Сверхточный Raspberry PI Stratum 1 NTP сервер07.07.2020 12:47

В этой статье я расскажу, как собрать Stratum 1 NTP сервер на Raspberry PI для синхронизации времени за скромную сумму и навсегда забыть о проблемах, связанных с не совпадающим временем на всех ваших устройствах. А самое главное, он будет давать результат на два порядка точнее, чем обычный сервер.

В предыдущей статье, посвященной синхронизации времени по радио и СРНС (системы радионавигационной связи), я не успел рассказать про выбор приёмника GPS / ГЛОНАСС с выходом PPS. Между тем от этого зависит точность приёма сигнала, величина может составить от одной миллисекунды до нескольких микросекунд и зачастую это имеет решающее значение.

Для самого точного приема сигнала времени нужен приёмник GPS / ГЛОНАСС с выходом PPS. Дело однако в том, что на российском рынке не просто раздобыть устройство с такими характеристиками по доступной цене. Много таких моделей давно уже перестали выпускать, а в заброшенных интернет магазинах с версткой 1990-х остались лишь их описания с предложением подписаться на уведомление при поступлении товара.

8to4olgpk0r5cxsvkdjqno-fshw.png


Полный список протестированного GPS оборудования можно найти на GitLab ресурсе NTPSec. Не трудно заметить, что незначительное число представленных в списке устройств имеют отметку 3–4 звезды и опцию PPS. Таким образом, в шорт-лист попадают следующие приёмники.

  • Garmin GPS-18, не USB *** (приблизительная цена 10 тыс. р.)
  • GlobalSat MR-350P ****
  • Jackson Labs FireFly-II ***
  • Magellan Thales AC12 ***
  • Motorola Oncore GT+ ***
  • Navisys GR601-W ****
  • SkyTraq SKG16B ****
  • Trimble Lassen IQ ***
  • u-blox ANTARIS LEA-4T ***
  • u-blox EVK 6H ****
  • u-blox LEA SQ ****


4* Отличная производительность: gpsd распознает приёмник быстро и надежно, а отчеты сформировано полностью и правильно.

3* Хорошая производительность: gpsd с незначительными проблемами или задержкой распознаёт устройства, но отчеты сформировано полностью и правильно.

Если вас не пугает цена этих моделей, а также нет большого желания возиться с железками, можете не читать дальше. Приемник, подключенный к серверу по USB, или RS232 интерфейсу обеспечит гораздо большую точность определения времени, чем NTP сервер, работающий по tcp/ip. Но если путь самурая вам не чужд, тогда давайте собирать свой Raspberry PI NTP сервер с GPS синхронизацией времени.

Собираем Raspberry PI


Итак: берем следующие компоненты для нашего микро сервера.

  1. Плата Raspberry Pi 4 Model B, 4 GiB ОЗУ (6200 руб.);
  2. Корпус, например такой (890 руб.);
  3. Micro SD карта на 32 GiB, можно и 16 GiB; (540 руб.)
  4. GPS модуль на чипе u-blox NEO-M8 (1700 руб. с антенной);
  5. GPS антенна на 15 dB;
  6. Паяльник.


Вообще-то, u-blox NEO-M8 оснащен UART интерфейсом, но для PPS выхода необходимо припаять pin-3 на GPS модуле к соответствующему GPIO коннектору на плате Raspberri Pi. Модуль швейцарской компании завоевал популярность у специалистов и это не случайно, характеристики говорят сами за себя.

  • Поддерживаемые СРНС: BeiDou, Galileo, GNSS; GPS/QZSS, GLONASS;
  • Напряжение питания: 2.7…3.6 В;
  • Интерфейсы: UART, USB, SPI, DDC, I2C;
  • Поддерживаемые протоколы: NMEA 0.183 version 4.0, UBX (binary), RTCM 2.3;
  • Чувствительность при обнаружении: -167 дБм;
  • Чувствительность при слежении: -160 дБм;
  • Время холодного старта: 26 с;
  • Время горячего старта: 1.5 с;
  • Потребляемая мощность: 35 мВт;
  • Рабочая температура: -40…+85 °С;
  • Размеры: 16×12.2×2.4 мм


В такой конфигурации с новейшим оборудованием примерная общая цена Raspberry PI в собранном виде составит 9330 руб. Можно сэкономить, купив Raspberry PI 3, или четверку с 2 GiB ОЗУ. Можно еще сэкономить на GPS чипе, u-blox NEO-6M с антенной стоит около 650 руб. Тогда цена NTP сервера упадет до 5500 руб.

mr7dmuwrthhpgeiikfqzw59hwvk.png


GPS/Глонасс модуль UBLOX NEO 8M

Может возникнуть вопрос, для чего нужны все эти капиталовложения и какую точность обеспечивает тот, или иной способ синхронизации времени. Небольшая сводная табличка для справки.


Kernel PPS (KPPS) отличается от PPS тем, что использует функцию ядра Linux / Unix для точной временной отметки изменения состояния в строке PPS. Обычный же PPS реализован в user-space. Если ядро Linux поддерживает KPPS через API RFC 2783, gpsd воспользуется им для увеличения точности.

Во многих дистрибутивах Linux имеется пакет pps-tools, который обеспечивает поддержку KPPS и устанавливает timepps.h заголовочный файл. Обязательно установите этот пакет.

(1:1146)$ sudo emerge -av pps-tools

Local copy of remote index is up-to-date and will be used.
These are the packages that would be merged, in order:

Calculating dependencies... done!
[binary   R    ] net-misc/pps-tools-0.0.20120407::gentoo  0 KiB

Total: 1 package (1 reinstall, 1 binary), Size of downloads: 0 KiB
Would you like to merge these packages? [Yes/No]


Таким образом, подключив GPS приёмник с PPS выходом по USB мы получаем 300-кратное повышение точности синхронизации времени. Чтение с чипа GPS на плате в режиме KPPS даёт прирост точности еще на два порядка.

