news 2026/10/28 3:03:23

NTP时间同步:step与slew原理及chrony配置避坑

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张小明

前端开发工程师

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文章封面图
NTP时间同步:step与slew原理及chrony配置避坑

NTP 的 step 和 slew 说的其实是同一件事的两种干法——把本机时钟和参考源之间的偏差抹掉。step 是把CLOCK_REALTIME一把拨到正确位置,slew 是让时钟走得快一点或者慢一点,慢慢蹭过去。很多人配了好几年 chrony,配置文件里那行makestep 1.0 3一直是复制粘贴来的,从没想过为什么是 1 秒、为什么是 3 次,也没想过把maxslewrate调大之后到底会发生什么。等到某天机房断电恢复,几十台机器带着几分钟的偏差一起上线,定时任务跑了两遍、日志时间倒流、分布式锁互相打架,才会回头认真看这两行参数。这篇就把 step 和 slew 从内核接口一路捋到配置文件,顺带把阈值怎么定、追平要多久、哪些负载经不起跳变这些实操问题讲透,适合正在维护在线服务、被时间问题坑过、或者单纯想把 chrony.conf 看明白的人。

1. 断电六小时后的 37 秒:跳变与平滑在校时里指什么

前几年遇到过一次很典型的事故。某机房市电中断,备用电池撑了没够,整排机器硬断电六个多小时,等电来了自动上电,几十台机器几乎同时起来。这些机器的主板电池大多到了年限,CMOS 走时早就飘了,起来之后和上游时间源一比,偏差从十几秒到七十多秒不等。麻烦的地方在于,这批机器的校时配置并不统一:一部分是老配置,makestep 1.0 3还留着;另一部分是后来被人“优化”过的模板,只留了server行,makestep被删掉了。

结果就是两种完全不同的表现。有makestep的那批,chronyd 起来几秒内把时间直接拨正,日志里一行干脆的记录,业务无感。没makestep的那批,chronyd 开始以很慢的速度把时钟往前赶,几十秒的偏差要追将近一个小时,在这一个小时里,这些机器和已经跳正的机器之间始终差着几十秒。那天真正出问题的不是时钟本身,而是那些“机器之间时间不一致”的连带效应:一台机器认为任务还没到点,另一台认为已经过点十分钟。

1.1 两种动作,其实是在处理两种不同形态的“错”

先把概念钉死。step 就是把墙钟的当前值直接改写成一个新值,从系统的角度看,CLOCK_REALTIME在某一瞬间从 T1 变成 T2,中间没有任何过渡。slew 是不改当前值,而是改“时钟走的速度”,让本机时钟在接下来的一段时间里比真实时间快一点或者慢一点,直到偏差被吃掉。

这个区别带来的后果非常不对称。step 是“瞬间正确,但过程有断裂”;slew 是“过程连续,但一段时间内仍然不准”。选哪个,本质上是在回答一个问题:你的系统更能容忍“一段时间内时间不准”,还是更不能容忍“时间轴上出现一个断点或回退”。

大部分在线服务怕的是后者。一个跳变,尤其是向后的跳变,会让很多基于时间戳做判断的逻辑陷入自我矛盾:先写进去的记录时间比后写进去的还新,令牌的签发时间在“未来”,租约看起来还没过期但其实早就该过期了。而刚开机、刚装好系统、刚从长时间离线状态恢复的设备,怕的是前者——偏差可能有几分钟甚至几小时,靠 slew 追要追到天荒地老。

1.2 为什么没有第三种选择

有人会问,能不能“又快又平滑”。严格来说不能,这是由物理约束决定的:时钟的频率可以在一定范围内调整,但调整幅度有上限,所以“每秒能追回多少偏差”有上限;想让偏差消失得更快,就只能突破频率调整的范围,那就变成直接改值,也就是 step。

所以内核只给了两把旋钮,一把叫“改频率”,一把叫“改当前值”。所有 NTP 实现——ntpd、chrony、systemd-timesyncd,乃至你自己写的校时脚本——做的事情无非是在这两把旋钮之间做选择,再决定什么时候用哪一把。理解了这一点,配置文件里那些参数就不再是玄学。

2. 偏差是怎么攒出来的,内核又靠什么让时钟“走慢一点”

