Servidor de hora Stratum 1 (NTP con GPS) — NOC Fratec

Servidor de hora propio con GPS que da estrato 1 real (± cientos de nanosegundos), reemplazando la dependencia de servidores públicos de hora para la red de Fratec.

Ficha técnica

|NMEA|texto serial ($GPGGA, $GPZDA…)|±10–100 ms|sí, pero inútil solo para estrato 1
|PPS / 1PPS|pulso eléctrico en el segundo exacto|20–60 ns|no

El estrato 1 nace de que el kernel marca la hora en el flanco del PPS y usa el NMEA solo para saber cuál segundo es. Por eso el receptor va lo más cerca posible del cielo con su antena de parche, y lo que se estira son los 15 m de cable UTP que llevan NMEA y PPS hasta el servidor. No hay coaxil ni antena externa en este nodo.

Cableado

START_DAEMON="true"
USBAUTO="true"
DEVICES="/dev/serial/by-id/usb-FTDI_FT232R_USB_UART_A900D43Z-if00-port0"
GPSD_OPTIONS="-n -s 9600"

refclock SHM 0 refid NMEA offset 0.0 delay 0.2 precision 1e-3
refclock PPS /dev/pps0 refid PPS lock NMEA prefer precision 1e-7

server 200.59.16.61 iburst
server 200.59.19.5 iburst

makestep 1.0 3
driftfile /var/lib/chrony/chrony.drift
rtcsync
allow 192.168.11.0/24
allow 200.59.16.0/27
logdir /var/log/chrony
log tracking statistics refclocks

$ chronyc tracking
Reference ID    : 50505300 (PPS)
Stratum         : 1
System time     : 0.000000018 seconds fast of NTP time
RMS offset      : 0.000061142 seconds
Frequency       : 1.475 ppm fast
Leap status     : Normal

$ chronyc sources
#x NMEA    0  4  377   20   +142ms[ +142ms] +/-  101ms
#* PPS     0  4  377   20   +169ns[ +289ns] +/-  146ns
^- 200.59.16.61  3  6  377  50  -795us +/- 97ms
^- 200.59.19.5   2  6  377 112 +1590us +/- 87ms

|Estrato|1
|Desviación del reloj|18 ns
|PPS|+169 ns ± 146 ns
|RMS offset|61 µs
|Fix GPS|3D, 12 satélites usados
|Posición|9.92432 N, 84.03598 W, 1238 m
|PPS del paralelo|exactamente 1/s, jitter entre pulsos ~0.3 µs

La x en NMEA significa falseticker: el NMEA llega 142 ms tarde porque el enlace serie está saturado (ver más abajo). Eso no afecta la hora servida: chrony lo usa solo para el lock y marca la hora con el PPS. Mientras PPS esté en #* y el estrato sea 1, el reloj es correcto.

Verificación y diagnóstico

¿Está el PPS vivo?

sudo ppstest /dev/pps0
cat /sys/class/pps/pps0/name      # debe decir: pps_parport
cat /sys/class/pps/pps0/assert    # el contador debe subir 1 por segundo
grep parport0 /proc/interrupts    # el IRQ cuenta los pulsos desde el arranque

¿Tiene fix el GPS?

gpspipe -w -n 5 | grep -E '"TPV"|"SKY"'
gpspipe -r | head            # sentencias $GP... crudas

Si ppstest no da eventos, revisar pps0/assert antes de culpar al cableado: pps0/assert también marca 0 cuando el módulo no tiene fix.

¿Qué segmento SHM usa gpsd?

No deducirlo de la versión. El índice cambia según cómo se compiló gpsd. Medirlo leyendo los segmentos:

python3 - <<'PY'
import ctypes, struct
libc = ctypes.CDLL("libc.so.6"); libc.shmat.restype = ctypes.c_void_p
for n in range(8):
    shmid = libc.shmget(0x4e545030 + n, 96, 0)
    if shmid < 0: continue
    addr = libc.shmat(shmid, None, 0o10000)
    d = ctypes.string_at(addr, 96)
    mode, count, cts, rts = struct.unpack("iiii", d[0:16])
    print("SHM %d: mode=%d count=%d clockTime=%d" % (n, mode, count, cts))
    libc.shmdt(ctypes.c_void_p(addr))
PY

El que escribe gpsd es el que tiene mode=1 y count subiendo. En este host es el SHM 0.

