尤良芳，董 忠

（天水師范學(xué)院 物理與信息科學(xué)學(xué)院，甘肅 天水 741001）

引言

隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，局域網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，使用的服務(wù)器、工作站及各類智能終端都有自己的時鐘，且都可以調(diào)節(jié)，但無法保證網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備與主機(jī)時間的同步。經(jīng)過長期運行，時間差會越來越大，但在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的應(yīng)用中可能會引發(fā)意想不到的問題。如在分布式計算環(huán)境中，由于每個主機(jī)時間不一致，會造成同一操作在不同主機(jī)的記錄時間不一致，將導(dǎo)致服務(wù)無法正常地進(jìn)行。保證網(wǎng)內(nèi)服務(wù)器和工作站或其它嵌入式設(shè)備之間時間的同步已成為非常重要的問題。[1]

開源軟件OpenNTPD 采用SNTP/NTP 網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議，用于把本地時鐘與一個或多個遠(yuǎn)程NTP服務(wù)器進(jìn)行時間同步，既可以作為客戶端使用，也可以設(shè)置成為NTP服務(wù)器為其他機(jī)器提供時間服務(wù)；作為OpenBSD操作系統(tǒng)的一個子項目，OpenNTPD設(shè)計目標(biāo)是：用一個簡單、安全、方便管理的方式精確計算機(jī)的時鐘；它是OpenBSD 操作系統(tǒng)缺省的時間同步管理軟件。

OpenNTPD 代碼結(jié)構(gòu)清晰、簡單小巧，占用內(nèi)存少；和其他時間服務(wù)器軟件相比，如ntp.org 提供的網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(RFC1305,RFC2030)應(yīng)用程序ntp-4.2.6p5.tar.gz 大小為4M，而openNTPD-3.9p1.tar.gz僅為150k。[2-3]

OpenNTPD 雖然廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)，但在自成體系、封閉（無外聯(lián)）的局域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，作為網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器應(yīng)用時，卻無法為網(wǎng)內(nèi)其它設(shè)備提供時間服務(wù)。如圖1，NTP 服務(wù)器ip 地址為192.168.56.101，安裝OpenNTPD3.9p1 為網(wǎng)內(nèi)客戶機(jī)提供時間服務(wù)。客戶機(jī)使用ntpd與NTP服務(wù)器同步時，出現(xiàn)以下兩類錯誤提示：如圖2 和圖3，本文旨在從SNTPv4 協(xié)議和目前最新的OpenNTPD3.9p1 源代碼入手分析該問題存在的原因，并提出對其源代碼的改進(jìn)。

圖1 OpenNTPD時間服務(wù)器局域網(wǎng)應(yīng)用示意圖

圖2 局域網(wǎng)應(yīng)用時錯誤提示1

圖3 局域網(wǎng)應(yīng)用時錯誤提示2

1 SNTP/NTP協(xié)議及協(xié)議包格式分析

1.1 SNTP/NTP協(xié)議簡介

NTP協(xié)議（the Network Time Protocol version 3，由RFC 1305 描述）是網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議的簡稱，廣泛用于互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行計算機(jī)時鐘同步，通過該協(xié)議與國際標(biāo)準(zhǔn)時間同步。NTP根據(jù)上級同步源和網(wǎng)絡(luò)路徑的不同，能夠提供1-50ms的時間精確度。

NTP協(xié)議精度高，算法復(fù)雜。在實際很多應(yīng)用中，秒級的精確度就足夠了，SNTP 協(xié)議（Simple Network Time Protocol version 4，由RFC 2030 描述）通過簡化NTP 訪問協(xié)議，在保證秒級時間精確度的前提下，使得對網(wǎng)絡(luò)時間同步的開發(fā)和應(yīng)用變得容易。SNTP協(xié)議目前的版本號是SNTP V4，主要對NTP 協(xié)議涉及有關(guān)訪問安全、服務(wù)器自動遷移部分進(jìn)行了縮減。SNTP采用與NTP 格式一樣的數(shù)據(jù)包，計算客戶時間、時間偏差以及包往返時延的算法也是一樣的，所以SNTP 與NTP 協(xié)議具有互操作性，即SNTP 客戶可以與NTP 服務(wù)器協(xié)同工作，同樣NTP 客戶也可以接收SNTP 服務(wù)器發(fā)出的授時信息。[4]

