NTP网络时间服务器在大型局域网的同步技术

本章利用双机互备型ntp网络时间服务器实现局域网的时间同步解决方案。

1时间同步系统的配置
全网配置一套时间同步系统，由两台GPS时间服务器（ntp网络时间服务器）（支持NTP协议）、交换机、网络和客户端组成。两台GPS时间服务器（ntp网络时间服务器）放置在机房交换机机柜中，以NTP 协议方式向全网的客户端授时。两台GPS时间服务器（ntp网络时间服务器）以冗余热备模式工作，提高了系统的可靠性。
NTP（Network Time Protocol）是用来在整个网络内发布精确时间的TCP/IP协议，其本身的传输基于UDP，它可以使计算机对其服务器或时钟源（如石英钟，GPS等）做同步化，提供高精度的时间校正（LAN上与标准间差小于1毫秒，WAN上几十毫秒），且可采用加密确认的方式来防止恶毒的协议攻击。
支持协议：NTP，SNTP，ARP,UDP,TCP,Telent,ICMP,SNMP,DHCP和TFTP ；
网络接口：RJ－45以太网接口；

2 时间同步系统的性能
2.1 GPS时间服务器（ntp网络时间服务器）接收GPS（全球定位系统）卫星信号或接收外部IRIG-B（DC）时间基准信号。
2.2 GPS时间服务器（ntp网络时间服务器）的时间信号接收单元能接收GPS卫星发送的协调世界时（UTC）信号作为外部时间基准信号。正常情况下，GPS时间服务器的时间信号接收单元独立接收GPS卫星发送的时间基准信号。当某一GPS时间服务器的时间信号接收单元发生故障时，该GPS时间服务器能自动切换到另一台GPS时间服务器的时间信号接收单元接收到的时间基准信号，实现时间基准信号互为备用。当GPS时间服务器的时间信号接收单元恢复正常后，该GPS时间服务器自动切换回正常工作状态，切换时间小于0.5秒，切换时GPS时间服务器输出的时间同步信号不会出错。
2.3 GPS时间服务器可输出一路特殊的供GPS时间服务器（ntp网络时间服务器）间互联的IRIG-B（DC）码信号，该信号作为互联GPS时间服务器（ntp网络时间服务器）的“后备”外部时间基准，当GPS时间服务器的“主”外部时间基准故障时，该信号停止输出。消除当GPS时间服务器互联时“主”外部时间基准发生故障所引起的工作状态不确定性。
2.4 GPS时间服务器具有内部守时功能。当接收到外部时间基准信号时，被外部时间基准信号同步；当接收不到外部时间基准信号时，切换到内部守时，使GPS时间服务器输出的时间同步信号仍能保持一定的准确度。当外部时间基准信号接收恢复时，自动切换到正常状态工作，切换时间小于0.5S，切换时时钟输出的时间同步信号不会出错。
2.5时钟装置的所有输出信号均经隔离输出，抗干扰能力强，且各路输出在电气上均相互隔离。
2.6 时钟装置具有自复位能力，在因干扰造成装置CPU瞬间故障时，能自动恢复正常工作。
2.7 时钟装置的某一路输出信号允许短路5分钟以上，不会造成对该输出回路的永久性损坏。
2.8 时钟装置的某一路输出信号短路，不会影响其它输出信号。
2.9 时钟装置采用模块化结构设计，CPU板、B码生成板、NTP信号输出板可热拔插。
2.10时钟装置具有工作状态指示、告警显示和告警信号输出功能。告警信号的电接口类型为继电器空接点，接点耐压>250V DC。
2.11 每台时钟装置都提供一路TTL脉冲信号（可编程输出1PPS、1PPM、1PPH、事件），供时钟的准确度指标测试。
2.12 时钟装置具有时间显示功能，可显示年、月、日、时、分、秒。

