WIFI学习六(SNTP)

简介

        SNPT(Simple Network Time Protocal简单网络时间协议)用于跨广域网或局域网时间同步的协议,具有较高的精确度(几十毫秒)。SNTP是NTP协议的简化版

SNTP的工作方式

        SNTP协议采用客户端/服务器的工作方式,可以采用单播(点对点)或者广播(一点对多点)模式操作。

        单播模式下,客户端能够通过定期访问SNTP服务器来获取精确的时间信息,用于调整客户端自身的系统时间。

WIFI学习六(SNTP)_第1张图片

        广播模式下。SNTP服务器周期性地发送消息给指定的IP广播地址或IP多播地址。SNTP客户端通过监听这些地址来获取时间信息

WIFI学习六(SNTP)_第2张图片

         网络中一般存在多台SNTP服务器,客户端会通过一定的算法选择最好的几台服务器使用。如果一台SNTP服务器在工作过程中发生异常,则会通知SNTP客户端,那么SNTP客户端就会丢弃发生故障的SNTP服务器发给它的时间信息,然后重新选择其他的SNTP服务器

SNTP校准原理

        SNTP协议主要是通过记录客户端向服务器发送数据包时的时间戳 t1服务器端接收到该数据包时的时间戳 t2服务器向客户端回应的时间戳 t3最后客户端接收到服务器回应时的时间戳 t4来计算客户端时间和服务端时间的偏差,从而进行校准时间操作,如下图所示:

WIFI学习六(SNTP)_第3张图片

         则 t1 和 t2之间的时间差为((t2 - t1) + (t4 - t3)) / 2

        数据包在网络上传输的时间为(t2 - t1) + (t4 - t3)

        获取到时间差后,设备会校准RTC时间,来保证时间的正确性。

源码分析

sntp_setoperatingmode()

        设置操作模式

函数原型:

void sntp_setoperatingmode(u8_t operating_mode);

参数:

operating_mode 操作模式

SNTP_OPMODE_POLL             //单播模式   
SNTP_OPMODE_LISTENONLY            //组播模式

返回值:

实例:

sntp_setoperatingmode(SNTP_OPMODE_POLL);  //设置为单播模式

sntp_setservername()

        设置要连接的服务器主机名字

函数原型:

void sntp_setservername(u8_t idx, const char *server)
{
  LWIP_ASSERT_CORE_LOCKED();
  if (idx < SNTP_MAX_SERVERS) {
    sntp_servers[idx].name = server;
  }
}

参数:

idx 服务器编号。

server 服务器名字。

        可以看到,服务器可以设置多个,而数量的大小取决于SNTP_MAX_SERVERS参数。这个值可以根据需求自行设置。

返回值:

实例:

sntp_setservername(0, "1.cn.pool.ntp.org");

sntp_setservername(1, "1.hk.pool.ntp.org");

sntp_setserver()

        设置要连接的服务器主机IP

函数原型:

void sntp_setserver(u8_t idx, const ip_addr_t *server)
{
  LWIP_ASSERT_CORE_LOCKED();
  if (idx < SNTP_MAX_SERVERS) {
    if (server != NULL) {
      sntp_servers[idx].addr = (*server);
    } else {
      ip_addr_set_zero(&sntp_servers[idx].addr);
    }
#if SNTP_SERVER_DNS
    sntp_servers[idx].name = NULL;
#endif
  }
}

参数:

idx 服务器编号。

server 服务器IP地址。

返回值:

实例:

struct ip4_addr test_addr;
IP4_ADDR(&test_addr, 213, 161, 194, 93);

sntp_setserver(0, (const ip_addr_t *)(&test_addr));

IP4_ADDR(&test_addr, 129, 6, 15, 29);

sntp_setserver(1, (const ip_addr_t *)(&test_addr));

sntp_init()

