Schaltsekunde

Eine Schaltsekunde ist eine Anpassung um eine Sekunde, die gelegentlich zur UTC hinzugefügt (oder theoretisch entfernt) wird, um die Atomzeit innerhalb von 0,9 Sekunden der Sonnenzeit zu halten. Die Erdrotation ist nicht perfekt gleichmäßig – die Gezeitenreibung verlangsamt den Planeten langsam, und saisonale Schwankungen bringen kleinere Wackler ein. Atomuhren ticken in vollkommen gleichmäßigem Takt; der Planet nicht.

Seit 1972 wurden 27 Schaltsekunden eingefügt. Sie landen stets um Mitternacht am 30. Juni oder 31. Dezember UTC. Die Minute, die die Schaltsekunde enthält, hat 61 Sekunden (oder theoretisch 59, falls je eine Schaltsekunde entfernt würde – was nie geschehen ist).

Schaltsekunden sind veraltet. 2022 stimmte die Generalkonferenz für Maß und Gewicht dafür, die Praxis bis 2035 aufzugeben, nach Jahrzehnten betrieblicher Schmerzen in Computersystemen. Nach der Abschaffung wird UTC langsam von der Sonnenzeit wegdriften – beim aktuellen Tempo um etwa eine Sekunde pro wenige Jahrzehnte.

Die meiste Software behandelt Schaltsekunden per “Smearing” – das schrittweise Hinzufügen von Millisekunden zu Uhrenticks über mehrere Stunden. Google und Cloudflare veröffentlichen ihre Smear-Algorithmen; AWS verwendet einen 24-stündigen linearen Smear, zentriert um das Schaltereignis. Die POSIX-Zeit (die Grundlage von Unix-Zeitstempeln) tut so, als gäbe es Schaltsekunden gar nicht – ein Unix-Zeitstempel kann sich nie auf die Schaltsekunde selbst beziehen, was bedeutet, dass Zeitstempel um Mitternacht an einem Schalttag mehrdeutig sind, wenn sie streng ausgelegt werden.

Warum die Abschaffung geschieht: Hochfrequenzhandel, GPS und verteilte Datenbanken setzen alle voraus, dass die Zeit monoton vorwärts und in gleichmäßigem Takt verläuft. Eine Schaltsekunde bricht diese Annahme. Die Schaltsekunde von 2012 verursachte Ausfälle bei Reddit, LinkedIn, Mozilla, dem Reservierungssystem von Qantas und einer Reihe von Linux-Servern, wo ein Kernel-Fehler CPU-Spinlocks auslöste. Die Schaltsekunde von 2015 war nur deshalb weniger zerstörerisch, weil sich die Branche drei Jahre lang darauf vorbereitet hatte. Astronomen, die eigentlich UT1 (Sonnenzeit) wollen, haben gegen die Abschaffung argumentiert, aber sie haben verloren: Die Zukunft der zivilen Zeit ist eine stetig divergierende Atomzeit, wobei jegliche Abstimmung mit der Erdrotation auf eine viel größere Einheit verschoben wird (eine “Schaltminute” in Jahrhunderten ist der Arbeitsvorschlag). Quelle: BIPM CGPM 2022 Resolution 4.

Durchgerechnetes Beispiel

Die jüngste Schaltsekunde wurde am Ende von 2016-12-31 23:59:60 UTC eingefügt. In einer strikten ITU-R-Sequenz verliefen die Sekunden 23:59:58 → 23:59:59 → 23:59:60 → 00:00:00. Unter Googles 20-stündigem linearem Smear wurde im selben Wanduhr-Intervall jede Sekunde um 1/72000 gedehnt – sodass ein Server mit 1000 Operationen/Sekunde durch das Smear-Fenster 999,986 Operationen/Sekunde erzeugte, ohne je eine 61-Sekunden-Minute zu beobachten. Der Unix-Zeitstempel ging von 1483228799 (23:59:59) direkt zu 1483228800 (00:00:00) auf POSIX-Systemen über, was bedeutet, dass die Schaltsekunde keinen darstellbaren Zeitstempel hat und jedes Ereignis, das während ihr auftrat, als eine der beiden angrenzenden Sekunden gemeldet wird.

Wann und warum es zählt

Wenn Sie ein System bauen, das Ereignisse nach Zeitstempel ordnet (Datenbanken, Audit-Logs, verteilte Konsensprotokolle wie Raft und Paxos), kann eine rückwärtsspringende oder stehenbleibende Uhr Invarianten verletzen, von deren Existenz Sie nichts wussten. Die Schaltsekunde von 2012 deckte einen Linux-Kernel-Fehler auf, bei dem die hrtimer-Behandlung blockierte und CPU-Lockups bei Reddit, Mozilla und erheblichen Teilen des Java-Ökosystems verursachte (Cassandra- und Hadoop-Knoten hingen weltweit gleichzeitig). Das defensive Playbook von heute: bevorzugen Sie CLOCK_MONOTONIC für die Messung verstrichener Zeit (immun gegen Schaltsekunden und NTP-Sprünge), verwenden Sie eine smearende NTP-Quelle wie time.google.com für Wanduhr-Lesungen und gehen Sie davon aus, dass jeder Zeitstempel, den Sie von einem Dritten erhalten, über eine bekannte Schaltsekunden-Grenze leicht abweichen kann. Quelle: RFC 8633 — Network Time Protocol Best Current Practices.