Дрейф часов - Clock drift

Дрейф часов относится к нескольким связанным явлениям, когда часы не работают с точно такой же скоростью, как эталонные часы. То есть через некоторое время часы «расходятся» или постепенно десинхронизируются с другими часами. Все часы подвержены дрейфу, что в конечном итоге приводит к расхождению, если не выполнить повторную синхронизацию. В частности, дрейф кварцевых часов, используемых в компьютеры требует некоторого механизма синхронизации для любой высокоскоростной связи. Дрейф компьютерных часов можно использовать для построения генераторы случайных чисел. Однако они могут быть использованы время атаки.

В неатомных часах

Основная статья: Дрейф частоты

Повседневные часы, такие как наручные часы имеют конечную точность. В конце концов, чтобы они оставались точными, требуется исправление. Скорость дрейфа зависит от качества часов, иногда от стабильности источника питания, температуры окружающей среды и других незначительных переменных окружающей среды. Таким образом, одни и те же часы могут иметь разную скорость дрейфа в разных случаях.

Более продвинутые часы и старые механические часы часто имеют какой-то регулятор скорости, с помощью которого можно регулировать скорость часов и, таким образом, корректировать их дрейф. Например, в маятниковые часы дрейфом часов можно управлять, немного изменяя длину маятник.

Кварцевый генератор меньше подвержен дрейфу из-за производственных отклонений, чем маятник в механических часах. Следовательно, большинство повседневных кварцевых часов не имеют регулируемой коррекции дрейфа.

Атомные часы

Атомные часы очень точны и почти не имеют смещения часов. Даже Скорость вращения Земли имеет больший дрейф и вариацию дрейфа, чем атомные часы из-за приливное ускорение и другие эффекты. Принцип, лежащий в основе атомных часов, позволил ученым заново определить Единица СИ второй в пересчете на 9 192 631 770 колебаний цезий атом. Точность этих колебаний позволяет атомным часам дрейфовать всего лишь на одну секунду за сто миллионов лет; по состоянию на 2015 год самые точные атомные часы теряют одну секунду каждые 15 миллиардов лет.[1][2] В Международное атомное время (TAI) стандарт времени и его производные (такие как Всемирное координированное время (UTC)) основаны на средневзвешенные атомных часов по всему миру.

Относительность

В качестве Эйнштейн предсказанные, релятивистские эффекты также могут вызывать дрейф часов из-за замедление времени. Это связано с тем, что не существует фиксированного универсального времени, поскольку время относительно наблюдателя. Специальная теория относительности описывает, как два часа держат наблюдатели в разных инерциальные системы (т. е. движение относительно друг друга, но не ускорение или замедление) будет казаться каждому наблюдателю тикающим с разной скоростью.

В дополнение к этому, общая теория относительности дает нам гравитационное замедление времени. Вкратце, часы в более сильном гравитационном поле (например, ближе к планете) будут показывать медленнее. Люди, держащие эти часы (то есть те, которые находятся внутри и снаружи более сильного поля), все согласятся, какие часы будут идти быстрее.

Это влияет на само время, а не на функцию часов. Оба эффекта наблюдались экспериментально.[нужна цитата ]

Замедление времени имеет практическое значение. Например, часы в Спутники GPS испытывают этот эффект из-за пониженной силы тяжести, которую они испытывают (заставляя их часы работать быстрее, чем на Земле), и поэтому должны включать релятивистские вычисления при сообщении местоположения пользователям. Если бы не учитывалась общая теория относительности, то навигационная привязка, основанная на спутниках GPS, была бы ложной всего через 2 минуты, а ошибки в глобальных позициях продолжали бы накапливаться со скоростью около 10 километров каждый день.[3]

Генераторы случайных чисел

Смотрите также: Аппаратный генератор случайных чисел § Дрейф часов

Компьютерные программы часто нужны случайные числа высокого качества, особенно для криптография. Есть несколько аналогичных способов использования дрейфа часов для построения генераторы случайных чисел (ГСЧ).

Один из способов построить аппаратный генератор случайных чисел заключается в использовании двух независимых часы кристаллы, один, который, например, тикает 100 раз в секунду, а другой - 1 миллион раз в секунду. В среднем более быстрый кристалл будет тикать 10 000 раз каждый раз, когда тикает более медленный. Но поскольку кристаллы часов неточны, точное количество тактов может варьироваться. Этот вариант можно использовать для создания случайных битов. Например, если количество быстрых тиков четное, выбирается 0, а если количество тактов нечетное, выбирается 1. Таким образом, такая схема 100/1000000 ГСЧ может генерировать 100 несколько случайных битов в секунду. Обычно такая система смещена - она ​​может, например, производить больше нулей, чем единиц - и поэтому сотни несколько случайных битов "побеленный" для получения нескольких несмещенных битов.

Также существует похожий способ построить своего рода «программный генератор случайных чисел». Это включает сравнение тика таймера операционной системы (тика, которая обычно составляет 100–1000 раз в секунду) и скорости ЦПУ. Если таймер ОС и ЦП работают на двух независимых тактовых кристаллах, ситуация идеальна и более или менее такая же, как в предыдущем примере. Но даже если они оба используют один и тот же часовой кристалл, процесс / программа, которая выполняет измерение ухода часов, "нарушается" многими более или менее непредсказуемыми событиями в ЦП, такими как прерывает и другие процессы и программы, которые выполняются одновременно. Таким образом, измерение по-прежнему будет давать довольно хорошие случайные числа.

Большинство аппаратных генераторов случайных чисел, таких как описанные выше, довольно медленные. Поэтому большинство программ используют их только для создания хорошего семени, которое затем скармливают генератор псевдослучайных чисел или криптографически безопасный генератор псевдослучайных чисел для быстрого получения множества случайных чисел.

Сроки атаки

В 2006 г. атака по побочному каналу был опубликован[4] это использовало рассогласование тактовой частоты из-за нагрева процессора. Злоумышленник вызывает большую загрузку процессора на псевдоним сервер (Скрытый сервис Tor ), вызывая нагрев процессора. Нагрев процессора коррелирует со сдвигом часов, который можно обнаружить, наблюдая за отметками времени (под реальной идентификацией сервера).

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Винсент, Джеймс (22 апреля 2015 г.). «Самые точные часы, когда-либо построенные, теряют только одну секунду каждые 15 миллиардов лет». Грани. Получено 17 сентября 2016.
  2. ^ Гибни, Элизабет (4 июня 2015 г.). "Сверхточные атомные часы сталкиваются, чтобы заново определить время". Природа. 522 (7554): 16–17. Bibcode:2015Натура.522 ... 16Г. Дои:10.1038 / 522016a. PMID  26040875.
  3. ^ Погге, Ричард В .; "Реальная теория относительности: система навигации GPS" По состоянию на 30 июня 2012 г.
  4. ^ Стивен Дж. Мердок. Горячо или нет: выявление скрытых сервисов по смещению часов, ACM CCS 2006. (pdf)