NTP授时服务器是如何让计算机时间同步的？
NTP授时服务器是如何让计算机时间同步的？
京准电子科技官微——ahjzsz
摘要：某机场指挥调度、离港系统、航显广播等多个重要信息系统之间的时钟同步，对机场的正常运营和安全起到了重要作用，该文简单介绍该系统在某机场的应用及实现。
某机场是某省的重要航空交通枢纽，是一个现代化的大型机场。机场内有离港系统、航显系统、广播系统、指挥调度系统、安检信息系统、楼宇自控系统、安防监控系统、停车场管理系统、呼叫中心系统等多个信息系统，这些系统通过接口互相连接协同工作，时间的一致性非常重要。通过建设时钟同步系统，将各系统的时钟进行统一校准，为各系统协同工作打下坚实基础。
1、时钟在机场的应用和时钟同步的必要性
将通信网上各种通信设备或计算机设备的时间信息(年月日时分秒)基于UTC（协调世界时）时间偏差限定在足够小的范围内（如100ms），这种同步过程叫做时间同步。
机场离港系统根据时间信号在指定时间开放和关闭值机；航显系统在指定时间显示航班信息；广播系统在预订时间播报各种提醒信息引导旅客；楼宇自控系统根据时间来控制灯光、空调的开放和关闭；指挥调度系统依靠准确的时间信息指挥机场各部门协同工作；安防监控系统中每个画面必须记录时间信息；停车场管理系统依靠准确的时间收取停车费用；呼叫中心根据时间信息指导旅客乘机；旅客和工作人员也需要准确的时间信息。
一套精确网络子母钟系统是机场的各个生产系统正常发挥作用的重要基础。
2、时钟同步系统的实现
2.1 功能简介
采用分布式结构，设置2台卫星网络母钟即NTP服务器，接收来自GPS的标准时间信号，将卫星标准时间信号通过网口NTP协议实时输送给各个系统，根据本机场内80台网络设备、100台计算机、四五百台办公PC、1000个网络摄像头我司推荐使用配置4路NTP网口分散提供精准的时间给各个设备服务，设置15台网络数字子钟为进/出港旅客和机场工作人员提供统一的标准时间，同时协调机场航站楼各业务和各生产运行部门提供统一的时间信号，使各机电系统的设备与时钟系统同步，达到整个机场所有设备时钟精准实时同步。
2.2 时钟系统组成
时钟系统主要由GPS接收装置、中心网络母钟、网络子钟、传输通道和管理控制计算机组成。
2.2.1 硬件组成示意图
图1为硬件组成示意图。
2.2.2 硬件详细说明
2.2.2.1 NTP（网络母钟）服务器
网络时间服务器接收GPS 标准时间信息，并将此标准时间信息发送给母钟。网络时间服务器能够通过以太网为联网计算机提供标准时间信息。
将GPS 天线安装妥当并将标准时间信号引入控制中心通信室后，接至网络时间服务器后部，打开电源开关，网络时间服务器开始工作，一段时间后，其前面板显示当地标准时间。
2.2.2.2 中心母钟
母钟作为整个时钟系统的基础主时钟，它能够接收来自网络时间服务器的标准时间信号，将自身的时间精度校准，并分配精确时间信号给各个子钟。由于母钟是整个时间系统的中枢部分，其工作的稳定性很大程度上决定了整个系统的可靠性，因此要充分考虑系统功能的实现与系统可靠性等综合因素，将其设计为主、付机配置的系统单元，并且主、付机之间可实现自动或手动切换。母钟通过标准的RS422 接口接收网络时间服务器发送的标准时间信号。网络时间服务器正常工作时，该信号将作为母钟的时间基准；网络时间服务器出现故障时，母钟将采用自身的高稳晶振做为时间基准。母钟通过标准的RS422 接口向所属子钟发送校准后的标准时间信号，同时可接收子钟回送的工作状态信息，并可将所控子钟的工作状态信息回送到监控终端，在监控计算机上显示。母钟通过标准的RS232 接口与监控计算机相连，以实现对时钟系统主要设备的监控，以及监控计算机的时间。
电源停电时，中心母钟在备用电源支持下仍可正常工作24小时。中心母钟能与GPS进行同步校时，保持同步。停电96小时以内，供电恢复时能自动追踪，与标准时间同步。
中心母钟能与GPS进行自动校时，保持同步。母钟同步误差≤10ms。停电96小时以内供电恢复时，能自动追踪到标准时间。
2.2.2.3 监控终端
在中心机房内设置时钟系统的控制管理终端（即监控计算机），监控界面采用全中文显示、下拉菜单模式，具有良好的人机对话界面，其优良的开放性和可扩充性便于显示子钟数量的更改，它通过标准的RS232接口与中心母钟相连，具有集中维护功能和自诊断功能，可进行故障管理、一般性能管理、配置管理及安全管理，其监控软件界面如图2所示。
监控终端包括监控计算机，其串行口经由直接电缆与中心母钟相连，具有自诊断功能，可进行故障管理、性能管理、配置管理及安全管理。
通过监控终端可以进行系统的配置，能够实时监测时钟系统主要设备运行状态，对系统的工作状态、故障状态进行显示，能够对全系统时钟进行点对点监控。其能够监控和显示内容包括：中心母钟、所有子钟的工作状态。系统出现故障时，监控软件能够进行报警，指示故障部位。
2.2.2.4 子钟
子钟通过标准的RS422 接口与中心母钟相连。在正常情况下，子钟接收中心母钟发送的标准时间信号，将自身精度校准，并可回送自身的工作状态信息；当接收不到标准时间信号时，子钟可以以自身的精度走时。候机楼所采用的子钟全为数字式子钟。
2.2.2.5世界钟