        初始化SNTP模块,并创建UDP连接。

函数原型:

void sntp_init(void)
{
#ifdef SNTP_SERVER_ADDRESS
#if SNTP_SERVER_DNS
    sntp_setservername(0, SNTP_SERVER_ADDRESS);
#else
#error SNTP_SERVER_ADDRESS string not supported SNTP_SERVER_DNS==0
#endif
#endif /* SNTP_SERVER_ADDRESS */

    if (sntp_pcb == NULL) {
        sntp_pcb = udp_new_ip_type(IPADDR_TYPE_ANY);    //创建一个UDP PCB(协议控制块),IPV4+IPV6
        LWIP_ASSERT("Failed to allocate udp pcb for sntp client", sntp_pcb != NULL);
        if (sntp_pcb != NULL) {
            udp_recv(sntp_pcb, sntp_recv, NULL);    //设置udp接收回调

            if (sntp_opmode == SNTP_OPMODE_POLL) {  //是单播模式
                SNTP_RESET_RETRY_TIMEOUT();
#if SNTP_STARTUP_DELAY
                sys_timeout((u32_t)SNTP_STARTUP_DELAY_FUNC, sntp_request, NULL);
#else
                sntp_request(NULL); //请求
#endif
            } else if (sntp_opmode == SNTP_OPMODE_LISTENONLY) { //广播模式
                ip_set_option(sntp_pcb, SOF_BROADCAST);
                udp_bind(sntp_pcb, IP_ANY_TYPE, SNTP_PORT); //绑定
            }
        }
    }
}

参数:

返回值:

udp_new_ip_type()

        创建一个针对IP类型的PCB(Protocol Control Block协议控制块)

函数原型:

struct udp_pcb *udp_new_ip_type(u8_t type)
{
  struct udp_pcb *pcb;

  LWIP_ASSERT_CORE_LOCKED();

  pcb = udp_new();  //创建一个UDP
#if LWIP_IPV4 && LWIP_IPV6
  if (pcb != NULL) {
    IP_SET_TYPE_VAL(pcb->local_ip,  type);
    IP_SET_TYPE_VAL(pcb->remote_ip, type);
  }
#else
  LWIP_UNUSED_ARG(type);
#endif /* LWIP_IPV4 && LWIP_IPV6 */
  return pcb;
}

参数:

type IP地址类型,类型如下

enum lwip_ip_addr_type {
  /** IPv4 */
  IPADDR_TYPE_V4 =   0U,
  /** IPv6 */
  IPADDR_TYPE_V6 =   6U,
  /** IPv4+IPv6 ("dual-stack") */
  IPADDR_TYPE_ANY = 46U
};

返回值:

NULL失败

其他值 UDP的协议控制块

实例:

static struct udp_pcb* sntp_pcb;
sntp_pcb = udp_new_ip_type(IPADDR_TYPE_ANY); 
if (sntp_pcb != NULL) {
    //成功
}

udp_recv()

        设置一个接收回调,从UDP的协议控制块中

函数原型:

void udp_recv(struct udp_pcb *pcb, udp_recv_fn recv, void *recv_arg)
{
  LWIP_ASSERT_CORE_LOCKED();

  LWIP_ERROR("udp_recv: invalid pcb", pcb != NULL, return);

  /* remember recv() callback and user data */
  pcb->recv = recv;
  pcb->recv_arg = recv_arg;
}

参数:

pcb  UDP协议控制块,由udp_new_ip_type返回所得。

recv UDP接收的回调函数、

recv_arg UDP接收的回调函数的参数

返回值:

实例:

udp_recv(sntp_pcb, sntp_recv, NULL);  

sntp_request()

        发送SNTP请求

函数原型:

static void sntp_request(void *arg)
{
  ip_addr_t sntp_server_address;
  err_t err;

  LWIP_UNUSED_ARG(arg);

