视频监控系统网络时间同步（NTP网络授时）问题详解

视频监控系统网络时间同步（NTP网络授时）问题详解
视频监控系统网络时间同步（NTP网络授时）问题详解
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视频监控系统是指综合应用视音频监控、通信、计算机网络等技术监视设防区域，并实时显示、记录现场图像的电子系统或网络。系统可以在非常事件突发时，及时地将叠加有时间、地点等信息内容的现场情况记录下来，以便重放时分析调查，并作为具有法律效力的重要证据，这样既提高了安保人员处警的准确性，也可为公安人员迅速破案提供有力证据。但视频监控系统经常出现显示时间不正确的问题，使系统提供的数字证据大打折扣，甚至不具备法律效力而无法使用，本文从多方面分析了产生问题的原因并给出有效的解决途径和方案。
笔者由于工作关系近四年参与了某市政府部门、企事业单位、新建居民小区等五十余个视频监控系统的项目设计、招标评审与项目验收。在参与的安防监控验收项目中，经常出现视频监控系统显示时间不正确的问题，约占比率60%，这些不起眼的小问题使视频监控系统提供的数字证据大打折扣，甚至不具备法律效力而无法使用。
视频监控系统一般由前端监视设备、传输设备、后端存储服务器、控制及显示设备这五大部分组成，与时间关联最紧密的是前端监视设备（网络摄像头IPC）和控制设备（网络硬盘录像机NVR）及数据存储服务器，我们从前二个设备入手分析一下经常出现的显示时间不正确的原因：
故障一：视频监控系统显示的时间为“1970年X月X日”或是“2000年X月X日”，如图1所示左上角所示。

图1
最初计算机操作系统是32位，而时间也是用32位表示，也就是说32位能表示的最长时间是68年。最早出现的UNIX操作系统在设计时，考虑到计算机产生的年代和应用的时限，综合设置1970年1月1日作为UNIX TIME的纪元时间（开始时间），而Java、数据库、许多网络设备等遵循了这一约束，所以许多设备默认时间为1970年1月1日，但也有些设备将默认时间设置为2000年1月1日。出现故障一最主要有可能是以下二个方面的原因：
1、前端监视设备问题：在很多无网络硬盘录像机环境中（例如家用网络摄像头），由于网络线路故障等原因，或是设备处于封闭网络（未接入Internet）中，未能和Internet中的时间服务器同步，用的是系统默认的时间。目前网络中比较常用的时间服务器有 210.72.145.44（国家授时中心服务器 IP 地址）、time.windows.com（微软官方时间服务器）、time.nist.gov等，建议最好使用国内的时间服务器，因为国外的时间服务器因为距离遥远，普遍存在着访问堵塞、时间延迟大等问题，再加上DNS故障无法解析其域名的等一些网络问题，所以并不是十分稳定。
2、网络硬盘录像机问题：在有网络硬盘录像机的环境中，除了网络线路故障等原因未能和时间服务器同步原因外，还有可能是网络硬盘录像机主板上面的纽扣电池电量不足，正常情况下更换一块新的电池即可解决。如果换过新电池后时间仍然不能同步，那就是网络硬盘录像机主板的故障了，可能是主板有短路问题造成漏电现象（例如CMOS电路故障）、主板的晶体振荡器（有的也叫时钟晶体）坏了等，需要返厂进行维修。
故障二：视频监控系统显示时间和标准时间相差约十几分钟，各个网络摄像头显示时间部分不同，最大的相差约十几秒，如图2所示。

图2
对于视频监控系统显示时间和标准时间相差约十几分钟，最主要的原因是网络摄像头、网络硬盘录像机等网络设备本身虽然集成了实时时钟，但时钟的计时精度有限，它取决于晶体振荡器的准确性和稳定度，不同类型的晶体振荡器之间的区别较大，即使同种型号的设备在不同的环境中长时间运行，也有可能发生偏差。据统计，计算机或网络设备时间与国际标准时间偏差在1分钟以上的占到90%以上，这是因为计算机或者设备的时钟信号来源于自带的简单晶体振荡器，而这种晶体振荡器守时性并不是很好，调整好时间后，一般每天都有几秒钟的时间漂移，所以每隔一段时间之后需要校准。出现故障二相差约十几分钟的现象，最常用的解决方法主要有以下二种：
1、对于接入Internet的网络摄像头或是网络录像机，可以通过NTP（Network Time Protocol）协议校时对准。NTP协议是国际通行的网络授时协议，它的原理是每隔一段时间就由客户机向服务器发起一次时间轮询，根据一定的滤波算法计算出服务器与客户机之间的时间偏差以及由于网络传输造成的传播时延，来调整客户机的本地时间，使之与服务器保持一致。对比其他校准时间的协议，NTP协议能消除网络传播时延造成的影响，因此能提供比较可靠的授时服务，提供时间精确度在1-50ms之间。在网络摄像头（如图3所示）或硬盘录像机配置界面（如图4所示），通过填写网络时钟服务器地址后接入Internet就可以校准时钟。

