벽시계

벽시계는 지금이 몇 시인지 알려 주는 시계입니다. 사람이 읽는 시각이 이 시계에서 나옵니다. 다른 기기와 맞대어 보는 시각도 같습니다. 대신 세상의 시각을 따라가느라 값이 앞으로 뛰거나 뒤로 돌아가기도 합니다.

상세

사무실 벽에 걸린 시계를 떠올려 보십시오. 모두가 그 시계를 보고 회의 시각을 맞춥니다. 조금 느려졌다 싶으면 누군가 바늘을 돌려 맞춰 둡니다. 컴퓨터가 들고 있는 벽시계도 똑같습니다.

벽시계는 세상이 함께 쓰는 시각을 따라가는 시계입니다. 이 시계는 맞고 틀림이 있습니다. 바깥의 기준 시각과 견주어 얼마나 어긋났는지 알아냅니다. 알아내면 맞춰 줍니다. 로그에 찍는 시각, 데이터베이스에 넣는 만료 시각, 인증서의 유효 기간이 전부 벽시계 값입니다.

이 시계가 없으면 기기마다 제각각인 시각을 세게 됩니다. 그러면 두 서버의 기록을 나란히 놓고 어느 것이 먼저인지 가릴 수 없습니다. 벽시계는 그 값을 세상의 시각에 묶어 두어, 남의 기록이나 사람이 보는 달력과 맞댈 수 있게 만듭니다.

이 절은 차례로 봅니다. 벽시계가 들고 있는 값, 그 값이 오는 곳, 값을 맞추는 두 방법과 값이 뒤로 가는 까닭입니다. 성능을 말할 때의 벽시계 시간과 벽시계를 고르는 기준도 뒤에 붙습니다.

벽시계가 들고 있는 값

컴퓨터는 시각을 날짜와 시·분으로 들고 있지 않습니다. 기준으로 삼은 한 시점부터 몇 초가 지났는지를 수 하나로 셉니다. 그 기준 시점을 에포크라고 합니다.

유닉스 계열이 널리 쓰는 에포크는 1970-01-01 0시입니다. 이 기준으로 센 값을 유닉스 시간이라고 부릅니다. 기준이 되는 시각은 온 세상이 함께 쓰는 UTC(Coordinated Universal Time, 협정 세계시)로 잡습니다.

나라마다 다른 시간대는 이 값에 안 들어갑니다. 값은 어디서 읽어도 같습니다. 사람에게 보여 줄 때만 그 나라 몫을 더하고 뺍니다. 그래서 서울에서 찍은 시각과 런던에서 찍은 시각을 저장한 값끼리 바로 견줄 수 있습니다.

flowchart TD
    E["에포크 · 1970-01-01 0시"] --> V["경과 초 하나 · UTC 기준"]
    V --> S["서울에 보일 때 +9시간"]
    V --> L["런던에 보일 때 +0"]

저장하는 칸은 하나입니다. 갈림은 사람에게 보여 주기 직전에만 생깁니다.

값이 오는 곳

기기 안에서 시계의 박자를 만드는 부품은 수정 진동자입니다. 전기를 주면 일정한 횟수로 떱니다. 그 떨림을 세어 시각을 셉니다.

전원이 꺼지면 이 셈이 멈춥니다. 그래서 메인보드에는 작은 배터리로 따로 도는 실시간 시계가 있습니다. 부팅할 때 커널이 그 값을 읽어 벽시계의 출발점으로 삼습니다.

수정 진동자는 온도에 따라 미세하게 빨라지고 느려집니다. 놔두면 기준 시각에서 조금씩 멀어진다는 뜻입니다. 이 벌어짐을 클록 드리프트라고 합니다.

벌어진 것을 메우는 일이 시각 동기화입니다. 바깥의 기준 시각 서버에 물어 자기 시각이 얼마나 어긋났는지 잽니다. 그만큼 되돌립니다.