  /* initialize SNTP server address */
#if SNTP_SERVER_DNS
  if (sntp_servers[sntp_current_server].name) {
    /* always resolve the name and rely on dns-internal caching & timeout */
    ip_addr_set_zero(&sntp_servers[sntp_current_server].addr);
    err = dns_gethostbyname(sntp_servers[sntp_current_server].name, &sntp_server_address,
                            sntp_dns_found, NULL);
    if (err == ERR_INPROGRESS) {
      /* DNS request sent, wait for sntp_dns_found being called */
      LWIP_DEBUGF(SNTP_DEBUG_STATE, ("sntp_request: Waiting for server address to be resolved.\n"));
      return;
    } else if (err == ERR_OK) {
      sntp_servers[sntp_current_server].addr = sntp_server_address;
    }
  } else
#endif /* SNTP_SERVER_DNS */
  {
    sntp_server_address = sntp_servers[sntp_current_server].addr;
    err = (ip_addr_isany_val(sntp_server_address)) ? ERR_ARG : ERR_OK;
  }

  if (err == ERR_OK) {
    LWIP_DEBUGF(SNTP_DEBUG_TRACE, ("sntp_request: current server address is %s\n",
                                   ipaddr_ntoa(&sntp_server_address)));
    sntp_send_request(&sntp_server_address);
  } else {
    /* address conversion failed, try another server */
    LWIP_DEBUGF(SNTP_DEBUG_WARN_STATE, ("sntp_request: Invalid server address, trying next server.\n"));
    sys_timeout((u32_t)SNTP_RETRY_TIMEOUT, sntp_try_next_server, NULL);
  }
}

参数:

可以忽略

返回值:

实例:

sntp_request(NULL); //请求

sntp_recv()

        UDP从SNTP的PCB的接收回调

函数原型:

static void sntp_recv(void *arg, struct udp_pcb* pcb, struct pbuf *p, const ip_addr_t *addr,u16_t port)

参数:

arg:接收的数据传参

pcb:协议控制块

p:接收到的数据

addr:IP地址

Port:端口

返回值:

整个函数中,需要注意的是sntp_process函数,该函数相当于对接收到的数据进行数据处理

WIFI学习六(SNTP)_第4张图片

sntp_process()

        对接收到的时间数据进行处理

函数原型:

static void sntp_process(const struct sntp_timestamps *timestamps)
{
    s32_t sec;
    u32_t frac;

    sec = (s32_t)lwip_ntohl(timestamps->xmit.sec);
    frac = lwip_ntohl(timestamps->xmit.frac);

#if SNTP_COMP_ROUNDTRIP
# if SNTP_CHECK_RESPONSE >= 2 
    if (timestamps->recv.sec != 0 || timestamps->recv.frac != 0)
# endif
    {
        LOGI("Roundtrip compare processing...\n");
        s32_t dest_sec;
        u32_t dest_frac;
        u32_t step_sec;

        SNTP_GET_SYSTEM_TIME_NTP(dest_sec, dest_frac);

        step_sec =
                (dest_sec < sec) ? ((u32_t)sec - (u32_t)dest_sec) : ((u32_t)dest_sec - (u32_t)sec);
        /* In order to avoid overflows, skip the compensation if the clock step
         * is larger than about 34 years. */
        if ((step_sec >> 30) == 0) {
            s64_t t1, t2, t3, t4;
            /* t4 the time sntp client recv the reply, or the current time. */
            t4 = SNTP_SEC_FRAC_TO_S64(dest_sec, dest_frac);
            /* t3 the time sntp server transmitt the reply. */
            t3 = SNTP_SEC_FRAC_TO_S64(sec, frac);
            /* t1 the time sntp client send a request. */
            t1 = SNTP_TIMESTAMP_TO_S64(timestamps->orig);
            /* t2 the time sntp server recv the request. */
            t2 = SNTP_TIMESTAMP_TO_S64(timestamps->recv);
            /* Clock offset calculation according to RFC 4330 */
            t4 += ((t2 - t1) + (t3 - t4)) / 2;

            sec = (s32_t)((u64_t)t4 >> 32);
            frac = (u32_t)((u64_t)t4);
        }
    }
#endif /* SNTP_COMP_ROUNDTRIP */			

    time_t tim = (u32_t)((sec) + DIFF_SEC_1970_2036);

