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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。
    在这里插入图片描述

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：
在这里插入图片描述
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。

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