文章目录
- 1 NTP
- 1.1 简介
- 1.2 包结构
- 1.3 UNIX 时间戳和NTP时间戳
- 2 代码实现
- 2.1 实现步骤
- 2.2 完整代码
- 3 结果
在某些场景下，单片机需要通过网络获取准确的时间进行数据同步，例如日志记录、定时任务等。然而，单片机本身无法直接获得准确的标准时间，往往需要依靠网络时间协议(NTP)服务器来同步时间。本文将详细介绍如何通过NTP服务器获取准确的网络时间。
1 NTP
1.1 简介
NTP(Network Time Protocol，网络时间协议）是一种用于使计算机时钟同步到互联网标准时间的协议。NTP服务器通常分层级(Stratum)运作，一级服务器直接与时间基准同步，而其他级别的服务器则从更高级别的服务器获取时间。通过NTP，我们可以让系统的时钟保持与标准时间的一致性。
1.2 包结构
NTP包通常由以下字段组成：
li_vn_mode：润秒指示器（2位）、版本号（3位）和模式（3位）。stratum：服务器层级，1表示主服务器，2及更高层级表示从服务器，0表示未同步。poll：连续NTP请求间的最大间隔，以2的幂次表示。precision：服务器时钟的精度，以2的幂次表示。root_delay：从NTP客户端到NTP服务器的根延迟（秒）。root_dispersion：NTP服务器与其上一级时钟源的偏差（秒）。reference_identifier：NTP服务器的参考标识符，通常指示服务器的源。reference_timestamp：参考时间戳。origin_timestamp：发起时间戳。receive_timestamp：接收时间戳。transmit_timestamp：传输时间戳。
1.3 UNIX 时间戳和NTP时间戳
- UNIX时间戳：指从1970年1月1日00:00:00 UTC开始到当前时刻的秒数。
- NTP时间戳：指从1900年1月1日00:00:00 UTC开始到当前时刻的秒数。
偏移量的计算：
- 因为 NTP 时间戳的起点比 UNIX 时间戳的起点早 70 年（从1900年到1970年）。
- 假设这 70 年内没有闰秒，70 年一共 25567 天，每天86400秒。因此，这个时间差的秒数为
70 * 365 + 17天（17天是因为这段时间内包括了17 次闰年），每天86400秒。 - 所以这个偏移量可以计算为
2208988800秒，即70 * 365 * 86400 + 17 * 86400。
偏移量的用途：
- 在NTP协议中，时间戳以从1900年开始的秒数表示，而在许多其他系统中(如Unix系统），时间以从1970年开始的秒数表示。
- 因此，需要将NTP时间戳转换为UNIX时间戳，或者将UNIX时间戳转换为NTP时间戳，则需要用到上面的偏移。
2 代码实现
2.1 实现步骤
这里在Linux环境下为例对NTP时间进行获取，使用标准的POSIX/BSD套接字编程，这样如果想在单片机中LwIP实现的话，也可以直接使用。
1、NTP服务端地址
这里我们以阿里云的NTP服务器ntp3.aliyun.com为例，来获取获取网络时间，它的端口为123。
#define NTP_SERVER "203.107.6.88" // NTP服务器地址:"ntp3.aliyun.com"
#define NTP_PORT 123 // NTP服务器端口号
- 本示例中不做DNS解析，我这里ping阿里的ntp服务器地址
ntp3.aliyun.com的ip为203.107.6.88。若用在程序中，建议做DNS解析。
2、NTP结构体
// NTP数据包结构体
typedef struct {
uint8_t li_vn_mode; // 润秒指示器(2),版本号(3),模式(3)
uint8_t stratum; // 服务器层级,1-主服务器,2-从服务器,0-未同步
uint8_t poll; // 连续NTP请求间的最大间隔,2的幂表示
uint8_t precision; // 服务器时钟的精度,2的幂表示(秒)
uint32_t root_delay; // 从NTP客户端到NTP服务器的根延迟(秒)
uint32_t root_dispersion; // NTP服务器与其上一级时钟源的偏差(秒)
uint32_t reference_identifier; // NTP服务器的参考标识符,通常指示了服务器的源
uint32_t reference_timestamp[2]; // 参考时间戳
uint32_t origin_timestamp[2]; // 发起时间戳
uint32_t receive_timestamp[2]; // 接收时间戳
uint3232 transmit_timestamp[2]; // 传输时间戳
} ntp_packet;
2、创建套接字并设置超时时间
int sockfd;
struct timeval timeout;
timeout.tv_sec = NTP_RCV_TIMEO / 1000;
timeout.tv_usec = (NTP_RCV_TIMEO % 1000) * 1000;
// 创建socket
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);
setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, &timeout, sizeof(timeout));
这里创建套接字后，需要使用setsockopt设置套接字的接收超时时间。这是因为NTP是UDP协议的，有可能请求了NTP报文后，请求报文没发送出去或响应报文没被正确接收，所以过了超时时间还没有接收到NTP时间的话，我们不能卡在读函数中。
3、设置服务端地址和NTP请求报文
#define NTP_UNIX_OFFSET 2208988800UL // UNIX时间戳(1970.1.1)和NTP时间戳(1900.1.1)之间的偏移量
struct sockaddr_in server_addr;
// 设置服务器地址
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(NTP_PORT);
server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(NTP_SERVER);
// 设置NTP版本和客户端模式
packet.li_vn_mode = (0x3 << 6) | (0x3 << 3) | 0x3; // NTP版本3、客户端模式
packet.transmit_timestamp[0] = htonl(NTP_UNIX_OFFSET); // 设置传输时间为偏移,则后面无需转换
