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『楼 主』:
[原创]如何与时间服务器进行时间同步
文章是从我的网志中贴过来的，其中的图片可能过不来，看完整内容，请访问我的网志：
点击进入《DOS编程技术》
在互联网上发布精确时间，要依靠一个协议，叫NTP（Network Time Protocol）协议，中文一般称为网络时间协议，互联网上有许多时间服务器，负责提供精确时间。
1、NTP协议的基本原理
假定时间服务器是A，我们的机器是B，则同步过程如下进行：
B向A发送一个消息包，记录发出消息包时的时间戳t1（以B机时间为基准）
A收到消息包立即记录时间戳t2（以A机时间为基准）
A向B返回一个消息包，返回消息包时记录时间戳t3（以A机时间为基准）
B收到A返回的消息包，此时记录时间戳t4（以B机时间为基准）
t4和t1是以B的时间标准记录的时间戳，其差t4-t1表示整个消息传递过程所需要的时间间隔；t3和t2是以A机的时间标准记录的时间戳，其差t3-t2表明消息传递过程在A机逗留的时间，那么(t4-t1)-(t3-t2)应该就是信息包从B到A，再从A传回B的时间（中间刨去了在A机的逗留时间），如果假定信息包从A到B和从B到A所用的时间一样，那么，从A到B或者从B到A信息包的传送时间d为：
d = ((t4 - t1) - (t3 - t2))/2
假定B机相对于A机的时间误差是c，则有下列等式：
t2 = t1 + c + d
t4 = t3 - c + d
从以上三个等式可以解出B机的时间误差c为：
c = ((t2 - t1) + (t3 - t4)) / 2
如果一时没有转过来，可以自己在纸上画个图，在细细地琢磨一下，应该没有问题。
2、简单网络时间协议SNTPv4（Simple Network Time Protocol version 4）
SNTPv4由NTP改编而来，主要支持同步网络计算机时钟机制。SNTPv4没有改变NTP规范和原有实现过程，它是对NTP的进一步改进，支持以一种简单、无状态远程过程调用模式执行精确而可靠的操作，这类似于UDP/TIME 协议。
3、SNTP(NTP)的协议结构
1 2 3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|LI | VN |Mode | Stratum | Poll | Precision |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Root Delay |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Root Dispersion |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Reference Identifier |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| |
| Reference Timestamp (64) |
| |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| |
| Originate Timestamp (64) |
| |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| |
| Receive Timestamp (64) |
| |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| |
| Transmit Timestamp (64) |
| |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Key Identifier (optional) (32) |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| |
| |
| Message Digest (optional) (128) |
| |
| |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
LI(Leap Indicator)：闰秒指示，2 bits，bit 0和bit 1
表示是否警告在当天的最后一分钟插入/删除一个闰秒。通常填0表示不需要警告。
VN(Version Number)：NTP/SNTP版本号，3 bits
这里我们填3，表示版本3（IPv4）
Mode：工作模式，3 bits，这里我们要填3，表示是客户端方式，时间服务器返回时将把这个字段改为4，表示是服务器工作模式
Stratum：表示所处的层，8 bits。这是因为NTP的网络体系是分层结构，按照离外部UTC（国际标准时间）源的远近将所有服务器归入不同的Stratum（层）中，Stratum-0层为官方时钟所保留，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相互连接，而Stratum-1的时间服务器是整个系统的基础。
这个字段一般填0即可。
Poll Interval：表示连续信息间的最大间隔，8 bits，以2的x次幂秒的形式表示。实际填0即可。
Precision：时间精度，以2的负x次幂秒表示，8 bits。实际填0，服务器返回时会填写实际精度。
Root Delay：到主参考时间源的往返总延迟。32 bits固定小数点数，小数点在bit 15和bit 16之间。
Root Dispersion：相对于主参考时间源的正常离差。32 bits固定小数点数，小数点在bit 15和bit 16之间。
Reference Identifier：用于识别特殊的参考源。
Reference Timestamp：本地时中最后一次设置或修正时的时间，64bits，timestamp格式。
Originate Timestamp：前面原理部分说到的t1
Receive Timestamp：前面原理部分说到的t2
Transmit Timestamp：前面原理部分说到的t3
Authenticator（可选）：可选项。一般不填。
有对协议感兴趣的读者，可以在下面地址下载SNTP协议进行深入的研究。
http://blog.hengch.com/specification/sntp.pdf
4、SNTP的实际实现
说起来一大堆，但实现起来其实并不像说的那么复杂。
根据SNTP协议第5节《SNTP Client Operations》的说明，如果采用unicast模式，其目的就是为了获得准确时间的话，向服务器发送的请求包中，除了第一个字节以外，其他的SNTP字段都可以设为0，这正好与我们的目的相符，下面我们给出实现本机与时间服务器同步的源程序。
还有两个细节要说明，一是NTP实用的端口号是123，二是NTP的header中的字符顺序是big-endian，也就是Network Byte Order（详见另一篇博文：《在DOS下进行网络编程（下）》中的描述），而我们本机的字符顺序是little-endian，所以在收到服务器的回应后要注意转换。
