基于北斗gps设计的NTP网络时间服务器
基于北斗gps设计的NTP网络时间服务器
基于北斗gps设计的NTP网络时间服务器
京准电子科技官微——ahjzsz
随着5G等新型基础设施持续建设和发展，在未来万物互联的庞大信息网络中，跨路由节点之间的彼此协同、大数据处理及节点数据融合的精度等环节，对精准时间同步要求越来越高。如果时间顺序出现混乱或者误差，将影响决策和执行效果，造成高昂的成本和严重的安全问题。因此，精准的时间同步在新型基础设施建设中至关重要。
1、为什么要构建精准的时间同步体系?
以 5G、工业互联网、卫星互联网等为代表的新型信息基础设施，通信信号载波频率的稳定、上下行时隙校准、可靠传送等方面都需要精确的时间同步控制。
行业应用有严格的低时延、低抖动、低丢包率承载要求，对精准时间同步的质量要求也将越来越高。工业互联网中的网络跳频、资源分配、路由转发和数据融合等都依赖时间同步的应用，否则不能正常运行。特别是时间敏感型的工业互联网，对在设备上维持端到端的时间精度要求更高，甚至达到纳秒级。
而对于卫星互联网、低轨卫星，只有实现相互间的精准时间同步，才能为覆盖区域提供高速卫星通信。另外，在智慧电网、智能矿山、智能道路等融合基础设施，以及重大科技基础设施中，系统控制、设备执行、运行统计、异常处理等都需要统一时间标准，否则将无法正常运行。
2、网络时间同步技术（NTP/PTP）
NTP是应用于互联网中时间同步的标准网络时间协议，其作用是把网络内的计算机时间同步到协调世界时(UTC)。NTP通常采用客户端/服务器主从工作模式，通过数据包交互来实现时间同步。NTP具有完善的算法体系，综合采用时间滤波、时间选择、聚类、时钟调节等算法调整本地系统时间和频率，时间同步稳定性可以保证，是目前应用最广泛的网络时间同步技术之一。
传统NTP技术采用软件时间戳，时间戳精度和准确度较低，因此同步精度一般为毫秒级，主要用于对同步精度要求不高的网络设备、应用服务器及计算机终端等提供时间同步服务。
PTP是用于网络测量和控制系统的精密时间同步协议(简称PTP)，目前广泛应用的版本IEEE1588-2008(1588v2)。PTP采用主从时钟同步方式，主从时钟之间通过交互同步、状态和时延测量等报文来实现时间或者频率同步。PTP支持端到端(E2E)和点到点(P2P)时延测量机制、组播和单播通信方式、一步和二步工作模式以及UDP/IP和IEEE 802.3等多种报文封装方式，同时支持普通时钟(OC)、边界时钟(BC)和透明时钟(TC)等时钟模型，具备完善的时钟层级和端口状态决策算法(BMC，最佳主时钟算法)，基于各种工作模式的灵活组合可以满足不同网络环境下的组网应用需求。
PTP采用硬件时间戳，时间戳的精度和准确度更高，一般可以实现纳秒级甚至更高的同步精度，广泛应用于通信传输网络、移动回传网络、智能电网、高速铁路等系统的高精度时间同步解决方案中。
1588 ATR(1588 Adaptive Time Recovery)是基于PTP的自适应时间恢复算法，它是通过在路由器之间以三层单播报文形式建立时钟链路。然后通过PTP报文的交互，实现设备间穿越第三方网络的时间同步。1588 ATR是在1588v2的基础上，实现穿越不支持1588v2协议设备的第三方网络的时间同步。解决了原有采用1588v2方式同步时间时，要求全网设备逐跳支持1588v2协议的问题，采用1588 ATR以跨过不支持1588v2协议的设备，进行时间同步。1588ATR是逐跳支持的一种补充，但标准化程度不高。
3、卫星基准授时安全性
新基建的精确授时主要依赖GPS和北斗等星基授时系统，一旦星基授时信号受到外界干扰或因不可抗力因素遭到破坏，将使得新基建各个领域的时间同步系统应用失效。另外，室内、矿山、高电磁环境等场景无法通过星基授时获取时间，这也极大限制了新基建的应用和发展。二是存量 GPS 授时设备的风险。
当前，我国大量时钟同步设备是以 GPS 授时为主，存量 GPS 授时设备风险需要高度关注。三是网络传输协议的风险。当前，IEEE1588V2 协议及其衍生无线网络协议主要使用的高精度时间同步传输协议，能够让一定数量的时间同步设备实现亚微秒级精度。
4、先进的技术