在网络协议中，大多数字段都遵循“大端字节序”，即高位字节在前，低位字节在后。htonl 将主机字节序的 NTP_UNIX_OFFSET 转换为符合 NTP 协议要求的字节序。
4、请求、获取并输出NTP时间
// 请求NTP时间
sendto(sockfd, (const char*)&packet, sizeof(packet), 0, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));
recv_len = recvfrom(sockfd, (char*)&packet, sizeof(packet), 0, NULL, NULL);
// 成功接收，计算NTP时间
ntp_time = (time_t)(ntohl(packet.transmit_timestamp[0]) - NTP_UNIX_OFFSET);
printf("NTP time: %s", ctime(&ntp_time));
close(sockfd);
2.2 完整代码
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <time.h>
#include <unistd.h>
#define NTP_SERVER "203.107.6.88" // NTP服务器地址:"ntp3.aliyun.com"
#define NTP_PORT 123 // NTP服务器端口号
#define NTP_PACKET_SIZE 48 // NTP数据包大小
#define NTP_UNIX_OFFSET 2208988800UL // UNIX时间戳(1970.1.1)和NTP时间戳(1900.1.1)之间的偏移量
#define NTP_RCV_TIMEOUT 2 // 接收超时时间（秒）
#define MAX_RETRIES 5 // 最大重试次数
// NTP数据包结构体
typedef struct {
uint8_t li_vn_mode; // 润秒指示器(2),版本号(3),模式(3)
uint8_t stratum; // 服务器层级,1-主服务器,2-从服务器,0-未同步
uint8_t poll; // 连续NTP请求间的最大间隔,2的幂表示
uint8_t precision; // 服务器时钟的精度,2的幂表示(秒)
uint32_t root_delay; // 从NTP客户端到NTP服务器的根延迟(秒)
uint32_t root_dispersion; // NTP服务器与其上一级时钟源的偏差(秒)
uint32_t reference_identifier; // NTP服务器的参考标识符,通常指示了服务器的源
uint32_t reference_timestamp[2]; // 参考时间戳
uint32_t origin_timestamp[2]; // 发起时间戳
uint32_t receive_timestamp[2]; // 接收时间戳
uint32_t transmit_timestamp[2]; // 传输时间戳
} ntp_packet;
void ntp_get_time_once() {
int sockfd;
struct sockaddr_in server_addr;
ntp_packet packet = {0};
time_t ntp_time;
int retries = 0;
int recv_len;
struct timeval timeout;
timeout.tv_sec = NTP_RCV_TIMEOUT;
timeout.tv_usec = 0;
// 创建socket
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);
if (sockfd < 0) {
perror("socket failed");
return;
}
// 设置接收超时时间
setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, &timeout, sizeof(timeout));
// 设置NTP服务器地址
memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(NTP_PORT);
server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(NTP_SERVER);
// 初始化NTP请求数据包
packet.li_vn_mode = (0x3 << 6) | (0x3 << 3) | 0x3; // NTP版本3、客户端模式
packet.transmit_timestamp[0] = htonl(NTP_UNIX_OFFSET);
// 重试逻辑
while (retries < MAX_RETRIES) {
// 发送NTP请求
if (sendto(sockfd, (const char*)&packet, sizeof(packet), 0, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
perror("sendto failed");
close(sockfd);
return;
}
// 接收NTP响应
recv_len = recvfrom(sockfd, (char*)&packet, sizeof(packet), 0, NULL, NULL);
if (recv_len >= 0) {
// 成功接收，计算NTP时间
ntp_time = (time_t)(ntohl(packet.transmit_timestamp[0]) - NTP_UNIX_OFFSET);
printf("NTP time: %s", ctime(&ntp_time));
close(sockfd);
return;
} else {
perror("recvfrom failed, retrying...");
retries++;
}
}
// 达到最大重试次数后失败
printf("NTP sync failed after %d retries.\n", MAX_RETRIES);
close(sockfd);
}
int main() {
ntp_get_time_once();
return 0;
}
我这里代码就是简单地重新请求固定次数后就退出。大家可以根据实际情况进行更改，比如一定要获取到了再返回。
3 结果
编译上面的代码并运行，可以看到输出了当前的时间：
这里阿里的NTP服务器返回的是标准的UTC时间，加上12小时为当前的北京时间。
