PTP網絡時間同步服務器助力廣電行業-京準電鐘

PTP網絡時間同步服務器助力廣電行業-京準電鐘

本項目在總臺中心機房部署20套高精度授時設備，每套授時設備獨立安裝北斗衛星天線用于接收北斗衛星信號，同時每套設備可以通過廣電光纖連接國家授時中心授時設備。總臺中心機房的授時設備時間基準源配置為國家授時中心優先，當無法連接國家授時中心設備時總臺中心機房高精度授時設備自動切換為北斗時間信號作為基準，以實現高精度授時設備的時間同步和授時服務，確保時間源的可選擇性，規避單點時間源故障。市臺授時分機房部署5臺高精度授時設備，市臺授時分機房授時設備通過光纖專網獲取和同步總臺中心機房高精度授時設備的時間頻率信息。終端設備通過1PPS、EBU、NTP、DCLS、RS232、RS422等協議實現廣電系統的時間同步。

在總臺中心機房和每個市臺授時分機房均需要部署2臺或以上監控設備，用于檢測管理各機房內部的高精度授時設備和應用終端，在監控設備上部署監控管理軟件，該軟件支持過程監管功能，同時負責監測下級授時服務狀態。通過監控設備可以獲取授時設備和終端的運行狀態，包括但不限于北斗衛星經度、緯度、高度、鎖定衛星顆數、主機信息、CPU使用率、內存使用情況、網絡IP地址、NTP授時狀態、時間偏差等數據。軟件也需要支持支持SNMP、SYSLOG、EMAIL等網絡協議，滿足網絡管理系統接口標準。通過標準協議實現總體監控平臺的對接，在故障或異常情況出現時發送告警信息。該系統建成后可以通過網絡時間協議實現系統內辦公設備、服堡壘機、防火墻、虛擬化集群、容災備份系統、存儲服務器及其他終端的時間同步，確保系統的時間準確、穩定和可靠性。

本方案符合冗余架構模型，市臺授時設備通過廣電專用光纖鏈路同步總臺中心機房的時間頻率信號，總臺機房授時設備提供不少于2路時鐘信號為市臺授時設備提供授時服務，依靠市臺授時設備算法自動切換選擇總臺授時設備，當總臺某授時設備出現異常或故障時，不影響市臺授時設備的運行和時間頻率準確度。該方案模型可以規避單點故障同時也確保整個授時系統的穩定、準確與可靠性。

1.1.1.1.指標描述

(1) 系統擴展性：使用北斗時間參考源為一級網絡時間服務器，可選配格洛納斯衛星接收機作為授時時間源；可選配支持時鐘信號輸出擴展，可輸出10M、E1、1PPS、B碼等時鐘信號；可選配恒溫晶振或銣原子鐘作為守時部件，支持獨立時間守時功能；設備可配置為二級時間服務器。

(2) 硬件穩定可靠：選取高穩定的工業級服務器主板，MTBF可達80000小時；支持多路相互獨立的10/100/1000M 以太網端口。

(3) 軟件高效可靠：采用高效嵌入式Linux操作系統，授時精度高，PPS精度100ns，服務器授時精度優于3us；提供Windows NTP軟件進行精確同步。

(4) 顯示屏內容豐富：液晶信息豐富，可顯示衛星、網絡、系統等狀態信息；通過LED狀態指示燈顯示服務器工作狀態。

(5) 網絡安全配置：支持Bonding功能，通過該功能輕松實現網卡冗余備份和負載均衡；支持iptables包過濾配置功能。

(6) 系統管理方便：支持Telnet、SSH遠程配置管理；提供直觀的NTP時間網絡監控軟件，可監控服務器衛星和同步信息，通過syslog、Email等方式發送異常事件信息。