1.2 協(xié)議包格式

SNTP 消息一般封裝在UDP 協(xié)議包中，它利用UDP的123端口提供服務(wù)。SNTP信息幀格式如圖4描述：

協(xié)議中主要的數(shù)據(jù)項說明如下。

LI：當(dāng)前時間閏秒標(biāo)志。字段長度為2bit，只在服務(wù)器端有效。其值定義為：

0：無警告；1：最后一分鐘是61秒；2：最后一分鐘是59 秒；3：警告（時鐘沒有同步）；服務(wù)器在開始時，LI設(shè)置為3，一旦與主機(jī)時鐘取得同步后就設(shè)置成其它值。

VN：協(xié)議版本號。字段長度為3bit，當(dāng)前協(xié)議版本號為4。

Mode：指示協(xié)議模式。字段長度為3bit，其值定義為：

0：保留；1：對稱主動；2：對稱被動；3：客戶；4：服務(wù)器；5：廣播；6：保留為NTP 控制信息；7：保留為用戶定義；

在單播和多播模式，客戶在請求時把這個字段設(shè)置為3，服務(wù)器在響應(yīng)時把這個字段設(shè)置為4。在廣播模式下，服務(wù)器把這個字段設(shè)置為5。

Stratum：指示服務(wù)器工作的級別；

該字段只在服務(wù)器端有效，字段長度為8bit。其值定義為：

0：故障信息(kiss-o'-death message)；1：一級服務(wù)器；2-15：二級服務(wù)器；16-255：保留；

圖4 SNTPv4協(xié)議格式

NTP服務(wù)器與上級時間源取得同步后，才能為客戶機(jī)提供準(zhǔn)確的時間服務(wù)。NTP協(xié)議按照離外部NTP 源的遠(yuǎn)近將所有服務(wù)器歸入不同的Stratum（層）中。Stratum-1 為頂層，Stratum-15 為最低層，Stratum層的總數(shù)限制在15以內(nèi)。

Precision：系統(tǒng)時鐘的精確性，字段長度為8bit 符號整數(shù)，以秒為單位，作為2 的指數(shù)方的指數(shù)部分，取值范圍從-6到-20。該字段只在服務(wù)器端有效。

Root Delay：指示與主時鐘參考源的往返延遲，字段長度為32bit，以秒為單位，該字段只在服務(wù)器端有效。

Root Dispersion：與主時鐘參考源的誤差，字段長度為32bit，以秒為單位，該字段只在服務(wù)器端有效。

Reference Identifier：時鐘參考源的標(biāo)記。對于一級服務(wù)器，字段長度為4 字節(jié)ASCII 字符串，左對齊不足添零。對于二級服務(wù)器，在IPV4 環(huán)境下，取值為一級服務(wù)器的IP 地址。該字段只在服務(wù)器端有效

Reference Timestamp：系統(tǒng)時鐘最后一次校準(zhǔn)的時間，64bit 時間戳格式表示。該字段只在服務(wù)器端有效，

Originate Timestamp：客戶向服務(wù)器發(fā)起請求的時間，以前面所述64bit時間戳格式表示。

Transmit Timestamp：服務(wù)器向客戶發(fā)時間戳的時間，以前面所述64bit時間戳格式表示。[5]

2 OpenNTPD 時間服務(wù)器的基本工作過程分析

以SNTPv4 工作模式中最常用的單播模式，來說明服務(wù)器的工作過程：

openNTPD 服務(wù)器在初始化時，主函數(shù)ntp_main()調(diào)用函數(shù)setup_listeners()在123 端口建立UDP 服務(wù)；函數(shù)server_dispatch()將數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)體ntp_msg 成員status中LI字段設(shè)置為3（表示未與上級服務(wù)器同步）；VN 字段設(shè)置為4，表示SNTPv4；Mode 字段設(shè)置為4（服務(wù)器模式）；成員stratum和ppoll 設(shè)置為0；成員precision 設(shè)置為0xFA(十進(jìn)制為-6)。

SNTP 服務(wù)器在工作過程中，如果與外部時鐘源失去同步，Stratum字段設(shè)置為0，此時客戶收到這個信息時，會丟棄服務(wù)器發(fā)給它的時間戳信息。

