Uhren in einem Linux-System¶

Die Hardware-Uhr: Diese Uhr ist ein unabhängiges Hardware-Gerät, mit seinem eigenen Energiebereich (Batterie, Kondensatoren, usw.), das läuft, wenn die Maschine ausgeschaltet oder sogar vom Netz getrennt ist.

Auf einem ISA-kompatiblen System wird diese Uhr als Teil des ISA-Standards spezifiziert. Ein Steuerprogramm kann diese Uhr nur in ganzen Sekunden stellen oder auslesen, aber es kann auch die Signalübergänge der Ein-Sekunden-Impulse erkennen, so dass die Uhr über virtuell unendliche Präzision verfügt.

Diese Uhr wird allgemein die Hardware-Uhr, die Echtzeituhr, die RTC, die BIOS-Uhr oder die CMOS-Uhr genannt. Der Begriff Hardware-Uhr wurde für hwclock gewählt. Der Linux-Kernel bezeichnet sie auch als beständige Uhr.

Einige Nicht-ISA-Systeme haben ein paar Echtzeituhren, wobei nur eine davon ihre eigene Energieversorgung hat. Ein sehr energiesparender externer I²C- oder SPI-Uhrchip könnte mit einer Stützbatterie als Hardware-Uhr fungieren, um eine funktionellere integrierte Echtzeituhr zu initialisieren, die für die meisten anderen Zwecke verwendet wird.

Die Systemuhr: Diese Uhr ist Teil des Linux-Kernels und wird durch einen Timer-Interrupt gesteuert (auf einer ISA-Maschine ist der Timer-Interrupt Teil des ISA-Standards). Sie ist nur von Bedeutung, solange Linux auf der Maschine läuft. Die Systemzeit wird als die Anzahl der Sekunden seit dem 1. Januar 1970 um 00:00:00 Uhr Weltzeit ausgedrückt, oder anders formuliert, die Anzahl der seit 1969 UTC vergangenen Sekunden. Die Systemzeit ist dennoch keine Ganzzahl. Sie hat virtuell unbegrenzte Präzision.

Die Systemzeit ist die Zeit, auf die es ankommt. Der grundlegende Zweck der Hardware-Uhr in einem Linux-System ist die Erhaltung der Zeit, wenn Linux nicht läuft, so dass die Systemzeit beim Systemstart daraus initialisiert werden kann. Beachten Sie, dass in DOS, wofür der ISA-Standard entworfen wurde, die Hardware-Uhr die einzig verfügbare Echtzeituhr ist.

Es ist wichtig, dass die Zählung der Systemzeit nicht unterbrochen wird, zum Beispiel wenn Sie mit dem Befehl date(1) die Systemzeit setzen, während das System läuft. Sie können dennoch im laufenden Betrieb mit der Hardware-Uhr tun, was Sie wollen, und beim nächsten Linux-Start wird die Zeit der Hardware-Uhr entsprechend angepasst. Hinweis: Derzeit ist dies auf den meisten Systemen nicht möglich, da beim Herunterfahren hwclock --systohc aufgerufen wird.

Die Zeitzone des Linux-Kernels wird durch hwclock gesetzt. Aber lassen Sie sich nicht in die Irre führen – beinahe niemand interessiert sich dafür, was der Kernel meint, in welcher Zeitzone er sich befindet. Stattdessen müssen Programme, für die die Zeitzone wichtig ist (um Ihnen beispielsweise die lokale Zeit anzuzeigen), fast immer einen etwas traditionelleren Weg wählen, um die Zeitzone zu ermitteln: Sie benutzen die TZ-Umgebungsvariable oder die Datei /etc/localtime, wie in der Handbuchseite zu tzset(3) erklärt. Jedoch nutzen einige Programme und Teile des Linux-Kernels dessen Zeitzonenwert, zum Beispiel Dateisysteme. Ein Beispiel hierfür ist das vfat-Dateisystem. Ist der Zeitzonenwert im Kernel falsch gesetzt, werden vom vfat-Dateisystem falsche Zeitstempel gemeldet und gesetzt. Ein weiteres Beispiel ist der NTP-11-Minuten-Modus-Modus des Kernels. Falls der Zeitzonenwert des Kernels und/oder die Variable persistent_clock_is_local falsch ist, dann wird die Hardware durch den 11-Minuten-Modus-Modus falsch gesetzt. Lesen Sie hierzu die Diskussion weiter unten, unter Automatischer Abgleich der Hardware-Uhr durch den Kernel.

hwclock setzt den Kernel-Zeitzonenwert auf den durch die Umgebungsvariable TZ oder aus /etc/localtime mit den Funktionen --hctosys oder --systz angegebenen Wert.

