嵌入式Linux网络编程之：实验内容——NTP协议实现
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通过实现NTP协议的练习，进一步掌握Linux网络编程，并且提高协议的分析与实现能力，为参与完成综合性项目打下良好的基础。
2．实验内容NetworkTimeProtocol（NTP）协议是用来使计算机时间同步化的一种协议，它可以使计算机对其服务器或时钟源（如石英钟，GPS等）做同步化，它可以提供高精确度的时间校正（LAN上与标准时间差小于1毫秒，WAN上几十毫秒），且可用加密确认的方式来防止恶毒的协议攻击。
NTP提供准确时间，首先要有准确的时间来源，这一时间应该是国际标准时间UTC。NTP获得UTC的时间来源可以是原子钟、天文台、卫星，也可以从Internet上获取。这样就有了准确而可靠的时间源。时间是按NTP服务器的等级传播。按照距离外部UTC源的远近将所有服务器归入不同的Stratun（层）中。Stratum-1在顶层，有外部UTC接入，而Stratum-2则从Stratum-1获取时间，Stratum-3从Stratum-2获取时间，以此类推，但Stratum层的总数限制在15以内。所有这些服务器在逻辑上形成阶梯式的架构并相互连接，而Stratum-1的时间服务器是整个系统的基础。
进行网络协议实现时最重要的是了解协议数据格式。NTP数据包有48个字节，其中NTP包头16字节，时间戳32个字节。其协议格式如图10.9所示。
图10.9NTP协议数据格式
其协议字段的含义如下所示。
n LI：跳跃指示器，警告在当月最后一天的最终时刻插入的迫近闺秒（闺秒）。
n VN：版本号。
n Mode：工作模式。该字段包括以下值：0－预留；1－对称行为；3－客户机；4－服务器；5－广播；6－NTP控制信息。NTP协议具有3种工作模式，分别为主/被动对称模式、客户/服务器模式、广播模式。在主/被动对称模式中，有一对一的连接，双方均可同步对方或被对方同步，先发出申请建立连接的一方工作在主动模式下，另一方工作在被动模式下；客户/服务器模式与主/被动模式基本相同，惟一区别在于客户方可被服务器同步，但服务器不能被客户同步；在广播模式中，有一对多的连接，服务器不论客户工作在何种模式下，都会主动发出时间信息，客户根据此信息调整自己的时间。
n Stratum：对本地时钟级别的整体识别。
n Poll：有符号整数表示连续信息间的最大间隔。
n Precision：有符号整数表示本地时钟精确度。
n RootDelay：表示到达主参考源的一次往复的总延迟，它是有15～16位小数部分的符号定点小数。
n RootDispersion：表示一次到达主参考源的标准误差，它是有15～16位小数部分的无符号定点小数。
n ReferenceIdentifier：识别特殊参考源。
n OriginateTimestamp：这是向服务器请求分离客户机的时间，采用64位时标格式。
n ReceiveTimestamp：这是向服务器请求到达客户机的时间，采用64位时标格式。
n TransmitTimestamp：这是向客户机答复分离服务器的时间，采用64位时标格式。
n Authenticator（Optional）：当实现了NTP认证模式时，主要标识符和信息数字域就包括已定义的信息认证代码（MAC）信息。
由于NTP协议中涉及比较多的时间相关的操作，为了简化实现过程，在本实验中，仅要求实现NTP协议客户端部分的网络通信模块，也就是构造NTP协议字段进行发送和接收，最后与时间相关的操作不需进行处理。NTP协议是作为OSI参考模型的高层协议比较适合采用UDP传输协议进行数据传输，专用端口号为123。在实验中，以国家授时中心服务器（IP地址为202.72.145.44）作为NTP（网络时间）服务器。
3．实验步骤（1）画出流程图。
简易NTP客户端的实现流程如图10.10所示。
图10.10简易NTP客户端流程图
（2）编写程序。
具体代码如下：
/*ntp.c*/
#include<sys/socket.h>
#include<sys/wait.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<sys/un.h>
#include<sys/time.h>
#include<sys/ioctl.h>
#include<unistd.h>
#include<netinet/in.h>
#include<string.h>
#include<netdb.h>
#defineNTP_PORT123/*NTP专用端口号字符串*/
#defineTIME_PORT37/*TIME/UDP端口号*/
#defineNTP_SERVER_IP"210.72.145.44"/*国家授时中心IP*/
#defineNTP_PORT_STR"123"/*NTP专用端口号字符串*/
#defineNTPV1"NTP/V1"/*协议及其版本号*/
#defineNTPV2"NTP/V2"
#defineNTPV3"NTP/V3"
#defineNTPV4"NTP/V4"
