合宙Air105|Socket|NTP协议|W5500|TCP&UDP测试|NTP服务器|官方demo|学习（8）：Socket网络接口

基础资料

基于Air105开发板：Air105 - LuatOS 文档

上手：开发上手 - LuatOS 文档

探讨重点

对官方Socket网络接口demo中NTP模块进行复现及分析，进行相关内容的学习及探讨。

实现功能

NTP协议分析及收发报文示例；

硬件准备

Air105开发板1块，面包板1块，W5500网络模块，导线若干。

接线：

W5500模块是标准SPI设备，可参考合宙Air系列开发板官方demo学习（二）：camera - 摄像头:(1)-capture：中SPI接口外置sd卡的接线方式。

PIN口设置：w5500.init(spi.SPI_2, 24000000, pin.PB03, pin.PC00, pin.PE10)。 w5500.config() --默认是DHCP模式

软件版本

AIR105：LuatOS@AIR105 base 22.10 bsp V0013

TCP&UDP测试工具

软件使用

接口文档可参考：socket网络接口

基本概念（引自：百度百科）

网络时间协议，英文名称：Network Time Protocol（NTP）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等等)做同步化，它可以提供高精准度的时间校正（LAN上与标准间差小于1毫秒，WAN上几十毫秒），且可介由加密确认的方式来防止恶毒的协议攻击。NTP的目的是在无序的Internet环境中提供精确和健壮的时间服务。

NTP协议发展历史

NTP是由美国Delaware大学David L .Mills教授设计的，是最早用于网络中时钟同步的标准之一。NTP是从时间协议和ICMP时间戳报文演变而来，NTP的版本演进如下所示。

 

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NTP报文

报文格式根据使用功能的不同分为：NTP数据报文和NTP控制报文(请参考：NTP报文格式)。

本文重点介绍数据报文。

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NTP报文格式如上图所示，它的字段含义参考如下：

· LI (Leap Indicator): 闰秒标识器,

长度为 2 Bits, 用来预警最近一分钟插入 1s 或者删除 1s.

LI	Value	含义
00	0	无预告
01	1	最近一分钟有 61s
10	2	最近一分钟有 59s
11	3	警告状态(时钟未同步)

· VN (Version Number): 版本号

长度为 3 Bits, 目前最新的版本是 4, 向下兼容指定于 RFC 1305 的版本 3.

· Mode: 工作模式,

长度为 3 Bits.

点对点模式下, 客户端请求时设置此字段为 3, 服务器应答时设置此字段为 4. 广播模式下, 服务器应答设置此字段为 5.

Mode	Value	含义
000	0	保留
001	1	主动对称模式
010	2	被动对称模式
011	3	客户端模式
100	4	服务器模式
101	5	广播或组播模式
110	6	NTP控制报文
111	7	预留给内部使用

· Stratum: 系统时钟的层数,

长度为 8 Bits, 取值范围 1~16, 定义时钟的准确度. 层数为 1 的时钟准确度最高, 准确度从 1 到 16 依次递减, 阶层的上限为15, 层数为 16的时钟处于未同步状态, 不能作为参考时钟.

· 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.

· stratum-0 是高精度计时设备, 例如原子钟 (如铯, 铷), GPS时钟或其他无线电时钟. 它们生成非常精确的脉冲秒信号, 触发所连接计算机上的中断和时间戳. 也称为参考 (基准) 时钟.

· stratum-1 是与 stratum-0 设备相连, 在几微秒误差内同步系统时钟的计算机.

· 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 Stratum (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.

stratum	含义
0	未指定或者难以获得
1	主要参考(如: 无线电时钟,校正的原子时钟)
2~15	第二参考(Via NTP)
16	未同步状态, 不能作为参考时钟

· Poll: 轮询间隔时间,

长度为 8 Bits, 两个连续NTP报文之间的时间间隔, 用 2 的幂来表示,

· Precision: 系统时钟（本地时钟）的精度,

有符号整数表示的本地时钟精确度。 长度为 8 Bits, 用 2 的幂来表示。

· Root Delay: 本地到主参考时钟源的往返时间, 长度为 32 Bits, 有 15～16 位小数部分的无符号定点小数.

