閱讀本文大約需要 13 分鐘。
時間總是在不經意間流逝，我們早已習以為常，你有思考過這背後的原理嗎？
關於時間的問題還有很多，例如：
為什麼計算機的時間有時候「走不準」？
計算機究竟是怎麼「自動校準」時間的？
我們經常看到的 UTC 時間，到底是什麼？
我們在新聞上看到的「北京時間」，真的來自北京嗎？
這篇文章，我們就來揭秘時間背後的秘密。
這篇文章非常有意思，希望你可以耐心讀完。
時間為什麼總是走“不準”？
你肯定遇到過這樣的場景，家裡買了一個鐘錶，時間一長，就會發現它走得「不準」了。
又或者，一臺長時間不使用的電腦，它的時間也會發生偏差。
遇到這些情況，你可能會不以為然。時間不準，那我們就「人工」調準它。
但你有沒有停下來想一想，為什麼它們的時間會越走越不準呢？
要回答這個問題其實不難，我們只需要搞清楚，它們的時間是怎麼來的。
鐘錶和計算機內部都有一個叫做「晶體振盪器」的東西，給它加上電壓，它就會以固定的頻率振動。但這個振動頻率的「穩定性」，取決於它的製造工藝，以及外界環境的影響。
出於成本的考慮，鐘錶的製作工藝沒那麼高，所以它更容易有誤差。而電腦製造工藝雖然比較高，但它內部的晶體振盪器也會受到「溫度」變化帶來的影響，在工作過程中，也會有產生誤差。
雖然它們的誤差很小，但日積月累下來，誤差就越來越明顯。
因此，我們現在使用的計算機，都有「自動校準」時間的功能。但是如何校準呢？
如何校準時間？
很簡單，只要你把電腦連上了「網路」，你會發現，它會自動與「網路時間」保持同步。
可問題是，這個「網路時間」哪兒來的？
我猜你大腦的第一反應是，每臺電腦肯定配置了一個「時間伺服器」，之後這臺電腦會與伺服器定時同步，自動校準。
沒錯，確實是這樣，不光是電腦，我們平時使用的手機、平板、智慧手錶等電子裝置，只要能連線網路，都會自動同步網路時間。
那繼續追問，這個「時間伺服器」的時間就一定是準的嗎？
理論來講，它應該也是一臺計算機，難道它不會遇到我們前面說的問題嗎？
此外，這個網路時間究竟是怎麼「同步」到我們的電腦上的？
你可能會說，那肯定是透過網路資料包。
問題又來了，網路傳輸資料也是有「延遲」的，同步伺服器時間，不還是存在誤差嗎？
環環相扣，像一個俄羅斯套娃，很難解釋清楚。
要想徹底搞清楚這些問題，就要深入到時間的「源頭」來尋找答案。
時間是怎麼來的？
時間是一個非常抽象的概念，多少年來，吸引著無數科學家、物理學家、甚至哲學家花費畢生精力去解釋時間的本質是什麼，從宇宙大爆炸到時空相對論，從黑洞到量子力學，都能看到關於時間這個問題的身影。
這裡我們不探討高深莫測的學術知識，只把目光放聚焦在計算機這個很小的範疇內。但要想清楚解釋這個問題，也並非想的那麼簡單。
我們從最簡單的開始說起。
想要知道時間是怎麼被定義的，首先要知道「天」是怎麼來的？
答案是：
觀察太陽
。
由於地球的「自轉」，人們可以看到日出日落，人們日出而作，日落而息，所以就把這一週期現象定義為「天」。
地球除了自轉，還在圍繞太陽公轉，所以公轉一週就被定義為一「年」。
從這些現象就能看出來，很早之前的人們，是以「天文現象」來確定時間的。
再後來，人們為了把時間定義得更「精確」，就把一天平均劃分為 24 等份，這就是「時」。
同樣地，把 1 小時劃分 60「分鐘」，1 分鐘劃分為 60「秒」。
這樣，時間的基本單位「秒」就被定義出來了。
所以，秒與天的關係就是這樣的：
