深入理解时间同步与系统启动：PTP与GRUB2、systemd-boot详解

# 深入理解时间同步与系统启动：PTP 与 GRUB2、systemd - boot 详解 ## 1. PTP 网络时钟类型 在 PTP 网络中，除了主时钟（Grandmaster Clock），还有三种其他类型的时钟： - **普通时钟（Ordinary clocks）**：位于终端用户设备上，如服务器、桌面客户端、物联网设备等。 - **透明时钟（Transparent clocks）**：即网络交换机，用于在主时钟和普通时钟之间传输消息。不过，透明时钟不能跨 VLAN 边界发送消息。 - **边界时钟（Boundary clocks）**：可选的，仅在需要将网络划分为不同 VLAN 时使用。边界时钟不仅在主时钟和普通时钟之间传输消息，还会与主时钟同步，然后向其所在 VLAN 的普通时钟发送同步消息。使用边界时钟的好处是可以防止主时钟因延迟请求消息过多而不堪重负。 通常，组织会从首选的网络设备供应商（如思科或瞻博网络）获取透明时钟和边界时钟。在 Linux 中使用 PTP，主要是在服务器、桌面机和物联网设备上设置 PTP，使其从 PTP 服务器而非 NTP 服务器获取时间。 ## 2. 安装 PTP 要让 Linux 服务器、桌面或物联网设备从 PTP 源获取时间，需安装 `linuxptp` 包。不同系统的安装命令如下： ### 2.1 Alma 系统 ```bash [donnie@logserver ~]$ sudo dnf install linuxptp ``` ### 2.2 Ubuntu 系统 ```bash donnie@ubuntu2004:~$ sudo apt install linuxptp ``` 安装后，需停止并禁用当前运行的时间同步服务。 - 如果运行的是 `chronyd`，使用以下命令： ```bash [donnie@logserver ~]$ sudo systemctl disable --now chronyd ``` - 如果运行的是 `systemd - timesyncd`，使用以下命令： ```bash donnie@ubuntu2004:~$ sudo systemctl disable --now systemd-timesyncd ``` 安装 `linuxptp` 包会安装 `ptp4l` 和 `phc2sys` 两个服务，在启用或启动这些服务前，需要进行配置。 ## 3. 在 AlmaLinux 上配置 PTP ### 3.1 软件时间戳配置 1. 编辑 `/etc/sysconfig/ptp4l` 文件，原始内容如下： ```plaintext OPTIONS="-f /etc/ptp4l.conf -i eth0" ``` 这是主服务器的默认配置，且网络适配器名称有误。添加 `-s` 选项使其以客户端模式运行，并更改网络适配器名称。由于虚拟机可能无法使用硬件时间戳，添加 `-S` 选项以使用软件时间戳。编辑后的行应如下所示： ```plaintext OPTIONS="-f /etc/ptp4l.conf -S -s -i enp0s3" ``` 注意：请使用自己的网络适配器名称替换 `enp0s3`。 2. 启用并启动 `ptp4l` 服务： ```bash [donnie@logserver ~]$ sudo systemctl enable --now ptp4l ``` 可以使用 `systemctl status ptp4l` 查看服务状态，即使网络中没有 PTP 时间源，服务也会运行，且 `systemctl status` 输出的最后一行会显示 `ptp4l` 服务已选择最佳主时钟。 ### 3.2 硬件时间戳配置 使用硬件时间戳可实现最精确的时间同步，但要求机器的网络接口适配器支持硬件时间戳。较新的计算机通常能满足此要求。 1. 编辑 `/etc/sysconfig/ptp4l` 文件，这次去掉 `-S` 选项，编辑后的行如下： ```plaintext OPTIONS="-f /etc/ptp4l.conf -s -i enp0s3" ``` 2. 配置并启用 `phc2sys` 服务，使计算机时钟与网络适配器中的 PTP 硬件时钟同步。首先编辑 `/etc/sysconfig/phc2sys` 文件，默认内容为： ```plaintext OPTIONS="-a -r" ``` 将其更改为： ```plaintext OPTIONS="-c CLOCK_REALTIME -s enp0s3 -w" ``` 各选项含义如下： - `-c CLOCK_REALTIME`：指定要同步的时钟，`CLOCK_REALTIME` 是普通计算机时钟。 - `-s enp0s3`：指定用于同步的设备，这里使用 `enp0s3` 网络适配器中的 PTP 硬件时钟来同步普通系统时钟。 - `-w`：指示 `phc2sys` 服务在 `ptp4l` 服务处于同步状态后再尝试同步系统时钟。 3. 重启 `ptp4l` 服务，并启用和启动 `phc2sys` 服务。但在虚拟机上此操作会失败，因为 VirtualBox 网络适配器没有 PTP 硬件时钟。完成测试后，禁用 `ptp4l` 和 `phc2sys` 服务，并重新启用 `chronyd` 服务。 ## 4. 在 Ubuntu 上配置 PTP ### 4.1 软件时间戳配置 Ubuntu 没有补充的 PTP 配置文件，需要编辑 `ptp4l.service` 文件： 1. 执行以下命令开始编辑： ```bash donnie@ubuntu2004:~$ sudo systemctl edit --full ptp4l ``` 2. 在 `[Service]` 部分，将 `ExecStart` 行： ```plaintext ExecStart=/usr/sbin/ptp4l -f /etc/linuxptp/ptp4l.conf -i eth0 ``` 更改为： ```plaintext ExecStart=/usr/sbin/ptp4l -f /etc/linuxptp/ptp4l.conf -S -s -i enp0s3 ``` 3. 最后，像在 Alma 机器上一样启用并启动 `ptp4l` 服务。 ### 4.2 硬件时间戳配置 1. 再次编辑 `ptp4l.service` 文件，去掉 `-S` 选项以启用硬件时间戳，使 `ExecStart` 行如下： ```plaintext ExecStart=/usr/sbin/ptp4l -f /etc/linuxptp/ptp4l.conf -s -i enp0s3 ``` 2. 编辑 `phc2sys.service` 文件： ```bash donnie@ubuntu2004:~$ sudo systemctl edit --full phc2sys ``` 3. 在 `[Service]` 部分，使 `ExecStart` 行如下： ```plaintext ExecStart=/usr/sbin/phc2sys -c CLOCK_REALTIME -s enp0s3 -w ``` 4. 重启 `ptp4l` 服务，并启用和启动 `phc2sys` 服务。同样，由于 VirtualBox 网络适配器没有 PTP 硬件时钟，此操作会失败。完成测试后，将虚拟机恢复到之前使用的时间同步服务。 ## 5. 基本计算机架构术语 在讨论引导加载程序之前，先了解一些描述基本计算机架构的术语： |术语|描述| | ---- | ---- | |引导加载程序（Bootloader）|计算机启动时运行的第一个软件程序，负责加载 Linux 内核并启动初始化系统。| |引导管理器（Boot manager）|计算机开机时，引导管理器会显示引导菜单。如果安装了多个操作系统，可通过引导管理器选择要启动的系统；如果 Linux 发行版安装了多个内核，也可选择要启动的内核。| |BIOS|基本输入/输出系统，是位于计算机主板芯片中的固件，包含启动计算机的基本指令。计算机启动后，BIOS 会执行加电自检（POST）以验证硬件是否正常工作，然后启动引导加载程序。但 BIOS 存在一些问题，如无法处理超过两 TB 的驱动器，也不支持安全启动功能。| |EFI/UEFI|最初称为可扩展固件接口（EFI），版本 2 更名为统一可扩展固件接口（UEFI）。它已取代了较新计算机中的 BIOS，能很好地处理大容量驱动器，也支持安全启动功能。| |MBR|主引导记录，是较旧的分区类型。其主要缺点是无法处理超过两 TB 的分区，即使在支持大容量驱动器的 EFI/UEFI 机器上，MBR 仍然限制分区大小。此外，MBR 也指驱动器的前 512 字节扇区，在基于 BIOS 的机器上，引导加载程序会安装在此处。| |GPT|全局唯一标识符分区表，已取代旧的 MBR 分区类型，能很好地处理超过两 TB 的分区（具体最大分区大小取决于用于格式化分区的文件系统）。在 EFI/UEFI 机器上，引导加载程序需要安装在 GPT 分区中。| |GRUB2|即 Grand Unified Bootloader Version 2，是目前笔记本电脑、桌面和服务器上最流行的引导加载程序。它能很好地处理安装了多个操作系统的机器，虽然不属于 systemd 生态系统，但可在 systemd 机器上使用。| |systemd - boot|属于 systemd 生态系统的引导加载程序，目前使用不太广泛，但未来可能会更