图3

图4
注意：由于视频监控网络与Internet网络中的NTP时间服务器之间的网络情况复杂，设置NTP时间服务器能够完成视频监控网络的时间同步，可靠性较高，但准确性欠佳，由于时延、网络拥塞以及外部权威时钟源地理位置等因素，也有可能出现对安防视频监控网络中的设备进行时钟校对的失准。
2、如果是局域网的应用（网络摄像头不能接入Internet）或是专网摄像头和网络录像机，必须先在网络内部架设配置NTP时钟服务器，再把NTP时钟服务器的地址填入到每个网络摄像头或是网络硬盘录像机的配置界面内，才能保证时间同步。
注意：在这种情况下需要保证地本时钟服务器的时钟精确度，一般使用高精度的本地时钟源需要较高的成本，也可以选择将NTP时钟服务器定期连接至因特网，将本地时钟源与外部权威时钟源进行时间同步，或是使用GPS定位校准等方式，统一用支持校时的标准协议连接设备、保障平台和各设备符合标准协议里时钟同步约定的遵守，在低成本的条件下保证视频监控网络时间同步，减少系统时钟错乱问题。
故障二中各个网络摄像头显示时间部分不同，最大的相差约十几秒，最主要的问题来自于网络交换延迟。网络摄像机视频采集和编码输出需要时间，同时经过网络摄像机编码后的数字信号通过网络传输时，根据网络设备的带宽容量和性能，要产生一定的网络延迟，后端设备在接收到通过编码后的数字信号后，也需要时间对其进行解码。网络摄像头处于网络的不同位置，受多个因素影响，各个设备的延时有可能会不同，主要取决于网络设备例如交换机等的指标、性能、质量以及网络架构，如果后端有解码器，还会有解码延时，如果预览设备性能差，还会有预览延时等。各个网络摄像机和网络录像机的在网络中传输的数据延时是肯定会有的，并且不一样，海康威视最近生产的网络摄像头可以做到120ms，但是要做到无延时确实还要很长的路要走，一般0.5S左右是能够被人接受的。
故障三：视频监控系统显示的时间和标准时间相差十几个小时，各个摄像头显示时间部分不同，有的相差约十几秒，有的相差十几个小时，如图5所示。

图5
这个问题较为复杂，笔者分析主要可能有二方面的原因：
1、使用了不同的时区时间：网络中使用多种型号的摄像头，网络摄像头或是网络硬盘录像机有可能使用了不同的时区时间，有的使用的是格林威治标准时间GMT（Greenwich Mean Time），有的使用世界协调时间UTC（Coordinated Universal Time），还有的可能使用夏日节约时间DST（Daylight Saving Time），如图6所示。在不同设备中调取不同的时间格式时，未能准确地识别或者转换出来，所以造成了部分网络设备之间相差十几个小时，可以在不同的摄像头或是硬盘录像机配置界面中事先设置使用同一时区时间

