NTP協議實現

10.4 實驗內容 ——NTP協議實現

1．實驗目的

     經過實現NTP協議的練習，進一步掌握Linux網絡編程，而且提升協議的分析與實現能力，爲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，它可使計算機對其服務器或時鐘源（如石英鐘，GPS等）作同步化，它能夠提供高精確度的時間校訂（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得到UTC的時間來源能夠是原子鐘、天文臺、衛星，也能夠從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 源的遠近將全部服務器納入不一樣的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之內。全部這些服務器在邏輯上造成階梯式的架構並 相互鏈接，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瞭解協議數據格式。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

     其協議字段的含義以下所示。

      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：工做模式。該字段包括如下值：0－預留；1－對稱行爲；3－客戶機；4－服務器；5－廣播；6－NTP控制信息。NTP協議具備3種工做模式，分別爲主/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，有一對一的鏈接，雙方都可同步對方或被對方同步，先發出申請創建鏈接的一方工做在主動模式下，另外一方工做在被動模式下； 客戶/服務器模 式與主/被動模式基本相同，唯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，有一對多的鏈接，服務器不論客戶工做 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本身的時間。

     Stratum：對本地時鐘級別的總體識別。

     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偏差，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：這是向客戶機答覆分離服務器的時間，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。

     因爲NTP協議中涉及比較多的時間相關的操做，爲了簡化實現過程，在本實驗中，僅要求實現NTP協議客戶端部分的網絡通訊模塊，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做不需進行處理。NTP協議是做爲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，專用端口號爲 123。在實驗中，以國家授時中心服務器（IP地址爲 202.72.145.44）做爲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。

     具體代碼以下：

 

/* 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       "3.tw.pool.ntp.org" /*NTP服務 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[5] - 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，並設定超時時間爲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;

     }

     /* 建立套接字 */

     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;

}

 

     爲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。運行完了以後再查看系統時間，能夠發現已經恢復準確的系統時間了。具體運 行結果以下所示。

 

$ 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

可以顯示當前準確的日期和時間了！