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计算机时间到底是怎么来的?IT 工程师必备的知识

2021-08-08 09:39

大家好,我是 Kaito。
这篇文章我想和你聊一聊「时间」这个话题。
时间总是在不经意间流逝,我们在写代码时,也经常会调用「时间 API」,你有思考过这背后的原理吗?
关于时间的问题还有很多,例如:
  • 为什么计算机的时间有时候「走不准」?

  • 计算机究竟是怎么「自动校准」时间的?

  • 我们经常看到的 UTC 时间,到底是什么?

  • 我们在新闻上看到的「北京时间」,真的来自北京吗?

这篇文章,我们就来揭秘时间背后的秘密。

这篇文章非常有意思,希望你可以耐心读完。

时间为什么总是走“不准”?

你肯定遇到过这样的场景,家里买了一个钟表,时间一长,就会发现它走得「不准」了。
又或者,一台长时间不使用的电脑,它的时间也会发生偏差。
遇到这些情况,你可能会不以为然。时间不准,那我们就「人工」调准它。
但你有没有停下来想一想,为什么它们的时间会越走越不准呢?
要回答这个问题其实不难,我们只需要搞清楚,它们的时间是怎么来的。
钟表和计算机内部都有一个叫做「晶体振荡器」的东西,给它加上电压,它就会以固定的频率振动。但这个振动频率的「稳定性」,取决于它的制造工艺,以及外界环境的影响。
出于成本的考虑,钟表的制作工艺没那么高,所以它更容易有误差。而电脑制造工艺虽然比较高,但它内部的晶体振荡器也会受到「温度」变化带来的影响,在工作过程中,也会有产生误差。
虽然它们的误差很小,但日积月累下来,误差就越来越明显。
因此,我们现在使用的计算机,都有「自动校准」时间的功能。但是如何校准呢?

如何校准时间?

很简单,只要你把电脑连上了「网络」,你会发现,它会自动与「网络时间」保持同步。
可问题是,这个「网络时间」哪儿来的?
我猜你大脑的第一反应是,每台电脑肯定配置了一个「时间服务器」,之后这台电脑会与服务器定时同步,自动校准。
没错,确实是这样,不光是电脑,我们平时使用的手机、平板、智能手表等电子设备,只要能连接网络,都会自动同步网络时间。
那继续追问,这个「时间服务器」的时间就一定是准的吗?
理论来讲,它应该也是一台计算机,难道它不会遇到我们前面说的问题吗?
此外,这个网络时间究竟是怎么「同步」到我们的电脑上的?
你可能会说,那肯定是通过网络数据包。
问题又来了,网络传输数据也是有「延迟」的,同步服务器时间,不还是存在误差吗?
环环相扣,像一个俄罗斯套娃,很难解释清楚。
要想彻底搞清楚这些问题,就要深入到时间的「源头」来寻找答案。

时间是怎么来的?

时间是一个非常抽象的概念,多少年来,吸引着无数科学家、物理学家、甚至哲学家花费毕生精力去解释时间的本质是什么,从宇宙大爆炸到时空相对论,从黑洞到量子力学,都能看到关于时间这个问题的身影。
这里我们不探讨高深莫测的学术知识,只把目光放聚焦在计算机这个很小的范畴内。但要想清楚解释这个问题,也并非想的那么简单。
我们从最简单的开始说起。
想要知道时间是怎么被定义的,首先要知道「天」是怎么来的?

答案是:观察太阳。

由于地球的「自转」,人们可以看到日出日落,人们日出而作,日落而息,所以就把这一周期现象定义为「」。

地球除了自转,还在围绕太阳公转,所以公转一周就被定义为一「」。

再后来,人们为了把时间定义得更「精确」,就把一天平均划分为 24 等份,这就是「时」。

同样地,把 1 小时划分 60「分钟」,1 分钟划分为 60「秒」。

这样,时间的基本单位「秒」就被定义出来了。

所以,秒与天的关系就是这样的:

