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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10.4??實(shí)驗(yàn)內(nèi)容——NTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)

1．實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h4>

通過實(shí)現(xiàn)NTP協(xié)議的練習(xí)，進(jìn)一步掌握Linux網(wǎng)絡(luò)編程，并且提高協(xié)議的分析與實(shí)現(xiàn)能力，為參與完成綜合性項(xiàng)目打下良好的基礎(chǔ)。

2．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

Network?Time?Protocol（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(guó)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10.9??NTP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 Root?Delay：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 Root?Dispersion：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(wú)符號(hào)定點(diǎn)小數(shù)。

n Reference?Identifier：識(shí)別特殊參考源。

n Originate?Timestamp：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 Receive?Timestamp：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 Transmit?Timestamp：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(jiǎn)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(guó)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(jiǎn)易NTP客戶端的實(shí)現(xiàn)流程如圖10.10所示。

圖10.10??簡(jiǎn)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>

#define?NTP_PORT???????????????123???????????????/*NTP專用端口號(hào)字符串*/

#define?TIME_PORT??????????????37???????????????/*?TIME/UDP端口號(hào)?*/

#define?NTP_SERVER_IP???????"210.72.145.44"??/*國(guó)家授時(shí)中心IP*/

#define?NTP_PORT_STR????????"123"??????????/*NTP專用端口號(hào)字符串*/

#define?NTPV1????????????????"NTP/V1"??????/*協(xié)議及其版本號(hào)*/

#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年之間的時(shí)間秒數(shù)?*/

#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];

/*構(gòu)建NTP協(xié)議包*/

int?construct_packet(char?*packet)

{

?????char?version?=?1;

?????long?tmp_wrd;

?????int?port;

?????time_t?timer;

?????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));

??????????/*設(shè)置Timestamp部分*/

??????????time(&timer);

??????????/*設(shè)置Transmit?Timestamp?coarse*/

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

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

??????????/*設(shè)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;

}

?

/*獲取NTP時(shí)間*/

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");

??????????return?0;

?????}

?????

?????/*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");

???????????????return?0;

??????????}

??????????

??????????if?(protocol?==?TIME)

??????????{

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

???????????????return?1;

??????????}

??????????else?if?(count?<?NTP_PCK_LEN)

??????????{

???????????????return?0;

??????????}

??????????/*?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]));

??????????return?1;

?????}?/*?end?of?if?select?*/

?????return?0;

}

?

/*?修改本地時(shí)間?*/

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;

?????/*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");

??????????return?1;

?????}

?????/*?創(chuàng)建套接字?*/

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

?????if?(sockfd?<0?)?

?????{

??????????perror("socket");

??????????return?1;

?????}??????????

/*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("NTP?client?success!n");

??????????}

?????}?????

?????close(sockfd);

?????return?0;

}

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?"2001-01-01?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

能夠顯示當(dāng)前準(zhǔn)確的日期和時(shí)間了！