PTP网络时间同步服务器助力广电行业-京准电钟

PTP网络时间同步服务器助力广电行业-京准电钟

PTP网络时间同步服务器助力广电行业-京准电钟

本项目在总台中心机房部署20套高精度授时设备，每套授时设备独立安装北斗卫星天线用于接收北斗卫星信号，同时每套设备可以通过广电光纤连接国家授时中心授时设备。总台中心机房的授时设备时间基准源配置为国家授时中心优先，当无法连接国家授时中心设备时总台中心机房高精度授时设备自动切换为北斗时间信号作为基准，以实现高精度授时设备的时间同步和授时服务，确保时间源的可选择性，规避单点时间源故障。市台授时分机房部署5台高精度授时设备，市台授时分机房授时设备通过光纤专网获取和同步总台中心机房高精度授时设备的时间频率信息。终端设备通过1PPS、EBU、NTP、DCLS、RS232、RS422等协议实现广电系统的时间同步。

在总台中心机房和每个市台授时分机房均需要部署2台或以上监控设备，用于检测管理各机房内部的高精度授时设备和应用终端，在监控设备上部署监控管理软件，该软件支持过程监管功能，同时负责监测下级授时服务状态。通过监控设备可以获取授时设备和终端的运行状态，包括但不限于北斗卫星经度、纬度、高度、锁定卫星颗数、主机信息、CPU使用率、内存使用情况、网络IP地址、NTP授时状态、时间偏差等数据。软件也需要支持支持SNMP、SYSLOG、EMAIL等网络协议，满足网络管理系统接口标准。通过标准协议实现总体监控平台的对接，在故障或异常情况出现时发送告警信息。该系统建成后可以通过网络时间协议实现系统内办公设备、服堡垒机、防火墙、虚拟化集群、容灾备份系统、存储服务器及其他终端的时间同步，确保系统的时间准确、稳定和可靠性。

本方案符合冗余架构模型，市台授时设备通过广电专用光纤链路同步总台中心机房的时间频率信号，总台机房授时设备提供不少于2路时钟信号为市台授时设备提供授时服务，依靠市台授时设备算法自动切换选择总台授时设备，当总台某授时设备出现异常或故障时，不影响市台授时设备的运行和时间频率准确度。该方案模型可以规避单点故障同时也确保整个授时系统的稳定、准确与可靠性。

1.1.1.1.指标描述

(1) 系统扩展性：使用北斗时间参考源为一级网络时间服务器，可选配格洛纳斯卫星接收机作为授时时间源；可选配支持时钟信号输出扩展，可输出10M、E1、1PPS、B码等时钟信号；可选配恒温晶振或铷原子钟作为守时部件，支持独立时间守时功能；设备可配置为二级时间服务器。

(2) 硬件稳定可靠：选取高稳定的工业级服务器主板，MTBF可达80000小时；支持多路相互独立的10/100/1000M 以太网端口。

(3) 软件高效可靠：采用高效嵌入式Linux操作系统，授时精度高，PPS精度100ns，服务器授时精度优于3us；提供Windows NTP软件进行精确同步。

(4) 显示屏内容丰富：液晶信息丰富，可显示卫星、网络、系统等状态信息；通过LED状态指示灯显示服务器工作状态。

(5) 网络安全配置：支持Bonding功能，通过该功能轻松实现网卡冗余备份和负载均衡；支持iptables包过滤配置功能。

(6) 系统管理方便：支持Telnet、SSH远程配置管理；提供直观的NTP时间网络监控软件，可监控服务器卫星和同步信息，通过syslog、Email等方式发送异常事件信息。

