linux 下ntp客户端协议代码实现

       在网上找到一个ntp协议的客户端代码，下载后编译发现运行时select函数总是返回0，即超时，更换时钟授权中心ip地址仍然是超时。国家授权时钟中心的ip（210.72.145.44）地址无法ping通，更改为海淀教育网的IP地址（211.68.71.26），此ip地址能ping通。STRATUM的值是0，而查看协议说明得知STRATUM的值范围是1-16，值越小越精确。发现还是select超时。不断增加调试代码，增加中间过程打印信息，最后发现报文构造时LI标识有问题，LI不是0，而是0b10。定位到是version影响到了LI，version应该取protocol[5]就正确了。

 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

4.测试：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！

5 代码

#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 <unistd.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netdb.h>


#define NTP_PORT 123
#define TIME_PORT 37
#define NTP_SERVER_IP "211.68.71.26"
#define NTP_PORT_STR "123"
#define NTPV1 "NTP/V1"
#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 1
#define POLL 4
#define PREC -6


#define JAN_1970 0x83aa7e80
#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;
 //       printf("\r\n version%d,protocol%d",version,protocol[6]);
        tmp_wrd = htonl((LI <<30)|(version << 27)
                 |(MODE << 24)|(STRATUM <<16)|(POLL << 8)|(PREC & 0xff));
        memcpy(packet,&tmp_wrd,sizeof(tmp_wrd));
       // printf("\r\n tmp_wrd=%x",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(JAN_1970+(long)timer);
    memcpy(&packet[44],&tmp_wrd,sizeof(tmp_wrd));
        return NTP_PCK_LEN;
     }
     else if (!strcmp(protocol,TIME))
     {
         port = TIME_PORT;
         memset(packet,0,4);
         return 4;
     }
     return 0;
}




int get_ntp_time(int sk,struct addrinfo *addr,struct ntp_packet *ret_time)
{
    int iret=0;
    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;
    
    memset(data,'\0',sizeof(data));


    if(!(packet_len = construct_packet(data)))
    {
        printf("\r\n construct packet fail");
        return 0;
    }
    /*客户端给服务器发送NTP协议数据包*/
    for (iret = 0;iret<48;iret++)
    {
     //   printf(" data[%d] = %d",iret,data[iret]);
    }
    
   // printf("\r\n sk=%d,packetlen=%d, datalen=%d",sk,packet_len,data_len);
    if ((result = sendto(sk,data,packet_len,0,addr->ai_addr,data_len))<0)
    {
        perror("sendto");
        printf("\r\n sendto fail");
        return 0;
    }
    printf("\r\n sendto result %d",result);
    /*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 ((iret=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");
            printf("\r\n recvfrom fail");
            return 0;
        }
        if (protocol == TIME)
        {
            memcpy(&ret_time->transmit_timestamp,data,4);
            return 1;
        }
        else if (count < NTP_PCK_LEN)
        {
            printf("\r\n count fail");
            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;
    }
    printf("\r\n select fail=0x%x",iret);
    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;
   
//    printf("start main");
 
    rc = getaddrinfo(NTP_SERVER_IP,NTP_PORT_STR,&hints,&res);
    if (rc != 0)
    {
        perror("getaddrinfo");
        return 1;
    }
   // printf("\r\n res->ai_family=%x,res->ai_socktype=%x,res->ai_protocol=%x",res->ai_family,res->ai_socktype,res->ai_protocol);
   // printf("\r\n hints.aifamily=%x,hints.ai_socktype=%x,hints.ai_protocol=%x",hints.ai_family,hints.ai_socktype,hints.ai_protocol);
   // printf("\r\naf_inet=%d af_inet6=%d af_unspec=%d",AF_INET,AF_INET6,AF_UNSPEC);
   // sockfd = socket(res->ai_family,res->ai_socktype,res->ai_protocol);
    sockfd = socket(res->ai_family,res->ai_socktype,0);
    if (sockfd < 0)
    {
        perror("socket");
        return 1;
    }
    /*调用取得NTP时间函数*/
    if (get_ntp_time(sockfd,res,&new_time_packet))
    {
        int iret = 0;
        /*调整本地时间*/
        iret = set_local_time(&new_time_packet);
        if (!iret)
        {
            printf("NTP client success!\n");
        }
        else
        {
            printf("\r\nset local fail =%d",iret);
        }
    }
    else
    {
      printf("\r\n get ntp time fail");
    }
    close(sockfd);
    printf("\r\n end main\r\n");
    return 0;
}