嵌入式linux ntpd命令,嵌入式Linux网络编程之：实验内容——NTP协议实现-嵌入式系统-与非网...

10.4  实验内容——NTP协议实现

1．实验目的

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

Network Time Protocol(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10.9  NTP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 Root Delay：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 Root Dispersion：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 Reference Identifier：识别特殊参考源。

n Originate Timestamp：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 Receive Timestamp：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 Transmit Timestamp：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 

#include 

#include 

#include 

#include 

#include 

#include 

#include 

#include 

#include 

#include 

#include 

#include 

#define NTP_PORT               123               /*NTP专用端口号字符串*/

#define TIME_PORT              37               /* TIME/UDP端口号 */

#define NTP_SERVER_IP       "210.72.145.44"  /*国家授时中心IP*/

#define NTP_PORT_STR        "123"          /*NTP专用端口号字符串*/

#define NTPV1                "NTP/V1"      /*协议及其版本号*/

#define NTPV2                "NTP/V2"

#define NTPV3                "NTP/V3"

#define NTPV4                "NTP/V4"

#define TIME                "TIME/UDP"

#define NTP_PCK_LEN 48

#define LI 0

#define VN 3

#define MODE 3

#define STRATUM 0

#define POLL 4

#define PREC -6

#define JAN_1970  0x83aa7e80  /* 1900年～1970年之间的时间秒数 */

#define NTPFRAC(x)     (4294 * (x) + ((1981 * (x)) >> 11))

#define USEC(x)         (((x) >> 12) - 759 * ((((x) >> 10) + 32768) >> 16))

typedef struct _ntp_time

{

unsigned int coarse;

unsigned int fine;

} ntp_time;

struct ntp_packet

{

unsigned char leap_ver_mode;

unsigned char startum;

char poll;

char precision;

int  root_delay;

int  root_dispersion;

int reference_identifier;

ntp_time reference_timestamp;

ntp_time originage_timestamp;

ntp_time receive_timestamp;

ntp_time transmit_timestamp;

};

char protocol[32];

/*构建NTP协议包*/

int construct_packet(char *packet)

{

char version = 1;

long tmp_wrd;

int port;

time_t timer;

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 <

|(MODE <

memcpy(packet, &tmp_wrd, sizeof(tmp_wrd));

/*设置Root Delay、Root Dispersion和Reference Indentifier */

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Transmit Timestamp coarse*/

tmp_wrd = htonl(JAN_1970 + (long)timer);

memcpy(&packet[40], &tmp_wrd, sizeof(tmp_wrd));

/*设置Transmit Timestamp fine*/

tmp_wrd = htonl((long)NTPFRAC(timer));

memcpy(&packet[44], &tmp_wrd, sizeof(tmp_wrd));

return NTP_PCK_LEN;

}

else if (!strcmp(protocol, TIME))/* "TIME/UDP" */

{

port = TIME_PORT;

memset(packet, 0, 4);

return 4;

}

return 0;

}

/*获取NTP时间*/

int get_ntp_time(int sk, struct addrinfo *addr, struct ntp_packet *ret_time)

{

fd_set pending_data;

struct timeval block_time;

char data[NTP_PCK_LEN * 8];

int  packet_len, data_len = addr->ai_addrlen, count = 0, result, i, re;

if (!(packet_len = construct_packet(data)))

{

return 0;

}

/*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)) 

{

perror("sendto");

return 0;

}

/*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)) 

{

perror("recvfrom");

return 0;

}

if (protocol == TIME)

{

memcpy(&ret_time->transmit_timestamp, data, 4);

return 1;

}

else if (count 

{

return 0;

}

/* 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]));

return 1;

} /* end of if select */

return 0;

}

/* 修改本地时间 */

int set_local_time(struct ntp_packet * pnew_time_packet)

{

struct timeval tv;

tv.tv_sec = pnew_time_packet->transmit_timestamp.coarse - JAN_1970;

tv.tv_usec = USEC(pnew_time_packet->transmit_timestamp.fine);

return settimeofday(&tv, NULL);

}

int main()

{

int sockfd, rc;

struct addrinfo hints, *res = NULL;

struct ntp_packet new_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");

return 1;

}

/* 创建套接字 */

sockfd = socket(res->ai_family, res->ai_socktype, res->ai_protocol);

if (sockfd <0 )

{

perror("socket");

return 1;

}

/*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("NTP client success!\n");

}

}

close(sockfd);

return 0;

}

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 "2001-01-01 1:00:00"

2001年 01月 01日 星期一 01:00:00 EST

$ date

2001年 01月 01日 星期一 01:00:00 EST

$ ./ntp

NTP client success!

$ date

能够显示当前准确的日期和时间了！