Будем откровенны — не все из нас умеют пользоваться паяльником, далеко не каждый пользуется этим инструментом регулярно. В таком случае имеет смысл поискать модуль GPS, не требующий пайки контактов.

pfp4yupss8uhy94ffyezbvvw0as.png


Raspberry Pi GPS/RTC Expansion Board

Таких плат мало, и стоят они дорого. Разницу в цене вполне окупит приобретение паяльника и трудозатраты.

Установка ОС


Существует Raspberry PI OS, а. k. a. Raspbian, можно просто пойти по ссылке, скачать свежую версию и установить её. Многие так и делают, но давайте вспомним, что Raspberry PI 4 поддерживает 64-битную операционную систему, в то время как Raspberry PI OS пока имеет лишь 32-битные модификации Debian Linux для архитектуры Arm.

Существует такая точка зрения, что на 64-битная ОС неоправдана на Raspberry PI 4, так как нет возможности обеспечить прирост производительности из-за особенностей архитектуры и сборки. Мне эта точка зрения представляется сомнительной, об этом уже писали на Хабре — 64-битная ОС быстрее.

Существует порт Debian Linux для архитектуры arm64, однако дистрибутив Убунту для Raspberry PI имеет внятную страницу и инструкцию. На странице находим дополнительное подтверждение тому, что лучше выбрать 64-битную ОС.

l3hkflpphndhpqczsds4wlmwu0s.png

Инвентарь для установки:

  • Raspberry Pi 4;
  • USB-C кабель питания для Pi 4;
  • Micro SD карта с установочным образом Убунту;
  • Монитор с выходом HDMI;
  • Кабель MicroHDMI;
  • USB клавиатура.


Следующий этап — запись установочного образа на Micro SD карту. Если у вас под рукой нет специализированной утилиты и программы под эти цели, в простейшем случае достаточно.

sudo dd if=/path/to/ubuntu-core-arm64.iso of=/dev/mmcblk0 status=progress


Точное название устройства видно в выводе dmesg при обнаружении нового устройства.

PM: Adding info for No Bus:179:0
device: 'mmcblk0': device_add
PM: Adding info for No Bus:mmcblk0


Вставив Micro SD карту, подключив HDMI-монитор, USB-клавиатуру, и кабель питания загружаетесь в Ubuntu Server на Raspberry Pi. Имя пользователя и пароль по умолчанию ubuntu.

Настройка NTP сервера


  1. Если Raspberry PI включен в консольном режиме (headless), то для начала необходимо определить IP адрес устройства. С рабочей станции наберите следующую команду.
    (1:1151)$ arp -na | grep -i "dc:a6:32"

    Ели же Pi подключен к HDMI монитору и USB клавиатуре, пропустите шаги 1–2 и переходите сразу к установке пакетов.
  2. Подключитесь по ssh
    (1:1152)$ ssh ubuntu@
  3. Установите необходимые пакеты.
    user@server ~$ sudo apt-get install aptitude
user@server ~$ sudo aptitude install wpasupplicant gpsd chrony
  4. Настройте Wi-Fi соединение с помощью wpasupplicant.
  5. В Linux UART0 интерфейс Pi представлен файлом устройства /dev/ttyAMA0. Для того чтобы освободить UART0 интерфейс для GPS приёмника нужно поменять параметры загрузки ядра Linux. Необходимо отключить console=ttyAMA0,115200, заменив на console=tty1. Для этого в файле /etc/default/grub надо поменять GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT. Если существует файл, /boot/config.txt, в нем также можно задать те же опции.

    Raspberry Pi 4 имеет 6 UART-ов

    По умолчанию UART2–5 выключены.

    Как видно из названия, UART0 — полноценный серийный порт и он имеет более высокую производительность, чем обрезанный UART1, он же mini UART. Поэтому будет не лишним перевести Bluetooth на UART1 с тем, чтобы основной поток данных шел через UART0. Для этого в /etc/default/grub, или /boot/config.txt ставим enable_uart=1.

  6. В файле /etc/defaults/gpsd следует выставить.
    DEVICES="/dev/ttyAMA0 /dev/pps0"
GPSD_OPTIONS="-n"
USBAUTO="false"
  7. Запустите, или перезапустите gpsd.
    user@server ~$ sudo /etc/init.d/gpsd start
user@server ~$ sudo /etc/init.d/gpsd restart
  8. Проверка работы модуля GPS.
    user@server ~$ cat /dev/ttyAMA0
user@server ~$ cgps -s
user@server ~$ ppstest /dev/pps0
  9. Отредактируем файл /etc/ntp.conf.

    Все строки, содержащие сетевые публичные Stratum 1, 2 NTP сервера (такие, как pool [0–9].subdomain.pool.ntp.org) следует закомментировать, чтобы использовать лишь GPS/PPS источники данных.

    # GPS Serial data reference (NTP0)
server 127.127.28.0 minpoll 4
fudge 127.127.28.0 flag1 1 time1 0.9999 refid GPS #flag1 - PPS on
    # GPS PPS reference (NTP1)
server 127.127.22.0 minpoll 4
fudge 127.127.22.0 flag3 1 refid PPS #flag3 - enable KPPS API

    Верхняя запись NTP0 указывает на универсальный источник времени, доступный почти на всех устройствах GPS. Нижняя запись NTP1 определяет гораздо более точный PPS источник.
  10. Перезапустите ntpd
    user@server ~$ sudo /etc/init.d/ntpd restart


Использованные материалы


de0yl-6ppopvisr_a80b4yuhjj8.png

© Habrahabr.ru