NTP

国内外厂商制造的高精度时钟服务器实际都是基于x86服务器，加装铷钟和GPS接收模块构成。树莓派流行起来后，网上也有配套的模块，让大家可以制造一个小巧的时钟服务器。实际这淘宝上有很多USB接口的GPS接收模块，产品特性：GPS+GLONASS双模定位内置FLASH，USB供电自适应1200-921600波特率1Hz输出，NMEA-0183协议输出。NTPD是业内对各种GPS接受器支持的最好的，绝大部分GPS接受模块实际都是使用标准的NMEA协议从/dev/gps输出。 测试的配置如下： # For more information about this file, see the man pages # ntp.conf(5), ntp_acc(5), ntp_auth(5), ntp_clock(5), ntp_misc(5), ntp_mon(5). logfile /var/log/ntp.log driftfile /var/lib/ntp/drift Permit time synchronization with our time source, but do not permit the source to query or modify the service on this system. restrict default nomodify notrap nopeer noquery Permit all access over the loopback interface. This could be tightened as well, but to do so would effect some of the administrative functions. restrict 127.0.0.1 restrict ::1 ...

格式如下 00225s +000000004 0599992.512TDC 0004990.716LST0004989.71FIS $GNGGA,060633.000,3119.3559,N,12135.9948,E,1,22,0.6,51.2,M,0.0,M,,*4A $GNRMC,060633.000,A,3119.3559,N,12135.9948,E,0.00,203.12,160419,,,A*71 $SYS,041619,060634,0,0,1,0,1,0,0,1,2,1,0, +000000004[root@centos1 dev]# cat /dev/gps1 |grep GNGGA$GNGGA,085318.00,3016.36039,N,12006.35748,E,1,12,0.99,37.4,M,7.1,M,,43$GNGGA,085319.00,3016.36042,N,12006.35743,E,1,12,1.04,37.4,M,7.1,M,,40$GNGGA,085320.00,3016.36044,N,12006.35739,E,1,11,1.14,37.4,M,7.1,M,,43$GNGGA,085321.00,3016.36051,N,12006.35748,E,1,11,1.07,37.6,M,7.1,M,,40$GNGGA,085322.00,3016.36057,N,12006.35755,E,1,12,1.06,37.7,M,7.1,M,,4A$GNGGA,085323.00,3016.36062,N,12006.35764,E,1,12,0.97,37.8,M,7.1,M,,49$GNGGA:GPGGA(时间、定位质量)UTC时间,纬度,纬半球,经度,经半球,定位质量标,卫星数量,水平精确度,天、地水准高度，差分GPS数据等, *, 校验和, 回车、换行$GPGGA,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,M,<10>,M,<11>,<12>xx$GPGGA：起始引导符及语句格式说明(本句为GPS定位数据)；<1> UTC时间，格式为hhmmss.sss；<2> 纬度，格式为ddmm.mmmm(第一位是零也将传送)；<3> 纬度半球，N或S(北纬或南纬)<4> 经度，格式为dddmm.mmmm(第一位零也将传送)；<5> 经度半球，E或W(东经或西经)<6> GPS状态， 0初始化， 1单点定位， 2码差分， 3无效PPS， 4固定解， 5浮点解， 6正在估算 7，人工输入固定值， 8模拟模式， 9WAAS差分<7> 使用卫星数量，从00到12(第一个零也将传送)<8> HDOP-水平精度因子，0.5到99.9，一般认为HDOP越小，质量越好。<9> 海拔高度，-9999.9到9999.9米M 指单位米<10> 大地水准面高度异常差值，-9999.9到9999.9米M 指单位米<11> 差分GPS数据期限(RTCM SC-104)，最后设立RTCM传送的秒数量，如不是差分定位则为空<12> 差分参考基站标号，从0000到1023(首位0也将传送)。* 语句结束标志符xx 从$开始到之间的所有ASCII码的异或校验维度： dd+mm/60+mmmm/600000维度: ddd+mm/60+mmmm/600000位置定位页面 http://www.gpsspg.com/maps.htm $GNRMC,091655.00,A,3016.36112,N,12006.35204,E,0.042,,200419,,,A6E$GNRMC,091656.00,A,3016.36112,N,12006.35203,E,0.038,,200419,,,A67 $GNRMC,095554.000,A,2318.1327,N,11319.7252,E,000.0,005.7,081215,,,A*73(1) UTC 时间， hhmmss（时分秒）【095554.000】(2) 定位状态， A=有效定位， V=无效定位【A】(3) 纬度 ddmm.mmmmm（度分）【2318.1327】(4) 纬度半球 N（北半球）或 S（南半球）【N】(5) 经度 dddmm.mmmmm（度分）【11319.7252】(6) 经度半球 E（东经）或 W（西经）【E】(7) 地面速率（000.0999.9 节）【000.0】(8) 地面航向（000.0359.9 度，以真北方为参考基准）【005.7】(9) UTC 日期， ddmmyy（日月年）【081215】(10) 磁偏角（000.0~180.0 度，前导位数不足则补 0）【】(11) 磁偏角方向， E（东）或 W（西）【】(12) 模式指示（A=自主定位， D=差分， E=估算， N=数据无效）【A】 ...