1 秒 = 1 / 24 60 60 = 1 / 86400 天。
这些定义,都与「地球自转」和「太阳」息息相关。
但是,后来人们发现,地球的公转轨道并不是一个正圆,而是一个「椭圆」,也就是说公转速度是「不均匀」的,这意味着什么呢?
这意味着每天的时间不是等长的,那根据天推算出的秒,自然也不是「等长」的。
但是,后来人们发现,地球的公转轨道并不是一个正圆,而是一个「椭圆」,也就是说公转速度是「不均匀」的,这意味着什么呢?
这意味着每天的时间不是等长的,那根据天推算出的秒,自然也不是「等长」的。
很明显,这里的计算存在误差。这怎么办?
聪明的人们就想到,把一年内所有天的时长加起来,然后求「平均」,得到相对固定的「天」,然后再计算得出「相对平均」的秒,这样就减小了误差。
确定了天文规律,人们开始制造「钟表」,把时间表示出来。
从摆钟到机械钟,再到现代广泛使用的石英钟,钟表的制作工艺越来越高,时间精度也越来越高,现代石英钟每天的计时误差只有「千分之一秒」。
所以,在 1927 年,人们以基于「天文现象」+「钟表计时」,确立了第一套时间标准:世界时(Universal Time,简称 UT)。
但是,随着科技的发展,人类对太阳的观测越来越精准,有意思的事情发生了。
人们发现,地球每天的自转速度也「不是匀速」的,地球的自转受到潮汐、地壳运动、冰川融化、地震等自然现象的影响,越来越慢!
这会导致什么问题呢?
这会导致之前规定的,每年平均下来一天的时间,现在来看,也是不一样长的。
例如,第 1 年算出来平均一天的时间是 23.9997 小时,第 2 年可能是 23.998 小时,第 3 年可能是 23.999 小时…
那按照 1 秒 = 1 / 86400 天的定义,每一年的「秒」,也是不一样长的。
这就比较尴尬了,人们以地球自转为依据,定义出来的时间,还是不准!
你可能会想,时间有误差会有什么问题吗?人们依赖不准确的天文现象,不也生活了几个世纪么?
确实,对于人们的基本生活影响其实并不大。但随着人类活动的发展,人们对于高精度的时间场景开始变得越来越多。
例如,体育赛事中百分之一秒的差距就能决定胜负,炮弹的发射要精确在千分之一秒内发生,雷达技术甚至需要精确到百万分之一秒…
尤其是卫星发射、火箭试验等航天领域,对高精度的时间系统也提出了越来越高的要求!
怎么办?怎么彻底解决时间不准的问题?

聪明的科学家们开始思考,既然观测天文现象无法解决这个问题,那在微观层面能否找到比较好的解决方案吗?

这时,他们开始把目光投向了「微观世界」。

一秒到底有多长?

让我们梳理一下我们的需求。
一直以来,我们对于「秒」的定义需求,从本质上讲,就是想要一个「完全稳定」的周期,也就是说,期望每一秒都是固定「等长」的。
而以天文观测、地球自转为基础的时间测量,做不到这一点。
那在微观世界层面,是否存在一种元素,它的运动周期是「高度稳定」,不受外界环境影响的呢?
科学家们沿着这个思路开始探索…
好,现在让我们把视角下放,来到原子世界。
一个原子虽然很小,但它内部却是一个很复杂的世界。
每个原子都有一个原子核,核外分层排布着高速运转的电子,当原子受电磁辐射时,它的轨道电子可以从一个位置「跳」到另一个位置,物理学上称此为「跃迁」。
人们发现,原子内的电子发生跃迁时,原子会吸收或放出一定能量的「电磁波」,这类电磁波就是一种「周期运动」,我们也可以把它看成原子内部的「振荡」。

