SNTP
本篇文章我们将详细介绍如何在W5500芯片上面实现SNTP授时功能，并通过实战例程，为大家讲解如何让W5500从SNTP服务器获取准确的实际时间。
该例程用到的其他网络协议，例如DHCP，DNS, 请参考相关章节。有关 W5500 的初始化过程，请参考Network install，这里将不再赘述。
SNTP协议简介
SNTP（Simple Network Time Protocol）是一种基于UDP协议的网络时间协议，主要用于在计算机网络中同步设备的时间。SNTP旨在提供简单的时间校准服务，比较NTP（Network Time Protocol）而言，SNTP功能更为简单，精度相对较低。
SNTP与NTP的区别
SNTP与NTP的区别如下表所示：
SNTP协议特点
- 使用UDP通信：SNTP使用UDP协议在端口123进行通信。
- 支持请求-响应模式：SNTP使用单次请求-响应模式完成时间同步：客户端向时间服务器发送请求，服务器返回当前时间戳。
- 实现和部署成本低：SNTP的实现非常简单，通常只需要少量的代码，便于在嵌入式系统中集成。由于其资源占用少，适合大规模部署。
- 与NTP兼容：SNTP 是 NTP 的子集，客户端可以与NTP服务器通信以获取时间。NTP服务器可以无缝提供时间同步服务，无需额外配置。
- 支持单向时间同步:在特定场景中（如设备只需同步本地时间，而无需计算网络延迟），SNTP 可以仅基于服务器提供的时间戳完成时间同步。
SNTP应用场景
SNTP协议通常用于需要时间同步的场景。通过将时间同步到RTC，能够实现以下功能：
- 协同工作：定期同步时间，使各模块能够按照预定的时间顺序执行任务。
- 日志与事件管理：确保W5500的日志时间和事件记录准确，从而便于后续分析与故障排查。
- 定时任务：通过时间同步，支持定时任务的准确执行。
时区介绍
通过 SNTP 获取世界标准时间 (UTC) 后，需要根据所在时区进行加减运算以计算当地时间。例如，中国位于 UTC+8 时区，在示例代码中定义为 39。因此，获取 UTC 后需加 8 小时才能转换为中国时间。
UTC-12:00 Baker Island, Howland Island (both uninhabited)
UTC-11:00 American Samoa, Samoa
UTC-10:00 (Summer)French Polynesia (most), United States (Aleutian Islands, Hawaii)
UTC-09:30 Marquesas Islands
UTC-09:00 Gambier Islands;(Summer)United States (most of Alaska)
UTC-08:00 (Summer)Canada (most of British Columbia), Mexico (Baja California)
UTC-08:00 United States (California, most of Nevada, most of Oregon, Washington (state))
UTC-07:00 Mexico (Sonora), United States (Arizona); (Summer)Canada (Alberta)
UTC-07:00 Mexico (Chihuahua), United States (Colorado)
UTC-06:00 Costa Rica, El Salvador, Ecuador (Galapagos Islands), Guatemala, Honduras
UTC-06:00 Mexico (most), Nicaragua;(Summer)Canada (Manitoba, Saskatchewan), United States (Illinois, most of Texas)
UTC-05:00 Colombia, Cuba, Ecuador (continental), Haiti, Jamaica, Panama, Peru
UTC-05:00 (Summer)Canada (most of Ontario, most of Quebec)
UTC-05:00 United States (most of Florida, Georgia, Massachusetts, most of Michigan, New York, North Carolina, Ohio, Washington D.C.)