Der Zeitzonenwert des Kernels besteht aus zwei Teilen: erstens dem Feld »tz_minuteswest«, das die Anzahl der Minuten angibt, die die lokale Zeit (nicht an Sommer-/Winterzeit angepasst) gegenüber der Weltzeit zurückbleibt, und zweitens dem Feld »tz_dsttime«, welches angibt, ob am entsprechenden Ort gerade Sommer- oder Winterzeit herrscht. Dieses zweite Feld wird unter Linux nicht genutzt und wird stets auf 0 gesetzt. Siehe auch settimeofday(2).

Zugriffsmethoden auf Hardware-Uhren¶

Allerdings ist diese Methode nicht immer verfügbar, da ältere Systeme über keinen RTC-Treiber verfügen. Auf diesen Systemen hängt die Art des Zugriffs auf die Hardware-Uhr von der Art der Systemhardware ab.

Auf einem ISA-kompatiblen System kann hwclock direkt über Ein- und Ausgaben der Ports 0x70 und 0x71 auf die CMOS-Speicherregister zugreifen, welche die Uhr darstellen. Es werden E/A-Anweisungen verwendet, was konsequenterweise nur funktionieren kann, wenn diese mit der effektiven Benutzerkennung des Superusers aufgerufen werden. Diese Methode kann durch Angabe der Option --directisa festgelegt werden.

Dies ist eine recht armselige Methode, auf die Uhr zuzugreifen, vor allem deshalb, weil Programme auf Anwenderebene generell nicht dafür bestimmt sind, direkte E/A-Vorgänge auszuführen und Interrupts zu deaktivieren. hwclock bietet dies zum Testen, Fehlersuchen und da es auf ISA-kompatiblen Systemen, die über keinen funktionierenden RTC-Gerätetreiber verfügen, die einzige verfügbare Methode sein könnte.

Die Adjust-Funktion¶

Es funktioniert folgendermaßen: hwclock verwaltet die Datei /etc/adjtime, in der einige historische Informationen gespeichert sind. Diese Datei wird adjtime-Datei genannt.

Nehmen wir an, Sie beginnen ohne adjtime-Datei. Sie rufen den Befehl hwclock --set auf, um die Hardware-Uhr auf die tatsächliche aktuelle Zeit zu stellen. hwclock legt die adjtime-Datei an und zeichnet darin die Zeit als jene der letzten Kalibrierung der Uhr auf. Fünf Tage später geht die Uhr 10 Sekunden vor, und Sie rufen hwclock --set --update-drift auf, um die Uhr 10 Sekunden zurückzustellen. hwclock aktualisiert die adjtime-Datei, zeichnet wiederum die aktuelle Zeit als den Zeitpunkt der letzten Kalibrierung auf, wobei diesmal 2 Sekunden pro Tag als systematische Abweichung protokolliert werden. 24 Stunden später rufen Sie den Befehl hwclock --adjust auf. hwclock befragt die adjtime-Datei und stellt fest, dass die Uhr, wenn sie nicht korrigiert wird, 2 Sekunden pro Tag vorgeht. So zieht es die 2 Sekunden von der Zeit der Hardware-Uhr ab, da die Uhr genau 24 Stunden nicht korrigiert wurde. Die aktuelle Zeit wird auch wieder als die Zeit der letzten Kalibrierung aufgezeichnet. Noch einmal 24 Stunden später funktioniert der Befehl hwclock --adjust wieder auf die gleiche Weise: hwclock zieht 2 Sekunden ab und aktualisiert die adjtime-Datei mit der aktuellen Zeit als letztem Kalibrierungszeitpunkt der Uhr.