基于这个原理,科学家们开始不断地试验、研究,尝试寻找一种运动「周期短、高度稳定」的原子。
终于,科学家们发现确实存在这样一种原子:铯原子,它内部的振荡周期比其它原子都要更短、更稳定,而且,这个过程基本不受环境因素的干扰。
经过层层试验,科学家们认为这是目前人类在地球上可测量到的,运动周期最短、周期最稳定的元素!
之后,科学家们就以之前定义的「秒」为基础,去测量一秒内这个铯原子内部电子周期运动的「次数」,测量出来的结果为 9192631770 次(91 亿+次)。
基于此,科学家们决定「抛弃」原来基于天文测量的秒,重新定义「秒」的时长,就是这个高度稳定的运动周期。
因此,在 1967 年,国际度量衡大会决定采用,以铯原子跃迁 9192631770 个周期,所持续的时间长度定义为 1 秒!
注:这个测量原理和测量过程比较复杂,这里把这些物理细节简化了。不用太过纠结这个数值是怎么测量出来的,你只需要理解,这个微观原子内部的振荡周期是非常稳定的,它比之前根据天文现象测量出来的秒,要精确多得多。
而基于这个铯原子振荡制造出来的时钟,我们就把它称之为「原子钟」。
有了原子钟,这就意味着,原子钟输出的每一秒,都是绝对「等长」的,非常稳定,这样一来,就实现了「精准计时」!
这个精确程度可以达到多高呢?
2000 万年不差 1 秒!可见其精准程度之高。
科研技术还在发展,精密设备和测量能力也越来越高,最新的原子钟甚至可以达到 1 亿年不差 1 秒!
有了原子钟,人们基于原子钟又确立了一套新的时间标准,叫做「国际原子时」(International Atomic Time,简称 TAI)。
科学家们规定,从 1958-01-01 00:00:00 起,用原子时开始计时,它每走的一秒,都是非常精确的一秒(固定等长),实打实的一秒,完全稳定的一秒。
这个方案非常棒,至此终于解决了秒不固定长的问题。
那有了这个国际原子时,可否让它直接取代掉前面说的——以天文现象计时的「世界时」呢?
答案是否定的,这个问题远比想象的复杂得多,这是为什么呢?

世界标准时间是怎么来的?

现在,科学家制定出了两套时间标准:
  1. 世界时基于天文现象 + 钟表计时,永远与地球自转时间相匹配
  2. 国际原子时基于原子钟计时,每一秒的周期完全等长且固定

假设我们以国际原子时为时间标准,那会发生什么现象呢?
因为原子时非常稳定,但世界时随着地球自转变慢,会越来越慢,就会发生这种现象:
  • 原子时走得快,世界时走得慢,时间越久,两者差距越来越大
  • 日复一日,几百年后,世界时的正午 12 点是太阳高照的时刻,而原子时可能已经走到了下午 2 点了
  • 几千年后,太阳高照的时刻,原子时可能已经走到了晚上 8 点!
晚上 8 点是太阳高照的时刻,你能想象这种情况吗?
这太颠覆我们的生活认知了…
基于天文测算的世界时,已经指导我们人类生活了上千年,人类早已习惯了这种时间标准,直接被原子时取代,肯定是不能接受的。
但我们又需要原子时这种高度稳定的计时标准,来发展科学研究,两者发生矛盾,这怎么办?
科学家们又开始思考,终于想到一个互相兼容的解决方案。

既然两套时间标准都很重要,那两者都保留,不会互相取代。

我们可以再建立一套「新的时间标准」,这套时间以「原子时为基准」,开始计时,走的每一秒都是稳定、精确的。

同时,为了兼顾基于天文测量的世界时,人类会「持续观测」世界时与这个新时钟的差距。

如果发现两者相差过大时,我们就「人为」地调整一下这个时钟(加一秒或减一秒),让两者相差不超过 0.9 秒。

例如,这个时钟本身比世界时走得快,经过一段时间后,如果发现两者相差越来越大,那就给这个时钟「加一秒」,让这个时钟在 23:59:59 的下一秒变为 23:59:60 秒,让它与世界时差距控制在 0.9 秒以内,这个操作过程,相当于让快的时钟稍微「等」一下走得慢的世界时。

而加的这一秒,科学家把它定义为「闰秒」。

这么做的好处在于,这个时钟的每一秒的计时依旧是精确的,而且还兼顾了日常生活使用的世界时,一举两得!
由于这个时钟是基于原子时 + 世界时「协调」得出的,所以科学家们把它定义为协调世界时(Coordinated Universal Time,简称 UTC)。

看到了么?我们在开发时经常看到的 UTC,原来是这样来的!

