Arvuti kellaaeg

Arvuti ja aeg

Arvuti, nagu paljud muudki seadmed, toimib ajas. Operatsioonisüsteemil on oma 'ettekujutus' parasjagu käesolevast kellaajast ja sellest, millise kiirusega aeg liigub. Lisaks kasutajale nähtamatuks jäävatele, nö sisemistele toimingutele, mille juures arvuti aega arvestab, näiteks CD-seadmes laserkiire liigutamise tarvis, kasutatakse aega ka näiteks faili moodustamise kellaaja ülestähendamiseks. Esimesel juhul ei ole oluline mitte niivõrd see, mis kuupäev on, kuivõrd arvuti võime teatud 'rütmis' tegutseda. Teisalt on aga nimelt vajalik tagada, et arvuti kell vastaks sellele ajale, mida tädi raadios ütleb.

Lisaks failidega tegelemisele, on kellaaeg oluline näiteks e-posti, veebiteenuste, autentimise ja logide tekitamise puhul.

Enamuse arvutikasutajate kellaaeg, nn kohalik ehk vööndiaeg, ei lange täpselt kokku etalonajaks peetava UTC (Universal Time Correctable) ajaga, vaid on sellest täisarvu tundide võrra erinev. Kohalikku aega kasutatakse seepärast, et kell kaksteist oleks päike enamvähem oma kaare haripunktis. Eestis kasutatakse suveaega ja seega on meie aeg talvel kaks ning suvel kolm tundi UTCst taga. Näiteks kui Inglismaal on kell alles 7 hommikul, on meil kell juba 9 samal hommikul (Inglismaal kasutatakse ka suveaega). Linuxi ajatsooni seadmiseks kasutage progammi timeconfig või soovides ise ajatsoonifaile kompilleerida, programmi zic.

Linuxi puhul saab lihtsasti kontrollida, millisesse ajatsooni on arvuti seadistatud lingi /etc/localtime abil

bash# ls -l /etc/localtime 
lrwxrwxrwx   1 root     root           36 Mar 25 21:41 /etc/localtime -> /usr/share/zoneinfo/Europe/Tallinn

Vajadusel võib lingi /etc/localtime suunata ümber mõnele teisele asukohale.

Käesolev kirjatükk selgitab, kuidas seada arvuti tööle selliselt, et tema kellaaeg kalduks võimalikult vähe kõrvale etalonajaks valitud ajast. Seoses UTCga tuleb märkida, et see aeg on seotud tseesiumi-133 aatomiga ning on praktiliseks kasutamiseks ideaalselt täpne ning ei sõltu Päikesesüsteemist. Klassikaliselt on pikka aega kasutatud ning tõenäoliselt kasutatakse veel kaua GMT (Greenwinch Mean Time) aega. GMT on keskmine päikeseaeg ja sõltub Maakera pöörlemisest. Kuna Maakera pöörlemine pole ühtlane ja varem või hiljem lähevad UTC ja GMT kellad üksteisest lahku, on kombeks korrigeerida UTC aega vastavaks GMT ajaga, siis kui erinevus ületab üht sekundit. Kui seda mitte teha, siis liiguksid UTC kellad päikeseajast märgatavalt eemale ning see oleks ebamugav.

Maakera pöörlemise ebaühtlus tuleneb tõusu ja mõõnaga seotud hõõrdumistest. Samuti sellest, et kevadel, mil puud lehte lähevad, kerkib märgatav mass maapinnast eemale, ja sügisel, kui lehed langevad, vastupidi. Sellega kaasneb Maa inertsimomendi muutus.

Kokkuvõttes Maa pöörlemine aeglustub, näiteks saja aastaga muutub aasta 0.8 sekundi võrra pikemaks.

Arvuti aja vaatamine ja seadmine

Personaalarvuti juures kõneldakse kahest kellast:

   * BIOSi kell ehk nn raua kell (ingl. k. hardware clock) - seda aega liigutab patarei, mis töötab aastaid ja tagab, et kell käiks ka siis, kui arvuti
     pole voolu all. BIOSi kellaaega saab näha andes käsu

     bash~$ hwclock --show

     Võimalik, et te peate käivitamisel näitama programmi nime koos teega, so /sbin/hwclock.
   * operatsioonisüsteemi kell - see kell põhineb raua kellal, kuid ei pruugi sellega kokku langeda. Tarkvaraliselt saab süsteemi aega ka automaatselt
     korrigeerida kui näiteks raua kellal on omadus maha jääda. Enamus programme kasutab operatsioonisüsteemi aega.

     bash~$ date

Neid kahte kella saab seada juurkasutaja järgmiselt:

Operatsioonisüsteemi kell

bash# date --set="12/31/1999 16:18:30"

BIOSi kell

bash# hwclock --systohc
bash# hwclock --set --date="12/31/1999 16:18:30"
bash# hwclock --hctosys

   * --systohc tähendab, et raua kell seatakse süsteemi kella järgi
   * --set --date="12/31/1999 16:18:30" tähendab, et kella seatakse nagu real näidatud
   * --hctosys tähendab, et süsteemi kell seatakse raua kella järgi 

Neid käske kasutades ja näiteks raadiost kellaega kuulates saab ilmselt arvuti kellaaega paljude praktiliste vajaduste rahuldamiseks piisavalt täpselt paika seada.