UTC-04:30 Venezuela
UTC-04:00 Bolivia, Brazil (Amazonas), Chile (continental), Dominican Republic, Canada (Nova Scotia), Paraguay,
UTC-04:00 Puerto Rico, Trinidad and Tobago
UTC-03:30 Canada (Newfoundland)
UTC-03:00 Argentina; (Summer) Brazil (Brasilia, Rio de Janeiro, Sao Paulo), most of Greenland, Uruguay
UTC-02:00 Brazil (Fernando de Noronha), South Georgia and the South Sandwich Islands
UTC-01:00 Portugal (Azores), Cape Verde
UTC±00:00 Cote d'Ivoire, Faroe Islands, Ghana, Iceland, Senegal; (Summer) Ireland, Portugal (continental and Madeira)
UTC±00:00 Spain (Canary Islands), Morocco, United Kingdom
UTC+01:00 Angola, Cameroon, Nigeria, Tunisia; (Summer)Albania, Algeria, Austria, Belgium, Bosnia and Herzegovina,
UTC+01:00 Spain (continental), Croatia, Czech Republic, Denmark, Germany, Hungary, Italy, Kinshasa, Kosovo,
UTC+01:00 Macedonia, France (metropolitan), the Netherlands, Norway, Poland, Serbia, Slovakia, Slovenia, Sweden, Switzerland
UTC+02:00 Libya, Egypt, Malawi, Mozambique, South Africa, Zambia, Zimbabwe, (Summer)Bulgaria, Cyprus, Estonia,
UTC+02:00 Finland, Greece, Israel, Jordan, Latvia, Lebanon, Lithuania, Moldova, Palestine, Romania, Syria, Turkey, Ukraine
UTC+03:00 Belarus, Djibouti, Eritrea, Ethiopia, Iraq, Kenya, Madagascar, Russia (Kaliningrad Oblast), Saudi Arabia,
UTC+03:00 South Sudan, Sudan, Somalia, South Sudan, Tanzania, Uganda, Yemen
UTC+03:30 (Summer)Iran
UTC+04:00 Armenia, Azerbaijan, Georgia, Mauritius, Oman, Russia (European), Seychelles, United Arab Emirates
UTC+04:30 Afghanistan
UTC+05:00 Kazakhstan (West), Maldives, Pakistan, Uzbekistan
UTC+05:30 India, Sri Lanka
UTC+05:45 Nepal
UTC+06:00 Kazakhstan (most), Bangladesh, Russia (Ural: Sverdlovsk Oblast, Chelyabinsk Oblast)
UTC+06:30 Cocos Islands, Myanmar
UTC+07:00 Jakarta, Russia (Novosibirsk Oblast), Thailand, Vietnam
UTC+08:00 China, Hong Kong, Russia (Krasnoyarsk Krai), Malaysia, Philippines, Singapore, Taiwan, most of Mongolia, Western Australia
UTC+09:00 Korea, East Timor, Russia (Irkutsk Oblast), Japan
UTC+09:30 Australia (Northern Territory);(Summer)Australia (South Australia))
UTC+10:00 Russia (Zabaykalsky Krai); (Summer)Australia (New South Wales, Queensland, Tasmania, Victoria)
UTC+10:30 Lord Howe Island
UTC+11:00 New Caledonia, Russia (Primorsky Krai), Solomon Islands
UTC+11:30 Norfolk Island
UTC+12:00 Fiji, Russia (Kamchatka Krai);(Summer)New Zealand
UTC+12:45 (Summer)New Zealand
UTC+13:00 Tonga