1 秒 = 1 / 24 * 60 * 60 = 1 / 86400 天
。
這些定義，都與「地球自轉」和「太陽」息息相關。
但是，後來人們發現，地球的公轉軌道並不是一個正圓，而是一個「橢圓」，也就是說公轉速度是「不均勻」的，這意味著什麼呢？
這意味著每天的時間不是等長的，那根據天推算出的秒，自然也不是「等長」的。
很明顯，這裡的計算存在誤差。這怎麼辦？
聰明的人們就想到，把一年內所有天的時長加起來，然後求「平均」，得到相對固定的「天」，然後再計算得出「相對平均」的秒，這樣就減小了誤差。
確定了天文規律，人們開始製造「鐘錶」，把時間表示出來。
從擺鐘到機械鐘，再到現代廣泛使用的石英鐘，鐘錶的製作工藝越來越高，時間精度也越來越高，現代石英鐘每天的計時誤差只有「千分之一秒」。
所以，在 1927 年，
人們以基於「天文現象」+「鐘錶計時」，確立了第一套時間標準：世界時（Universal Time，簡稱 UT）。
但是，隨著科技的發展，人類對太陽的觀測越來越精準，有意思的事情發生了。
人們發現，地球每天的自轉速度也「不是勻速」的，地球的自轉受到潮汐、地殼運動、冰川融化、地震等自然現象的影響，越來越慢！
這會導致什麼問題呢？
這會導致之前規定的，每年平均下來一天的時間，現在來看，也是不一樣長的。
例如，第 1 年算出來平均一天的時間是 23。9997 小時，第 2 年可能是 23。998 小時，第 3 年可能是 23。999 小時。。。
那按照 1 秒 = 1 / 86400 天的定義，每一年的「秒」，也是不一樣長的。
這就比較尷尬了，人們以地球自轉為依據，定義出來的時間，還是不準！
你可能會想，時間有誤差會有什麼問題嗎？人們依賴不準確的天文現象，不也生活了幾個世紀麼？
確實，對於人們的基本生活影響其實並不大。但隨著人類活動的發展，人們對於高精度的時間場景開始變得越來越多。
例如，體育賽事中百分之一秒的差距就能決定勝負，炮彈的發射要精確在千分之一秒內發生，雷達技術甚至需要精確到百萬分之一秒。。。
尤其是衛星發射、火箭試驗等航天領域，對高精度的時間系統也提出了越來越高的要求！
怎麼辦？怎麼徹底解決時間不準的問題？
聰明的科學家們開始思考，既然觀測天文現象無法解決這個問題，那在微觀層面能否找到比較好的解決方案嗎？
這時，他們開始把目光投向了「微觀世界」。
一秒到底有多長？
讓我們梳理一下我們的需求。
一直以來，我們對於「秒」的定義需求，從本質上講，就是想要一個「完全穩定」的週期，也就是說，期望每一秒都是固定「等長」的。
而以天文觀測、地球自轉為基礎的時間測量，做不到這一點。
那在微觀世界層面，是否存在一種元素，它的運動週期是「高度穩定」，不受外界環境影響的呢？
科學家們沿著這個思路開始探索。。。
好，現在讓我們把視角下放，來到原子世界。
一個原子雖然很小，但它內部卻是一個很複雜的世界。
每個原子都有一個原子核，核外分層排布著高速運轉的電子，當原子受電磁輻射時，它的軌道電子可以從一個位置「跳」到另一個位置，物理學上稱此為「躍遷」。
人們發現，原子內的電子發生躍遷時，原子會吸收或放出一定能量的「電磁波」，這類電磁波就是一種「週期運動」，我們也可以把它看成原子內部的「振盪」。
基於這個原理，科學家們開始不斷地試驗、研究，嘗試尋找一種運動「週期短、高度穩定」的原子。
終於，科學家們發現確實存在這樣一種原子：
銫原子
，它內部的振盪週期比其它原子都要