이 일을 맡는 대표 프로토콜이 NTP(Network Time Protocol, 네트워크 시각 프로토콜)입니다.

flowchart TD
    subgraph inside["기기 안"]
        X["수정 진동자 · 박자를 만든다"] --> K["커널이 들고 있는 벽시계 값"]
        R["실시간 시계 · 전원이 꺼져도 시각을 지킨다"] --> K
    end
    subgraph outside["바깥"]
        S["기준 시각 서버"] --> N["시각 동기화 · 어긋난 만큼 되돌린다"]
    end
    N --> K
    K --> A["프로그램이 읽는 벽시계 시각"]

프로그램이 읽는 값은 맨 아래 칸입니다. 바깥에서 들어오는 화살표가 하나 있다는 것이 벽시계의 성격입니다. 값이 기기 안에서만 자라지 않고 남의 손을 탑니다.

시각을 맞추는 두 방법

어긋난 시각을 되돌리는 방법은 둘입니다. 어느 쪽을 쓰느냐에 따라 값이 뒤로 가기도 하고 안 가기도 합니다.

건너뛰기는 값을 목표 시각으로 곧장 옮깁니다. 한순간에 끝나는 대신 그 순간 시각이 뜁니다. 시계가 앞서 있었다면 값을 뒤로 돌려야 합니다. 그때 벽시계는 지나온 시각을 다시 지나갑니다.

늦추기는 시계의 박자를 잠깐 느리거나 빠르게 해서 서서히 따라잡습니다. 값이 뒤로 가지 않는 대신 다 맞추는 데 오래 걸립니다.

표에 안 담기는 것이 하나 있습니다. 시계가 3초 앞서 있을 때 값이 밟고 지나가는 시각입니다.

flowchart TD
    subgraph skip["건너뛰기 · 값을 곧장 옮긴다"]
        A1["10:00:05"] --> A2["10:00:02 · 뒤로 돌아갔다"] --> A3["10:00:05 · 같은 시각을 다시 지난다"]
    end
    subgraph slew["늦추기 · 박자를 늦춘다"]
        B1["10:00:05"] --> B2["10:00:06 · 한 칸이 좁아진다"] --> B3["10:00:07 · 값은 늘 커진다"]
    end
    skip ~~~ slew

건너뛰기는 벽시계가 같은 시각을 두 번 지나가게 만듭니다. 늦추기는 값을 늘 키우되 한 칸의 폭만 줄입니다.

벽시계가 뒤로 갈 수 있다는 것은 건너뛰기를 허용한 대가입니다.

값이 뒤로 가면 생기는 일

두 시점 사이의 거리를 벽시계로 재면 어떻게 되는지 보겠습니다.

t1 = 벽시계_읽기()   // 10:00:05
// 그 사이 시각 동기화가 값을 뒤로 돌린다
t2 = 벽시계_읽기()   // 10:00:02
경과 = t2 - t1      // -3초

일은 앞으로 흘렀는데 잰 값은 음수입니다. 두 번 읽는 사이에 시각 동기화가 값을 뒤로 돌렸기 때문입니다. 반대로 시계를 앞으로 크게 옮기면 짧은 일이 몇 시간짜리로 잡힙니다.

벽시계를 흔드는 것이 시각 동기화만은 아닙니다. 관리자가 손으로 시각을 고칠 때, 윤초 때문에 1초를 넣거나 뺄 때, 멈춰 두었던 가상 머신을 되살릴 때도 값이 튑니다. 이렇게 벽시계 값을 옮기는 일을 통틀어 시각 보정이라 부릅니다.