1.1.1.2.接口描述

(1) 前后面板

前面板參考

前面板接口：PTP、控制口（PTP控制系統，擴展功能）、液晶顯示屏、狀態指示等、系統開關。

第一行：參考、IRIG-B、B(DC)、S1、10MHz、1PPS、E1、S2、S2、串口、VGA、綠段子、串口、VGA、電源輸入接口。

第二行：NTP系統（控制口、2路USB、ETH0~ETH5網口）、風扇、NTP系統（其中光口1/ETH6與光口2/ETH7為10G光口）。

(2) 顯示屏和指示燈

基準：北斗、國家授時中心

層次：NTP授時層次

NTP：OK表示正常，ERR表示授時異常

系統：系統版本

衛星：表示衛星顆數

經度：衛星定位經度信息

緯度：衛星定位緯度信息

高度：衛星定位高度信息

REF：設備鎖定衛星亮，設備失鎖衛星熄滅

PWR：電源燈，供電亮

TIM：當設備NTP服務具備授時功能時亮

ALM：當設備衛星失鎖或NTP授時異常時亮

(3) 輸入接口

參考：天線輸入，BNC，1路，BD2B1，輸出5V DC。

B碼：根據需求定義

電源輸入接口：220V±20% 47Hz～63Hz

(4) 輸出接口

10MHz輸出：1路，10MHz頻率信號輸出

1PPS輸出：1路，BNC接口、LVTTL電平、硬件秒脈沖信號輸出，50Ω，BNC接口；授時精度：<±30ns（RMS）；GPS/北斗接收機工作不正常時或進入內時鐘保持狀態時，不保證上述精度。

B（DC）、S1、E1、S2、S3、綠端子：DCLS，B碼授時接口

TOD接收機輸出接口：1路，TOD輸出，波特率9600，數據位8，停止位1，無流控；輸出語句：**RMC，**GGA。

VGA接口：1路，連接顯示器，配置NTP授時系統。

Console接口：1路，RJ-45串口，波特率115200，數據位8，停止位1，無流控，用于配置NTP授時系統。

USB接口：2路，備份、恢復、升級功能

ETH網絡接口：6路，RJ-45，10/100/1000M自適應以太網接口，提供NTP網絡授時

SFP+萬兆光口：2路，可選，SFP+，10G以太網接口，提供NTP網絡授時

1.1.1.3.組成原理

設備采用冗余架構設計，在內部單獨構建CPU和FPGA電路組成馴服系統，馴服系統接收北斗系統內各衛星的星歷數據和原子鐘頻標基準，經過延時補償、濾波和PID算法實現本地時鐘的同步和高精度保持功能。專業的數字硬件設計、高效Linux操作系統，具備多種可靠的時鐘信號輸出功能。產品設計支持NTP全版本協議、對稱MD5安全加密協議及非對稱RSA證書加密協議，客戶端時間同步精度優于2毫秒。同時支持串口NMEA0183輸出、1PPS、10MHz（RB/OCXO）信號輸出、本地和遠程日志記錄、綠端子干接點告警、USB端口升級、網絡數據上傳和下載等功能，配合全網統一的監控系統，實現實時監控服務器運行狀態、客戶端偏差狀態、客戶端同步狀態及告警功能。

1.1.2.總體性能指標

(1) 滿足廣電總局發布《有線廣播電視網實施細則》規定了“播出系統應統一時鐘，時鐘系統應符合相關規定”

(2) 采用國家規定的北斗衛星系統建立可靠穩定的時鐘源，一級網絡時間服務器、同時支持配置為二級服務器，支持參考源冗余、網口災備、雙機熱備等功能；支持心跳檢測，共享虛擬 IP 地址；

(3) 支持獲取國家授時中心時鐘源作為高精度授時設備時間基準；

(4) 支持NTP、SNTP標準協議，帶6個千兆電口、1路串口、2路USB、1路PPS、3路干接點報警、1路Console、1路VGA或HMDI；

(5) 支持MD5安全認證協議；支持證書加密協議；支持用戶身份鑒別、訪問權限控制能力；

(6) 內置高精度銣原子鐘守時模塊，守時精度應不大于1μs（衛星信號失鎖24h內），授時穩定度（24小時標準差）≤10ns；NTP同步精度：0.1-2ms（局域網典型值）；NTP請求量：14000次/秒（單網口）、授時客戶端數不少于10萬；支持10萬條日志記錄功能，可根據需求拓展儲存空間；與標準 UTC 時間偏差：<50ns；