为方便说明，源程序前面加了行号。
001 #include <stdio.h>
002 #include <dos.h>
003 #include <sys/socket.h>
004 #include <arpa/inet.h>
005 #define SNTP_PORT 123
006 #define SNTP_SERVER "210.72.145.44" // China
007 //#define SNTP_SERVER "192.43.244.18" // NIST : sometimes ok
008 //#define SNTP_SERVER "192.5.41.40" // U.S Naval Observatory : ok
009 //#define SNTP_SERVER "128.102.16.2"
010 #define SNTP_EPOCH 86400U * (365U * 70U + 17U)
011 #define SNTP_8HOUR 3600U * 8U
012 struct Sntp_Header {
013 unsigned char LiVnMode;
014 unsigned char Stratum;
015 unsigned char Poll;
016 unsigned char Precision;
017 long int RootDelay;
018 long int RootDispersion;
019 char RefID[4];
020 long int RefTimeInt;
021 long int RefTimeFraction;
022 long int OriTimeInt;
023 long int OriTimeFraction;
024 long int RecvTimeInt;
025 long int RecvTimeFraction;
026 long int TranTimeInt;
027 long int TranTimeFraction;
028 };
029 int main() {
030 int retValue;
031 fd_set readfds;
032 // Structure of SNTP
033 struct Sntp_Header sntpHeader;
034 struct Sntp_Header sntpHeader1;
035 struct Sntp_Header *p;
036 char *p1;
037 // vars of network
038 int sendSock;
039 struct sockaddr_in toAddr;
040 int addrLen;
041 char *pBuf;
042 long int OriTimeInt;
043 long int DestTimeInt;
044 long int difference;
045 unsigned char tempChar;
046 struct timeval tv;
047 struct date dateNow;
048 struct time timeNow;
049 sendSock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
050 if (sendSock < 0) {
051 printf("\nsendSocket Creation Fail!");
052 return -1;
053 }
054 toAddr.sin_family = AF_INET;
055 toAddr.sin_port = htons(SNTP_PORT);
056 toAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SNTP_SERVER);
057 bzero(&(toAddr.sin_zero), 8);
058 addrLen = sizeof(struct sockaddr);
059 bzero(&sntpHeader, sizeof(struct Sntp_Header));
060 sntpHeader.LiVnMode = 0x1b;
061 OriTimeInt = time(0) + SNTP_EPOCH - SNTP_8HOUR;
062 retValue = sendto(sendSock, &sntpHeader, sizeof(struct Sntp_Header), 0,
(struct sockaddr *)&toAddr, addrLen);
063 printf("\nSend %d chars.", retValue);
064 p1 = (char *)&sntpHeader;
065 pBuf = (char *)&sntpHeader1;
066 printf("\n\tSent...\t\t\t\t\tReceived...");
067 for (int j = 0; j < 12; j++) {
068 FD_ZERO(&readfds);
069 FD_SET(sendSock, &readfds);
070 tv.tv_sec = 10;
071 tv.tv_usec = 0;
072 select(sendSock + 1, &readfds, NULL, NULL, &tv);
073 if (FD_ISSET(sendSock, &readfds)) {
074 retValue = recvfrom(sendSock,
&pBuf[j * 4],
4,
0,
(struct sockaddr *)&toAddr,
&addrLen);
075 } else {
076 printf("\nDid not Get information from time server");
077 return -1;
078 }
079 if (retValue <= 0 ) {
080 printf("\nReceiving Fail");
081 return -1;
082 }
083 printf("\n");
084 for (int i = 0; i < retValue; i++) {
085 printf("\t%02x", (unsigned char)p1[i + j * 4]);
086 }
087 printf("\t");
088 for (int i = 0; i < retValue; i++) {
089 printf("\t%02x", (unsigned char)pBuf[i + j * 4]);
090 }
091 }
092 for (int j = 4; j < 12; j++) {
093 tempChar = *(pBuf + j * 4);
094 *(pBuf + j * 4) = *(pBuf + j * 4 + 3);
095 *(pBuf + j * 4 + 3) = tempChar;
096 tempChar = *(pBuf + j * 4 + 1);
097 *(pBuf + j * 4 + 1) = *(pBuf + j * 4 + 2);
098 *(pBuf + j * 4 + 2) = tempChar;
