嵌入式Linux網(wǎng)絡(luò)編程之：實(shí)驗(yàn)內(nèi)容——NTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)
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NetworkTimeProtocol（NTP）協(xié)議是用來使計(jì)算機(jī)時(shí)間同步化的一種協(xié)議，它可以使計(jì)算機(jī)對(duì)其服務(wù)器或時(shí)鐘源（如石英鐘，GPS等）做同步化，它可以提供高精確度的時(shí)間校正（LAN上與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間差小于1毫秒，WAN上幾十毫秒），且可用加密確認(rèn)的方式來防止惡毒的協(xié)議攻擊。
NTP提供準(zhǔn)確時(shí)間，首先要有準(zhǔn)確的時(shí)間來源，這一時(shí)間應(yīng)該是國際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC。NTP獲得UTC的時(shí)間來源可以是原子鐘、天文臺(tái)、衛(wèi)星，也可以從Internet上獲取。這樣就有了準(zhǔn)確而可靠的時(shí)間源。時(shí)間是按NTP服務(wù)器的等級(jí)傳播。按照距離外部UTC源的遠(yuǎn)近將所有服務(wù)器歸入不同的Stratun（層）中。Stratum-1在頂層，有外部UTC接入，而Stratum-2則從Stratum-1獲取時(shí)間，Stratum-3從Stratum-2獲取時(shí)間，以此類推，但Stratum層的總數(shù)限制在15以內(nèi)。所有這些服務(wù)器在邏輯上形成階梯式的架構(gòu)并相互連接，而Stratum-1的時(shí)間服務(wù)器是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。
進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)時(shí)最重要的是了解協(xié)議數(shù)據(jù)格式。NTP數(shù)據(jù)包有48個(gè)字節(jié)，其中NTP包頭16字節(jié)，時(shí)間戳32個(gè)字節(jié)。其協(xié)議格式如圖10.9所示。
圖10.9NTP協(xié)議數(shù)據(jù)格式
其協(xié)議字段的含義如下所示。
n LI：跳躍指示器，警告在當(dāng)月最后一天的最終時(shí)刻插入的迫近閨秒（閨秒）。
n VN：版本號(hào)。
n Mode：工作模式。該字段包括以下值：0－預(yù)留；1－對(duì)稱行為；3－客戶機(jī)；4－服務(wù)器；5－廣播；6－NTP控制信息。NTP協(xié)議具有3種工作模式，分別為主/被動(dòng)對(duì)稱模式、客戶/服務(wù)器模式、廣播模式。在主/被動(dòng)對(duì)稱模式中，有一對(duì)一的連接，雙方均可同步對(duì)方或被對(duì)方同步，先發(fā)出申請(qǐng)建立連接的一方工作在主動(dòng)模式下，另一方工作在被動(dòng)模式下；客戶/服務(wù)器模式與主/被動(dòng)模式基本相同，惟一區(qū)別在于客戶方可被服務(wù)器同步，但服務(wù)器不能被客戶同步；在廣播模式中，有一對(duì)多的連接，服務(wù)器不論客戶工作在何種模式下，都會(huì)主動(dòng)發(fā)出時(shí)間信息，客戶根據(jù)此信息調(diào)整自己的時(shí)間。
n Stratum：對(duì)本地時(shí)鐘級(jí)別的整體識(shí)別。
n Poll：有符號(hào)整數(shù)表示連續(xù)信息間的最大間隔。
n Precision：有符號(hào)整數(shù)表示本地時(shí)鐘精確度。
n RootDelay：表示到達(dá)主參考源的一次往復(fù)的總延遲，它是有15～16位小數(shù)部分的符號(hào)定點(diǎn)小數(shù)。
n RootDispersion：表示一次到達(dá)主參考源的標(biāo)準(zhǔn)誤差，它是有15～16位小數(shù)部分的無符號(hào)定點(diǎn)小數(shù)。
n ReferenceIdentifier：識(shí)別特殊參考源。
n OriginateTimestamp：這是向服務(wù)器請(qǐng)求分離客戶機(jī)的時(shí)間，采用64位時(shí)標(biāo)格式。
n ReceiveTimestamp：這是向服務(wù)器請(qǐng)求到達(dá)客戶機(jī)的時(shí)間，采用64位時(shí)標(biāo)格式。
n TransmitTimestamp：這是向客戶機(jī)答復(fù)分離服務(wù)器的時(shí)間，采用64位時(shí)標(biāo)格式。
n Authenticator（Optional）：當(dāng)實(shí)現(xiàn)了NTP認(rèn)證模式時(shí)，主要標(biāo)識(shí)符和信息數(shù)字域就包括已定義的信息認(rèn)證代碼（MAC）信息。
由于NTP協(xié)議中涉及比較多的時(shí)間相關(guān)的操作，為了簡化實(shí)現(xiàn)過程，在本實(shí)驗(yàn)中，僅要求實(shí)現(xiàn)NTP協(xié)議客戶端部分的網(wǎng)絡(luò)通信模塊，也就是構(gòu)造NTP協(xié)議字段進(jìn)行發(fā)送和接收，最后與時(shí)間相關(guān)的操作不需進(jìn)行處理。NTP協(xié)議是作為OSI參考模型的高層協(xié)議比較適合采用UDP傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，專用端口號(hào)為123。在實(shí)驗(yàn)中，以國家授時(shí)中心服務(wù)器（IP地址為202.72.145.44）作為NTP（網(wǎng)絡(luò)時(shí)間）服務(wù)器。