要把阈值定得合理,得先知道偏差的量级。服务器上的时钟不是凭空产生误差的,它背后是一颗石英晶振在数数。晶振的频率会随温度漂、随老化漂、随供电电压漂,标称 100 MHz 的晶振实际可能是 100.0000123 MHz,这个相对偏差就是 ppm(百万分之一)。

2.1 晶振、温度与虚拟化:ppm 是个什么量级

普通主板上的晶振,常温下偏差大概在 ±20 ppm 以内,换算成时间是每天 1.7 秒左右。廉价一点的、老化严重的,100 ppm 也不稀奇,那就是每天 8.6 秒。机房温度控制得好,这个值会稳定一些;如果是没有空调的边缘机柜、车载设备、户外设备,一天之内温度变化几十度,偏差跟着一起摆。

虚拟化环境更麻烦。虚拟机的时钟本质上来自宿主的时钟,但 vCPU 被调度出去的时候,客户机里读到的时间会“卡住”,等调度回来再补偿,这个补偿往往不精确。负载越重,vCPU steal time 越高,时钟漂移越明显。我见过压力大的时候,一台虚拟机一天漂出去十几秒的。容器则更极端一点——容器共享宿主的内核时钟,容器自己不应该、也没有能力去校时。

一个粗略的量级参考:物理机每天漂 1 到 10 秒算正常,虚拟机每天漂 5 到 30 秒也常见,长期不通电靠 CMOS 电池走时的机器,一个月漂几分钟是常态。这些数字决定了你的makestep阈值不可能定得很小。

2.2 adjtimex 暴露的三把旋钮

Linux 把这套能力通过adjtimex(2)这个系统调用暴露出来,参数结构体里有一堆字段,真正关键的是三个:offset、freq、modes。

freq是频率修正量,单位是 ppm(内核内部按 16 位小数放大,所以实际精度到 1/65536 ppm)。写进去之后,内核会按这个修正量调整时钟的走速,本机时钟就变快或者变慢一点点。这个修正量有上下限,Linux 内核里大约在 ±500 ppm 这个量级,具体常量在不同内核版本里可能略有差异,但数量级一直是这个。这就是“内核自己慢慢追”的物理天花板。

offset配合不同的modes位含义完全不同。带ADJ_OFFSET_SINGLESHOT标志时,表示“我给你一个偏差,你在后台慢慢消化掉”,这正是adjtime(3)库函数最终落到内核的形态。不带这个标志时,ADJ_OFFSET是喂给内核 PLL 的一个输入,由 PLL 自己根据时间常数(time_constant,默认 7)决定收敛速度。而ADJ_SETOFFSET是另一种东西——它是直接步进,把指定量加到当前时间上。

2.3 阶跃走 clock_settime,平滑走 adjtime

所以从系统调用层面看,两条路径非常清晰:

动作典型接口内核行为对CLOCK_MONOTONIC的影响
stepclock_settime(CLOCK_REALTIME)、settimeofday()、adjtimex(ADJ_SETOFFSET)直接改写墙钟基准无影响,单调时钟继续按自己的节拍走
slewadjtime(3)、adjtimex(ADJ_OFFSET_SINGLESHOT)、adjtimex(ADJ_FREQUENCY)调整走速,逐步消化偏差无影响,但墙钟与单调时钟的差值会变

这里有个经常被忽略的点:CLOCK_MONOTONIC不受 step 影响。内核的单调时钟基于另一个基准,settimeofday动不了它。这意味着sleep()、epoll_wait的超时、systemd 的定时器、大多数语言的time.monotonic(),在 step 发生时都是安全的,它们不会突然多睡或者少睡。真正被 step 打乱的是所有基于墙钟的判断——time.time()、日志时间戳、数据库里存的时间字段、证书有效期校验。

把这条记住,后面判断“某个服务会不会被跳变搞坏”就有了基本依据:看它依赖的是单调时钟还是墙钟。

3. 500 ppm 这条线:slew 究竟能追多快

很多人对 slew 的直觉是错的。以为“平滑同步”就是很快地把时间拉回来,只是过程平缓一点。实际算一下就知道,慢得离谱。

3.1 把 ppm 换算成“每秒追回多少毫秒”

ppm 是百万分之一。500 ppm 就是每秒钟时钟比正常快 500 微秒,也就是 0.5 毫秒。要追回 1 秒的偏差,需要 2000 秒,也就是 33 分钟。这个换算关系值得背下来,因为它直接决定了阈值该定在哪里。