Kui teile ei meeldi aga nii kombineerida, siis järgmine, suuremat mugavust ja täpsust võimaldav variant, on kasutada aja serveritena töötavaid interneti arvuteid ning programmi netdate, näiteks madli.ut.ee

bash# netdate timehost.ut.ee

Sellise käsu andmiseks peate te tegutsema administraatori õigustes ning tulmusena seatakse teie arvuti süteemi aeg. Programm tuleb kaasa Slackware distributsiooniga.

Sarnaselt toimib programm rdate

bash# rdate -s timehost.ut.ee

Kui võtme -s asemel kasutada võtit -p, siis kella ei seata, vaid ainult näidatakse, mis kauge masin ütleb kella olevat. Programm tuleb kaasa RedHati distributsiooniga.

Automaatne aja seadmine NTPga

Selleks, et arvuti kell püsiks pika aja vältel, näiteks nädal, õige tuleb teda regulaarselt võrrelda etalonkellaga ning vajadusel korrigeerida.

Eelmises punktis kirjeldatud programme leidlikult kasutades, näiteks crontabist, on võimalik arvuti kella automaatselt mingi eeskujuks valitud ajaserveriga kooskõlastada. Või kui olude sunnil tuleb teil masinat tihti käivitada, siis võib ka kirjeldatud käsud kirjutada arvuti alglaadimiskriptidesse.

Aja seadmisel on loomulik seda teha sujuvalt, see tähendab mitte järsku liigutada näiteks kahe sekundi võrra, vaid pigem teha seda viiskümmend korda viie minuti jooksul kuue sekundi tagant, korraga 40 millisekundit.

Sellist sujuvust ja muud pakub spetsiaalne NTP (Network Time Protocol) tarkvara.

NTP kasutamine eeldab kokkulepet üldaktsepteeritava kellaaja etaloni suhtes. Tänapäeval on selleks üldtunnustatult GPS. NTP süsteemis on olemas esimesse, teise, kolmandasse jne kihti (ingl. k. stratum) kuuluvad NTP serverid ning kliendid. Seda hierarhiat kujutab skeem

               /--\
              |    | - GPSi satelliit taeva all
               \__/
--------------------------------------------------------------------
             --|--                --|--
1. kiht     |     |              |     |  GPSi seadmega ühendatud 
             -----                -----   arvutid
--------------------------------------------------------------------
2. kiht      -----      -----      -----      -----
            |_____|    |_____|    |_____|    |_____|     stratum 1 arvutite
                                                         kliendid          
---------------------------------------------------------------------
3. kiht     |_____|    |_____| 

Esimese kihi masinate kellaaeg on kõige täpsem, nad on ühenduses etalonkellaga, näiteks GPSi seadme abil satelliitidega. Selliseid masinad on maailmas vaid mõned sajad ning tavakasutajal ei ole viisakas nende kliendiks otse asuda.

Teise kihi NTP masin on seatud kliendiks esimese kihi masinale. Tavaliselt näidatakse iga NTP serveri jaoks ära kolm temast ülespoole jäävat serverit kusjuures töö käigus kasutatakse korraga ühte, kõige sobivamat aeg-ajalt kontrollides, kas kasutatav on ikka kõige sobivam. Teise kihi masin on omakorda ise serveriks endast allapoole jäävatele kolmanda kihi NTP masinatele.

Kolmanda kihi masinad asuvad ja teenindavad tüüpiliselt kohalikke võrke. Võrkudes asuvad ülejäänud arvutid, nö NTP kliendid kuuluvad seega neljandasse kihti. Suurte kohalike võrkude puhul soovitatakse tekitada veel üks kohalik tase, viies kiht. Nii tekitatakse mõned asutusesised kolmanda kihti NTP serverid, mille klientideks saavad neljanda kihi NTP serverid mis omakorda teenindavad nö lõppkliente. Kuigi NTP protokoll võimaldab kuuteist kihti ei soovitata kasutada üle viie-kuue kuna alumistel kihtidel vead suurenevad.

NTP protokolli kohaselt on võimalik kellaaja hoidmine täsusega sadu pikosekundeid. Praktiliselt on see interneti puhul suurusjärgus millisekundeid.

NTP kasutamine

Enne NTP kasutamist tuleb leida endale sobiv NTP server. Eesti oludes tuleks kasutada teise kihi servereid, soovitatav on valida enda ISP oma:

Eesti ISP'de (ehk TIX ja/või TLLIX liikmed) ajaserverid 19 august 2006 seisuga

*ntp.eenet.ee - stratum 1
*ntp.uninet.ee - stratum 1
*ntp.elion.ee - stratum 1
*ntp.estpak.ee - parv kus on ntp.elion.ee + 4 stratum 2 serverit
*ntp.norby.ee - stratum 2
*ntp.zeppelink.net - stratum 2
*ntp.aso.ee - stratum 2
*ntp.starman.ee - stratum 2, vastab ainult Starmani võrgus
*ntp.online.ee - stratum 3

Vabu muumaailma ajaservereid leiab http://www.pool.ntp.org

pool.ntp.ee projekti eesmärgiks on luua lihtsalt kasutatav ja töökindel ajateenus mis hajutaks koormust ja ei lubaks populaarste ajaserverite üle koormamist. Praegu on selle projektiga liitunud üle 600 serveri.