#defineTIME"TIME/UDP"
#defineNTP_PCK_LEN48
#defineLI0
#defineVN3
#defineMODE3
#defineSTRATUM0
#definePOLL4
#definePREC-6
#defineJAN_19700x83aa7e80/*1900年～1970年之间的时间秒数*/
#defineNTPFRAC(x)(4294*(x)+((1981*(x))>>11))
#defineUSEC(x)(((x)>>12)-759*((((x)>>10)+32768)>>16))
typedefstruct_ntp_time
{
unsignedintcoarse;
unsignedintfine;
}ntp_time;
structntp_packet
{
unsignedcharleap_ver_mode;
unsignedcharstartum;
charpoll;
charprecision;
introot_delay;
introot_dispersion;
intreference_identifier;
ntp_timereference_timestamp;
ntp_timeoriginage_timestamp;
ntp_timereceive_timestamp;
ntp_timetransmit_timestamp;
};
charprotocol[32];
/*构建NTP协议包*/
intconstruct_packet(char*packet)
{
charversion=1;
longtmp_wrd;
intport;
time_ttimer;
strcpy(protocol,NTPV3);
/*判断协议版本*/
if(!strcmp(protocol,NTPV1)||!strcmp(protocol,NTPV2)
||!strcmp(protocol,NTPV3)||!strcmp(protocol,NTPV4))
{
memset(packet,0,NTP_PCK_LEN);
port=NTP_PORT;
/*设置16字节的包头*/
version=protocol[6]-0x30;
tmp_wrd=htonl((LI<<30)|(version<<27)
|(MODE<<24)|(STRATUM<<16)|(POLL<<8)|(PREC&0xff));
memcpy(packet,&tmp_wrd,sizeof(tmp_wrd));
/*设置RootDelay、RootDispersion和ReferenceIndentifier*/
tmp_wrd=htonl(1<<16);
memcpy(&packet[4],&tmp_wrd,sizeof(tmp_wrd));
memcpy(&packet[8],&tmp_wrd,sizeof(tmp_wrd));
/*设置Timestamp部分*/
time(&timer);
/*设置TransmitTimestampcoarse*/
tmp_wrd=htonl(JAN_1970+(long)timer);
memcpy(&packet[40],&tmp_wrd,sizeof(tmp_wrd));
/*设置TransmitTimestampfine*/
tmp_wrd=htonl((long)NTPFRAC(timer));
memcpy(&packet[44],&tmp_wrd,sizeof(tmp_wrd));
returnNTP_PCK_LEN;
}
elseif(!strcmp(protocol,TIME))/*"TIME/UDP"*/
{
port=TIME_PORT;
memset(packet,0,4);
return4;
}
return0;
}
/*获取NTP时间*/
intget_ntp_time(intsk,structaddrinfo*addr,structntp_packet*ret_time)
{
fd_setpending_data;
structtimevalblock_time;
chardata[NTP_PCK_LEN*8];
intpacket_len,data_len=addr->ai_addrlen,count=0,result,i,re;
if(!(packet_len=construct_packet(data)))
{
return0;
}
/*客户端给服务器端发送NTP协议数据包*/
if((result=sendto(sk,data,
packet_len,0,addr->ai_addr,data_len))<0)
{
perror("sendto");
return0;
}
/*调用select()函数，并设定超时时间为1s*/
FD_ZERO(&pending_data);
FD_SET(sk,&pending_data);
block_time.tv_sec=10;
block_time.tv_usec=0;
if(select(sk+1,&pending_data,NULL,NULL,&block_time)>0)
{
/*接收服务器端的信息*/