099 }
100 p = (struct Sntp_Header *)pBuf;
101 DestTimeInt = time((time_t *)NULL) + SNTP_EPOCH - SNTP_8HOUR;
102 printf("\nLocal TimeStamp = %lu", DestTimeInt);
103 printf("\tRefTimeInt = %lu", p->RefTimeInt);
104 printf("\nOriTimeInt = %lu", OriTimeInt);
105 printf("\tRecvTimeInt = %lu", p->RecvTimeInt);
106 printf("\nTranTimeInt = %lu", p->TranTimeInt);
107 difference = (p->RecvTimeInt - OriTimeInt) + (p->TranTimeInt - DestTimeInt);
108 difference = difference / 2;
109 printf("\tdifference = %ld", difference);
110 tv.tv_usec = 0;
111 tv.tv_sec = time(0) + difference;
112 getdate(&dateNow);
113 gettime(&timeNow);
114 printf("\nDate and Time Before adjusting : %04d-%02d-%02d %02d:%02d:%02d",
dateNow.da_year, dateNow.da_mon, dateNow.da_day,
timeNow.ti_hour, timeNow.ti_min, timeNow.ti_sec);
115 retValue = settimeofday(&tv);
116 if (retValue == 0) {
117 printf("\nSetting Time ok!");
118 } else {
119 printf("\nSetting Time Fail!");
120 }
121 getdate(&dateNow);
122 gettime(&timeNow);
123 printf("\nDate and Time after adjusting : %04d-%02d-%02d %02d:%02d:%02d\n",
dateNow.da_year, dateNow.da_mon, dateNow.da_day,
timeNow.ti_hour, timeNow.ti_min, timeNow.ti_sec);
124 return 0;
125 }
下面就程序的某些部分作一些说明。
第5行是NTP的端口号
第6行是我们要连接的时间服务器的IP地址，这是中科院国家授时中心的服务器，这几个时间服务器还是我在一年前某项目中使用NTP时找的时间服务器，在完成本篇文章之前，我又对这几台服务器做了测试，除第9行的服务器没有连接成功外，其余都没有问题。
第10行的这个常数SNTP_EPOCH是计算了1970年1月1日0点0分0秒到1900年1月1日0点0分0秒之间的秒数，其中86400是每天的秒数，365是一年的天数，70是1970年到1900年一共70年，17是在这70年中的闰年次数（每4年一次）。为什么要计算这个数呢？这是因为本机中的时间戳timestamp是以1970年1月1日为基准的，而NTP中的时间戳timestamp是以1900年1月1日为基准的，所以我们要使用这个常数进行转换。
第11行的常数SNTP_8HOUR是因为北京的时区是GMT+8，有8个小时的时差，而时间服务器发布的时间都是
国际标准时间，所以在转换时间戳时要用这个常数。
第12--28行定义的结构是SNTP的请求头（Request Header），发送信息包和接收信息包将以这个结构为基础。
进入主程序main后，第30--48行定义了一些变量和结构，其中结构包括：sntpHeader和sntpHeader1在前面已经有说明；sockaddr_in在上一篇博文《在DOS下进行网络编程（下）》中有说明；timeval、date和time请在rhide中查阅libc的在线文档，包括使用这几个结构的函数可以一起查；fd_set通常叫做文件描述符集，在本文中是为了解决网络编程的阻塞问题而使用的，关于fd_set、相关的宏以及select()的使用方法可以参考《Beej's Guide to Network Programming Using Internet Sockets》中的介绍，在以前的博文中介绍过如何获得这篇文章，或者以后有机会我写文章介绍。
49--58行的程序我们在上一篇博文《在DOS下进行网络编程（下）》中有说明。
59、60行，我们填了一个SNTP的请求头，只把第一个字节填上了0x1b，其余字节均为0，0x1b展开为二进制为：00011011b，根据字段定义，LI=00b（无警告），VN=011b（版本3），mode=011b（client模式）。
61行我们计算了发送时的时间戳，因为最后要用于计算本地时间的偏差，要与服务器返回的时间戳配合计算，所以我们给它转换成国际标准时间的时间戳。
62行，我们采用UDP方式将SNTP的请求头发出。
68--78行是一种无阻塞接收信息的方式，70、71行设定了一个10秒的超时，72行的select()最多等待10秒钟，73行检查是否有数据可读，如果有，才执行recvfrom()读取信息，这样就避开了阻塞得问题，有于UPD不会像TCP那样在通讯之前要进行connect()，所以，无法收到信息的可能性更大，如果使用阻塞得方式，程序锁死的可能性相对要大一些。
第67行的for语句告诉我们，我们并不是一下收取所有的信息，而是每次只收4个字节，共收12次，完成信息包的接收，这样做并没有什么特别的目的，只是为了打印数据方便。
第84--86行我们在屏幕上打印了我们发出的信息包，第88--90行，我们打印了服务器返回的信息包，在屏幕上非常直观，可以很方便地进行比较。
前面说过，服务器返回的数据字符顺序是big-endian，本机的字符顺序是little-endian，第92--99把收到的Receive Timestamp和Transmit Timestamp两个字段的字符顺序转换成little-endian。
101行计算了收到服务器返回包的时间戳。
107、108行根据前面描述的原理计算了本机时间的偏差。
102--109行之间有一些printf语句，打印了一些我们计算所需要的数据。
115行重新设置了本机的日期、时间，在设置前后分别打印了本机的时间。
至此，程序解释完毕，该程序在DOS6.22，DJGPP v2，WATT-32下编译通过并运行良好。
下一篇文章计划写如何在DOS对AC'97的声卡进行编程，会举一个实例，敬请期待。
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[ Last edited by whowin on 2008-5-9 at 11:51 AM ]
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