更短、更穩定
，而且，這個過程基本不受環境因素的干擾。
經過層層試驗，科學家們認為這是目前人類在地球上可測量到的，運動週期最短、週期最穩定的元素！
之後，科學家們就以之前定義的「秒」為基礎，去測量一秒內這個銫原子內部電子週期運動的「次數」，測量出來的結果為 9192631770 次（91 億+次）。
基於此，科學家們決定「拋棄」原來基於天文測量的秒，重新定義「秒」的時長，就是這個高度穩定的運動週期。
因此，在 1967 年，國際度量衡大會決定採用，
以銫原子躍遷 9192631770 個週期，所持續的時間長度定義為 1 秒！
注：這個測量原理和測量過程比較複雜，這裡把這些物理細節簡化了。不用太過糾結這個數值是怎麼測量出來的，你只需要理解，這個微觀原子內部的振盪週期是非常穩定的，它比之前根據天文現象測量出來的秒，要精確多得多。
而基於這個銫原子振盪製造出來的時鐘，我們就把它稱之為「原子鐘」。
有了原子鐘，這就意味著，原子鐘輸出的每一秒，都是絕對「等長」的，非常穩定，這樣一來，就實現了「精準計時」！
這個精確程度可以達到多高呢？
2000 萬年不差 1 秒！可見其精準程度之高。
科研技術還在發展，精密裝置和測量能力也越來越高，最新的原子鐘甚至可以達到 1 億年不差 1 秒！
有了原子鐘，
人們基於原子鐘又確立了一套新的時間標準，叫做「國際原子時」（International Atomic Time，簡稱 TAI）。
科學家們規定，從 1958-01-01 00：00：00 起，用原子時開始計時，它每走的一秒，都是非常精確的一秒（固定等長），實打實的一秒，完全穩定的一秒。
這個方案非常棒，至此終於解決了秒不固定長的問題。
那有了這個國際原子時，可否讓它直接取代掉前面說的——以天文現象計時的「世界時」呢？
答案是否定的，這個問題遠比想象的複雜得多，這是為什麼呢？
世界標準時間是怎麼來的？
現在，科學家制定出了兩套時間標準：
世界時
：基於天文現象 + 鐘錶計時，永遠與地球自轉時間相匹配
國際原子時
：基於原子鐘計時，每一秒的週期完全等長且固定
假設我們以
國際原子時
為時間標準，那會發生什麼現象呢？
因為原子時非常穩定，但世界時隨著地球自轉變慢，會越來越慢，就會發生這種現象：
原子時走得快，世界時走得慢，時間越久，兩者差距越來越大
日復一日，幾百年後，世界時的正午 12 點是太陽高照的時刻，而原子時可能已經走到了下午 2 點了
幾千年後，太陽高照的時刻，原子時可能已經走到了
晚上 8 點
！
晚上 8 點是太陽高照的時刻，你能想象這種情況嗎？
這太顛覆我們的生活認知了。。。
基於天文測算的世界時，已經指導我們人類生活了上千年，人類早已習慣了這種時間標準，直接被原子時取代，肯定是不能接受的。
但我們又需要原子時這種高度穩定的計時標準，來發展科學研究，兩者發生矛盾，這怎麼辦？
科學家們又開始思考，終於想到一個互相相容的解決方案。
既然兩套時間標準都很重要，那兩者都保留，不會互相取代。
我們可以再建立一套「新的時間標準」，這套時間以「原子時為基準」，開始計時，走的每一秒都是穩定、精確的。
同時，為了兼顧基於天文測量的世界時，人類會「持續觀測」世界時與這個新時鐘的差距。
如果發現兩者相差過大時，我們就「人為」地調整一下這個時鐘（加一秒或減一秒），讓兩者相差不超過 0。9 秒。