频率修正上限每秒追回每分钟追回追平 1 秒耗时追平 60 秒耗时
500 ppm(ntpd 默认上限)0.5 ms30 ms约 33 分钟约 33 小时
1000 ppm1 ms60 ms约 17 分钟约 17 小时
83333 ppm(chrony 默认maxslewrate)83 ms5 秒约 12 秒约 12 分钟
1000000 ppm(chrony 允许的上限)1 秒60 秒约 1 秒约 1 分钟

看完这张表就明白为什么 ntpd 的默认 step 阈值是 128 毫秒了。128 毫秒在 500 ppm 下只需要 256 秒就能追平,四分多钟,可以接受。如果阈值放到 10 秒,那就要追五个半小时,中间这段时间系统的时间一直是错的,不如直接跳。

3.2 ntpd 死守 500 ppm,chrony 为什么敢开到 8%

ntpd 的tinker maxslewrate默认就是 500 ppm 左右,它基本上只靠内核频率修正来追时间,所以快不起来。chrony 的思路不一样:它的maxslewrate默认值可以到 83333 ppm 这个量级,比内核能承受的频率修正范围大得多。

原因在于 chrony 追时间的方式不是单纯调频率。当需要的速率超过内核频率修正的范围时,它会把偏差拆开处理:一部分交给频率修正,剩下的部分通过密集的小幅偏移修正来补。这些修正量被控制在远小于makestep阈值的量级上,对上层应用表现出来的是“时钟走得快了一点”,而不是一次可见的跳变。换句话说,chrony 的高速 slew 本质上是“很多很多个极小的台阶”,宏观上看是斜坡。

这个设计让“平滑”变得实用了。默认配置下追 1 秒只要十几秒,追一分钟也就十来分钟。对于不能跳变但偏差又不小的场景,这是目前最省心的方案。

3.3 makestep 的阈值该由服务的容忍度倒推

阈值不是拍脑袋定的,应该反过来推:先确定你的服务能容忍多长时间的“时间不准”,再根据 slew 速率算出对应的偏差上限,这个上限就是makestep的阈值。

举个具体例子。假设你的服务要求时间误差始终不超过 2 秒,chrony 用默认 slew 速率大约 83 ms/s,那么从 2 秒误差追到 0 需要 24 秒,这 24 秒里误差是从 2 秒往下单调递减的,最大值就是 2 秒,符合要求。那阈值可以放到 2 秒甚至更大一点,因为超过阈值就步进,步进是瞬间归零,也不会超过 2 秒。但如果你的服务要求误差不超过 200 毫秒,阈值就该定在 200 毫秒附近,超了直接跳。

场景建议makestep理由
普通物理机、边缘设备、离线部署makestep 1.0 3偏差常见且量级不小,启动早期跳变成本最低
数据库主库、共识算法节点makestep 0.5 1,稳态期不允许再跳稳态期一次回退可能破坏租约和写入顺序
日志采集、指标聚合的宿主makestep 1.0 3,但容器内一律禁用自己的校时宿主统一校时,容器只跟随
计费、审计、账务类阈值收紧,超限告警而不是自动跳时间倒流造成的记录错乱不可逆

这里有个细节容易被误解:chrony 的makestep threshold limit里,limit是时钟更新的次数,不是秒数,也不是“系统启动后的前 N 次”。makestep 1.0 3的意思是:在 chronyd 启动后的前 3 次时钟更新中,如果偏差超过 1 秒就步进;3 次之后,即使偏差再大,也只做 slew。这个语义决定了它在“开机后很长时间才第一次拿到时间源”的场景下可能已经失效——因为那几次更新早就用完了。

如果需要“任何时候偏差超过阈值都跳”,用负数:makestep 1.0 -1。这在一些自动化部署里见过,图省事,但对在线服务是有风险的,因为这意味着运行期随时可能来一次跳变。