3 时间同步系统的结构
该系统结构由两台GPS时间服务器（ntp网络时间服务器）屏、交换机、网络和客户端组成。
两台GPS时间服务器（ntp网络时间服务器），互为热备，GPS时间服务器1作为“常用”时间服务器，GPS时间服务器2作为“备用”时间服务器。当“常用”时间服务器（GPS时间服务器1）的GPS信号接收单元发生故障时，自动切换至“备用”时间服务器（GPS时间服务器2）的GPS信号接收单元接收到的时间基准信号，从而保证系统的可靠性。当“常用”时间服务器（GPS时间服务器1）的GPS信号接收单元恢复正常后，该GPS时间服务器自动切换回正常工作状态。
当GPS时间服务器（ntp网络时间服务器）都接收不到两路外部时间基准信号时，切换到内部守时，保持一定的走时准确度；当外部时间基准信号接收恢复时，自动切换回接收外部时间基准信号的工作状态。
两台GPS时间服务器的RJ45口分别接到交换机上，分配两个IP地址，如GPS时间服务器1的IP地址为IP1, GPS时间服务器2的IP地址为IP2,则两个IP地址就作为网内的标准时间服务器。客户端PC机可使用操作系统自带NTP服务，也可使用我公司提供的客户端软件。本软件可输入两台GPS时间服务器的IP地址， IP1地址作为主地址，IP2地址作为备用地址，当客户端因某些原因无法从主地址获取时间信息时，则自动从备用地址获取时间信息。
嵌入式录像机(DVR)不具备NTP对时功能，需在PC机上安装DVR厂家提供的管理软件，把时间信息传给DVR。

4 系统特点　
4.1 专业厂家，专业品质
我公司专业致力于GPS/北斗授时产品的研发和应用，在多年来的专业积累基础上，充分发挥自身在授时产品领域的技术优势和应用经验，依托相关的科研院所，结合美国GPS全球定位系统、中国北斗星系统、B码基准解码接收技术、智能驯服恒温晶体振荡器（或原子钟）守时技术，自主开发的具有国内领先水平的授时产品，该产品是专业用于各行业统一时间基准的授时系统，全自动智能化运行，免操作维护，适合无人值守。
4.2 精度高
采用美国原装高精度GPS授时模块，时钟同步精度可达30nS。
4.3更全面的可靠性、安全性设计
4.3.1 应用GPS授时技术/B码基准解码接收技术/高稳晶体振荡器守时技术授时，实现多基准冗余授时，能够智能判别GPS信号、外部B码时间基准信号的稳定性和优劣，并提供多种时间基准配置方法。
4.3.2 采用精准的测频与“智能学习算法”，使守时电路输出信号与GPS卫星/IRIG-B时间基准保持精密同步,消除因晶体振荡器老化造成的频偏带来的影响。
4.3.3 由于装置输出的1PPS等时间信号是内置振荡器的分频秒信号输出，同步于GPS系统但并不受GPS秒脉冲信号跳变带来的影响，相当于UTC时间基准的复现。
4.3.4 GPS接收天线重点考虑了防雷设计、稳定性设计、抗干扰设计，信号接收可靠性高，不受电厂/变电站地域条件和环境的限制。
4.3.5 选用高性能、宽范围开关电源，工作稳定可靠，装置电源供电自适应，并且系统电源经专门滤波、消除共模干扰电路处理。
4.3.6 在现场避雷针避雷范围内，GPS天线加装专用天线防雷器，使时钟装置具有双重防雷效果。
4.3.7 时钟装置机箱经防磁处理，抗干扰能力强。
4.3.8 装置具有自复位能力，在因干扰造成装置程序出错时，能自动恢复正常工作。
4.3.9 装置所有输入、输出信号均电气隔离。

