嵌入式Linux网络编程之：实验内容——NTP协议实现

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恶毒的协议攻击。

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。

n 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）。

n VN：版本号。

n 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。

n Stratum：对本地时钟级别的整体识别。

n Poll：有符号整数表示连续信息间的最大间隔。

n Precision：有符号整数表示本地时钟精确度。

n 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。

n 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。

n Reference Identifier：识别特殊参考源。

n 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。

n 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。

n 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。

n 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 "210.72.145.44" /*国家授时中心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"

#d