Wenn Sie die Option --update-drift mit --set oder --systohc verwenden, wird die automatische Abweichungsrate durch Vergleich der vollabweichungskorrigerten Hardware-Uhr mit der jetzt gesetzten Zeit (neu) berechnet. Daraus wird die 24-Stunden-Abweichungsrate basierend auf dem letzten kalibrierten Zeitstempel aus der Adjtime-Datei abgeleitet. Dieser aktualisierte Abweichungsfaktor wird dann in /etc/adjtime gespeichert.

Kleinere Fehler schleichen sich beim Stellen der Hardware-Uhr ein, daher unterlässt --adjust Korrekturen von weniger als einer Sekunde. Wenn Sie zu einem späteren Zeitpunkt erneut die Uhr stellen wollen, wird die aufgesammelte Abweichung nun mehr als eine Sekunde betragen und --adjust führt die Korrektur einschließlich eines Bruchanteils aus.

hwclock --hctosys verwendet auch die Adjtime-Dateidaten, um den Wert aus der Hardware-Uhr auszugleichen, bevor es die Systemuhr stellt. Es teilt nicht die 1-Sekunden-Begrenzung von --adjust und wird Teilsekundenabweichungen sofort korrigieren. Es ändert weder die Hardware-Uhr noch die Adjtime-Datei. Dies könnte die Notwendigkeit von --adjust beseitigen, außer etwas anderes auf dem System benötigt die Ausgleichung der Hardware-Uhr.

Die Datei Adjtime¶

Die adjtime-Datei verwendet folgendes Format, in ASCII:

Zeile 1: drei Zahlen, durch Leerzeichen getrennt: 1) die systematische Abweichung in Sekunden pro Tag als dezimale Fließkommazahl; 2) die sich ergebende Anzahl der Sekunden seit 1969 Weltzeit gemäß der letzten Anpassung oder Kalibrierung als dezimale Ganzzahl; 3) Null (zwecks Kompatibilität zu clock(8)) als dezimale Ganzzahl.

Zeile 2: eine Zahl: die sich ergebende Anzahl der Sekunden seit 1969 Weltzeit gemäß der letzten Kalibrierung. Dies ist Null, falls noch keine Kalibrierung ausgeführt wurde oder eine frühere Kalibrierung fehlschlug (zum Beispiel wurde die Hardware-Uhr seit der Kalibrierung zwar gefunden, enthielt aber keine gültige Zeit). Dies ist eine dezimale Ganzzahl.

Zeile 3: »UTC« oder »LOCAL«. Dies gibt an, ob die Hardware-Uhr auf lokale Zeit oder Weltzeit eingestellt ist. Sie können diesen Wert stets mit den Befehlszeilenoptionen zu hwclock außer Kraft setzen.

Sie können eine adjtime-Datei, die früher bereits mit dem Programm clock(8) genutzt wurde, auch mit hwclock verwenden.

Automatischer Abgleich der Hardware-Uhr durch den Kernel¶

Falls der Kernel mit der Option »11-Minuten-Modus« übersetzt ist, wird er aktiv sein, wenn sich die Uhrdisziplin des Kernels in einem synchronisierten Zustand befindet. In diesem Zustand ist das Bit 6 (das Bit, das mit der Maske 0x0040 gesetzt wird) der Kernelvariablen time_status nicht gesetzt. Der Wert wird als »Status«-Zeile der Befehle adjtimex --print oder ntptime ausgegeben.

Es bedarf eines Einflusses von außen, wie des NTP-Daemons, um die Uhrdisziplin des Kernels in einen synchronisierten Status zu bringen und damit den » 11-Minuten-Modus« zu aktivieren. Dieser kann durch die Ausführung von allem, die die Systemuhr auf die althergekommene Art setzt, wie hwclock --hctosys, wieder ausgeschaltet werden. Falls der NTP-Daemon allerdings noch läuft, wird er den » 11-Minuten-Modus« beim nächsten Synchronisieren der Systemuhr wieder einschalten.