기기가 여럿이면 어긋남이 하나 더 있습니다. 같은 순간에 서버 둘이 벽시계를 읽어도 값이 서로 조금 다릅니다. 이 차이를 클록 스큐라고 합니다. 그 때문에 나중에 난 사건이 더 이른 타임스탬프를 달고 나타나기도 합니다.

sequenceDiagram
    participant 가 as 서버 가 · 벽시계가 앞선다
    participant 나 as 서버 나 · 벽시계가 뒤처진다
    Note over 가,나: 두 벽시계는 클록 스큐만큼 어긋나 있다
    가->>가: 사건 하나가 먼저 난다
    Note over 가: 타임스탬프 10:00:05
    나->>나: 사건 둘이 나중에 난다
    Note over 나: 타임스탬프 10:00:02

세로로 내려가는 것이 실제 시간입니다. 나중에 난 사건 둘이 더 이른 타임스탬프를 달고 나왔습니다.

그래서 걸린 시간을 재는 데는 값이 뒤로 가지 않는 단조 시계를 씁니다. 여러 기기 사이의 앞뒤를 가려야 하면 시각 대신 순서만 매기는 논리 시계로 갑니다.

성능을 볼 때 쓰는 벽시계 시간

성능을 볼 때는 벽시계라는 말이 시계가 아니라 시간의 종류를 가리킵니다. 벽시계 시간은 일이 시작해서 끝날 때까지 바깥에서 흐른 시간 전부입니다. 기다린 시간도 여기 들어갑니다.

맞세워지는 것은 CPU 시간입니다. CPU(Central Processing Unit, 중앙처리장치)가 그 일에 매달려 있던 시간만 셉니다. 응답을 기다리며 놀고 있는 동안 CPU 시간은 안 늘고 벽시계 시간만 흐릅니다.

sequenceDiagram
    participant 프로그램
    participant 데이터베이스
    Note over 프로그램: 계산한다 · 벽시계 시간과 CPU 시간이 함께 흐른다
    프로그램->>데이터베이스: 질의를 보낸다
    Note over 프로그램,데이터베이스: 기다린다 · CPU 시간은 안 늘고 벽시계 시간만 흐른다
    데이터베이스-->>프로그램: 결과를 돌려준다
    Note over 프로그램: 다시 계산한다 · 둘 다 흐른다

한 구간 안에서 두 시간이 서로 다른 속도로 흐릅니다. 기다리는 구간에서 벌어진 만큼이 두 값의 차이입니다.

이름은 벽시계지만 잴 때는 단조 시계를 쓰는 것이 보통입니다. 두 번 읽는 사이에 시각 보정이 끼면 잰 값이 어긋나기 때문입니다.

벽시계와 단조 시계를 가르는 기준

기준은 한 줄입니다. 사람이나 다른 기기에 보여 줄 시각이면 벽시계입니다. 두 시점 사이의 거리를 재는 것이면 단조 시계입니다.

위쪽 셋은 값을 밖으로 내보냅니다. 나중에 사람이 읽거나 다른 기기의 값과 견주므로 벽시계가 아니면 뜻이 안 섭니다. 아래쪽 셋은 값을 밖으로 내보내지 않고 두 시점의 거리만 봅니다. 그 거리는 세상 시각과 상관이 없습니다.

분산 시스템에서는 위쪽마저 벽시계로 부족할 때가 있습니다. 서버마다 벽시계가 조금씩 어긋나 있어서, 아주 가까운 두 사건의 앞뒤를 시각만으로는 못 가리기 때문입니다.

관련 항목

벽시계와 맞세워지는 시계

단조 시계 · 논리 시계 · 벡터 시계 · 하이브리드 논리 시계 · CPU 시간 · 램포트 타임스탬프

벽시계 값이 세는 기준점과 표기 형식

에포크 · 유닉스 시간 · 타임스탬프 · ISO 8601 · RFC 3339 · UTC · 시간대 · 나노초

벽시계 시각을 뒤흔드는 원인

NTP · 윤초 · 클록 드리프트 · 클록 스큐 · 클럭 스텝 · 윤초 문지르기 · 수정 진동자 · 가상 머신

벽시계를 내주는 바탕 소프트웨어와 부품

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