一旦服務(wù)器與外部時鐘源取得同步后，進(jìn)入工作狀態(tài)，在日志中會記錄“clock is now synced”。LI字段設(shè)置為0，stratum字段設(shè)置為外部時鐘源服務(wù)器的stratum+1；Reference Identifier 字段設(shè)置為時鐘源的ip 地址，如十六進(jìn)制C0 A8 FE 01 表示192.168.254.1，Precision 字段和前邊設(shè)置相同,即為0xFA(十進(jìn)制為-6)；VN 字段設(shè)置為客戶端請求信息包的VN 字段值，Root Delay 和Root Dispersion 字段設(shè)置為0，Reference Timestamp 字段設(shè)置為從外部時鐘源最新取得的時間，Originate Timestamp 字段設(shè)置為客戶請求包的Transmit Timestamp 字段值，Transmit Timestamp 字段設(shè)置為服務(wù)器發(fā)出時間戳給客戶的時間。

3 OpenNTPD 代碼結(jié)構(gòu)及局域網(wǎng)應(yīng)用代碼改進(jìn)

3.1 主要文件及其功能

ntpd.c 處理命令行參數(shù)及相關(guān)函數(shù)的調(diào)用；

ntp.c 包含處理進(jìn)程之間通訊相關(guān)函數(shù)；

client.c包含NTP協(xié)議及算法相關(guān)的函數(shù)，作為客戶機(jī)與上級NTP服務(wù)器保持時間同步；

server.c 為客戶機(jī)提供NTP時間服務(wù)；

ntp_msg.c 協(xié)議包發(fā)送和接收；

ntp_dns.c 域名解析；

log.c 日志記錄；

3.2 從client.c源碼分析錯誤提示出現(xiàn)的原因

在文件ntp.h中SNTPv4(RFC2030)協(xié)議包定義如下：

函數(shù)client_dispatch()首先調(diào)用ntp_getmsg()從上一級NTP 時間服務(wù)器獲得協(xié)議數(shù)據(jù)包，將其存于struct ntp_msg 結(jié)構(gòu)變量msg中,并與268行開始對結(jié)構(gòu)成員status和stratum判斷，其關(guān)鍵代碼如下：

282 行函數(shù)log_info()日志記錄時間未同步的原因，字符串s 為錯誤提示信息，273 行和276 行的strlcpy()函數(shù)分別給出了圖2 和圖3 的錯誤提示信息；由相對應(yīng)的if 語句可知，圖2 中錯誤原因是客戶端接收的協(xié)議包中成員status 中LI 字段為0，即服務(wù)器未與其上級時間服務(wù)器同步；圖3錯誤原因是客戶端接收的協(xié)議包中成員stratum為0，即服務(wù)器失去與其上級時間服務(wù)器同步。在局域網(wǎng)（未外聯(lián)）中該時間服務(wù)器由于沒有上級時間服務(wù)器，所以出現(xiàn)圖2 和圖3 中的錯誤提示，并停止服務(wù)，該分析與2.2中SNTPv4協(xié)議簡介相互印證。

3.3 從server.c源碼分析入手提出解決方案

server.c文件中函數(shù)server_dispatch()構(gòu)造發(fā)送給客戶的協(xié)議數(shù)據(jù)包，其關(guān)鍵代碼如下：

其中變量status為ntp_status結(jié)構(gòu)，用于保存服務(wù)器的的狀態(tài)參量，該結(jié)構(gòu)在htpd.h中定義如下：

其中103 行synced成員保存服務(wù)器是否已與外接時間同步源同步，成員stratum 保存服務(wù)器級別，在封閉的局域網(wǎng)內(nèi)，其值均為零；應(yīng)在160行和169行對其代碼進(jìn)行改造，改造后的關(guān)鍵代碼如下：

即設(shè)服務(wù)器已與外接時間服務(wù)器同步，其級別為3級。

4 結(jié)論

將修改后的代碼進(jìn)行編譯運行，客戶端不再有錯誤提示，并能夠保持和服務(wù)器的時間同步，在實際測試中效果良好。修改后的OpenNTPD代碼，既保持了原代碼的優(yōu)良特性，又?jǐn)U展了其應(yīng)用的范圍。

[1]于承先.集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2008,2(24)：235-238.

[2]OpenNTPD[EB/OL].http：//www.openbsd.org/cgi-bin/cvsweb/src/usr.sbin/ntpd/,2012-04-10.

[3]OpenBSD Manual[EB/OL].http：//www.openbsd.org/cgi-bin/man.cgi,2012-04-10.

[4]RFC1305.Network Time Protocol(Version 3)Specification,Implementation and Analysis[EB/OL].http：//www.faqs.org/rfcs/rfc1305.html,2012-04-10.

[5]RFC2030.Simple Network Time Protocol (SNTP) Version 4 for IPv4,IPv6 and OSI[EB/OL].Ihttp：//www.faqs.org/rfcs/rfc2030.html,2012-04-10.