.ee-doomenis (Eesti) on selle teenusega liitunud servereid vähe, vt: http://www.pool.ntp.org/zone/ee, http://www.pool.ntp.org/user/toomasp, seetõttu soovitatakse kasutada Euroopa servereid: http://www.pool.ntp.org/use.html

Järgnevas vaatleme lihtsalt juhtu, mis kehtib nii NTP kliendi ehk lõppkasutaja, kui ka sellise masina jaoks, mis on omakorda teistele, endast allapoole jääva kihi masinatele NTP serveriks.

Eeldades, et sobiv tarkvara on teie masinasse juba installeeritud tuleb esmalt kell panna enamvähem paika, näiteks NTP enda vahenditega, programmiga ntpdate

bash# ntpdate tartu-gw.bb.eenet.ee

NTP konfiguratsioonifail /etc/ntp.conf on lihtsamal juhul selline

server tartu-gw.bb.eenet.ee
server werro-gw.bb.eenet.ee
server paide-gw.bb.eenet.ee
driftfile /etc/ntp.driftfile

Parameetri server taga tuleb näidate ülespoole jääv NTP server, kellelt teie hakkate kellaaega saama. Parameetri driftfile järel näidatakse faili nimi, mille NTP ise tekitab töö käigus ja seal olev arv on seotud teie arvuti ebarütmilisusega, mida on vaja NTP töö jätkamiseks, kui näidatud ülemise kihi serverid ajutiselt ei peaks töötama. Ülalpool asuvad serverid tuleks valida nii, et nad on üksteisest sõltumatud, st jälgides NTP hierarhiat viivad nad välja erinevate GPSi seadmetega ühendatud masinateni.

NTP serveri käivitamine toimub selliselt

bash# ntpd -l /var/log/ntp.log

kus võtme -l taga on näidatud NTP logi faili nimi.

Kui te muudate serveri konfiguratsiooni, siis on lihtsaim server seisata ning taas käivitada. Seiskamine toimub näiteks prototsessi lõpetamisega

bash# killall ntpd

NTP serveril kulub peale käivitamist ivake aega (ca 8 minutit), et sünkroniseeruda endast üleval pool oleva serveriga.

Programmi ntpq abil saab näha, millised masinad on konfigureeritud teie jaoks NTP serveriteks ja millist neist parasjagu kasutatakse (tärniga tähistatud)

bash# ntpq -p ntp.zoo.tartu.ee
remote                   refid          st t when poll reach   delay   offset jitter
 ==============================================================================
+werro-gw.bb.eenet.ee   ntp.eenet.ee   2 u  253 1024  377   12.284    2.729 0.613
+paide-gw.bb.eenet.ee   ntp.eenet.ee   2 u  322 1024  377    3.262    0.899 0.004
*tartu-gw.bb.eenet.ee   ntp.eenet.ee   1 u  322 1024  377    3.600    1.043 0.018

Selleks, et näha kus te asute NTP hierarhias, kasutage programmi ntptrace

bash# ntptrace ntp.zoo.tartu.ee
ntp.zoo.tartu.ee:      stratum 3, offset 0.000010, synch distance 0.02834
tartu-gw.bb.eenet.ee:  stratum 2, offset 0.000010, synch distance 0.02834
ntp.eenet.ee:        stratum 1, offset 0.000613, synch distance 0.00053, refid 'GPS'

Programmi väljundist näeme, et masin ntp.zoo.tartu.ee asub ise kolmandas kihis, kusjuures ta suhteb teise kihi masinaga tartu-gw.bb.eenet.ee mida omakorda korrigeerib ntp.eenet.ee.

Kui te olete üksikkasutaja, siis sellega asi jääb. Aga kui te tekitate näiteks modemi abil ainult lühiajalisi internetti ühendumisi, mis ei kesta piisavalt pikka aega (mõni tund), et tekiks driftfail, siis on teil mõtekas piirduda üldse vaid arvuti kell seadmisega programmi ntpdate abil.

Soovides hoida kogu kohaliku arvutivõrgu moodustavate masinate kellad NTP abil õiged, peate kirjeldatud moel tööle seadma oma võrgu ühe arvuti, kohaliku NTP serveri. Ülejäänud arvutid tuleb konfigureerida kohaliku NTP serveri klientideks. See toimub sarnaselt, ülaltoodud konfiguratsioonifail sobib nii NTP serveri kui ka kliendi jaoks. Antud juhul jäävad kohalikud kliendid neljandasse kihti.