Falls Ihr System mit aktiviertem »11-Minuten-Modus« läuft, könnte die Verwendung von entweder --hctosys oder --systz in den Systemstartskripten notwendig sein, insbesondere falls die Hardware-Uhr auf die lokale Zeitskala konfiguriert ist. Falls der Kernel nicht informiert ist, unter welcher Zeitskala die Hardware-Uhr läuft, könnte er sie mit der falschen verfremden. Der Kernel verwendet standardmäßig UTC.

Der erste Benutzerraumbefehl, der die Systemuhr setzt, informiert den Kernel, welche Zeitskala die Hardware-Uhr verwendet. Dies passiert über die Kernelvariable persistent_clock_is_local. Falls --hctosys oder --systz zuerst ist, wird es diese Variable entsprechend der Adjtime-Datei oder dem geeigneten Befehlszeilenargument setzen. Beachten Sie, dass der Einsatz dieser Fähigkeit erfordert, dass bei Änderung der Hardware-Uhr-Zeitskalenkonfiguration ein Systemneustart zur Information des Kernels benötigt wird.

hwclock --adjust sollte nicht zusammen mit NTPs »11-Minute-Modus« verwandt werden.

Jahrhundertwert der ISA-Hardware-Uhr¶

Falls Sie einen echten Anwendungsfall für das CMOS-Century-Byte haben, kontaktieren Sie den Betreuer von hwclock, eine Option könnte hier zweckdienlich sein.

Beachten Sie, dass dieser Abschnitt nur relevant ist, wenn Sie die »Direct ISA«-Methode für den Zugriff auf die Hardware-Uhr verwenden. ACPI bietet eine standardisierte Zugriffsmöglichkeit auf die Jahrhundertwerte an, sofern diese von der Hardware unterstützt werden.

Zeit ohne externe Synchronisation erhalten¶

Diese Diskussion basiert auf den folgenden Annahmen:

• Es läuft nichts, das die Echtzeituhren ändert, wie ein NTP-Daemon oder ein Cron-Job.
• Die Systemzeitzone ist für die korrekte lokale Zeit konfiguriert. Siehe unten unter POSIX kontra »KORREKT«.
• Früh während des Systemstarts wird folgendes in dieser Reihenfolge aufgerufen:
  adjtimex --tick Wert --frequency Wert
  hwclock --hctosys
• Während des Herunterfahrens wird folgendes aufgerufen:
  hwclock --systohc

* Systeme ohne adjtimex können ntptime verwenden.

Egal, ob eine Präzisionzeit mit einem NTP-Daemon verwaltet wird oder nicht, ist es sinnvoll, das System so konfigurieren, dass es allein eine vernünftig gute Datum-Uhrzeit hält.

Im ersten Schritt dafür muss ein klares Verständnis des Gesamtbildes erreicht werden. Es gibt zwei komplett getrennte Hardwaregeräte, die alleine in ihrer eigenen Geschwindigkeit laufen und von der »korrekten« Zeit mit ihrer eigenen Rate abweichen. Die Methoden und Software für die Abweichungskorrektur unterscheiden sich für beide. Allerdings sind die meisten Systeme so konfiguriert, dass die beiden Uhren beim Systemstart und -herunterfahren die Werte austauschen. Dadurch werden die Fehlerkorrekturwerte der einzelnen Geräte zwischen beiden hin und her übertragen. Wird versucht, nur bei einem von ihnen eine Abweichungskorrektur vorzunehmen, wird die Abweichung des anderen Geräts darübergelegt.

Dieses Problem kann bei Konfiguration der Abweichung der Systemuhr vermieden werden, indem die Maschine nicht heruntergefahren wird. Dies und der Tatsache, dass die gesamte Präzision von hwclock (einschließlich der Berechnung des Abweichungsfaktors) von der Korrektheit der Systemuhrrate abhängt, bedeutet, dass die Konfiguration der Systemuhr zuerst erfolgen sollte.

Die Abweichung der Systemuhr wird mit den Optionen --tick und --frequency des Befehls adjtimex(8) korrigiert. Diese zwei Optionen arbeiten zusammen: »tick« ist die grobe und »frequency« die feine Anpassung. (Für Systeme, die kein Paket adjtimex haben, kann eventuell stattdessen ntptime -f ppm verwandt werden.)

