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自建基于 GPS 的 NTP 服务端

NTP 是什么

NTP(Network Time Protocol)是目前使用最广泛的互联网时间同步协议。我们常用的 Windows、macOS、Linux 等都自带了 NTP 客户端,可以连接远程服务器获取当前的时间。例如,Windows 的 Internet 时间同步功能就是基于 NTP:

Windows Internet 时间同步

(图片来自网络)

Windows 默认会连接到 time.windows.com 这台由微软维护的 NTP 服务器同步时间。但是,默认的这台服务器在国内并不好用。这台服务器位于美国,到国内的延迟很大并且容易波动,因此 NTP 客户端也很难得出准确的时间。

那么中国大陆有没有 NTP 服务器呢?有,但是不多:

  • cn.pool.ntp.org
    • www.pool.ntp.org 维护的 NTP 服务器池项目,所有服务器由志愿者提供,在各个地区通过 DNS 负载均衡到不同的服务器上。
    • 现在(2019 年 9 月 16 日)共有 63 台服务器位于 CN 池内(但不是所有的服务器都在国内)
    • 可以通过 0.cn.pool.ntp.org1.cn.pool.ntp.org 等方式获得更多的服务器
  • cn.ntp.org.cn
    • V2EX 网友 qiuai 维护的 NTP 服务器池,似乎部分服务器是自行维护的,部分是志愿者提供
    • 目前网站 www.ntp.org.cn 正在备案,但 NTP 仍然可用
  • ntp.ntsc.ac.cn
    • 中科院国家授时中心的 NTP 服务器
  • ntp[1-7].aliyun.com
    • 阿里云的 NTP 服务器,共有 7 台服务器
    • 之前的域名是 time.pool.aliyun.com 以及 time[1-7].aliyun.com,似乎现在还可以使用
  • time[1-5].cloud.tencent.com
    • 腾讯云的 NTP 服务器,共有 5 台服务器

自建 NTP 服务器的用途

  1. 特殊环境对时间精度有极高要求:
    • 金融(高频交易?)
    • 航空航天
    • 科研
    • 跨地区数据同步
  2. 保证时间服务的可用性:
    • 比起依赖志愿者的 NTP 服务器,自建更加可靠
    • 避免单台服务器由于故障、受攻击等下线
    • 在互联网中断时仍然可以保持各设备时间同步
  3. 这很有趣,不是吗?

需要的设备、材料

  • 一台运行 Linux 系统的电脑,要求带有串口
    • 树莓派就是个不错的选择,如果你只是为了 NTP 服务器,树莓派 0 就不错(淘宝上大概 60 块钱一个)
    • 或者一台台式电脑,加上一个 USB 转串口模块(淘宝上 5 块钱一个,关键词 CH340)
    • 我是连接 Tinker Board 使用,但为了配置 GPS 模块(非必须)也用到了串口模块,是下图这个

CH340 USB 转串口模块

  • 一个 GPS 模块
    • 如果你在大概 10 年前用过当时的智能手机(诺基亚塞班系统)或者导航仪(Windows CE)进行导航,你可能会有一个 USB 或者蓝牙的 GPS 接收器,你可以直接拿来用
    • 如果没有,那就淘宝搜索 ATGM336H(GPS/北斗/GLONASS 三模模块,大概 30 块钱一个)
      • 我用的就是这个,目前(2019 年 9 月 16 日)淘宝上能找到的最便宜的三模 GPS 模块
      • 部分商家会标成 GPS/北斗 双模模块,但如果需要的话 GLONASS 可以通过配置软件自行打开
      • 我买的是下图这个

ATGM336H 模块

  • 一根带较高增益的有源 GPS 天线
    • 如果你家住楼顶,或者准备把 GPS 模块放阳台等无遮挡处,可以不需要
    • 如果你家不在楼顶,并且你准备把模块放在窗边甚至室内,强烈建议购买一根天线,否则会很难搜到星
    • 需要的是看起来比较大个的天线,不是某些模块附送的迷你陶瓷天线,那种天线没什么用
    • 天线淘宝上大概 10 块钱一根,我买的是下图这个

GPS 天线

  • 一些母对母杜邦线,用于连接 GPS 模块与电脑
    • 淘宝上几块钱就能买一大堆

GPS 模块安装及配置

第一步是把 GPS 的串口连接上。ATGM336H 模块的电压是 3.3V,因此可以直接连接 Tinker Board:

  • 模块 VCC 连接 17 针 3.3V 供电
  • 模块 GND 连接 20 针地线
  • 模块 RX 连接 8 针串口 1 的 TX
  • 模块 TX 连接 10 针串口 1 的 RX
  • 模块 PPS 连接 22 针

Tinker Board 针脚图

然后登录 Tinker Board 开始安装软件,我用的是 Armbian 系统。

首先运行 armbian-config,在 System - Hardware 中开启 uart 开头的所有选项(所有串口),然后重启。

然后安装 gpsd,负责接收 GPS 模块的定位信息

apt-get install gpsd gpsd-clients

然后编辑 /etc/default/gpsd,按如下所示修改配置:

START_DAEMON="true"
USBAUTO="false"
DEVICES="/dev/ttyS1"
GPSD_OPTIONS="-n -b"

上述配置启用了 gpsd,指定了 GPS 所在的串口(ttyS1),让 gpsd 一启动就立即开始定位,并且禁止 gpsd 修改模块设置。

启动 gpsd:

systemctl enable gpsd
systemctl start gpsd

然后运行 cgps,可以看到位置与搜星情况:

GPS 搜星情况

NTP 服务器配置

首先禁用 systemd-timesyncd,系统自带的功能比较简单的 NTP 客户端:

systemctl disable systemd-timesyncd
systemctl stop systemd-timesyncd

然后安装全功能的 ntp 服务端:

apt-get install ntp

/etc/ntp.conf 中添加 GPS 相关的配置:

# GPS Serial data reference
server 127.127.28.0 minpoll 4 maxpoll 4
fudge 127.127.28.0 time1 0.0 refid GPS

最后启动 NTP 服务端:

systemctl enable ntp
systemctl start ntp

运行 ntpq -pn 查看状态:

NTP 状态

还需改进的地方

  1. 没有利用上高精度的 PPS 信号
    • Tinker Board 的 Armbian 内核没有 PPS 对应的配置,
    • 需要重新编译内核,或者用用户态的程序处理

更新:以上问题已经在后续文章中解决,点击链接进入:https://lantian.pub/article/modify-website/diy-ntp-pps-on-tinker-board.lantian