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NTP协议实现

徐学良
 徐学良
发布于 2016/07/12 11:09
字数 2016
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3 月,跳不动了?>>>

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。

      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)。

      VN:版本号。

   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。

     Stratum:对本地时钟级别的整体识别。

     Poll:有符号整数表示连续信息间的最大间隔。

     Precision:有符号整数表示本地时钟精确度。

     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。

     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。

     Reference Identifier:识别特殊参考源。

     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。

     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。

     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。

     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       "3.tw.pool.ntp.org" /*NTP服务 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[5] - 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!

本文转载自:http://blog.csdn.net/charistain_huang/article/details/6831462

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