嵌入式Linux網(wǎng)絡編程之：實驗內容——NTP協(xié)議實現(xiàn)
通過實現(xiàn)NTP協(xié)議的練習，進一步掌握Linux網(wǎng)絡編程，并且提高協(xié)議的分析與實現(xiàn)能力，為參與完成綜合性項目打下良好的基礎。
2．實驗內容NetworkTimeProtocol（NTP）協(xié)議是用來使計算機時間同步化的一種協(xié)議，它可以使計算機對其服務器或時鐘源（如石英鐘，GPS等）做同步化，它可以提供高精確度的時間校正（LAN上與標準時間差小于1毫秒，WAN上幾十毫秒），且可用加密確認的方式來防止惡毒的協(xié)議攻擊。
NTP提供準確時間，首先要有準確的時間來源，這一時間應該是國際標準時間UTC。NTP獲得UTC的時間來源可以是原子鐘、天文臺、衛(wèi)星，也可以從Internet上獲取。這樣就有了準確而可靠的時間源。時間是按NTP服務器的等級傳播。按照距離外部UTC源的遠近將所有服務器歸入不同的Stratun（層）中。Stratum-1在頂層，有外部UTC接入，而Stratum-2則從Stratum-1獲取時間，Stratum-3從Stratum-2獲取時間，以此類推，但Stratum層的總數(shù)限制在15以內。所有這些服務器在邏輯上形成階梯式的架構并相互連接，而Stratum-1的時間服務器是整個系統(tǒng)的基礎。
進行網(wǎng)絡協(xié)議實現(xiàn)時最重要的是了解協(xié)議數(shù)據(jù)格式。NTP數(shù)據(jù)包有48個字節(jié)，其中NTP包頭16字節(jié)，時間戳32個字節(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，警告在當月最后一天的最終時刻插入的迫近閨秒（閨秒）。
n VN：版本號。
n Mode：工作模式。該字段包括以下值：0－預留；1－對稱行為；3－客戶機；4－服務器；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/被動對稱模式、客戶/服務器模式、廣播模式。在主/被動對稱模式中，有一對一的連接，雙方均可同步對方或被對方同步，先發(fā)出申請建立連接的一方工作在主動模式下，另一方工作在被動模式下；客戶/服務器模式與主/被動模式基本相同，惟一區(qū)別在于客戶方可被服務器同步，但服務器不能被客戶同步；在廣播模式中，有一對多的連接，服務器不論客戶工作在何種模式下，都會主動發(fā)出時間信息，客戶根據(jù)此信息調整自己的時間。
n Stratum：對本地時鐘級別的整體識別。
n Poll：有符號整數(shù)表示連續(xù)信息間的最大間隔。
n Precision：有符號整數(shù)表示本地時鐘精確度。
n RootDelay：表示到達主參考源的一次往復的總延遲，它是有15～16位小數(shù)部分的符號定點小數(shù)。
n RootDispersion：表示一次到達主參考源的標準誤差，它是有15～16位小數(shù)部分的無符號定點小數(shù)。
n ReferenceIdentifier：識別特殊參考源。
n OriginateTimestamp：這是向服務器請求分離客戶機的時間，采用64位時標格式。
n ReceiveTimestamp：這是向服務器請求到達客戶機的時間，采用64位時標格式。
n TransmitTimestamp：這是向客戶機答復分離服務器的時間，采用64位時標格式。
n Authenticator（Optional）：當實現(xiàn)了NTP認證模式時，主要標識符和信息數(shù)字域就包括已定義的信息認證代碼（MAC）信息。
由于NTP協(xié)議中涉及比較多的時間相關的操作，為了簡化實現(xiàn)過程，在本實驗中，僅要求實現(xiàn)NTP協(xié)議客戶端部分的網(wǎng)絡通信模塊，也就是構造NTP協(xié)議字段進行發(fā)送和接收，最后與時間相關的操作不需進行處理。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)議進行數(shù)據(jù)傳輸，專用端口號為123。在實驗中，以國家授時中心服務器（IP地址為202.72.145.44）作為NTP（網(wǎng)絡時間）服務器。
3．實驗步驟（1）畫出流程圖。
簡易NTP客戶端的實現(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專用端口號字符串*/
#defineTIME_PORT37/*TIME/UDP端口號*/
#defineNTP_SERVER_IP"210.72.145.44"/*國家授時中心IP*/
#defineNTP_PORT_STR"123"/*NTP專用端口號字符串*/
#defineNTPV1"NTP/V1"/*協(xié)議及其版本號*/
#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));
/*設置Timestamp部分*/
time(&timer);
/*設置TransmitTimestampcoarse*/
tmp_wrd=htonl(JAN_1970+(long)timer);
memcpy(&packet[40],&tmp_wrd,sizeof(tmp_wrd));
/*設置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;
}
/*調用select()函數(shù)，并設定超時時間為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;
}
/*設置接收NTP包的數(shù)據(jù)結構*/
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;
}
/*調用取得NTP時間的函數(shù)*/
if(get_ntp_time(sockfd,res,&new_time_packet))
{
/*調整本地時間*/
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)時間，再運行實例程序。運行完了之后再查看系統(tǒng)時間，可以發(fā)現(xiàn)已經(jīng)恢復準確的系統(tǒng)時間了。具體運行結果如下所示。
$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
能夠顯示當前準確的日期和時間了！
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