if((count=recvfrom(sk,data,
NTP_PCK_LEN*8,0,addr->ai_addr,&data_len))<0)
{
perror("recvfrom");
return0;
}
if(protocol==TIME)
{
memcpy(&ret_time->transmit_timestamp,data,4);
return1;
}
elseif(count<NTP_PCK_LEN)
{
return0;
}
/*设置接收NTP包的数据结构*/
ret_time->leap_ver_mode=ntohl(data[0]);
ret_time->startum=ntohl(data[1]);
ret_time->poll=ntohl(data[2]);
ret_time->precision=ntohl(data[3]);
ret_time->root_delay=ntohl(*(int*)&(data[4]));
ret_time->root_dispersion=ntohl(*(int*)&(data[8]));
ret_time->reference_identifier=ntohl(*(int*)&(data[12]));
ret_time->reference_timestamp.coarse=ntohl*(int*)&(data[16]));
ret_time->reference_timestamp.fine=ntohl(*(int*)&(data[20]));
ret_time->originage_timestamp.coarse=ntohl(*(int*)&(data[24]));
ret_time->originage_timestamp.fine=ntohl(*(int*)&(data[28]));
ret_time->receive_timestamp.coarse=ntohl(*(int*)&(data[32]));
ret_time->receive_timestamp.fine=ntohl(*(int*)&(data[36]));
ret_time->transmit_timestamp.coarse=ntohl(*(int*)&(data[40]));
ret_time->transmit_timestamp.fine=ntohl(*(int*)&(data[44]));
return1;
}/*endofifselect*/
return0;
}
/*修改本地时间*/
intset_local_time(structntp_packet*pnew_time_packet)
{
structtimevaltv;
tv.tv_sec=pnew_time_packet->transmit_timestamp.coarse-JAN_1970;
tv.tv_usec=USEC(pnew_time_packet->transmit_timestamp.fine);
returnsettimeofday(&tv,NULL);
}
intmain()
{
intsockfd,rc;
structaddrinfohints,*res=NULL;
structntp_packetnew_time_packet;
memset(&hints,0,sizeof(hints));
hints.ai_family=AF_UNSPEC;
hints.ai_socktype=SOCK_DGRAM;
hints.ai_protocol=IPPROTO_UDP;
/*调用getaddrinfo()函数，获取地址信息*/
rc=getaddrinfo(NTP_SERVER_IP,NTP_PORT_STR,&hints,&res);
if(rc!=0)
{
perror("getaddrinfo");
return1;
}
/*创建套接字*/
sockfd=socket(res->ai_family,res->ai_socktype,res->ai_protocol);
if(sockfd<0)
{
perror("socket");
return1;
}
/*调用取得NTP时间的函数*/
if(get_ntp_time(sockfd,res,&new_time_packet))
{
/*调整本地时间*/
if(!set_local_time(&new_time_packet))
{
printf("NTPclientsuccess!n");
}
}
close(sockfd);
return0;
}
为了更好地观察程序的效果，先用date命令修改一下系统时间，再运行实例程序。运行完了之后再查看系统时间，可以发现已经恢复准确的系统时间了。具体运行结果如下所示。
$date-s"2001-01-011:00:00"
2001年01月01日星期一01:00:00EST
$date
2001年01月01日星期一01:00:00EST
$./ntp
NTPclientsuccess!
$date
能够显示当前准确的日期和时间了！
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