世界钟由位于不同时区的12个城市的时间组成，各个数字子钟接收母钟发送来的校时信号进行校时，与GPS时间同步。世界钟有独立的晶振，如果母钟出现故障，世界钟便独立工作。
世界钟具有手动校时和追时功能，世界时钟配有调整键盘、复位按钮和电源开关。
世界钟显示的城市名称为：某、东京、纽约、洛杉矶、巴黎、伦敦、柏林、莫斯科、悉尼、新加坡、开罗、新德里。
2.3 系统配置和功能调试
2.3.1 GPS的安装
天线模块必须安装在坚固而耐久的器壳内，。所有天线模块的电路和元件都装在一个密封的天线组件内。主要元器件有低剖面微带插拔天线，陶瓷射频滤波器（即预选器）和信号前置放大器。天线模块设计并调谐在能有效接收GPS卫星发送的L1波部分信号（标称频率为1575.42MHz）。一但接收到信号，信号将被放大后送入M12接收器。天线模块内的信号前置放大是可以通过M12接收器供给的外部电源实现的。天线模块直接从M12接收器的天线连接器获取标称为20MA电流的5伏直流电源。
天线模块的连接与安装：天线模块内有一个特殊设计的低剖面天线，它与M12接收器配合使用。天线接收的GPS信号在天线组合内进行放大，然后经电缆传至 M12接收器模块进行处理。天线安装在一个塑料盒内，以保护其不受恶劣环境的影响。
对电缆与连接器的要求：天线模块转发接收到的GPS信号和从接收器模块接收电源的功率（5Vdc，20mA）是通过同一条电缆的。建议使用RG－58同轴电缆连接天线模块和接收器模块。装在天线模块基板上的射频插座作为天线电路连接的接口。请注意，电缆上的功率损耗在频率为1575.42MHz（对GPS的L1波段）时不得超过6dB。为满足6dB损耗的要求，RG－58电缆的长度应限制在6米以内。天线模块与接收器模块之间的连接电缆两端必须使用直角超小型插入式连接器。请注意，RG-58电缆的内导线应该是绞合线。如果使用实心内导线，则要求安装者在天线基座内安装电缆进行弯曲时，必须保证内导线的工作状态要保持像绞合线一样良好。
天线的架设必须充分考虑当地的自然环境和电磁环境，架设场地的选择尤为重要。天线一般都是露天放置，冰凌日晒，风吹雨打，时间久了难免出现故障，严重时甚至收不到信号，所以卫星天线的维护工作也不可忽视。要使GPS的定位性能处于最佳状态，安装天线模块时，必须做到以下四点：
天线平面应与当地水平面一致；
天线必面对整个天空，以便可直视头顶所有可见的卫星。天线不论口径尺寸大小，都应尽可能架设在当地开阔空旷地最高处，避开山坡、树林、高层建筑物、铁塔、高压输电线等对天线波束的阻挡。天线主波束方向上应有足够的视界，天线正前方应有尽可能宽的视角。一般要求以天线基点为参考，对障碍物最高点所成的夹角小于3度；
天线的架设位置应避开风口，以减小天线的风载。在多雷雨地区，天线的架设位置应避开雷击多发地点，同时要采取多种避雷措施；
天线模块的维护：天线安装调试完成后，在接收某确定卫星的电视信号时，其方位角、俯仰角基本不动。为消除卫星漂移带来的影响，可以根据实际收测效果，定期或不定期对天线进行微调，以便之始终处于最佳接收状态。
为防止天线遭受雷击，天线上方应安装避雷针，在雷雨季节到来之前必须仔细检查避雷接地系统是否良好。
2.3.2 NTP服务器的安装
应安装在带有UPS供电系统的机房中，并和网络系统及中心母钟使用。服务器的网络接口连接交换机：使用两端都是RJ-45接头的网线，两个接头的做法采用国际标准EIA/TIA 568B，这样的网线称为平行电缆或者正序线，可以对NIC（网络接口适配器）和交换机或者集线器进行连接。
2.3.3 母钟的安装
应安装在带有UPS供电系统的机房中，并和NTP服务器通过网线连接，由于母钟会发出校时信号给各个子钟，因此需将母钟信号发射线与至各分弱电间网线相连，将校时信号送入各分弱电间的时钟配线架。
2.3.4 子钟的安装
安装在使用位置并通过网络连接到各分弱电间的时钟配线架。
2.3.5 网络时钟信息源的设置
设置NTP服务器的网络时钟信号IP地址及时钟信号传输协议（一般使用SNTP协议）。各信息系统可以使用Netime、Sntp等软件读取时钟服务器的时钟信息进行校时，实现时钟同步功能。
3、系统设备清单
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序号 |
名称型号 |
配置 |
数量 |
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1 |
GPS网络母钟 HR-901GB |
采用GPS+北斗卫星系统作为时间源输入，输出4路NTP/SNTP网络时间接口（RJ45）供数字子钟和计算机网络时间同步，时间精度达1-10ms，LCD液晶屏显示时间、日期和实时卫星颗数，30米GPS天线，19英寸标准1U机架式，天线支架等附件； |
2台 |
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2 |
数字网络子钟 HR-XS200 |
2.3寸数码管单面显示年月日星期/5寸数码管单面显示时分秒/电源模块/NTP网口自动校时/产品尺寸770*290*50mm（年月日星期必须数码管点亮效果才好） |
15台 |
4 总结
通过建设某时钟同步系统，使机场各系统间的联动更加顺畅、准确，最大限度地发挥了信息系统的作用。