例如，這個時鐘本身比世界時走得快，經過一段時間後，如果發現兩者相差越來越大，那就給這個時鐘「加一秒」，讓這個時鐘在 23：59：59 的下一秒變為 23：59：60 秒，讓它與世界時差距控制在 0。9 秒以內，這個操作過程，相當於讓快的時鐘稍微「等」一下走得慢的世界時。
而加的這一秒，科學家把它定義為「閏秒」。
是不是挺有意思？聽說過閏年，沒想到還有閏秒！
當然，當地球自轉速度變快時，這裡也有可能是減一秒，即從 23：59：58 直接跳到 00：00：00。但這種情況比較少，大部分情況下，地球自轉速度是越來越慢的。
這麼做的好處在於，這個時鐘的每一秒的計時依舊是精確的，而且還兼顧了日常生活使用的世界時，一舉兩得！
由於這個時鐘是基於原子時 + 世界時「協調」得出的，所以科學家們把它定義為協調世界時（Coordinated Universal Time，簡稱 UTC）。
看到了麼？我們在開發時經常看到的 UTC，原來是這樣來的！
有了這個研究成果，有技術能力的國家都紛紛製造自己的原子鐘，然後計算協調世界時。
同時，為了進一步降低原子鐘的測量誤差，每個國家會在每個月，統一上報自己計算的世界協調時到一個權威機構，然後這個權威機構會根據各國實驗室的精度，進行加權計算，算出「最終」的協調世界時。
之後，再把這個最終的時間下發到各個國家，讓各個國家進行「對錶」校準，保證全世界的時間誤差在
100 納秒
以內。
至此，科學家們建立的這套時間標準，就是我們現在沿用至今的「
標 準 時 間
」！
值得一提的是，配合計算世界協調時的國家，也有中國，這個實驗室就是「中國科學院國家授時中心」，它位於中國的陝西省渭南市蒲城縣，持續維護中國的標準時間。
為什麼國家授時中心會設立在陝西省？因為陝西省的地理位置處於中國的中部，從這個位置向各地廣播時間時，對全國每個地區距離都是相對平均的。
之後，中國會在自己算出的世界協調時的基礎上，再加 8 個小時（中國在東八區），最終得出來的時間，就是「
北 京 時 間
」！
沒錯，就是我們經常在新聞播報上聽到的，北京時間。
是不是挺有意思？北京時間並不是在北京產生的，而是在陝西省，並參與世界時間的制定和校準。
至此，全新的世界標準時間確立了，這套時間標準於 1972 年正式確定，一直沿用至今。
有了標準時間，那麼接下來的問題就是，這個標準時間到底是如何同步到我們的電腦、手機、電子裝置上的呢？
這就是下面要講的「
授時
」。
計算機如何同步時間？
到現在我們知道，世界標準時間和北京時間是怎麼來的，但北京時間的產生是在陝西省，難道校準一次時間需要跑到這裡嗎？
很顯然是不需要的。
位於陝西省的中國科學院國家授時中心，產生北京時間後，會透過一系列方式，把這個時間廣播出去，這個過程，就叫做「授時」。
具體怎麼做呢？
國家授時中心提供很多授時方式，例如
無線電波、網路、電話
，都可以把時間廣播出去。
通常來說，無線電波的傳播速度更快、傳播誤差小，所以授時中心會透過這種方式，把時間傳送給全國各地的「時間伺服器」。
時間伺服器有了準確的時間後，再透過其它方式（例如網路）廣播到下一層的終端使用者使用。
經過這麼一番研究，到這裡我們就可以解釋文章開頭的問題了。
一個時間伺服器，原來是透過國家授時中心同步時間，然後再給其它終端提供時間同步服務的。
那我們的計算機如何和它保持同步呢？
你可能會想，最簡單的方式就是，客戶端向服務端「請求獲取」標準時間，服務端響應時間資料，客戶端修改自己的「本機時間」即可。
