Сверхточный Raspberry PI Stratum 1 NTP сервер

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 ^[1], 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 ^[2] 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.

Сверхточный Raspberry PI Stratum 1 NTP сервер - 1

Полный список протестированного GPS оборудования можно найти ^[3] 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.

Плата Raspberry Pi 4 Model B, 4 GiB ОЗУ (6200 руб.);
Корпус, например такой ^[4] (890 руб.);
Micro SD карта на 32 GiB, можно и 16 GiB; (540 руб.)
GPS модуль на чипе u-blox NEO-M8 (1700 руб. с антенной);
GPS антенна на 15 dB;
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: 16х12.2х2.4 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.

Сверхточный Raspberry PI Stratum 1 NTP сервер - 2

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.

Источник сигнала времени	Погрешность
GPS с атомными часами	±50 nSec
KPPS	±1 μSec
PPS	±5 μSec
Интерфейс USB 1.1	±1 mSec
Интерфейс USB 2.0	±100 μSec (100000 nSec)
NTP по сети	~±30 mSec

Kernel PPS ^[5] (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.

Сверхточный Raspberry PI Stratum 1 NTP сервер - 3

Raspberry Pi GPS/RTC Expansion Board

Таких плат мало ^[6], 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 ^[7], 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 ^[8] на Хабре — 64-битная ОС быстрее.

Существует порт Debian Linux ^[9] для архитектуры arm64, однако дистрибутив ^[10] Убунту для Raspberry PI имеет внятную страницу и инструкцию. На странице находим дополнительное подтверждение тому, что лучше выбрать 64-битную ОС.

Сверхточный Raspberry PI Stratum 1 NTP сервер - 4

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

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.

Подключитесь по ssh

(1:1152)$ ssh ubuntu@<Raspberry Pi’s IP address>

Установите необходимые пакеты.

user@server ~$ sudo apt-get install aptitude
user@server ~$ sudo aptitude install wpasupplicant gpsd chrony

Настройте ^[11] Wi-Fi соединение с помощью wpasupplicant.

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

Название	Тип	Устройство	Назначение
UART0	PLO11	/dev/ttyAMA0	вторичный (Bluetooth)
UART1	mini UART	/dev/ttyS0	основной
UART2	PLO11
UART3	PLO11
UART4	PLO11
UART4	PLO11

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.

В файле /etc/defaults/gpsd следует выставить.
```
DEVICES="/dev/ttyAMA0 /dev/pps0"
GPSD_OPTIONS="-n"
USBAUTO="false"
```

Запустите, или перезапустите gpsd.

user@server ~$ sudo /etc/init.d/gpsd start
user@server ~$ sudo /etc/init.d/gpsd restart

Проверка работы модуля GPS.

user@server ~$ cat /dev/ttyAMA0
user@server ~$ cgps -s
user@server ~$ ppstest /dev/pps0

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.

Перезапустите ntpd

user@server ~$ sudo /etc/init.d/ntpd restart

Использованные материалы

GPSD Time Service HOWTO ^[12]
The Raspberry Pi as a Stratum-1 NTP Server ^[13]
How to Setup a GPS PPS NTP Time server on Raspberry Pi ^[14]
Основы GPS навигации на Raspberry Pi ^[15]
UART configuration ^[16]

^[17]

Автор: oldadmin

Источник ^[18]

Сайт-источник PVSM.RU: https://www.pvsm.ru

Путь до страницы источника: https://www.pvsm.ru/diy/354755

Ссылки в тексте:

[1] предыдущей статье: https://habr.com/en/company/ruvds/blog/507860/

[2] моделей: https://www.sparkfun.com/datasheets/GPS/Lassen%20iQ_Reference%20Manual.pdf

[3] найти: https://gpsd.gitlab.io/gpsd/hardware.html

[4] такой: https://bit.ly/2ZfTfPj

[5] Kernel PPS: https://gpsd.gitlab.io/gpsd/gpsd-time-service-howto.html#RFC-2783

[6] мало: https://bit.ly/2VsDMdy

[7] по ссылке: https://www.raspberrypi.org/downloads/raspberry-pi-os/

[8] писали: https://habr.com/en/post/488120/

[9] порт Debian Linux: https://www.debian.org/ports/arm/

[10] дистрибутив: https://ubuntu.com/download/raspberry-pi

[11] Настройте: https://habr.com/en/post/315960/

[12] GPSD Time Service HOWTO: https://gpsd.gitlab.io/gpsd/gpsd-time-service-howto.html

[13] The Raspberry Pi as a Stratum-1 NTP Server: https://www.satsignal.eu/ntp/Raspberry-Pi-NTP.html

[14] How to Setup a GPS PPS NTP Time server on Raspberry Pi: https://www.slsmk.com/how-to-setup-a-gps-pps-ntp-time-server-on-raspberry-pi/

[15] Основы GPS навигации на Raspberry Pi: https://raspberrypi.ru/515-osnovy-gps-navigatsii-na-raspberry-pi

[16] UART configuration: https://www.raspberrypi.org/documentation/configuration/uart.md

[17] Image: http://ruvds.com/ru-rub?utm_source=habr&utm_medium=article&utm_campaign=mika&utm_content=raspberrypistratum#order

[18] Источник: https://habr.com/ru/post/509890/?utm_source=habrahabr&utm_medium=rss&utm_campaign=509890

Нажмите здесь для печати.