4. 谁经不起一次跳变,谁又等不起慢慢追

判断标准其实就一条:这个组件判断“现在”的时候,用的是墙钟还是单调时钟,用了之后做了什么。

4.1 分布式共识与租约:时间倒流代价最高的地方

共识类系统对时钟的依赖比大多数人想的要深。Raft 的选举超时通常用单调时钟,这块是安全的;但 leader lease、租约续期、跨节点的时间戳排序,往往落在墙钟上。一次向后的跳变会让节点认为自己的租约还有效,而实际上在真实时间里租约早就该到期了,于是出现两个 leader 同时认为自己有效的窗口。

数据库也类似。事务 ID、快照隔离的可见性判断、基于时间戳的冲突解决,这些逻辑如果遇到时间回退,可能出现“更新丢失”或者“读到不该读的版本”。很多数据库在文档里明确写了“不要在运行期回拨系统时钟”,但很少有团队真的当回事,直到真出事。

我自己的经验是:对于这类系统,slew 的代价是可控的(一段时间内时间偏一点),step 的代价是不可控的(可能出现违反不变量的状态)。所以宁可慢,也不能跳。阈值定小一点,只在启动早期允许一次跳变,运行期一律平滑。

4.2 票据、证书与定时任务:跳变后遗症

和共识系统相比,这些场景的后果轻一些,但更容易被忽视,而且往往是“跳变之后几小时才发作”。

时间向前跳,所有“还有 5 分钟过期”的东西瞬间变成“已过期”。缓存的 TTL 集体失效,鉴权票据全部需要重新申请,证书校验如果跳得够远会直接失败。如果跳变幅度大,还可能让一些“未来才生效”的配置提前生效。

时间向后跳,问题更隐蔽:已经过期的票据看起来又有效了,日志里出现重复的时间段,定时任务可能重复触发。cron用的是墙钟,一次回拨跨过某个整点,那个时间点的任务有可能被再触发一次,也可能被跳过。这类问题排查起来特别费劲,因为现象和原因隔得太远。

4.3 离线和冷启动:这时候不 step 就是自找麻烦

反过来,有些场景下坚持用 slew 是纯粹的自我折磨。刚从库存里拿出来上架的设备、停电几小时后恢复的机器、海运过来的车载终端,偏差可能到几分钟甚至几小时。用 500 ppm 追一小时偏差需要 83 天,等于永远追不上。

这种场景没有任何犹豫的余地,必须 step。而且最好是“启动时立刻跳一次,之后就老实平滑”。chrony 的做法是在配置文件里先写makestep,然后靠limit参数限制次数;更稳妥的方式是用chronyc makestep在上层编排脚本里显式触发一次,跑完再确认状态。

还有一个隐藏的坑:如果偏差大到超过某些实现的“恐慌阈值”,校时进程会直接拒绝调整,认为自己可能拿到了错误的时间源。ntpd 里这个阈值默认是 1000 秒,超过就 panic 退出;-g参数可以让它忽略一次。chrony 也有类似的保护机制,目的是防止一个错误的时间源把整批机器带偏——这个保护是有道理的,绕过它之前最好先确认时间源是可靠的。

5. 三套配置的落地写法与观测手段

理论说完了,落地其实就几行。下面按 chrony、ntpd、systemd-timesyncd 三套分别给。

5.1 chrony:makestep、maxslewrate、corrtimeratio

chrony 是现在的主流选择,配置也最直观。

# 时间源,至少给 4 个,方便做真假判定 pool time1.example.net iburst pool time2.example.net iburst # 前 3 次更新内,偏差超过 1 秒就直接步进,之后只平滑 makestep 1.0 3 # 平滑追时间的速率上限,默认 83333 ppm,一般不用动 # 如果机器对时间误差极度敏感,可以调小到 1000 以下,代价是追得更慢 maxslewrate 83333 # 修正时间与误差累积时间的比例,默认 3 # 意思是“这段误差累积了 T 秒,我最多花 3T 秒把它修完” corrtimeratio 3 # 拒绝偏差太大的源,防止被带偏 maxdistance 16.0 maxupdateskew 100.0

几个参数的实际含义值得掰开说。corrtimeratio控制的不只是速度,还影响平滑过程中的抖动:比例越小追得越急,时钟频率变化越剧烈,对依赖高精度定时的应用(比如音频处理、高频采集)不友好;比例越大越温和,但时间不准的窗口拉长。默认 3 是个不错的折中。

makestep的limit如果写成负数,表示“任何一次更新都可以跳”,等价于放弃稳态保护。我看到过有团队为了“省事”直接写makestep 1.0 -1,结果某次上游时间源抽风,全网机器一起跳了 4 秒,比不跳还惨。