Lecciones aprendidas (importante)

1. El índice SHM hay que medirlo, no adivinarlo

Se asumió que gpsd 3.25 escribía en SHM 2 y se cambió el refclock. Resultado: chrony quedó desconectado del NMEA que sí estaba llegando y el nodo perdió el estrato 1 durante varios minutos. Se revirtió a SHM 0, que es el correcto acá. Regla: leer mode/count de los segmentos antes de tocar el refclock.

2. No compensar el NMEA con offset

Probado y descartado: poner offset 0.135 alineó el NMEA con el borde del segundo, chrony perdió el lock, se saltó un segundo y el nodo cayó a estrato 0.

Lo correcto es atacar la causa: el enlace serie. A 9600 con 2 Hz y 7 sentencias por ciclo el enlace va al 94 % (900 B/s de 960) y el NMEA se retrasa 142 ms. Subiendo a 38400 baja al ~22 %, el retraso a ~83 ms y la x desaparece sola.

La x es jitter, no offset medio. Un NMEA con 83 ms constante se acepta (#-); el mismo con ±1 ms de variación se marca falseticker. Compensar el offset mueve el promedio, no la dispersión — y encima rompe el lock.

3. El retardo del cable es ruido

Los ~76 ns de los 15 m de UTP quedan sepultados por la incertidumbre del propio PPS (±146 ns). No se corrige: no se puede afinar un sesgo menor que la barra de error de la fuente. Además el offset de un refclock en chrony se resta, así que el signo es fácil de equivocar y la ganancia es nula.

4. -b en gpsd bloquea toda comunicación con el receptor

-b (modo read-only) hace que gpsd no escriba al dispositivo. Eso está bien para un nodo en producción, pero rompe gpsctl -s y ubxtool con "Attempted to write to a read-only device". Para cambiar la config del receptor hay que quitarlo temporalmente.

5. Con u-blox 7 (protocolo 14) las herramientas modernas mienten

El GT-U7 lleva un chip u-blox 7, que habla la versión 14 del protocolo. Con ese receptor:

• u-center 26.x muestra valores que no son los del chip: decía Measurement Period 1000 ms cuando el módulo estaba en 2 Hz, y GSV = 0 en UART1 cuando la sentencia seguía saliendo. Las columnas de puerto no mapean al puerto real.
• ubxtool -d NMEA,GSV (probado con y sin -P 14.00) no aplicó el cambio: el conteo de sentencias quedó idéntico.
• Mandar los frames UBX a mano por el UART tampoco funcionó (sin ACK, sin datos de vuelta).

La palanca que sí funciona es una sola: gpsctl -s 38400. Cambia la velocidad del puerto del receptor y gpsd reabre a la nueva velocidad sin reiniciar nada.

Ojo: el cambio queda en RAM. Si el módulo pierde la pila de respaldo vuelve a 9600 y la x reaparece; gpsd lo autodetecta igual, pero hay que repetir el comando.

6. El PPS por paralelo es el camino bueno en x86

parport0: PC-style at 0x378 (0x778), irq 5 [PCSPP,TRISTATE,EPP]
pps_parport: attached to parport0
  5:  0  703  IO-APIC  5-edge  parport0

IRQ real, sin transceptor que invierta, /dev/pps0 aparece solo (sin ldattach ni reglas udev). Da 1–5 µs: el mejor camino en un servidor x86 sin GPIO.

Dos falsos negativos que hacen creer que el host no sirve:

• /proc/parport no existe en kernel 6.12, ni como root. La fuente autoritativa es dmesg y /proc/interrupts.
• ldattach "no existe" es un falso negativo de PATH: vive en /usr/sbin, que no está en el PATH de un shell no-root.

7. Un nodo de hora que deja de sincronizar no avisa solo

Si se va la antena o el PPS, chrony baja a estrato 2 silenciosamente. Pendiente: watchdog que alerte si stratum ≥ 2, Leap status ≠ Normal, o si se congela el contador de pps0/assert.

Pendientes

• (x) Nodo en estrato 1 verificado
• ( ) Watchdog silencioso (estrato, leap alarm, PPS congelado)
• ( ) Probar desde un tercer host que sirve hora correcta a la /27
• ( ) Apuntar ntp1–ntp4 a este nodo y eliminar la dependencia de servidores públicos
• ( ) Guardar la config del receptor en la EEPROM (CFG-CFG) para que los 38400 sobrevivan a un corte de la pila de respaldo
• ( ) Publicar la IP al pool (solo después de verificar PPS estable; una entrada por equipo)

Referencias

• Skill interna: gps-stratum1-time-server (arquitectura, presupuesto de RF, recetas de PPS)
• Skill interna: ntp-pool-operations (membresía, scores, migración de IPs)