Einige Linux-Distributionen versuchen, die Abweichung der Systemuhr mit der Vergleichsaktion von adjtimex automatisch zu berechnen. Der Versuch, eine abweichende Uhr mittels einer anderen abweichenden Uhr als Referenz zu korrigieren, gleicht dem Versuch eines Hundes, seinen eigenen Schwanz zu fangen. Es mag irgendwann von Erfolg gekrönt sein, aber vorher ist großer Aufwand und viel Frust involviert. Diese Automatisierung mag eine Verbesserung gegenüber keiner Konfiguration sein, aber optimale Ergebnisse zu erwarten, wäre fehlerhaft. Eine bessere Wahl für eine manuelle Konfiguration wäre die Option --log von adjtimex.

Es mag effizienter sein, einfach die Abweichung der Systemuhr mit sntp oder date -Ins und einem genauen Zeitstück nachzuverfolgen und dann die Abweichung manuell zu berechnen.

Nach dem Setzen der Tick- und Frequenzwerte fahren Sie mit dem Prüfen und Verfeinern der Anpassungen fort, bis die Systemuhr eine gute Zeit hält. Siehe adjtimex(8) für weitere Informationen und ein Beispiel, das die manuelle Abweichungskorrektur zeigt.

Sobald der Takt der Systemuhr sauber ist, widmen Sie sich der Hardware-Uhr.

In der Regel funktioniert die kalte Abweichung in den meisten Fällen am besten. Dies sollte sogar auf Maschinen zutreffen, die 24/7 laufen und deren normale Auszeit aus einem Systemneustart besteht. In diesen Fällen stellt der Abweichungsfaktor kaum einen Unterschied dar. Aber in den seltenen Fällen, in denen die Maschine für eine längere Zeit ausgeschaltet wird, sollte die kalte Abweichung zu besseren Ergebnissen führen.

Schritte zur Berechnung der kalten Abweichung:

1

Stellen Sie sicher, dass kein NTP-Daemon beim Systemstart gestartet wird.

2

Beim Herunterfahren muss die Zeit der Systemuhr korrekt sein!

3

Fahren Sie das System herunter.

4

Lassen Sie eine ausgedehnte Zeit vergehen, ohne die Hardware-Uhr zu ändern.

5

Starten Sie das System.

6

Verwenden Sie sofort hwclock, um die korrekte Zeit zu setzen, fügen Sie dabei die Option --update-drift hinzu.

Hinweis: Falls in Schritt 6 --systohc verwandt wird, muss davor die Systemuhr korrekt gesetzt werden (Schritt 6a).

Die Berechnung des Abweichungsfaktors mit hwclock ist ein guter Startpunkt, aber für optimale Ergebnisse wird es wahrscheinlich notwendig sein, dies durch direkte Bearbeitung der Datei /etc/adjtime anzupassen. Fahren Sie fort, den Abweichungsfaktor zu testen und verfeinern, bis die Hardware-Uhr beim Systemstart korrekt eingestellt ist. Um dies zu überprüfen, stellen Sie erst sicher, dass die Systemzeit vor dem Herunterfahren korrekt ist und dann verwenden Sie direkt nach dem Starten sntp oder date -Ins und eine Präzisionsuhr.

LOKAL vs. UTC¶

• Falls Linux während des Sommer-/Winterzeitwechsels läuft, wird die in die Hardware-Uhr geschriebene Zeit für die Änderung angepasst.
• Falls Linux NICHT während des Sommer-/Winterzeitwechsels läuft, wird die von der Hardware-Uhr gelesene Zeit NICHT für die Änderung angepasst werden.

Die Hardware-Uhr auf einem ISA-kompatiblen System hält nur ein Datum und eine Zeit. Sie kennt weder das Konzept der Zeitzone noch der Sommer-/Winterzeit. Daher nimmt hwclock, wenn ihm mitgeteilt wird, dass es in lokaler Zeit läuft, an, dass es sich in der »korrekten« lokalen Zeit befindet und führt keine Anpassungen für die aus ihr gelesene Zeit durch.