UTC+14:00 Kiribati (Line Islands)通过SNTP协议同步时间的基本流程
1. 客户端发送时间请求
- 客户端向 SNTP 服务器发送一个请求数据包，并记录T1时间戳信息。
- 请求数据包中通常包含客户端的时间戳（请求发送的时间），以便在计算延迟时使用。
2. 服务器接收请求并处理
- SNTP 服务器接收到请求后，记录下接收请求的时间T2。
- 服务器生成一个响应数据包，其中包括以下时间戳信息：
T2：服务器接收到请求的时间。
T3：服务器发送响应的时间。
3. 客户端接收响应并计算时间
- 客户端从服务器返回的数据包中提取时间戳信息（T2、T3），并记录接收时间T4。
- 客户端根据这些时间戳计算本地时间与服务器时间的差异，以及网络延迟：
网络延迟公式： 网络延迟=(T4−T1)−(T3−T2)
本地时间校准公式： 校准时间=T3+(T4−T1)−(T3−T2)/2
4. 调整本地时间
- 客户端根据校准时间调整本地时钟，以同步到服务器的时间。
SNTP协议的报文解析
SNTP的发送和接收报文为固定结构，通常为48字节，报文结构如下：
注意:
时间戳的定义是指从1900年1月1日00:00:00 UTC开始的秒数
SNTP发送请求实例：
SNTP服务器响应实例：
实现过程
接下来，我们在W5500上实现SNTP授时功能。
步骤1：通过DNS解析SNTP服务器的IP地址
if (do_dns(ethernet_buf, sntp_server_name, sntp_server_ip))
{
printf("DNS request failed.\r\n");
while (1)
{
}
}步骤2：SNTP初始化
SNTP_init(SOCKET_ID, sntp_server_ip, timezone, ethernet_buf);SNTP_init()函数需要传入四个参数，分别是使用的socket通道号，sntp服务器地址，时区，socket缓存，在这个函数中，我们会进行SNTP报文组包操作，并将传入的socket通道号，时区，socket缓存注册到库中，具体内容如下：
void SNTP_init(uint8_t s, uint8_t *ntp_server, uint8_t tz, uint8_t *buf)
{
NTP_SOCKET = s;
NTPformat.dstaddr[0] = ntp_server[0];
NTPformat.dstaddr[1] = ntp_server[1];
NTPformat.dstaddr[2] = ntp_server[2];
NTPformat.dstaddr[3] = ntp_server[3];
time_zone = tz;
data_buf = buf;
uint8_t Flag;
NTPformat.leap = 0; /* leap indicator */
NTPformat.version = 4; /* version number */
NTPformat.mode = 3; /* mode */
NTPformat.stratum = 0; /* stratum */
NTPformat.poll = 0; /* poll interval */
NTPformat.precision = 0; /* precision */
NTPformat.rootdelay = 0; /* root delay */
NTPformat.rootdisp = 0; /* root dispersion */
NTPformat.refid = 0; /* reference ID */
NTPformat.reftime = 0; /* reference time */
NTPformat.org = 0; /* origin timestamp */
NTPformat.rec = 0; /* receive timestamp */
NTPformat.xmt = 1; /* transmit timestamp */
Flag = (NTPformat.leap<<6)+(NTPformat.version<<3)+NTPformat.mode; //one byte Flag
memcpy(ntpmessage,(void const*)(&Flag),1);
}步骤3：发送SNTP请求报文获取时间
while (1)
{
if (SNTP_run(&date))
{
printf("Beijing time now: %04d-%02d-%02d %02d:%02d:%02d\r\n", date.yy, date.mo, date.dd, date.hh, date.mm, date.ss);
break;
}
}接着，我们需要运行SNTP_run()函数来执行发送报文以及解析报文的操作，当成功获取到时间后，我们打印出当前时间。
SNTP_run()函数需要传入一个时间结构体date，它的定义如下：
typedef struct _datetime
{
uint16_t yy;
uint8_t mo;
uint8_t dd;
uint8_t hh;
uint8_t mm;
uint8_t ss;
} datetime;SNTP_run()函数定义如下：
int8_t SNTP_run(datetime *time)
{
uint16_t RSR_len;
uint32_t destip = 0;
uint16_t destport;
uint16_t startindex = 40; //last 8-byte of data_buf[size is 48 byte] is xmt, so the startindex should be 40