有了这个研究成果,有技术能力的国家都纷纷制造自己的原子钟,然后计算协调世界时。
同时,为了进一步降低原子钟的测量误差,每个国家会在每个月,统一上报自己计算的世界协调时到一个权威机构,然后这个权威机构会根据各国实验室的精度,进行加权计算,算出「最终」的协调世界时。
之后,再把这个最终的时间下发到各个国家,让各个国家进行「对表」校准,保证全世界的时间误差在 100 纳秒以内
至此,科学家们建立的这套时间标准,就是我们现在沿用至今的「标 准 时 间」!
值得一提的是,配合计算世界协调时的国家,也有中国,这个实验室就是「中国科学院国家授时中心」,它位于中国的陕西省西安市临潼区,持续维护中国的标准时间。

为什么国家授时中心会设立在陕西省?因为陕西省的地理位置处于中国的中部,从这个位置向各地广播时间时,对全国每个地区距离都是相对平均的。
之后,中国会在自己算出的世界协调时的基础上,再加 8 个小时(中国在东八区),最终得出来的时间,就是「北 京 时 间」!
没错,就是我们经常在新闻播报上听到的,北京时间。
是不是挺有意思?北京时间并不是在北京产生的,而是在陕西省,并与参与世界时间的制定和校准。
至此,全新的世界标准时间确立了,这套时间标准于 1972 年正式确定,一致沿用至今。
有了标准时间,那么接下来的问题就是,这个标准时间到底是如何同步到我们的电脑、手机、电子设备上的呢?
这就是下面要讲的「授时」。

计算机如何同步时间?

到现在我们知道,世界标准时间和北京时间是怎么来的,但北京时间的产生是在陕西省,难道校准一次时间需要跑到这里吗?
很显然是不需要的。
位于陕西省的中国科学院国家授时中心,产生北京时间后,会通过一系列方式,把这个时间广播出去,这个过程,就叫做「授时」。
具体怎么做呢?
国家授时中心提供很多授时方式,例如无线电波、网络、电话,都可以把时间广播出去。

通常来说,无线电波的传播速度更快、传播误差小,所以授时中心会通过这种方式,把时间发送给全国各地的「时间服务器」。
时间服务器有了准确的时间后,再通过其它方式(例如网络)广播到下一层的终端用户使用。
经过这么一番研究,到这里我们就可以解释文章开头的问题了。
一个时间服务器,原来是通过国家授时中心同步时间,然后再给其它终端提供时间同步服务的。
那我们的计算机如何和它保持同步呢?
你可能会想,最简单的方式就是,客户端向服务端「请求获取」标准时间,服务端响应时间数据,客户端修改自己的「本机时间」即可。
但事情没你想的这么简单。
因为数据在网络传输过程中,也是需要时间的,这个时间也会影响到时间的准确性。
这怎么办呢?
于是人们想了一种方案,当计算机在做时间校准时,也需要把网络延迟计算进去,最后「修正」这个同步过来的时间,降低误差。
现在,已经有个软件已经把这一切都做好了,如果你了解一些运维相关的工作,就会知道,我们部署应用程序的服务器上,都会启动一个「自动校准」时间的服务,这个服务就是 NTP(Network Time Protocol),它可以保证每台机器的时间与时间服务器保持同步。
那 NTP 是怎么同步服务器时间的呢?
这里就涉及到 2 个重点:
  1. NTP 如何同步时间?
  2. 同步时间时,对正在运行的程序有没有影响?
先来看第一个问题:NTP 如何同步时间?
简单来讲,它是通过在网络报文上打「时间戳」的方式,然后配合计算网络延迟,从而修正本机的时间。

根据图示可以计算出网络「传输延迟」,以及客户端与服务端的「时间差」:
  • 网络延时 = (t4 - t1) - (t3 - t2)
  • 时间差 = t2 - t1 - 网络延时 / 2 = ((t2 - t1) + (t3 - t4)) / 2

这个计算过程假设网络来回路径是对称的,并且时延相同。

这样一来,客户端就可以「校准」自己的本机时间了,与服务端保持同步,这个时间误差在广域网下是 10ms - 500ms,在局域网下通常可以小于 1ms。
再来看第二个问题:同步时间时,对正在运行的程序有没有影响?
例如,我们很多时候写的程序代码是这样的:
t1 = time.now()// 时间发生校准t2 = time.now()
// t2比t1小怎么办?elapsed = t2 - t1

t2 的时间真的会比 t1 小吗?