4.4 可实现时间同步系统的在线运行监控
4.4.1 GPS时间服务器（ntp网络时间服务器）前面板有“电源指示”灯、“秒脉冲指示” 灯、“GPS信号输入” 灯、“B码信号输入” 灯、“GPS信号输入异常” 灯、“B码信号输入异常” 灯多种状态指示，便于运行值班人员的日常巡视。
4.4.2 GPS时间服务器（ntp网络时间服务器）有电源中断告警、GPS失步告警、外部“B码输入”（后备时间基准）消失告警。这些告警信号为继电器空接点信号输出，可接入监控系统，随时监控时间同步系统的运行状况。
4.4.3完善的北斗和GPS信号的性能监测，自动或手动选择主用卫星信号。支持本地和远程网管，通过WEB方式对系统进行远程管理，完成对系统的卫星接收状况、设备工作状态、参数设置等信息进行管理。
4.5 系统操作简单、维护方便，信号接口丰富、配置灵活、易于扩展
4.5.1 时钟装置使用按键设置, 脉冲、串口信号输出可编程，操作简单。
4.5.2 时钟装置采用全模块化即插即用结构设计，支持板卡热插拔，配置灵活，维护方便，为将来其它信号基准源(珈俐略卫星信号、上游地面链路的DCLS信号、NTP时间基准信号等) 的接入提供了方便。
4.5.3系统不仅实现了GPS时间服务器（ntp网络时间服务器）与信号扩展箱的板卡全兼容，还提供了丰富的信号接口资源和开放式特殊接口设计平台，具备优异的兼容能力，可提供多路脉冲信号（1PPS、1PPM、1PPH、事件，空接点、差分、TTL、24V/110V/220V有源）、IRIB-B信号（TTL、422、232、AC）、DCF77信号（有源、无源）、时间报文（RS232、RS422/485）、NTP网络时间信号，可以满足现场不同设备的对时接口要求。
4.6 系统安装调试安全方便
4.6.1 时钟装置为架装式结构，2U、19”标准机箱,安装方便。
4.6.2 时钟装置采用模块化结构设计，支持板卡热插拔，配置灵活，易于调试。
4.6.3 每台装置提供一路可编程的TTL脉冲信号（1PPS/1PPM/1PPH）供时钟的准确度指标测试。
4.6.4 GPS时间服务器（ntp网络时间服务器）可通过数码管显示跟踪到的有效卫星个数，直观地反映装置接收GPS卫星的状况。

5 系统技术指标
5.1 运行条件
5.1.1 环境条件
工作温度：-200C～+700C；
贮存温度：-450C～+850C；
湿度：<95%。
5.1.2 电源
交流供电：220V±20%或110V±20% ， 47Hz～63Hz；
直流供电：220V±20%或110V±20%。
装置电源供电自适应。
5.1.3 抗干扰
在雷击过电压、一次回路操作、开关场故障、二次回路操作及其它强干扰作用下，装置不误动作。
装置快速瞬变干扰试验、高频干扰试验、辐射电磁场干扰试验、阻尼震荡波干扰试验、冲击电压试验和绝缘试验符合标准GB/T15153.1-1998（远动设备及系统 第2部分：工作条件 第1篇：电源和电磁兼容），并达到Ⅲ级及以上标准。

5.2 技术参数
5.2.1 GPS接收天线
天线环境要求：
工作温度：-45℃～+85℃；
贮存温度：-50℃～+90℃；
湿度：100%，结露；
体积：φ96mm×126mm。
5.2.2 GPS接收器
接收频率：1575.42MHz（L1信号）。
接收灵敏度：捕获〈-160dBW，跟踪〈-163dBW。
同时跟踪：正常状态下可同时跟踪8～12颗GPS卫星；
装置冷起动时不小于4颗卫星；
装置热起动时不小于1颗卫星。
捕获时间：装置冷起动时，〈10min；装置热起动时，〈1min。
内部电池：电池类型：锂电池；
电池寿命：≮25000h。
5.2.3 时钟装置内部的时间保持单元守时精度：时间保持单元晶体振荡器选用OCXO，守时精度优于7*10-8。
5.2.4 时钟装置功耗：≤20W。
5.2.5 时钟装置的绝缘电阻：≮20MΩ。
5.2.6 系统平均无故障间隔时间(MTBF)：≥70000小时；系统平均维修时间（MTTR）：一般不大于30分钟，使用寿命不少于20年。正常使用条件下无须维护。
5.2.7 输出时间与协调世界时（UTC）时间同步准确度：≤0.5μS。
5.2.8 NTP接口：
每秒NTP请求量 时间标识精度 可处理用户终端请求量
0～100 1～10ms 48,000
100～200 10～100ms 96,000
5.2.9 重量：3kg。