背景 GPS的时间是基于GPS时间起点（UTC 1980-01-06 00:00:00 ），用经历过一个周数和周内秒数定义的。表述这个周数使用的是一个10bit的字段，因此每过1024周就会出现一次翻转事件。GPS在1999年8月21日出现过周数翻转，今年是在2019年4月6日出现周数翻转。针对此类重点的事件，如果出现问题，会导致公司的整个授时体系的时间回退到1980年，存在所有业务受影响可能性。因此我在前期做了比较多的分析工作。一方面同多家GPS授时服务器的厂商确认是否会有影响，另外一方面自己从相关的文献和代码上确认实际受影响的概率。最终确认这个事件对现在的授时体系100%无影响。 技术原理分析 GPS授时服务器，俗称原子钟。实际的结构是由一个x86服务器（主板上接有铷原子钟或恒温晶振），外接一个可接收GPS/北斗/Galileo信号的天线组成。设备就放在机房的工机具区域，蘑菇头天线置于机房外（绝大部分是置于房顶）。设备上电后，一般几分钟就可以收到4个以上的卫星信号，完成位置锁定和时间同步。开机一段时间后内置的原子钟会被GPS信号驯服，最终趋于一个稳定频率，使得当GPS信号断掉后，还能保持非常高的授时精度。当前世面上设备的常用原子钟的主流精度是年偏差不超过±3ms。GPS的授时服务器内的天线模块，通过解析GPS的L1NAV报文，计算出对应的位置&时间等信息。GPS接收器把原始报文经过一系列的计算后，使用NMEA-0183协议把相应的信息通过串口输出。针对串口输出报文中的GAGGA和GARMC数据做解析，就可以计算出当前的时间和日期。具体的报文是如下格式： $GBGGA,105804.00,3016.36015,N,12006.34368,E,1,10,1.53,14.3,M,7.1,M,,*4A $GBRMC,105805.00,A,3016.36016,N,12006.34352,E,0.120,,210419,,,A,V*1D 其中GBGGA的第二列表示现在是10:58:04,GBRMC的210419表示现在是19年4月21日。整条链路实际上是GPS–(广播)–>接收天线模块—-(芯片处理输出NMEA-0183报文)—-> NTPD处理我们逐个分析可能出问题的环境：1. 接收天线不能正确处理周数轮转，这个只能找厂商确认。2. NTPD在根据报文做处理时,处理错误，这个可以自己从代码里去判断（实际上已经经历过一次周数轮转了，应该不会有问题）。 针对NTPD本身的时间处理，因为NMEA的报文里只有2位的年数和时间，那么当原子钟第一次启动时，其实是需要做判断才能知道这个时间到到底是2019年还是3019年的。NTPD在启动初始化NMEA设备时（也就是GPS接收天线在linux系统中注册的串口设备），会获取到软件编译的时间。而这个时间被NTPD作为额外一个参数传入做关键的判断（如果把编译的时间设置为1980年之前，则会使用1980）。具体的转换函数代码如下 int32_t ntpcal_periodic_extend( int32_t pivot, int32_t value, int32_t cycle ) { uint32_t diff; char cpl = 0; /* modulo complement flag */ char neg = 0; /* sign change flag */ /* make the cycle positive and adjust the flags */ if (cycle < 0) { cycle = - cycle; neg ^= 1; cpl ^= 1; } /* guard against div by zero or one */ if (cycle > 1) { /* * Get absolute difference as unsigned quantity and * the complement flag. This is done by always * subtracting the smaller value from the bigger * one. */ if (value >= pivot) { diff = int32_to_uint32_2cpl(value) - int32_to_uint32_2cpl(pivot); } else { diff = int32_to_uint32_2cpl(pivot) - int32_to_uint32_2cpl(value); cpl ^= 1; } diff %= (uint32_t)cycle; if (diff) { if (cpl) diff = (uint32_t)cycle - diff; if (neg) diff = ~diff + 1; pivot += uint32_2cpl_to_int32(diff); } } return pivot; } 比如如果软件的编译时间是2015年，从GPS报文获取到的时间是19，一个世纪100年，因此调用该函数的时候传入的参数如下：ntpcal_periodic_extend(2015,19,100)，最终可以计算出准确的年份是2019年。 ...

