Synchronizace času pro experimentální účely

Přesná synchronizace času je častým problémem při současném měření na více místech. Pro je tomuto problému na MLABu věnován zatím nedokončený článek O synchronizaci času.

Přijímače byly připojené k počítači přes moduly USB23R01B nebo RS232SINGLE01A.

$ ntpq -p
   remote           refid      st t when poll reach   delay   offset  jitter
==============================================================================
xSHM(0)          .GPS.            0 l    3   16  377    0.000  664.159   2.380
 SHM(1)          .PPS.            0 l   5h   16    0    0.000   21.310   0.000
+ntp1.karneval.c 147.231.19.43    2 u  314 1024  357  148.395  -70.723  72.872
+server.janbosko 147.231.19.43    2 u  427 1024  377   99.940   13.332 150.047
*sip1.rsaf.cz    147.231.19.43    2 u 1027 1024  377   28.626    1.211  55.678
+scotland0.netco 217.31.205.226   3 u 1188 1024  376   34.541   13.851 123.263
+europium.canoni 193.79.237.14    2 u  595 1024  377   52.950   -7.180 119.333

ntpq -p 
   remote           refid      st t when poll reach   delay   offset  jitter
==============================================================================
xSHM(0)          .GPS.            0 l    9   16  377    0.000  414.503   1.231
*SHM(1)          .PPS.            0 l   10   16  377    0.000    0.022   0.019
+sip1.rsaf.cz    147.231.19.43    2 u   32   64  367   20.919    1.124  21.045
-kox-1.avn.cz    147.231.19.43    2 u   30   64  377   11.739   -8.069  13.864
+bobek.sh.cvut.c 195.113.144.201  2 u   34   64  377   12.620    1.158  11.639
-lama.svinov.net 195.113.144.201  2 u   57   64  377   11.558    1.964   7.812
-europium.canoni 193.79.237.14    2 u   37   64  377   33.065   -1.901  11.276

Na výsledcích obou měření využívajících k připojení GPS modulu emulované rozhraní RS232 není přesnost synchronizace lepší než cca 1 ms. To je způsobeno vlastnostmi sběrnice USB, která má 1ms, jako základní časový interval.

Modul byl osazen čipem LEA-6S a připojen na sériovou RS232 linku počítače modulem RS232SINGLE01A. Připojení na reálné rozhraní RS232 umožňuje podstatně zvýšit přesnost synchronizace až na stovky nanosekund.

Připojení GPS01A se provede seriovým modulem RS232SINGLE01A tak, že se moduly navzájem propojí podle následující tabulky:

Ke správné funkci je pak ještě třeba mít oba moduly napájené z +3.3V a na modulu RS232SINGLE01A propojený prostřední pin J5 připojit na DCD. Modul RS232SINGLE01A se následně připojí k počítači prokříženým, tzv. Null modem kabelem.

Při pořizování kabelu mezi modulem RS232SINGLE01A a počítačem je dobré se přesvědčít, zda kabel obsahuje skutečně všechny vodiče, neboť ňekteří výrobci šetří a kabelem provedou pouze signály TXD, RXD a GND. Signál DCD pak chybí a synchronizace nefunguje..

U moderních počítačů je sériový port ve většině případů vyvedený na konektor na základní desce, ale není vyveden ven (podobně, jako některé USB porty). Existuje však tato vývodka, kterou lze z konektoru na základní desce udělat standardní RS232 DB9 konektor:

Lze jí pořídit například ve-shopu CZC.

Pro časovou synchronizaci přes 1PPS potřebujeme v linuxu dva programy, které si budou navzájem přeposílat časová data.

gpsd je daemon obecně určený pro komunikaci s gps přijímači.