Linux führt den Sommer-/Winterzeitwechsel nur korrekt durch, wenn die Hardware-Uhr in der UTC-Zeitskala läuft. Dies wird Systemadministratoren erleichtert, da hwclock die lokale Zeit für seine Ausgabe und als Argument für die Option --date verwendet.

POSIX-Systeme sind wie Linux so entwickelt, dass die Systemuhr in der UTC-Zeitskala läuft. Der Zweck der Hardware-Uhr liegt darin, die Systemuhr zu initialisieren, daher ergibt ein Betrieb in UTC Sinn.

Linux versucht allerdings, die Tatsache, dass sich die Hardware in der lokalen Zeitskala befindet, zu berücksichtigen. Dies dient primär dem dualen Systemstart mit älteren Versionen von MS Windows. Seit Windows 7 soll der Registrierungsschlüssel RealTimeIsUniversal korrekt funktionieren, so dass die Hardware-Uhr in UTC gehalten werden kann.

POSIX kontra »KORREKT«¶

Es gibt zwei getrennte Datenbanken in dem Zoneinfo-System, POSIX und »korrekt«. »Korrekt« (jetzt Zoneinfo-leaps genannt) enthält Schaltsekunden, POSIX nicht. Um die »korrekte« Datenbank zu verwenden, muss die Systemuhr auf (UTC + Schaltsekunden) gesetzt sein, was zu (TAI - 10) äquivalent ist. Dies ermöglicht es, die genaue Anzahl von Sekunden zwischen zwei Daten zu berechnen, wenn dabei ein Schaltesekundenzeitraum durchlaufen wird. Die Systemuhr wird dann in die korrekte zivile Zeit, einschließlich UTC, umgewandelt, indem die »korrekten« Zeitzonendateien verwandt werden, die die Schaltsekunden abziehen. Hinweis: Diese Konfiguration wird als experimentell bezeichnet und hat bekanntermaßen Probleme.

Um ein System zur Verwendung einer bestimmten Datenbank zu konfigurieren, müssen alle in seinem Verzeichnis befindliche Dateien in die Wurzel von /usr/share/zoneinfo kopiert werden. Dateien werden nie vom POSIX- oder »korrekten« Unterverzeichnis benutzt, z.B. TZ='right/Europe/Dublin'. Diese Gepflogenheit wurde so üblich, dass die Originalentwickler des Zoneinfo-Projekts den Systemdateibaum restrukturierten, indem sie die POSIX- und »korrekten« Unterverzeichnisse aus dem Zoeninfo-Verzeichnis und in benachbarte Verzeichnisse verschoben:

/usr/share/zoneinfo
/usr/share/zoneinfo-posix
/usr/share/zoneinfo-leaps

Unglücklicherweise ändern einige Linux-Distributionen dies in ihren Paketen wieder auf die alte Struktur zurück. Daher besteht das Problem der Systemadministratoren, die in das »korrekte« Unterverzeichnis hineingreifen, weiter fort. Dies führt dazu, dass die Systemzeitzone konfiguriert wird, Schaltsekunden zu beachten, während die Zoneinfo-Datenbank weiterhin so konfiguriert ist, sie auszuschließen. Wenn dann eine Anwendung wie die »World Clock« die Zeitzonendatei South_Pole benötigt oder ein E-Mail-MTA oder hwclock die UTC-Zeitzonen-Datei benötigen, holen sie sie von der Wurzel von /usr/share/zoneinfo, da das so von ihnen erwartet wird. Diese Dateien schließen Schaltsekunden aus, aber die Systemuhr berücksichtigt sie, wodurch eine falsche Umwandlung hervorgerufen wird.

Der Versuch, Dateien aus diesen getrennten Datenbanken vermischt zu benutzen, wird nicht funktionieren, da sie von der Systemuhr verlangen, eine andere Zeitskala zu verwenden. Die Zoneinfo-Datenbank muss wie oben beschrieben konfiguriert werden, entweder die POSIX oder »korrekte« zu benutzen, oder indem der Umgebungsvariablen TZDIR ein Datenbankpfad zugewiesen wird.