5.2 ntpd:-g、tinker step、tinker panic

ntpd 的玩法不太一样,它的 step 阈值是全局的,靠tinker调。

# ntpd.conf server time1.example.net iburst server time2.example.net iburst # 偏差超过 128 毫秒就步进,低于则平滑 tinker step 0.128 # 偏差超过 1000 秒认为是异常,直接退出保护 tinker panic 1000 # stepout:等待多久还不满足条件就放弃这次步进 tinker stepout 300

启动脚本里通常会带-g,作用是允许第一次调整突破 panic 阈值,专门对付“开机时偏差极大”的情况。这个参数不要常驻,一般只在首次启动时用一次。

ntpd 的 slew 上限基本就是内核频率修正的范围,所以它对大偏差的处理策略非常干脆:要么跳,要么慢慢磨。这也是这些年它被 chrony 取代的主要原因之一。

5.3 观测:chronyc tracking 与 adjtimex -p 怎么读

配完了得能看出来它在干什么。chrony 的tracking是最重要的观测入口。

chronyc tracking

几个关键字段:System time是当前相对参考源的偏差,正数表示本机慢、需要往前拨;Last offset是上一次测量的偏差;Frequency是本机时钟相对标称频率的实际偏移,单位 ppm,这个值能反映晶振的健康度;Residual freq是残余频率误差,正常应该接近 0;Skew是频率估计的不确定度;Update interval是当前轮询间隔。

判断是否在平滑过程中,看System time是不是在持续单调地向 0 靠近,同时Frequency偏离正常值较多。看到这种组合,说明 chronyd 正在主动加速或减速。

chronyc sources -v

sources里的状态位很有用:^*是当前选中的源,+是可接受的备选,-是被排除的,?是不可达或还没测够。Reach是八位的可达性寄存器,全377表示最近八次都收到了。如果Reach在退化,说明网络或上游有问题,这时候讨论 step 还是 slew 没意义。

内核层面用adjtimex看。

adjtimex --print

输出里的status是标志位组合,STA_PLL置位说明内核 PLL 在参与调整,STA_UNSYNC置位说明内核认为还没同步。offset是内核当前持有的待消化偏差(微秒),freq是频率修正量(ppm,带 16 位小数)。tick是内核每个时钟中断的实际长度,正常情况下接近 10000 微秒。

一个实用的自查动作:System time一直在 0 附近小幅跳动、Frequency稳定、Skew很小,说明系统处于健康的稳态。如果System time反复出现几十毫秒的跳变,先怀疑上游链路抖动或者轮询间隔太长,别急着改makestep。

6. 排查链路:显示“已同步”但仍然出问题

最难受的情况不是校时失败,而是校时显示正常,业务却在报错。这种情况我遇到过几次,下面把一次完整的排查过程写出来,思路可以直接复用。

6.1 第一步:确认“同步”到底同步到什么程度

chronyc tracking显示Leap status: Normal、System time是几十微秒,看起来完美。但这只说明当前时刻的偏差小,不代表过去一段时间没发生过跳变。

这时候要看chronyc tracking里的Last offset和RMS offset。如果RMS offset比System time大一到两个数量级,说明最近有过一次较大的调整,正在或刚刚收敛。再看chronyc sourcestats,里面记录了每个源的偏移历史估计,能从频率和偏移的变化趋势里看出端倪。

紧接着翻系统日志。journald 里搜 chronyd 的关键字,能直接看到它记录的动作:System clock was stepped by X seconds、System clock wrong by X seconds, adjustment started。这一行就是铁证,比任何间接推断都可靠。

6.2 第二步:把“时间跳变”和应用异常对上时间线

确认了跳变发生的时刻,接下来的活是关联分析。这一步最费时间,但方法很简单:把跳变时刻前后几分钟的应用日志拉出来,看有没有集中的异常。

典型症状我有几个固定检查项。一是systemd的定时器日志,看有没有任务在跳变前后重复执行;二是应用的会话或令牌相关日志,看有没有“签发时间在未来”或者“已过期”的异常;三是数据库的慢查询和事务日志,看有没有异常的时间戳顺序;四是指标系统里的 rate 类指标,时间回退会让 rate 出现负值或者巨大的尖峰。