图6
2、网络摄像头的兼容性问题：由于在同一个监控网络中使用的多种网络摄像头，例如图5中就是原有的视频监控网络使用华为的摄像头，在升级改造中新增加的摄像头使用的是大华，这些不同品牌的网络摄像头视频监控网络有的设备基于Linux、有的基于AIX、Solaris，甚至有的基于Windows平台，这些不同品牌网络摄像头和不同的平台之间存在一定的兼容性问题，或是这些终端的时区时间格式不一致，所以导致出现较大的时间误差。
在一些需要精确时间同步的场合，如电力通讯、通信计费、分布式网络计算、气象预报、公安视频侦查等，仅靠计算机或设备本身提供的时钟信号是远远不够的，所以需要各种手段来进行时间同步。
对视频监控系统进行时间同步具有非常重要的意义，目前视频监控系统已经进入了智能网络视频监控时代。在基于网络的智能视频监控系统中，设备在时间上的精确性与可靠性直接影响到视频监控系统的工作效率。然而对于视频监控系统网络中工作的每台设备，如果仅仅依靠操作人员手工输入命令来修改校准时钟显然是不现实的，因为不仅手工输入命令的工作量过于巨大，而且人工操作根本无法保证时钟的精确与可靠性。因此，只有通过时钟同步技术，快速将视频监控网络的每台设备进行时钟同步，同时还可以保证精确性和可靠性。
除了上面介绍的NTP协议之外，还有一些其它的协议和技术支持视频监控系统的时间同步：
1、在部分对时间精度要求不高的民用应用场景可以使用SNTP（Simple Network Time Protocol）协议，例如停车场管理系统，只需要秒级精确度。SNTP通过简化NTP协议，在保证时间精确度的前提下，使得对网络时间的开发和应用变得更加容易。SNTP主要对NTP协议涉及有关访问安全、服务器自动迁移部分进行了缩减，它能够与NTP协议具有互操作性，即SNTP客户可以与NTP服务器协同工作，同样NTP客户也可以接收SNTP服务器发出的授时信息。在日常的使用中要注意以下事项：（1）尽量在本地局域网内部部署SNTP服务器，而不要采用Internet网上的公用SNTP服务器，因为Internet网络的时延不确定性，服务质量得得不到保证，会对授时的精度产生很大影响；（2）SNTP客户端对服务器的授时请求周期要大于1分钟，以免造成SNTP服务器资源迅速消耗，而不能及时响应客户的请求；（3）当网络中客户机数目大于500台时，应该配置多台SNTP服务器，以达到要求的授时精度，SNTP最多每秒种能同时响应500个请求，一旦超过这一数目，授时的精确度就得不到保证；（4）在需要高可靠授时的应用，最好配备多台SNTP服务器，利用DNS系统实现负载均衡和集群。
2、为了解决封闭网络的时钟同步问题，网络摄像头等前端设备还可以采用其他的频监控联网标准协议来支持校时的，例如国家标准GB/T28181协议《安全防范视频监控联网系统信息传输、交换、控制技术要求》规定通过SIP（Session Initiation Protocol）信令进行时钟同步，前端设备注册时必须按照SIP服务器消息头Date域携带的时间信息来同步本机时间。此外一些安防大厂商的监控联网自有协议里一般也具有授时接口，例如海康威视开放的设备开发包（SDK）具备授时接口，同时部分厂商的网络硬盘摄像机也具备同IP摄像头前端的内部时钟同步的功能（多采用私有协议支持）。
3、还可以使用专业的时间服务器来提供时间源，有些视频监控网络对时间有非常严格的要求，例如高速公路区间测速系统、公安视频作战侦查系统等。国内外很多公司都推出了自己的专业时间服务器，专业时间服务器一般配置高精度、高可靠的恒温晶振作为守时系统，从北斗或GPS卫星取得授时信号，对核心服务器及应用进行精确、可靠授时，各地所有的终端（服务器、PC、交换机、IPC、NVR等设备）可以和时间服务器同步。北斗或GPS卫星信号中所包含的时间基准同步于全球协调时（UTC），长期频率稳定度达到铯原子钟的水平10-13的数量级，相当于30万年才慢1秒。以此信号做时间基准来调节本地时间，能消除由于本地时钟精度较低引起的时间积累偏差，大大提高服务器的定时精度，同时专业时间服务器选用了专业的北斗或GPS授时接收机，收星速度快，锁定可靠。
以大华公司DH-NTP8010-DR为例，如图7所示，在层次一建立时间同步服务系统，接收北斗和GPS时钟信号源，作为长期稳定的授时时间源，在GPS和北斗失锁的情况下，恒温晶振作为授时时间源，满足层次二中核心交换机、服务器、干线网传输网关等客户端时钟同步要求，层次三等下级平台服务器等客户端设备可以向层次二校时，实现时间同步。

图7
虽然国家标准GB/T28181协议没有对视频监控系统时间误差做明确的要求，但我们在设计各类安防视频监控系统时，应根据各个系统的特点，充分考虑各个设备之间时间同步的问题。在实际的应用中，如果没有专业的时间服务器的话，也可以定期手工校正平台（NVR）的时钟、统一用支持校时的标准协议连接设备、保障平台和各设备符合标准协议里时钟同步约定的遵守，都是减少系统时钟错乱问题的必要手段。