· Root Dispersion: 系统时钟相对于主参考时钟的最大误差, 长度为 32 Bits, 有 15～16 位小数部分的无符号定点小数.

· Reference Identifier: 参考时钟源的标识, 长度为 32 Bits.

· Reference Timestamp: 系统时钟最后一次被设定或更新的时间, 长度为 64 Bits, 无符号定点数, 前 32 Bits 表示整数部分, 后 32 Bits 表示小数部分, 理论分辨率 2^−32s.

· Originate Timestamp: NTP请求报文离开发送端时发送端的本地时间, 长度为 64 Bits.

· Receive Timestamp: NTP请求报文到达接收端时接收端的本地时间, 长度为 64 Bits.

· Transmit Timestamp: 应答报文离开应答者时应答者的本地时间, 长度为 64 Bits.

· Authenticator(Optional): 验证信息, 长度为 96 Bits, (可选信息), 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.

· NTP数据报文示例（官方demo中相关代码）

if event == socket.LINK and param == 0 then

                 sys.publish("NTP_ENABLE_LINK")

         elseif event == socket.ON_LINE and param == 0 then

                 socket.tx(netc, "\xE3\x00\x06\xEC" .. string.rep("\x00", 44))

                 socket.wait(netc) -- 这样才会有接收消息的回调

回调函数中，发送报文请求头代码为：socket.tx(netc, "\xE3\x00\x06\xEC" .. string.rep("\x00", 44))

即为：

E3 00 06 EC 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

其中E3 00 06 EC（0-31位）为：

11 警告状态，时间未同步；

100 版本是 4；

011 客户端模式（向服务器发出请求）；

00000000 未指定或难以获得

00000110 值为 6 表示最小间隔为 2^6 = 64s.

11101100 系统时钟（本地时钟）的精度。

· NTP服务器返回值

采用本地UDP工具，按16进制发送以上报文，目标服务器选择：ntp1.aliyun.com，目标端口123，连接类型UDP。

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发送报文后，收到返回数据为：

24 02 06 e7 00 00 00 07 00 00 00 42 0a 89 35 07 e7 42 bf 16 4a 62 48 a3 00 00 00 00 00 00 00

00 e7 42 bf 18 8b e2 35 51 e7 42 bf 18 8c 41 49 e0

16进制40-43位为需要提取的NTP时间（不考虑请求和应答时间差的情况下，32-35位的值与40-43位相同）。

0xe742bf18转换为10进制为：3879911192。该时间是基于起算基准时间1900年的，还需要减去1900-1970的时间差（2208988800秒= (70 * 365 + 17) * 24 * 60 * 60，16进制0x83aa7e80），结果为：1670922392。

在线时间戳转换在线时间戳转换工具，可以转换为标准时间。

例程demo中还考虑了时区和时间戳回滚的情况，具体见示例代码。

·示例代码

                     if rbuf:used() >= 48 then
                        --query(40,4,true)中的true代表采用大端模式，和所用MCU有关
                          local tamp = rbuf:query(40,4,true)
                          if tamp - 0x83aa7e80 > 0 then
                                   rtc.set(tamp - 0x83aa7e80 + 8 * 3600)
                          else
                                   --2036年后，当前ntp协议会回滚
                                   log.info("ntp 时间戳回滚")
                                   rtc.set(0x7C558180 + tamp + 8 * 3600)
                        end

PS1:

大端：内存低地址存储数据高位数值,更符合人的阅读习惯。

小端：内存低地址存储数据低位数值 。

如大端模式十六进制数据 0x04，变成字符串表示存储时，0是存储在数组下表小的位置，4存储在数组下表高的位置。

PS2：最常用的国内NTP服务器

ntp1.aliyun.com

ntp.tencent.com

edu.ntp.org.cn