NTP获取⽹络时间戳（C实现）
⼀、简介
⽹络时间协议（NTP）的⾸次实现记载在Internet Engineering Note之中，其精确度为数百毫秒。稍后出现了⾸个时间协议的规范，即RFC-778，它被命名为DCNET互联⽹时间服务，⽽它提供这种服务还是借助于Internet control Message Protocol (ICMP)，即互联⽹控制消息协议中的时间戳和时间戳应答消息作为NTP。
⼆、基本⼯作原理
NTP的基本⼯作原理如下图所⽰。Device A和Device B通过⽹络相连，它们都有⾃⼰独⽴的系统时钟，需要通过NTP实现各⾃系统时钟的⾃动同步。为便于理解，作如下假设：
　①在Device A和Device B的系统时钟同步之前，Device A的时钟设定为10:00:00am，Device B的时钟设定为11:00:00am。
　②Device B作为NTP时间服务器，即Device A将使⾃⼰的时钟与Device B的时钟同步。
　③NTP报⽂在Device A和Device B之间单向传输所需要的时间为1秒。
系统时钟同步的⼯作过程如下：
　①Device A发送⼀个NTP报⽂给Device B，该报⽂带有它离开Device A时的时间戳，该时间戳为10:00:00am（T1）。
　②当此NTP报⽂到达Device B时，Device B加上⾃⼰的时间戳，该时间戳为11:00:01am（T2）。
　③当此NTP报⽂离开Device B时，Device B再加上⾃⼰的时间戳，该时间戳为11:00:02am（T3）。
　④当Device A接收到该响应报⽂时，Device A的本地时间为10:00:03am（T4）。
⾄此，Device A已经拥有⾜够的信息来计算两个重要的参数：
　①NTP报⽂的往返时延Delay=（T4-T1）-（T3-T2）=2秒。 //NTP发送接受时间-NTP服务器响应时间
　②Device A相对Device B的时间差offset=（（T2-T1）+（T3-T4））/2=1⼩时。//假设发送和接受耗时是⼀样的
这样，Device A就能够根据这些信息来设定⾃⼰的时钟，使之与Device B的时钟同步。
三、NTP报⽂格式
NTP有两种不同类型的报⽂，⼀种是时钟同步报⽂，另⼀种是控制报⽂。控制报⽂仅⽤于需要⽹络管理的场合，它对于时钟同步功能来说并不是必需的，这⾥不做介绍。
时钟同步报⽂封装在UDP报⽂中，其格式如下图所⽰。
主要字段的解释如下：
·LI（Leap Indicator，闰秒提⽰）：长度为2⽐特，值为“11”时表⽰告警状态，时钟未被同步。为其他值时NTP本⾝不做处理。
·VN（Version Number，版本号）：长度为3⽐特，表⽰NTP的版本号，⽬前的最新版本为4。
·Mode：长度为3⽐特，表⽰NTP的⼯作模式。不同的值所表⽰的含义分别是：0未定义、1表⽰主动对等体模式、2表⽰被动对等体模式、3表⽰客户模式、4表⽰服务器模式、5表⽰⼴播模式或组播模式、6表⽰此报⽂为NTP控制报⽂、7预留给内部使⽤。
·Stratum：系统时钟的层数，取值范围为1～16，它定义了时钟的准确度。层数为1的时钟准确度最⾼，准确度从1到16依次递减，层数为16的时钟处于未同步状态。
·Poll：轮询时间，即两个连续NTP报⽂之间的时间间隔。
·Precision：系统时钟的精度。
·Root Delay：本地到主参考时钟源的往返时间。
·Root Dispersion：系统时钟相对于主参考时钟的最⼤误差。
·Reference Identifier：参考时钟源的标识。
·Reference Timestamp：系统时钟最后⼀次被设定或更新的时间。
·Originate Timestamp：NTP请求报⽂离开发送端时发送端的本地时间。
·Receive Timestamp：NTP请求报⽂到达接收端时接收端的本地时间。
·Transmit Timestamp：应答报⽂离开应答者时应答者的本地时间。
·Authenticator：验证信息。
四、代码⽰例获取NTP时间
根据前说的NTP报⽂格式，构建如下数据结构体，⽤来存储请求报⽂：
/* NTP时钟同步报⽂ */
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;
};
获取NTP时间的完整代码如下：
/*
* FILE: ntp.c
* NOTE: socket⽹络编程学习，NTP时间获取程序
*
* TIME: 2021年11⽉13⽇00:05:39
*/
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <netdb.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <time.h>
#include <netinet/in.h>
#define  NTP_PORT  123
#define  TIME_PORT  37
#define  NTP_SERVER_IP  "p.org"
#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 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;
/* NTP时钟同步报⽂ */
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];
int construct_packet(char *packet)
{
char version = 1;
long tmp_wrd;
int port;
time_t timer;
strcpy(protocol, NTPV4);
/*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));
socket通信报文格式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);
return4;
}
return0;
}
/*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;
/* 组织请求报⽂ */
if (!(packet_len = construct_packet(data)))
{
return0;
}
/*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");
return0;
}
/*调⽤select()函数，并设定超时时间为10s*/
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");
return0;
}
if (protocol == TIME)
{
memcpy(&ret_time->transmit_timestamp, data, 4);
return1;
}
else if (count < NTP_PCK_LEN)
{
return0;
}
/* 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->arse = ntohl(*(int*)&(data[16]));
ret_time->reference_timestamp.fine = ntohl(*(int*)&(data[20]));
ret_time->arse = ntohl(*(int*)&(data[24]));
ret_time->originage_timestamp.fine = ntohl(*(int*)&(data[28]));
ret_time->arse = ntohl(*(int*)&(data[32]));
ret_time->receive_timestamp.fine = ntohl(*(int*)&(data[36]));
ret_time->arse = ntohl(*(int*)&(data[40]));
ret_time->transmit_timestamp.fine = ntohl(*(int*)&(data[44]));
/* 将NTP时间戳转换为⽇期 */
time_t currentTime = ret_time->arse - JAN_1970;
struct tm CurlocalTime;
localtime_r(¤tTime, &CurlocalTime);
char dateTime[30];
strftime(dateTime, 30, "%Y-%m-%d %H:%M:%S %A", &CurlocalTime);
printf("%s\n", dateTime);
return1;
} /* end of if select */
return0;
}
/* 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->arse - JAN_1970;
tv.tv_usec = USEC(pnew_time_packet->transmit_timestamp.fine);
return settimeofday(&tv, NULL);
}
int main(int argc, char *argv[])
{
int sockfd, rc;
struct addrinfo hints, *res = NULL;
struct ntp_packet new_time_packet;
memset(&hints, 0, sizeof(hints));
hints.ai_family = AF_INET;
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");
return1;
}
/* 创建套接字 */
sockfd = socket(res->ai_family, res->ai_socktype, res->ai_protocol); //IPv4, 数据报套接字, UDP if (sockfd <0 )
{
perror("socket");
return1;
}
/*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);
return0;
}
编译运⾏结果：
参考：《NTP发展史》
《NTP⼯作原理》
《NTP的报⽂格式》

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