这里就牵涉出 2 个概念:墙上时钟、单调时钟,它们之间有什么区别呢?

  • 墙上时钟:通常就是指前面讲到的世界协调时 UTC,校准时间后,可能发生回拨
  • 单调时钟:计算机自启动以后经历的纳秒数,不会回拨
一般我们写的代码,像上面程序调用的「时间 API」,通常获取的时间是墙上时钟,所以,如果时间发生校准,就可能会发生「时光倒流」的情况。
这必然对程序产生很大的影响,怎么解决这个问题呢?
幸运的是,NTP 在校准时间时,提供了 2 种方式:
  1. ntpdate:一切以服务端时间为准,「强制修改」本机时间
  2. ntpd:采用「润物细无声」的方式修改本机时间,把时间差均摊到每次小的调整上

也就是说,ntpd 当接收到需要「回拨」的时间时,会让本机时间走得「慢」一点,小步调整,逐渐与服务端的时钟「对齐」,这样一来,本机时间依旧是递增的,避免发生「倒流」。

当我们在配置 ntp 服务时,需要格外注意这种情况。另外,在编写程序时,也要注意调用的时间 API 获取的是哪个时间,避免业务逻辑发生异常。
至此,我们从看似简单的时间问题,一步步深挖到时间的定义,再到时间是如何同步到计算机和终端设备的,怎么样,有没有解答了你心中的很多疑惑?

总结

好了,总结一下。
这篇文章我们讲了非常多的概念,这里我们再重新梳理一遍。
1、人类的早期生活,依靠观测「天文现象」来测量时间,基于地球自转规律,定义了一套时间标准:「世界时」。
2、后来人们发现,由于地球公转轨道是一个椭圆,并且地球自转还受到地球内部的影响,自转速度越来越慢,人们发现世界时测算出的时间「不准」。
3、科学家们开始从「微观世界」寻找更稳定的周期运动,最终确定以「铯原子」的振动频率为基准,制造出了「原子钟」,确立了「世界原子时」,并重新定义了「秒」长度,时长高度精确。
4、但由于人类社会活动已高度依赖「世界时」,所以科学家们基于「原子时」和「世界时」,最终确立出新的时间标准:「世界协调时」,把它定义成了全球的时间标准,至此,世界标准时间诞生。
5、中国基于「世界协调时」再加上 8 小时时区之差,确立了「北京时间」,并广播给整个中国大地使用。
6、「国家授时中心」把北京时间广播给全国的「时间服务器」,我们生活中使用的时间,例如计算机,就是通过时间服务器自动同步校准的。
7、计算机通过 NTP 完成和时间服务器的「自动校准」,我们的应用程序基于此,才得以获取到准确的时间。
8、NTP 服务应该采用润物细无声的方式同步时间,避免时间发生「倒流」。

后记

这篇文章是我有史以来,最难写的一篇,因为其中有大量科普类知识,涉及范围之广远超我的想象。
在写这篇文章时,我至少阅读了 30 篇以上的资料,很多时候会因为一个很小的细节,又深挖出更多相关的领域的知识,让我目不暇接。
例如,铯原子的振动频率是怎么测量的?为什么能测量得这么精确?各个国家的原子钟为什么会有差异?计算机是如何处理闰秒的?时区是怎么来的?本初子午线是什么?…
很多细节我其实并没有展开来讲,我已尽力避开讲那些晦涩难懂的物理知识,只保留了重要的理论概念,希望你理解了这其中的原理。如果有些细节你没有读懂,可以先尝试多读几遍,也可以与我进一步交流。
同时,在查阅资料过程中,真切地感叹人类研究成果之伟大,能把时间的误差,缩小到几亿年的精度,敬佩之情无以言表。
我们在写代码时,看似调用了一个简单的时间 API,可曾想过,背后却是人类多少年来的智慧结晶。希望这篇文章能解答你对时间的种种疑惑。
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