    /* change system time and/or the update the RTC clock */
    SNTP_SET_SYSTEM_TIME(sec);
    /* display local time from GMT time */
    //LWIP_DEBUGF(SNTP_DEBUG_TRACE, ("sntp_process: %s", ctime(&tim)));
    LOGI("sntp_process: %s", ctime(&tim));

    LWIP_UNUSED_ARG(tim);
}

参数:

timestamps 时间戳,结构体类型如下:

struct sntp_timestamps
{
#if SNTP_COMP_ROUNDTRIP || SNTP_CHECK_RESPONSE >= 2  
    struct sntp_time orig;  //发送前时间戳
    struct sntp_time recv;  //接收到时间戳
#endif  
    struct sntp_time xmit;  //传输
};

sntp_time类型如下:

struct sntp_time
{
    u32_t sec;  //秒
    u32_t frac; //毫秒
};

返回值:

        从上述代码中可以看到,实际上正如在文章开头所讲的那样SNTP是根据时间差来进行校准时间,计算后得到结果后,需要关注的函数是SNTP_SET_SYSTEM_TIME,后续的数据处理,都在该函数中进行。

#define SNTP_SET_SYSTEM_TIME(sec) sntp_set_system_time((u32_t)((sec)+DIFF_SEC_1970_2036),0)

sntp_set_system_time()

        sntp根据计算得到的结果来设置系统时间。

函数原型:

static void sntp_set_system_time(time_t t, u32_t us)
{
    struct tm *gt = NULL;
    hal_rtc_time_t r_time;
    hal_rtc_status_t st = HAL_RTC_STATUS_OK;

    LOGI("sntp_set_system_time input:  %"U32_F" s,%"U32_F" us\n",t,us);
    gt = gmtime(&t);
    if (gt == NULL) {
        gt = localtime(&t);
    }

    r_time.rtc_year = (gt->tm_year % 100);
    r_time.rtc_mon = gt->tm_mon + 1;
    r_time.rtc_day = gt->tm_mday;
    r_time.rtc_week = gt->tm_wday;
    r_time.rtc_hour = gt->tm_hour;
    r_time.rtc_min = gt->tm_min;
    r_time.rtc_sec = gt->tm_sec;
    st = hal_rtc_set_time(&r_time);

    if (sntp_cb) {
        LOGI("sntp callback\n");
        sntp_cb(r_time);
    }

    LOGI("sntp(%d %d %d ",gt->tm_wday,gt->tm_mon,gt->tm_mday); LOGI("%d:%d:%d %d)\n",gt->tm_hour,gt->tm_min,gt->tm_sec,gt->tm_year); LOGI("sntp(atx):(%d:%d)\n",gt->tm_isdst,gt->tm_yday); LOGI("sntp st1(%u)\n",st);
    st = hal_rtc_get_time(&r_time);
    (void)st;

    LOGI("sntp(%u  %u  %u ",r_time.rtc_week,r_time.rtc_mon,r_time.rtc_day); LOGI("%u:%u:%u %u)\n",r_time.rtc_hour,r_time.rtc_min,r_time.rtc_sec,r_time.rtc_year); LOGI("sntp st2(%u)\n",st);
}

参数:

t 时间戳

us  微秒

返回值:

        该函数将数据进行划分计算,得到最终需要的数据结果,然后设置本地的RTC时间。设置完成后,调用sntp_cb函数来进行用户自己的操作。

 sntp_set_callback()

        设置用户自定义的回调结果

函数原型:

void sntp_set_callback(sntp_callback callback)
{
    sntp_cb = callback;
}

参数:

callback 用户自定义回调结果

返回值:

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