嵌入式Linux网络编程之：实验内容——NTP协议实现

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        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 <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>
         
        #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 << 30)|(version << 27)
                        |(MODE << 24)|(STRATUM << 16)|(POLL << 8)|(PREC & 0xff));
                  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)) < 0)
             {
                  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)) < 0)
                  {
                       perror("recvfrom");
                       return 0;
                  }
                  
                  if (protocol == TIME)
                  {
                       memcpy(&ret_time->transmit_timestamp, data, 4);
                       return 1;
                  }
                  else if (count < NTP_PCK_LEN)
                  {
                       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！