1． 實驗目的
通過實現NTP協議的練習，進一步掌握Linux網絡編程，並且提高協議的分析與實現能力，為參與完成綜合性項目打下良好的基礎。
2． 實驗內容
Network Time Protocol （ NTP ）協議是用來使計算機時間同步化的一種協議，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 上與標準時間差小於 1 毫秒， WAN 上幾十毫秒），且可用加密確認的方式來防止協議攻擊。
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、天文台、衛星，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並相互連接，而Stratum-1的時間服務器是整個系統的基礎。
進行網絡協議實現時最重要的是了解協議數據格式。 NTP數據包有48個字節，其中NTP包頭16字節，時間戳32個字節。 其協議格式如圖10.9所示。
圖10.9 NTP協議數據格式
其協議字段的含義如下所示。
LI ：跳躍指示器，警告在當月最後一天的最終時刻插入的迫近閨秒（閨秒）。
VN ：版本號。
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，惟一區別在於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，都會主動發出時間信息，客戶根據此信息調整自己的時間。
Stratum ：對本地時鐘級別的整體識別。
Poll ：有符號整數表示連續信息間的最大間隔。
Precision ：有符號整數表示本地時鐘精確度。
Root Delay ：表示到達主參考源的一次往復的總延遲，它是有15～16位小數部分的符號定點小數。
Root Dispersion ：表示一次到達主參考源的標準誤差，它是有15～16位小數部分的無符號定點小數。
Reference Identifier ：識別特殊參考源。
Originate Timestamp ：這是向服務器請求分離客戶機的時間，採用64位時標格式。
Receive Timestamp ：這是向服務器請求到達客戶機的時間，採用64位時標格式。
Transmit Timestamp ：這是向客戶機答複分離服務器的時間，採用64位時標格式。
Authenticator （Optional） ：當實現了NTP認證模式時，主要標識符和信息數字域就包括已定義的信息認證代碼（MAC）信息。
由於NTP協議中涉及比較多的時間相關的操作，為了簡化實現過程，在本實驗中，僅要求實現NTP協議客戶端部分的網絡通信模塊，也就是構造NTP協議字段進行發送和接收，最後與時間相關的操作不需進行處理。 NTP協議是作為OSI參考模型的高層協議比較適合採用UDP傳輸協議進行數據傳輸，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>
#define NTP_PORT 123 /*NTP 專用端口號字符串*/
#define TIME_PORT 37 /* TIME/UDP 端口號*/
#define NTP_SERVER_IP "210.72.145.44" /* 國家授時中心IP*/
#define NTP_PORT_STR "123" /*NTP 專用端口號字符串*/
#define NTPV1 "NTP/V1" /* 協議及其版本號*/
#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年之間的時間秒數*/
#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];
/*構建NTP協議包*/
int construct_packet(char *packet)
{
char version = 1;
long tmp_wrd;
int port;
time_t timer;
strcpy(protocol, NTPV3);
/* 判斷協議版本*/
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));
/*設置Timestamp部分*/
time(&timer);
/* 設置Transmit Timestamp coarse*/
tmp_wrd = htonl (JAN_1970 + (long)timer);
memcpy(&packet[40], &tmp_wrd, sizeof(tmp_wrd));
/* 設置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;
}
/* 客戶端給服務器端發送NTP協議數據包*/
if ((result = sendto(sk, data,
packet_len, 0, addr->ai_addr, data_len) ) < 0)
{
perror("sendto");
return 0;
}
/* 調用select()函數，並設定超時時間為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");
return 0;
}
if (protocol == TIME)
{
memcpy(&ret_time->transmit_timestamp, data, 4);
return 1;
}
else if (count < NTP_PCK_LEN)
{
return 0;
}
/* 設置接收NTP包的數據結構*/ 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])) ;
return 1;
} /* end of if select */
return 0;
}
/* 修改本地時間*/
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;
/* 調用getaddrinfo()函數，獲取地址信息*/
rc = getaddrinfo(NTP_SERVER_IP, NTP_PORT_STR, &hints, &res);
if (rc != 0)
{
perror("getaddrinfo");
return 1;
}
/* 創建套接字*/
sockfd = socket(res->ai_family, res->ai_socktype, res->ai_protocol);
if (sockfd <0 )
{
perror("socket");
return 1;
}
/*調用取得NTP時間的函數*/
if (get_ntp_time(sockfd, res, &new_time_packet))
{
/* 調整本地時間*/
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命令修改一下系統時間，再運行實例程序。 運行完了之後再查看系統時間，可以發現已經恢復準確的系統時間了。 具體運行結果如下所示。
$ 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
能夠顯示當前準確的日期和時間了！轉載於：http://hi.baidu.com/%D3%CE%D7%D3%CE%CA%BA%AE%C7%A7%C0%EF%CD%E2/blog/item/69bfe026fde1cb0d4d088d72.html
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