1.1.1.2.接口描述

(1) 前后面板

前面板参考

前面板接口：PTP、控制口（PTP控制系统，扩展功能）、液晶显示屏、状态指示等、系统开关。

第一行：参考、IRIG-B、B(DC)、S1、10MHz、1PPS、E1、S2、S2、串口、VGA、绿段子、串口、VGA、电源输入接口。

第二行：NTP系统（控制口、2路USB、ETH0~ETH5网口）、风扇、NTP系统（其中光口1/ETH6与光口2/ETH7为10G光口）。

(2) 显示屏和指示灯

基准：北斗、国家授时中心

层次：NTP授时层次

NTP：OK表示正常，ERR表示授时异常

系统：系统版本

卫星：表示卫星颗数

经度：卫星定位经度信息

纬度：卫星定位纬度信息

高度：卫星定位高度信息

REF：设备锁定卫星亮，设备失锁卫星熄灭

PWR：电源灯，供电亮

TIM：当设备NTP服务具备授时功能时亮

ALM：当设备卫星失锁或NTP授时异常时亮

(3) 输入接口

参考：天线输入，BNC，1路，BD2B1，输出5V DC。

B码：根据需求定义

电源输入接口：220V±20% 47Hz～63Hz

(4) 输出接口

10MHz输出：1路，10MHz频率信号输出

1PPS输出：1路，BNC接口、LVTTL电平、硬件秒脉冲信号输出，50Ω，BNC接口；授时精度：<±30ns（RMS）；GPS/北斗接收机工作不正常时或进入内时钟保持状态时，不保证上述精度。

B（DC）、S1、E1、S2、S3、绿端子：DCLS，B码授时接口

TOD接收机输出接口：1路，TOD输出，波特率9600，数据位8，停止位1，无流控；输出语句：**RMC，**GGA。

VGA接口：1路，连接显示器，配置NTP授时系统。

Console接口：1路，RJ-45串口，波特率115200，数据位8，停止位1，无流控，用于配置NTP授时系统。

USB接口：2路，备份、恢复、升级功能

ETH网络接口：6路，RJ-45，10/100/1000M自适应以太网接口，提供NTP网络授时

SFP+万兆光口：2路，可选，SFP+，10G以太网接口，提供NTP网络授时

1.1.1.3.组成原理

设备采用冗余架构设计，在内部单独构建CPU和FPGA电路组成驯服系统，驯服系统接收北斗系统内各卫星的星历数据和原子钟频标基准，经过延时补偿、滤波和PID算法实现本地时钟的同步和高精度保持功能。专业的数字硬件设计、高效Linux操作系统，具备多种可靠的时钟信号输出功能。产品设计支持NTP全版本协议、对称MD5安全加密协议及非对称RSA证书加密协议，客户端时间同步精度优于2毫秒。同时支持串口NMEA0183输出、1PPS、10MHz（RB/OCXO）信号输出、本地和远程日志记录、绿端子干接点告警、USB端口升级、网络数据上传和下载等功能，配合全网统一的监控系统，实现实时监控服务器运行状态、客户端偏差状态、客户端同步状态及告警功能。

1.1.2.总体性能指标

(1) 满足广电总局发布《有线广播电视网实施细则》规定了“播出系统应统一时钟，时钟系统应符合相关规定”

(2) 采用国家规定的北斗卫星系统建立可靠稳定的时钟源，一级网络时间服务器、同时支持配置为二级服务器，支持参考源冗余、网口灾备、双机热备等功能；支持心跳检测，共享虚拟 IP 地址；

(3) 支持获取国家授时中心时钟源作为高精度授时设备时间基准；

(4) 支持NTP、SNTP标准协议，带6个千兆电口、1路串口、2路USB、1路PPS、3路干接点报警、1路Console、1路VGA或HMDI；

(5) 支持MD5安全认证协议；支持证书加密协议；支持用户身份鉴别、访问权限控制能力；

(6) 内置高精度铷原子钟守时模块，守时精度应不大于1μs（卫星信号失锁24h内），授时稳定度（24小时标准差）≤10ns；NTP同步精度：0.1-2ms（局域网典型值）；NTP请求量：14000次/秒（单网口）、授时客户端数不少于10万；支持10万条日志记录功能，可根据需求拓展储存空间；与标准 UTC 时间偏差：<50ns；