NTP/PTP时间服务器开发了一种智能天线，将GNSS接收器内置到智能天线，而不是传统的时间服务器的方法。将GNSS信号接收器组件移至智能天线的优点包括：• 在损坏的信号到达NTP/PTP时间服务器之前，在智能天线的GNSS接收中内置了干扰/ 欺骗检测功能。• 由于智能天线中的模块化设计，可以轻松更换故障的GNSS接收器或不同的GNSS接收 器，而NTP/PTP时间服务器无需停机。
• NTP/PTP时间服务器支持双GNSS天线端口，允许GNSS天线物理隔离，以接收 来自不同或相同卫星系统的不同GNSS信号。
总结：关键基础设施需要强大的同步和网络安全性，帮助保证工业4.0，新基建，时间敏感网络TSN，云/EDGE/FOG技术，电信5G，智能电网，智慧城市的长期IT/IoT/IIoT的可靠性。
国产麒麟系统下基于GNSS的NTP授时方案
1. 麒麟系统NTP授时方案
图 麒麟NTP服务器
设计思路：
在通用的麒麟服务器内部固定一块北斗卫星接收模块并引出卫星天线接口，卫星模块接收北斗卫星数据并解码输出时间数据（NMEA0183串口数据），并将时间数据输入到系统主板的串口上；麒麟系统串口接收时间数据解码时间信息并同步麒麟系统时间，确保麒麟系统的时间与准确。为了实现麒麟系统的NTP授时服务，需要在系统内运行NTPD授时程序。
重点：
（1）内置北斗卫星接收模块；
（2）串口输入到麒麟操作系统
（3）麒麟操作系统的时间同步
（4）麒麟系统的NTP授时服务
2. 网络拓扑图
图 常见拓扑结构
在中心机房配置1台麒麟系统NTP服务器，麒麟NTP服务器直接获取北斗卫星时间数据实现本地系统的时间同步，通过NTP网络时间同步协议对外提供授时服务。系统内的办公设备、堡垒机、防火墙、虚拟化集群、容灾备份系统、存储服务器及其他终端设备通过NTP时间协议同步到麒麟NTP服务器。麒麟NTP服务器和北斗卫星直接同步，这就保证了整个系统的时间准确、稳定和可靠性。
在实际的项目使用中，推荐使用2台或3台NTP服务器，在NTP客户端配置多个NTP服务器IP地址，NTP实时访问各个NTP服务器，通过内部时间同步算法自动切换时间基准，任何一台NTP服务器故障不影响NTP客户端的时间同步，这种做法可以规避单点故障。
3. 授时策略
图 C/S模式
NTP C/S授时原理
网络时延:
delay=(T4-T2)+(T3-T1)
客户端计算机时间偏差：
offset = ((T3-T1)-(T4-T2) )/2
客户机修正时间为T+offset
（Device A为客户端，Device B为NTP服务器）
Device A发送一个NTP报文给Device B，该报文带有它离开Device A时的时间戳，该时间戳为10:00:00am（T1）。
当此NTP报文到达Device B时，Device B加上自己的时间戳，该时间戳为11:00:01am（T2）。
当此NTP报文离开Device B时，Device B再加上自己的时间戳，该时间戳为11:00:02am（T3）。
当Device A接收到该响应报文时，Device A的本地时间为10:00:03am（T4）。
至此，Device A已经拥有足够的信息来计算两个重要的参数：
NTP报文的往返时延Delay=（T4-T1）-（T3-T2）=2秒。
Device A相对Device B的时间差offset=（（T2-T1）+（T3-T4））/2=1小时。
4. 客户端配置
大部分服务器在出厂时都安装了NTP协议，在NTP实施时只需将NTP源指向现有NTP服务即可。
AIX、Solaris、HP-UNIX等UNIX 和Linux系统使用系统自带的NTP服务。在原有配置文件（/etc/ntp.conf），增加如下语句，重新启动NTP进程即可。
server 主时钟IP minpoll 4 maxpoll 4 prefer
server 备时钟IP minpoll 4 maxpoll 4
server 备时钟IP minpoll 4 maxpoll 4
tinker step 0 #linux使用
其中， Linux使用tinker step 0配置缓慢调整，Aix使用slewalways yes配置缓慢调整，缓慢调整可规避闰秒时间调整对系统产生的影响。
备注：麒麟系统需包含串口的相关驱动程序！