但事情沒你想的這麼簡單。
因為資料在網路傳輸過程中，也是需要時間的，這個時間也會影響到時間的準確性。
這怎麼辦呢？
於是人們想了一種方案，當計算機在做時間校準時，也需要把網路延遲計算進去，最後「修正」這個同步過來的時間，降低誤差。
現在，已經有個軟體已經把這一切都做好了，如果你瞭解一些運維相關的工作，就會知道，我們部署應用程式的伺服器上，都會啟動一個「自動校準」時間的服務，這個服務就是 NTP（Network Time Protocol），它可以保證每臺機器的時間與時間伺服器保持同步。
那 NTP 是怎麼同步伺服器時間的呢？
這裡就涉及到 2 個重點：
NTP 如何同步時間？
同步時間時，對正在執行的程式有沒有影響？
先來看第一個問題：
NTP 如何同步時間？
簡單來講，它是透過在網路報文上打「時間戳」的方式，然後配合計算網路延遲，從而修正本機的時間。
根據圖示可以計算出網路「傳輸延遲」，以及客戶端與服務端的「時間差」：
網路延時 = （t4 - t1） - （t3 - t2）
時間差 = t2 - t1 - 網路延時 / 2 = （（t2 - t1） + （t3 - t4）） / 2
這個計算過程假設網路來回路徑是對稱的，並且時延相同。
這樣一來，客戶端就可以「校準」自己的本機時間了，與服務端保持同步，這個時間誤差在廣域網下是 10ms - 500ms，在區域網下通常可以小於 1ms。
再來看第二個問題：
同步時間時，對正在執行的程式有沒有影響？
NTP 在校準時間時，提供了 2 種方式：
ntpdate
：一切以服務端時間為準，「強制修改」本機時間
ntpd
：採用「潤物細無聲」的方式修改本機時間，把時間差均攤到每次小的調整上
也就是說，ntpd 當接收到需要「回撥」的時間時，會讓本機時間走得「慢」一點，小步調整，逐漸與服務端的時鐘「對齊」，這樣一來，本機時間依舊是遞增的，避免發生「倒流」。
至此，我們從看似簡單的時間問題，一步步深挖到時間的定義，再到時間是如何同步到計算機和終端裝置的，怎麼樣，有沒有解答了你心中的很多疑惑？
總結
好了，總結一下。
這篇文章我們講了非常多的概念，這裡我們再重新梳理一遍。
1、人類的早期生活，依靠觀測「天文現象」來測量時間，基於地球自轉規律，定義了一套時間標準：「世界時」。
2、後來人們發現，由於地球公轉軌道是一個橢圓，並且地球自轉還受到地球內部的影響，自轉速度越來越慢，人們發現世界時測算出的時間「不準」。
3、科學家們開始從「微觀世界」尋找更穩定的週期運動，最終確定以「銫原子」的振動頻率為基準，製造出了「原子鐘」，確立了「世界原子時」，並重新定義了「秒」長度，時長高度精確。
4、但由於人類社會活動已高度依賴「世界時」，所以科學家們基於「原子時」和「世界時」，最終確立出新的時間標準：「世界協調時」，把它定義成了全球的時間標準，至此，世界標準時間誕生。
5、中國基於「世界協調時」再加上 8 小時時區之差，確立了「北京時間」，並廣播給整個中國大地使用。
6、「國家授時中心」把北京時間廣播給全國的「時間伺服器」，我們生活中使用的時間，例如計算機，就是透過時間伺服器自動同步校準的。
7、計算機透過 NTP 完成和時間伺服器的「自動校準」，才得以獲取到準確的時間。
8、NTP 服務應該採用潤物細無聲的方式同步時間，避免時間發生「倒流」。
— END —