(7) MTBF应不小于10000小时；

(8) 应具备抗干扰、防卫星欺骗功能；

(9) 内置运行管理软件，可同时监控不低于10000台客户端的时间同步情况；管理员可以方便的监视NTP时间系统的工作状态，并可以通过配置，提供告警消息通过Email、Syslog和SNMP自动发送。功能包括：全网内客户端同步状态统计、NTP服务器运行状态监视、NTP客户端访问状态监视、NTP网络告警参数及消息发送设置、NTP网络监控日志查询等；支持Web和远程登录；

(10) 配置：设备主机（配置双电源）、50米电缆室外卫星接收天线及安装支架、服务器监控及客户端同步软件。

1.2. 工艺系统的设计方案和可行性

1.2.1.方案可行性

本方案符合冗余架构模型，市台授时设备通过广电专用光纤链路同步总台中心机房的时间频率信号，总台机房授时设备提供不少于2路时钟信号为市台授时设备提供授时服务，依靠市台授时设备算法自动切换选择总台授时设备，当总台某授时设备出现异常或故障时，不影响市台授时设备的运行和时间频率准确度。该方案模型可以规避单点故障同时也确保整个授时系统的稳定、准确与可靠性。

1.2.2.工程实施可行性

根据《有线广播电视网实施细则》播出系统应统一时钟，时钟系统应符合相关规定，整个授时系统有时钟源、主中心、分中心和终端组成，优先选用北斗卫星信号和国家授时中心作为时间参考源，遵循时间协议进行全网设备时间同步。

时钟源层以北斗卫星时间和国家授时中心信号作为授时体系的统一时间基准信号参考源，该层数据通过广电专网为授时层提供准确的时间参考。

主中心高精度授时设备接收时钟源层的时间基准信号实现内部频率模块的时钟驯服和时间同步。该层授时服务器具备属于“收时”、“守时”和“授时”功能；在分机房和时钟源层起到承上启下的作用。同时该层设备支持输出标准时间同步协议给分机房提供高精度授时服务。

分机房高精度授时设备通过时间协议同步主中心高精度授时设备时间和频率数据。分机房授时设备通过获取多个主中心授时设备的时钟信息，以提高服务层时间服务器的冗余性能，规避单点故障。

终端设备由广电各个应用设备组成。用时设备通过时间同步协议向分机房发送时间同步请求，通过时间协议可以计算网络链路延迟与时间服务设备的时间偏差，终端设备通过多次获取时间偏差和滤波算法实现系统的时间同步。

1.2.3.指标可行性

北斗卫星导航系统是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设运行的全球卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要时空基础设施。

北斗系统提供服务以来，已在交通运输、农林渔业、水文监测、气象测报、通信授时、电力调度、救灾减灾、公共安全等领域得到广泛应用，服务国家重要基础设施，产生了显著的经济效益和社会效益。基于北斗系统的导航服务已被电子商务、移动智能终端制造、位置服务等厂商采用，广泛进入中国大众消费、共享经济和民生领域，应用的新模式、新业态、新经济不断涌现，深刻改变着人们的生产生活方式。

总台中心机房的高精度授时设备通过获取北斗授时系统内各卫星的星历数据和原子钟频标基准，可以达到20ns~30ns(RMS)时间同步精度，也决定了时间同步的可靠来源，在北斗指标设计上拥有可靠的时间基准。

中国科学院国家授时中心（以下简称“国家授时中心”），前身是中国科学院陕西天文台，成立于1966年，是我国唯一的专门、全面从事时间频率基础研究和应用研究的科研机构，承担着我国国家标准时间（北京时间）的产生、保持和发播任务，建设和运行着的长短波授时系统是我国的第一批国家重大科技基础设施，建成了国内唯一的天地一体星地综合卫星导航授时试验平台，为我国国家时间频率体系、卫星导航系统的建设和发展做出了重要贡献。在国家具备绝对的权威性，保证了作为时间基准的可靠性。

综上所述，北斗卫星系统和国家授时中心具备作为时间源的可靠参考，同时也保证了各个环节授时的准确性。