V Ubuntu jej nainstalujeme jednoduše z repozitáře:

sudo apt-get install gpsd gpsd-clients

Základní konfigurace ovšem není pro účely synchronizace času příliš vhodná, proto je potřeba daemona znovu nakonfigurovat.

sudo dpkg-reconfigure gpsd 

Start gpsd automatically on boot? Yes
Device the GPS receiver is attached to: /dev/ttyS0
Should gpsd handle attached USB GPS receivers automatically? No
Options to gpsd: -n

apt-get install ntp

Do jeho konfiguračního souboru pak přidáme jako časový zdroj lokální socket od gpsd. A deamon restartujeme.

server 127.127.28.0 minpoll 4
fudge 127.127.28.0 time1 0.100 refid NMEA
server 127.127.28.1 minpoll 4 prefer
fudge 127.127.28.1 refid PPS

Na základě výše uvedené konfigurace by jsme ve výpisu měli vidět dva nové časové zdroje SHM(0) a SHM(1).

kaklik@Radio:~$ ntpq -p
     remote           refid      st t when poll reach   delay   offset  jitter
==============================================================================
-sip1.rsaf.cz    81.27.192.20     3 u   32   64  377   14.882   -0.738   5.407
xntp1.karneval.c 195.113.144.201  2 u   27   64  377  119.367  -56.776   5.241
-srv2.trusted.cz 195.113.144.201  2 u   33   64  377    7.044   -0.012   7.680
+pyrrha.fi.muni. 195.113.144.238  2 u   27   64  377   12.338   -0.344   4.700
+SHM(0)          .NMEA.           0 l   11   16  377    0.000  -40.963   5.879
*SHM(1)          .PPS.            0 l    8   16  377    0.000   -0.015   0.002
-golem.canonical 193.79.237.14    2 u   47   64  377   34.770   -0.054   7.340
kaklik@Radio:~$ ntptime

Po několika hodinách synchronizace se daemon ntp dostává do saturace svého rozlišení a přesnost hodin je udržována na 1-2 us.

kaklik@Radio:~$ ntptime
ntp_gettime() returns code 0 (OK)
  time d5b7c760.46d43cec  Thu, Aug 15 2013 23:32:16.276, (.276676529),
  maximum error 2740 us, estimated error 2 us, TAI offset 0
ntp_adjtime() returns code 0 (OK)
  modes 0x0 (),
  offset -5.915 us, frequency -85.833 ppm, interval 1 s,
  maximum error 2740 us, estimated error 2 us,
  status 0x2001 (PLL,NANO),
  time constant 4, precision 0.001 us, tolerance 500 ppm,
kaklik@Radio:~$

Pokud by jsme nyní chtěli ještě lepší časovou přesnost, tak musíme místo ntpd použít jiný program chrony.

Chrony je správce hodin pracující s vyšším časovým rozlišením než ntp. Jeho základní jednotkou jsou ns, což umožňuje daemonu dosáhnout lepších parametrů, než ntpd. Nevýhodou je, že není příliš přizpůsoben pro jiné časové zdroje než GPS a má omezené možnosti distribuce hodin po síti.

sudo apt-get install chrony

Systém automaticky oddinstaluje případnou předchozí instalaci ntpd. Chrony má dvě možnosti, jak získat časovací značky z gpsd. První je identická s metodou, kterou používá i ntpd a využívá interní časové servery, které vytvoří gpsd pro jejich použití stačí v /etc/chrony/chrony.conf nastavit:

# delay 0.0 is right, but use 0.2 to avoid NMEA
# time fighting with PPS time
refclock SHM 0 offset 0.0 delay 0.2
refclock SHM 1 offset 0.0 delay 0.0

Tato metoda však není příliš přesná, neboť využívá ještě transportní vrstvy jádra. Nicméně je nejčastěji používanou metodou v kombinaci Chrony a gpsd. Lepší však je použít komunikací přes socket, který chrony vytváří a gpsd do něj může zapisovat. Ten to způsob se zapne následujícím parametrem.

refclock SOCK  /var/run/chrony.ttyS0.sock

Aby se projevily změny provedené v konfiguračním souboru chrony, je potřeba po úpravách daemona restartovat.

kaklik@radio-meteor:~$ sudo /etc/init.d/chrony restart
Restarting time daemon: Starting /usr/sbin/chronyd...
chronyd is running and online.
kaklik@radio-meteor:~$ 

Předchozí metodu používající prostředek SHM je pak vhodné zakomentovat, nebo smazat, aby chrony neměl problém s rozhodnutím o věrohodnosti zdrojů času. Při používání tohoto způsobu synchronizace je důležité si uvědomit, že socket vytváří chrony a gpsd se do něj připojuje při svém startu, je tedy nutné, aby chrony byl spuštěn dříve, než gpsd. To lze zařídit přenastavením priorit spouštěcích skriptů přidáním následujícího řádku do hlavičky souboru /etc/init.d/chrony