(7) MTBF應不小于10000小時；

(8) 應具備抗干擾、防衛星欺騙功能；

(9) 內置運行管理軟件，可同時監控不低于10000臺客戶端的時間同步情況；管理員可以方便的監視NTP時間系統的工作狀態，并可以通過配置，提供告警消息通過Email、Syslog和SNMP自動發送。功能包括：全網內客戶端同步狀態統計、NTP服務器運行狀態監視、NTP客戶端訪問狀態監視、NTP網絡告警參數及消息發送設置、NTP網絡監控日志查詢等；支持Web和遠程登錄；

(10) 配置：設備主機（配置雙電源）、50米電纜室外衛星接收天線及安裝支架、服務器監控及客戶端同步軟件。

1.2. 工藝系統的設計方案和可行性

1.2.1.方案可行性

本方案符合冗余架構模型，市臺授時設備通過廣電專用光纖鏈路同步總臺中心機房的時間頻率信號，總臺機房授時設備提供不少于2路時鐘信號為市臺授時設備提供授時服務，依靠市臺授時設備算法自動切換選擇總臺授時設備，當總臺某授時設備出現異常或故障時，不影響市臺授時設備的運行和時間頻率準確度。該方案模型可以規避單點故障同時也確保整個授時系統的穩定、準確與可靠性。

1.2.2.工程實施可行性

根據《有線廣播電視網實施細則》播出系統應統一時鐘，時鐘系統應符合相關規定，整個授時系統有時鐘源、主中心、分中心和終端組成，優先選用北斗衛星信號和國家授時中心作為時間參考源，遵循時間協議進行全網設備時間同步。

時鐘源層以北斗衛星時間和國家授時中心信號作為授時體系的統一時間基準信號參考源，該層數據通過廣電專網為授時層提供準確的時間參考。

主中心高精度授時設備接收時鐘源層的時間基準信號實現內部頻率模塊的時鐘馴服和時間同步。該層授時服務器具備屬于“收時”、“守時”和“授時”功能；在分機房和時鐘源層起到承上啟下的作用。同時該層設備支持輸出標準時間同步協議給分機房提供高精度授時服務。

分機房高精度授時設備通過時間協議同步主中心高精度授時設備時間和頻率數據。分機房授時設備通過獲取多個主中心授時設備的時鐘信息，以提高服務層時間服務器的冗余性能，規避單點故障。

終端設備由廣電各個應用設備組成。用時設備通過時間同步協議向分機房發送時間同步請求，通過時間協議可以計算網絡鏈路延遲與時間服務設備的時間偏差，終端設備通過多次獲取時間偏差和濾波算法實現系統的時間同步。

1.2.3.指標可行性

北斗衛星導航系統是中國著眼于國家安全和經濟社會發展需要，自主建設運行的全球衛星導航系統，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務的國家重要時空基礎設施。

北斗系統提供服務以來，已在交通運輸、農林漁業、水文監測、氣象測報、通信授時、電力調度、救災減災、公共安全等領域得到廣泛應用，服務國家重要基礎設施，產生了顯著的經濟效益和社會效益。基于北斗系統的導航服務已被電子商務、移動智能終端制造、位置服務等廠商采用，廣泛進入中國大眾消費、共享經濟和民生領域，應用的新模式、新業態、新經濟不斷涌現，深刻改變著人們的生產生活方式。

總臺中心機房的高精度授時設備通過獲取北斗授時系統內各衛星的星歷數據和原子鐘頻標基準，可以達到20ns~30ns(RMS)時間同步精度，也決定了時間同步的可靠來源，在北斗指標設計上擁有可靠的時間基準。

中國科學院國家授時中心（以下簡稱“國家授時中心”），前身是中國科學院陜西天文臺，成立于1966年，是我國唯一的專門、全面從事時間頻率基礎研究和應用研究的科研機構，承擔著我國國家標準時間（北京時間）的產生、保持和發播任務，建設和運行著的長短波授時系統是我國的第一批國家重大科技基礎設施，建成了國內唯一的天地一體星地綜合衛星導航授時試驗平臺，為我國國家時間頻率體系、衛星導航系統的建設和發展做出了重要貢獻。在國家具備絕對的權威性，保證了作為時間基準的可靠性。

綜上所述，北斗衛星系統和國家授時中心具備作為時間源的可靠參考，同時也保證了各個環節授時的準確性。