如果这几项里有明确的异常,且时间戳精确落在跳变的那几秒内,基本可以结案。

6.3 第三步:判断是“该跳没跳”还是“不该跳跳了”

定位到跳变之后,要判断这次跳变是不是符合预期。翻配置文件里makestep的limit值,结合 chronyd 的启动时间算一下——如果limit是 3,而这台机器已经运行了几个月,那就不该再跳了。如果它跳了,说明配置文件被改过,或者limit写成了负数。

另一种情况是该跳没跳。表现是时间一直慢慢追,业务一直在“时间略偏”的状态下运行。这时候看System time的绝对值和收敛速度,用 3.1 节的表算一下预计耗时,如果预计耗时超过业务可接受窗口,说明阈值定高了,该往下调。

还有一种更隐蔽的:makestep配置正确,但因为时间源不稳定,chronyd 一直没进入“可步进”的状态。chronyc sources里如果所有源都是?或者状态不满,chronyd 就不会做任何调整,包括步进。这种“静默失效”最难发现,因为它不报错。

6.4 容器和虚拟机里的额外变量

容器里跑chronyc tracking看到的其实是宿主内核的状态,容器本身并没有独立的时钟。如果容器镜像里还装了 chronyd 并且在跑,那就是两个进程抢同一把旋钮,行为会非常诡异。我见过容器里 chronyd 和宿主 chronyd 互相拉扯,导致时钟频率被反复写入不同值,Frequency字段来回跳。

正确的做法是容器内一律关闭校时,把CAP_SYS_TIME能力去掉,让容器只能读时间不能改时间。虚拟机则要注意宿主的时间同步策略——宿主自己在跳,客户机跟着一起跳,客户机里配的makestep根本拦截不住。

7. 几个踩过的坑和一个可以直接照抄的策略

先说我踩得最疼的一个。有次给一批边缘设备做统一配置,为了“保证时间准确”,把makestep写成了makestep 0.5 -1。上线一周后,上游时间源的一次短暂抖动导致这些设备判定偏差超过 500 毫秒,全部一起步进。这些设备上的采集程序用的是墙钟做数据分片,一次回退让部分数据被写进了“上一秒”的分片文件,跨分片聚合的时候出现了重复计数。事后复盘,问题不在上游,而在于我们给了校时进程太大的权限。

第二个坑是关于maxslewrate的。为了让时间追得快一点,我把它调到了 500000 ppm。追是快了,但机器上的音频采集出现了周期性的丢帧,因为时钟频率变化太剧烈,音频子系统按时间戳算出的缓冲区位置和实际硬件指针漂移了。后来把速率降到 5000 ppm 以下才恢复正常。高速 slew 不是免费的,它对依赖时间精度的实时处理是有代价的。

第三个坑比较冤。某次新装的一批机器时间怎么都同步不上,chronyc sources全是?。查了半天发现是防火墙把出向的 UDP 123 端口拦了,而校时进程本身不会因为收不到包就报错,它只是安静地等待。这个坑提醒我,排查时间问题要从“有没有拿到时间”开始,而不是从参数调优开始。

现在这套策略我已经用了两年多,没再出过事,可以直接拿去改:

  • 所有机器统一用 chrony,禁用 systemd-timesyncd,容器内不装任何校时组件。
  • 物理机和边缘设备用makestep 1.0 3,只在启动早期允许跳变,运行期只平滑。
  • 数据库、共识节点、账务系统用makestep 0.3 1,并且把System time超过 100 毫秒的情况接进告警,让人工介入而不是靠自动跳变。
  • maxslewrate保持默认,除非有明确的“必须追得更快”的需求,并且评估过实时业务的影响。
  • 所有节点的sources -v和tracking纳入监控,重点盯Reach退化、Skew变大、RMS offset异常这几种情况。

最后分享一个我觉得比参数更重要的小习惯:每次改动机器的校时配置,都顺手在变更记录里写一行“这台机器允不允许在运行期跳变”。听起来像废话,但真正出事的时候,这一行能帮你在一分钟内判断清楚,这次跳变是配置使然还是意外,而不是先去翻三个月前的提交记录。时间同步这件事,配置本身没多复杂,难的是让所有人都对“这台机器的时钟可以怎么动”有一致的预期。

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