wSecond, wMilliseconds);
}
/// <summary>
/// 静态方法。转换为System.DateTime类型。
/// </summary>
/// <param name="time">SYSTEMTIME类型的时间。</param>
/// <returns></returns>
public static DateTime ToDateTime(SYSTEMTIME time)
{
return time.ToDateTime();
}
}
[DllImport("Kernel32.dll")]
public static extern bool SetLocalTime(ref SYSTEMTIME Time);
[DllImport("Kernel32.dll")]
public static extern void GetLocalTime(ref SYSTEMTIME Time);
public static void SetLocalMachineTime(DateTime dt)
{
//转换System.DateTime到SYSTEMTIME
SYSTEMTIME st = new SYSTEMTIME();
st.FromDateTime(dt);
//调用Win32 API设置系统时间
SetLocalTime(ref st);
}
public static DateTime GetLocalMachineTime()
{
//转换SYSTEMTIME到System.DateTime
SYSTEMTIME st = new SYSTEMTIME();
GetLocalTime(ref st);
return st.ToDateTime();
}
}最后，需要说明的是，要修改计算机时间，需要以管理员权限运行，可以在“项目”上右键，“添加”->"新建项"，选择“应用程序清单文件”，然后修改以下语句：
<trustInfo xmlns="urn:schemas-microsoft-com:asm.v2">
<security>
<requestedPrivileges xmlns="urn:schemas-microsoft-com:asm.v3">
<!-- UAC 清单选项
如果想要更改 Windows 用户帐户控制级别，请使用
以下节点之一替换 requestedExecutionLevel 节点。n
<requestedExecutionLevel level="asInvoker" uiAccess="false" />
<requestedExecutionLevel level="requireAdministrator" uiAccess="false" />
<requestedExecutionLevel level="highestAvailable" uiAccess="false" />
指定 requestedExecutionLevel 元素将禁用文件和注册表虚拟化。
如果你的应用程序需要此虚拟化来实现向后兼容性，则删除此
元素。
-->
<requestedExecutionLevel level="requireAdministrator" uiAccess="false" />
</requestedPrivileges>
</security>
</trustInfo>将“requestedExecutionLevel”的级别改为"requireAdministrator"即可。
总结
对于一些严重依赖北京时间的应用程序，需要注意到本地计算机时间的不准确性，Windows提供了时间同步功能，可以通过修改注册表的方式来自行定制时间同步的频率，但是它存在的一个缺点是，假如由于网络原因，或者授时服务器没有响应，会导致同步失败，Windows并没有提供重试机制，并且在界面上仍然会显示同步成功，在一些情况下会产生严重的问题。本文简单介绍了NTP网络时间协议，并提供了其简化版本SNTP的C#实现，通过这一协议我们能够更加灵活的控制本地Windows系统时间与授时服务器的同步。
参考
- robertvazan/guerrillantp: Simple NTP (SNTP) client library providing .NET applications with accurate network time. (github.com)
- How the Windows Time Service Works | Microsoft Docs
- rfc4330 (ietf.org)
- NTP协议和算法 (bjtime.cn)