Redhat从RHEL 7.0开始使用chrony替换ntpd作为默认的ntp同步工具。从chrony的官方网站上可以看到与ntpd各维度详细对比：从其测试结果上看似乎是各维度性能都可以吊打ntpd。因此chrony对自身的整体评价还是比较高的在测试之前，从理论上说chrony的主要优点在于：1. 支持Hardware timestamping，时间戳会更加准确，因为从网卡到内核之间的延迟可能有几十us。2. 支持xleave，可以提升对网络延迟的测量精度。为了评估内部是否需要使用chrony来替换ntpd，我自己也做了一些测试。主要是从集群的延迟稳定性和时钟偏差2个维度来衡量。测试集群选择三个城市的多个机房内服务器做测试。1. chrony的延迟稳定性2. ntpd延迟稳定性 chrony时钟稳定性4. ntpd的时钟稳定性 从上面的4个图可以看到，实际上NTPD的同步稳定性相对比较好一些。NTP协议本身精度的瓶颈是在于网络延迟稳定性，NTPD在这一块有大量的算法保证：1. Clock Filter Algorithm （huff-n’-puff filter）2. Clock Select Algorithm3. Clock Cluster Algorithm：4. Clock Discipline Algorithm：整体的流程如下 正因为NTP的设计者一开始就考虑的非常全面，使得目前NTP的授时精度早已经达到理论瓶颈。广域网的授时精度要想稳定性&精度超越ntpd，几乎不太可能（PTP只能用户局域网），因此短期内我还是会继续选择NTPD作为时钟同步软件。对于NTP这种古老的协议，目前还有人愿意投入精力去改进实际是非常难能可贵的，真心希望chrony能早日从稳定性&精度两个方面超越ntpd。 参考链接：1. https://chrony.tuxfamily.org/comparison.html

概述 美国GPS导航卫星采用了铯原子钟和铷原子钟结合的方式； 欧盟Galileo导航卫星采用了铷原子钟和被动型氢原子钟结合的方式； 俄罗斯Glonass-K三代导航卫星也将采用铷原子钟和被动型氢原子钟结合的方式。 北斗导航卫星正在开展铷原子钟和被动型氢原子钟相结合的授时方式。 铷原子钟：体积小重量轻、功耗低、技术难度相对较低、可靠性高等优势，但长期稳定度和漂移率指标相对较差； 铯原子钟：低漂移特性，不过寿命是致命短板； 被动型氢原子钟：稳定度指标在传统三样中最优，研发难道高。 1. GPS 早期的GPS使用的霍普金斯大学研制的石英振荡器，相对频率稳定度为10^-11/秒。误差为14m。 1974年以后，GPS卫星采用铷原子钟，相对频率稳定度达到 10^-12/秒，误差8m。 1977年，BOKCK II型采用了马斯频率和时间系统公司研制的铯原子钟后，相对稳定频率达到10^-13/秒，误差再降为2.9m。 1981年，休斯公司研制的相对稳定频率为10^-14/秒的氢原子钟使BLOCK IIR型卫星误差降至仅为1m。 2. 北斗 早期北斗试验系统的卫星原子钟是由瑞士进口 北斗二号的星载原子钟逐渐开始使用中国航天科工二院203所提供的国产铷原子钟。 2015年有发射载有星载氢原子钟的北斗卫星。 203所2017年9月30日成功研发了星载铯钟，预计北斗三号可能使用。

公司先后采购过多种GPS授时服务器。之前一直不是太明白ntpd是如何使用外接的这些硬件。这两年树莓派比较流行，也有很大人利用外接的扩展件让树莓派成为一级时钟源。其中关键的ntp.conf配置如下 [一级时钟源](http://www.satsignal.eu/ntp/Raspberry-Pi-NTP.html)driftfile /var/lib/ntp/ntp.drift ```bash # coarse time ref-clock, not really needed here as we have LAN & WAN servers server 127.127.28.0 minpoll 4 maxpoll 4 fudge 127.127.28.0 time1 +0.350 refid GPS stratum 15 # Kernel-mode PPS ref-clock for the precise seconds server 127.127.22.0 minpoll 4 maxpoll 4 fudge 127.127.22.0 refid PPS # LAN servers ```bash server 192.168.0.3 minpoll 5 maxpoll 5 iburst prefer server 192.168.0.2 minpoll 5 maxpoll 5 iburst server 192.168.0.7 minpoll 5 maxpoll 5 iburst ...

以一个阿里云VM上的输出为例 [root@CentOS ~]# ntpq -pn remote refid st t when poll reach delay off set jitter ============================================================================== 127.127.1.0 .LOCL. 10 l - 64 0 0.000 0.000 0.000 #2001:4860:4806: 71.79.79.71 2 u 1012 1024 357 280.158 -15.630 3.135 #2001:4860:4806: 71.79.79.71 2 u 816 1024 377 262.399 -24.971 2.702 #2001:4860:4806: 71.79.79.71 2 u 708 1024 377 364.687 -13.306 4.368 #2001:4860:4806: 71.79.79.71 2 u 606 1024 377 381.816 -28.115 3.897 *182.92.12.11 10.137.38.86 2 u 327 1024 377 0.245 0.810 0.792 ...