3．實(shí)驗(yàn)步驟（1）畫出流程圖。
簡易NTP客戶端的實(shí)現(xiàn)流程如圖10.10所示。
圖10.10簡易NTP客戶端流程圖
（2）編寫程序。
具體代碼如下：
/*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專用端口號(hào)字符串*/
#defineTIME_PORT37/*TIME/UDP端口號(hào)*/
#defineNTP_SERVER_IP"210.72.145.44"/*國家授時(shí)中心IP*/
#defineNTP_PORT_STR"123"/*NTP專用端口號(hào)字符串*/
#defineNTPV1"NTP/V1"/*協(xié)議及其版本號(hào)*/
#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年之間的時(shí)間秒數(shù)*/
#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];
/*構(gòu)建NTP協(xié)議包*/
intconstruct_packet(char*packet)
{
charversion=1;
longtmp_wrd;
intport;
time_ttimer;
strcpy(protocol,NTPV3);
/*判斷協(xié)議版本*/
if(!strcmp(protocol,NTPV1)||!strcmp(protocol,NTPV2)
||!strcmp(protocol,NTPV3)||!strcmp(protocol,NTPV4))
{
memset(packet,0,NTP_PCK_LEN);
port=NTP_PORT;
/*設(shè)置16字節(jié)的包頭*/
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));
/*設(shè)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));
/*設(shè)置Timestamp部分*/
time(&timer);
/*設(shè)置TransmitTimestampcoarse*/
tmp_wrd=htonl(JAN_1970+(long)timer);
memcpy(&packet[40],&tmp_wrd,sizeof(tmp_wrd));
/*設(shè)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;
}
/*獲取NTP時(shí)間*/
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;
}
/*客戶端給服務(wù)器端發(fā)送NTP協(xié)議數(shù)據(jù)包*/
if((result=sendto(sk,data,
packet_len,0,addr->ai_addr,data_len))<0)
{
perror("sendto");
return0;
}
/*調(diào)用select()函數(shù)，并設(shè)定超時(shí)時(shí)間為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)
{
/*接收服務(wù)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;
}
/*設(shè)置接收NTP包的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)*/
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;
}
/*修改本地時(shí)間*/
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;
/*調(diào)用getaddrinfo()函數(shù)，獲取地址信息*/
rc=getaddrinfo(NTP_SERVER_IP,NTP_PORT_STR,&hints,&res);
if(rc!=0)
{
perror("getaddrinfo");
return1;
}
/*創(chuàng)建套接字*/
sockfd=socket(res->ai_family,res->ai_socktype,res->ai_protocol);
if(sockfd<0)
{
perror("socket");
return1;
}
/*調(diào)用取得NTP時(shí)間的函數(shù)*/
if(get_ntp_time(sockfd,res,&new_time_packet))
{
/*調(diào)整本地時(shí)間*/
if(!set_local_time(&new_time_packet))
{
printf("NTPclientsuccess!n");
}
}
close(sockfd);
return0;
}
為了更好地觀察程序的效果，先用date命令修改一下系統(tǒng)時(shí)間，再運(yùn)行實(shí)例程序。運(yùn)行完了之后再查看系統(tǒng)時(shí)間，可以發(fā)現(xiàn)已經(jīng)恢復(fù)準(zhǔn)確的系統(tǒng)時(shí)間了。具體運(yùn)行結(jié)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
能夠顯示當(dāng)前準(zhǔn)確的日期和時(shí)間了！
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