非编网授时系统改造

李荣玮 邓智 杨钦 田业平 黄禹德 韩羽

广西广播电视台 广西南宁 530000

摘要：本文介绍了在不联网情况下，利用现有设备TVZ3100和RaspberryPi服务器完成为非编网服务器和工作站授时的技术方案、服务安装配置、物理接线和PYTHON代码实现。

关键词：非编网；GPS授时；NTP集群

前言

我台新闻非编网在建设时并没有配套授时设备，但经过了一段时间的运行维护，发现各个设备的系统时钟误差越来越大，导致许多服务器的日志记录对比核查比较麻烦。恰巧，机房内有两台供演播室倒计时钟授时的TVZ3100 GPS校时钟，于是，我们结合现实条件，对系统进行改造，用较小的成本完成了这个需求。

一、技术方案

技术方案如下图1所示，用RaspberryPi服务器来获取TVZ3100 GPS校时钟的RS232时钟信号输出，然后RaspberryPi服务器安装配置NTP服务，为非编网服务器、工作站等设备提供标准的NTP授时服务。

图1

二、系统安装

首先，我们采用Raspberry Pi服务器官方定制的操作系统镜像（2020-02-13-raspbian-buster-full.img）来完成系统安装，只需用工具balenaEtcher或win32diskimager把镜像烧入TF卡，然后把TF卡插入

Raspberry Pi服务器卡机即可按提示完成系统安装。

系统安装好后，我们需要完成VNC、WIFI、NTP服务、keepalived服务、UFW服务、串口重分配的安装配置。

三、VNC配置

VNC服务用于我们远程登录、维护系统，我们安装的最新版系统已默认安装了VNC服务，只需要开启即可。

1. 打开终端命令行，运行：sudo raspi-config

2. 如下图2、3、4所示，开启VNC服务即可。

图2

图3

图4

四、WiFi服务配置

配置WiFi服务同样也是为了方便我们登录、维护系统。配置好后，只要在服务器旁边打开手机热点，Raspberry Pi服务器会自动接入热点，然后我们可以通过热点手机上的VNC登录Raspberry Pi服务器了，非常方便。具体配置如下：

1. 打开/etc/wpa_supplicant/wpa_supplicant.conf

2. 增加一段配置：

network={

ssid="test"

psk="123245678"

key_mgmt=WPA-PSK

priority=1

}

其中，test为需要自动连接的手机热点的SSID，12345678为设计热点的密码，WPA-PSK为加密方式，priority=1是优先级。

五、NTP服务安装配置

NTP服务用于为非编网服务器和工作站提供标准的授时服务，具体安装、配置如下：

1. 打开终端命令行，输入以下命令安装NTP服务：

sudo apt-get install ntp

2. 修改/etc/ntp.conf如下：

driftfile /var/lib/ntp/drift

restrict default kod nomodify notarp nopeer noquery

restrict -6 default kod nomodify notarp nopeer noquery

restrict 192.168.50.0 mask 255.255.255.0 nomodify notrap

restrict 127.0.0.1

restrict ::1

server 127.127.1.0

fudge 127.127.1.0 stratum 2

3. 输入以下命令启动NTP服务

service ntpd start

4. 注意：NTP服务器配置、启动完毕后，需要等待5-10分钟才能与/etc/ntp.conf中配置的标准时间进行同步。

六、UFW服务配置

UFW是linux下的防火墙，配置简单方便，我们需要开启NTP服务、VNC服务、SSH服务的端口访问权限，禁止掉其他不用的端口访问权限，提高服务器的安全性，具体安装配置命令如下：

sudo apt-get install ufw

sudo ufw enable

sudo ufw default deny

sudo ufw allow 123

sudo ufw allow 5900

sudo ufw allow 22

以上命令的具体意思是：

1. 安装ufw防火墙；

2. 开启ufw防火墙；

3. 默认禁止所有访问；

4. 允许外部访问本机端口123（NTP服务）

5. 运行外部访问本机端口5900（VNC服务）

6. 运行外部访问本机端口22（ssh服务）

七、串口重分配

Raspberry Pi服务器的串口默认被其他设备占用，我们需要重新配置释放之后才能使用它来进行串口通信。具体配置如下：

1. 修改配置文件 sudo nano /boot/config.txt注释掉最后一行 dtovrtlay=w1-gpio

2. 修改配置文件 sudo vim /boot/cmdline.txt 删掉console=serial0,115200 （可以先对文件备份，sudo cp /boot/cmdline.txt /boot/cmdline.txt.bak 方便以后对配置文档进行恢复 ）