# X-Start-Before:    gpsd  

A následným spuštěním aktualizace linků na spouštěcí skripty:

sudo update-rc.d -f chrony  remove
sudo update-rc.d  chrony defaults

konfigurace daemona gpsd je stejná jako v případě ntp. Průběh synchronizace lze pak sledovat následovně:

kaklik@Radio:~$ chronyc sources
210 Number of sources = 7
MS Name/IP address           Stratum Poll LastRx Last sample
============================================================================
^~ ntp.ipv4.cz                   2    8     72  -5305us[-5306us] +/-   46ms
^~ vpn.ipv4.cz                   2   10    326  -5184us[-5175us] +/-   43ms
^~ bobek.sh.cvut.cz              2   10    562    -34us[ +440us] +/-   33ms
^~ kamelot3.dkm.cz               2   10    307    +63ms[  +63ms] +/-  110ms
#x SHM0                          0    4     19   +133ms[ +133ms] +/-  100ms
#* SHM1                          0    4     19   +286ns[ +388ns] +/-  495ns
kaklik@Radio:~$ 

V případě použítí synchronizace času přes socket z gpsd je přesnost přibližně dvakrát lepší. Hlavní výhodou této metody ale především je větší stabilita synchronizace, neboť v případě synchronizování přes SHM0/SHM1 má daemon problém s rozhodnutím o přesnosti jednotlivých časových zdrojů. Jak je vidět v předchozím případě, kde časovací zdroj SHM0 odpovídající NMEA výstupu je označen křížkem „x“ který znamená, že chrony jej neuznává jako věrohodný časovací zdroj.

kaklik@radio-meteor:~$ chronyc sourcesstats
210 Number of sources = 5
MS Name/IP address           Stratum Poll LastRx Last sample
============================================================================
^? lx.ujf.cas.cz                 2   10    619  -6779us[-6794us] +/-   32ms
^? ntp.ipv4.cz                   2    8    125    -27ms[  -27ms] +/-   67ms
^? kamelot3.dkm.cz               2   10    877    -21ms[  -21ms] +/-   66ms
^? smtp.martinpoljak.net         3   10    127  -6224us[-6221us] +/-   20ms
#* SOCK                          0    4      9   -599ns[-1309ns] +/-  207ns
kaklik@radio-meteor:~$ 

Vysvětlivky k parametrům lze zapnout parametrem -v.

Dalšího zpřesnění by bylo pravděpodobně možné dosáhnout použitím speciálního modulu v jádře viz LinuxPPS.

Instalace:

sudo apt-get install ptpd

Spuštění na master počítači

sudo ptpd -c -h -d -b eth0
state: 2013-08-17 18:24:51:129295, mst (ID:000c6efffe53a5d2) 

Spuštění na klientovi:

kaklik@radio-meteor:~$ sudo ptpd -c -h -d -b eth0 -D
sudo: unable to resolve host radio-meteor
[sudo] password for kaklik: 
timestamp, state, clock ID, one way delay, offset from master, slave to master, master to slave, drift
2013-08-17 21:42:40:702872, init
2013-08-17 21:42:40:703484, lstn
2013-08-17 21:12:07:129459, slv, 000c6efffe53a5d2/01, 0.000091748, 0.000006752, 0.000089000, 0.000101000, -49228
2013-08-17 21:12:08:129479, slv, 000c6efffe53a5d2/01, 0.000091748, 0.000001752, 0.000089000, 0.000086000, -49227
2013-08-17 21:12:09:129447, slv, 000c6efffe53a5d2/01, 0.000091748, -0.000003748, 0.000089000, 0.000090000, -49230
2013-08-17 21:12:10:129432, slv, 000c6efffe53a5d2/01, 0.000091748, -0.000003248, 0.000089000, 0.000087000, -49233

• GPS01A
• GP201A
• USB23R01B
• RS232SINGLE01A.

• Nahradit monitorovací program některým open-source nástrojem.

• http://www.rjsystems.nl/en/2100-ntpd-garmin-gps-18-lvc-gpsd.php
• http://gpsd.berlios.de/gpsd.html