switch(getSn_SR(NTP_SOCKET))
{
case SOCK_UDP:
if ((RSR_len = getSn_RX_RSR(NTP_SOCKET)) > 0)
{
if (RSR_len > MAX_SNTP_BUF_SIZE) RSR_len = MAX_SNTP_BUF_SIZE; // if Rx data size is lager than TX_RX_MAX_BUF_SIZE
recvfrom(NTP_SOCKET, data_buf, RSR_len, (uint8_t *)&destip, &destport);
get_seconds_from_ntp_server(data_buf,startindex);
time->yy = Nowdatetime.yy;
time->mo = Nowdatetime.mo;
time->dd = Nowdatetime.dd;
time->hh = Nowdatetime.hh;
time->mm = Nowdatetime.mm;
time->ss = Nowdatetime.ss;
ntp_retry_cnt=0;
close(NTP_SOCKET);
return 1;
}
if(ntp_retry_cnt<0xFFFF)
{
if(ntp_retry_cnt==0)//first send request, no need to wait
{
sendto(NTP_SOCKET,ntpmessage,sizeof(ntpmessage),NTPformat.dstaddr,ntp_port);
ntp_retry_cnt++;
}
else // send request again? it should wait for a while
{
if((ntp_retry_cnt % 0xFFF) == 0) //wait time
{
sendto(NTP_SOCKET,ntpmessage,sizeof(ntpmessage),NTPformat.dstaddr,ntp_port);
#ifdef _SNTP_DEBUG_
printf("ntp retry: %d\r\n", ntp_retry_cnt);
#endif
ntp_retry_cnt++;
}
}
}
else //ntp retry fail
{
ntp_retry_cnt=0;
#ifdef _SNTP_DEBUG_
printf("ntp retry failed!\r\n");
#endif
close(NTP_SOCKET);
}
break;
case SOCK_CLOSED:
socket(NTP_SOCKET,Sn_MR_UDP,ntp_port,0);
break;
}
// Return value
// 0 - failed / 1 - success
return 0;
}在这里会执行一个UDP的状态机，当socket处于SOCK_UDP状态时，首先会执行sendto发送初始化SNTP时组装的SNTP请求报文，然后是监听服务器响应。
当Sn_RX_RSR (Socket n 空闲接收缓存寄存器)的值大于0时，说明服务器给W5500返回了响应。首先会通过recvfrom()函数读取响应报文，然后执行get_seconds_from_ntp_server解析时间。
请注意:
get_seconds_from_ntp_server()函数目前只解析了服务器响应时间戳（即最后8个字节），没有减去网络延迟。
get_seconds_from_ntp_server()函数定义如下：
void get_seconds_from_ntp_server(uint8_t *buf, uint16_t idx)
{
tstamp seconds = 0;
uint8_t i=0;
for (i = 0; i < 4; i++)
{
seconds = (seconds << 8) | buf[idx + i];
}
switch (time_zone)
{
case 0:
seconds -= 12*3600;
break;
case 1:
seconds -= 11*3600;
break;
case 2:
seconds -= 10*3600;
break;
case 3:
seconds -= (9*3600+30*60);
break;
case 4:
seconds -= 9*3600;
break;
case 5:
case 6:
seconds -= 8*3600;
break;
case 7:
case 8:
seconds -= 7*3600;
break;
case 9:
case 10:
seconds -= 6*3600;
break;
case 11:
case 12:
case 13:
seconds -= 5*3600;
break;
case 14:
seconds -= (4*3600+30*60);
break;
case 15:
case 16:
seconds -= 4*3600;
break;
case 17:
seconds -= (3*3600+30*60);
break;
case 18:
seconds -= 3*3600;
break;
case 19:
seconds -= 2*3600;
break;
case 20:
seconds -= 1*3600;
break;
case 21:
case 22:
break;
case 23:
case 24:
case 25:
seconds += 1*3600;
break;
case 26:
case 27:
seconds += 2*3600;
break;
case 28:
case 29:
seconds += 3*3600;
break;
case 30:
seconds += (3*3600+30*60);
break;
case 31:
seconds += 4*3600;
break;
case 32:
seconds += (4*3600+30*60);
break;
case 33:
seconds += 5*3600;
break;
case 34:
seconds += (5*3600+30*60);
break;
case 35:
seconds += (5*3600+45*60);
break;
case 36:
seconds += 6*3600;
break;
case 37:
seconds += (6*3600+30*60);
break;
case 38:
seconds += 7*3600;
break;
case 39:
seconds += 8*3600;
break;
case 40:
seconds += 9*3600;
break;
case 41:
seconds += (9*3600+30*60);
break;
case 42:
seconds += 10*3600;
break;
case 43:
seconds += (10*3600+30*60);
break;
case 44:
seconds += 11*3600;
break;
case 45:
seconds += (11*3600+30*60);
break;
case 46:
seconds += 12*3600;
break;
case 47:
seconds += (12*3600+45*60);
break;
case 48:
seconds += 13*3600;
break;
case 49:
seconds += 14*3600;
break;
}
//calculation for date
calcdatetime(seconds);
}然后调用calcdatetime()函数将调整后的秒数转换为年、月、日、时、分、秒的具体时间格式：
void calcdatetime(tstamp seconds)
{
uint8_t yf=0;
tstamp n=0,d=0,total_d=0,rz=0;
uint16_t y=0,r=0,yr=0;
signed long long yd=0;
n = seconds;
total_d = seconds/(SECS_PERDAY);
d=0;
uint32_t p_year_total_sec=SECS_PERDAY*365;
uint32_t r_year_total_sec=SECS_PERDAY*366;
while(n>=p_year_total_sec)
{
if((EPOCH+r)%400==0 || ((EPOCH+r)%100!=0 && (EPOCH+r)%4==0))
{
if(n<r_year_total_sec)
break;
n = n -(r_year_total_sec);
d = d + 366;
}
else
{
n = n - (p_year_total_sec);
d = d + 365;
}
r+=1;
y+=1;
}
y += EPOCH;
Nowdatetime.yy = y;
yd=0;
yd = total_d - d;
yf=1;
while(yd>=28)
{
if(yf==1 || yf==3 || yf==5 || yf==7 || yf==8 || yf==10 || yf==12)
{
yd -= 31;
if(yd<0)break;
rz += 31;
}
if (yf==2)
{
if (y%400==0 || (y%100!=0 && y%4==0))
{
yd -= 29;
if(yd<0)break;
rz += 29;
}
else
{
yd -= 28;
if(yd<0)break;
rz += 28;
}
}
if(yf==4 || yf==6 || yf==9 || yf==11 )
{
yd -= 30;
if(yd<0)break;
rz += 30;
}
yf += 1;
}
Nowdatetime.mo=yf;
yr = total_d-d-rz;
yr += 1;
Nowdatetime.dd=yr;
//calculation for time
seconds = seconds%SECS_PERDAY;
Nowdatetime.hh = seconds/3600;
Nowdatetime.mm = (seconds%3600)/60;
Nowdatetime.ss = (seconds%3600)%60;
}运行结果
注意:
因为本示例需要访问互联网，请确保 W5500 的网络环境及配置能够正常访问互联网。
烧录例程运行后，首先进行了PHY链路检测，然后是通过DHCP获取网络地址并打印网络地址信息，接着通过DNS解析SNTP服务器地址。最后，通过SNTP获取到时间后打印出来。整体流程如下图：
总结
本文讲解了如何在W5500芯片上实现SNTP授时功能，通过实例详细展示了从SNTP服务器同步时间的实现流程，包括时间请求、响应解析和本地时间校准等核心步骤。文章还对SNTP的应用场景进行了分析，帮助读者理解其在时间同步中的实际应用价值。
下一篇文章我们将讲解SMTP协议的原理及在邮件通信中的应用，同时讲解如何在W5500芯片上实现SMTP功能，敬请期待！