3. 重启： sudo reboot

八、RS232物理连接

Raspberry Pi服务器没有现成的RS232接口，需要做线实现从GPIO接口到RS232接口的物理连接。Raspberry Pi服务器GPIO接口的针脚定义、标准的RS232针脚定义如图5、图6所示，TVZ3100卫星校时钟说明书中关于RS232输出的定义如图7所示。

图5

图6

图7

要实现双向串口通信，RS232和GPIO的对应针脚关系为：

RS232的2脚->GPIO的8脚

RS232的3脚-> GPIO的10脚

RS232的5脚->GPIO的6脚

而TVZ3100的说明书指出，TVZ3100是单向输出，不需要输入信号，所以，RS232的2脚->GPIO的8脚这一芯可以不用做。

九、PYTHON编程实现

完成物理连接后，我们就可以在PYTHON编程环境下，读取TVZ3100发送到授时信号，用来同步本机时间，再由NTP服务完成非编网服务器和工作站的授时需求。

具体代码如下：

import serial

import time

import datetime

import os

dc=1

#延时校正变量，根据服务器运行效率来设置，必须0<=dc<=5

while True:

ser = serial.Serial("/dev/ttyAMA0 ",4800,timeout=30)

#打开串口连接TVZ3100，波特率4800

while True:

while True:

if ser.read(1).hex() == "aa":

#检查信号同步字

break

print(datetime.datetime.now())

#本周期授时开始前，输出系统时间

dt1 = ser.read(8).hex()

#读取串口授时信号

if int(dt1[14:]) >= 15 :

continue

else:

dt2 =str(int(dt1[12:])-dc)

#校正时钟误差

setdate = 'sudo date -s "20' + dt1[2:8] + ' ' + dt1[10:12] + ':' + dt1[12:14] + ':' + dt2 + '"'

#拼接授时命令字符串

os.system(setdate)

#修改系统时钟

print(datetime.datetime.now())

#本周期授时完成后，输出系统时间

ser.close()

#关闭串口

time.sleep(600)

#延时600秒后，再循环获取授时信号

十、客户端配置

Windows系统的服务器和工作站只需要如下图8所示，填入NTP服务器的IP即可自动定期同步系统时钟；而linux系统的服务器则需要如前所述，安装NTP服务，把配置文件里的server 127.127.1.0的IP改成NTP服务器IP。

图8

需要注意到是，如果系统时钟误差太大（约16分钟左右），是无法通过NTP服务器来同步的，需要先手动调整时间到差不多，才能依赖NTP服务来自动校正。

十一、总结

广电业内非编网大多与互联网隔离，因此不能直接获取公网NTP服务器的授时服务。本文是基于现有设备和环境的一个较低成本的实现，相较于日常x86服务器万元以上的价格， 一台基于ARM芯片的RaspberryPi服务器仅需不到500元人民币，且功耗低、linux系统稳定性好。日后需求增多，还可以扩展为服务器集群，增强性能和健壮性；扩展各种传感器，增强运维功能等等，是我们在计算机系统运维工作中一种很不错的选择。

参考文献：

[1]龙波,张宇,黄徐瑞晗,王菊凤,韩锋.基于NTP协议的网络授时系统设计[J].计量与测试技术.2019-05-30.

[2]杨明.基于CentOS操作系统部署NTP服务 电子世界2018-12-08

[3]刘瑜.Python编程从零基础到项目实战[M].水利水电出版社.2018-10

[4]Raspberry Pi开发实战  Simon Monk[M].机械工业出版社出版.2015-04

[5]Python Programming with Raspberry Pi Sai Yamanoor Packt Publishing 2017-04-28