Дрейф часов

Относится к нескольким связанным явлениям.

Дрейф часов относится к нескольким связанным явлениям, когда часы не идут с той же скоростью, что и эталонные часы. То есть, через некоторое время часы «отстают» или постепенно рассинхронизируются с другими часами. Все часы подвержены дрейфу, вызывая в конечном итоге расхождение, если их не синхронизировать повторно. В частности, дрейф часов на основе кристаллов, используемых в компьютерах, требует некоторого механизма синхронизации для любой высокоскоростной связи. Дрейф часов компьютера может быть использован для построения генераторов случайных чисел . Однако их можно использовать с помощью атак по времени .

В неатомных часах

Повседневные часы, такие как наручные, имеют конечную точность. В конце концов, им требуется коррекция, чтобы оставаться точными. Скорость дрейфа зависит от качества часов, иногда от стабильности источника питания, температуры окружающей среды и других тонких 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 своего рода триммер скорости, с помощью которого можно регулировать скорость часов и таким образом корректировать дрейф часов. Например, в маятниковых часах дрейф часов можно манипулировать, слегка изменяя длину маятника .

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

Атомные часы

Атомные часы очень точны и почти не имеют дрейфа часов. Даже скорость вращения Земли имеет больший дрейф и вариацию дрейфа, чем атомные часы из-за приливного ускорения и других эффектов. Принцип, лежащий в основе атомных часов, позволил ученым переопределить единицу СИ секунду с точки зрения точного9 192 631 770 колебаний атома цезия -133. Точность этих колебаний позволяет атомным часам смещаться примерно 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] Международный стандарт атомного времени (TAI) и его производные (такие как Всемирное координированное время (UTC)) основаны на средневзвешенных значениях атомных часов по всему миру.

Относительность

Как предсказывал Эйнштейн , релятивистские эффекты также могут вызывать дрейф часов из-за замедления времени . Это происходит потому, что не существует фиксированного всемирного времени, поскольку время отсчитывается относительно наблюдателя. Специальная теория относительности описывает, как двое часов, удерживаемых наблюдателями в разных инерциальных системах отсчета (т. е. движущихся относительно друг друга, но не ускоряющихся и не замедляющихся), будут казаться каждому наблюдателю идущими 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 казаться идущими медленнее. Люди, держащие эти часы (то есть те, которые находятся внутри и снаружи более сильного поля), все согласятся, какие часы кажутся идущими быстрее.

Это влияет на само время, а не на функцию часов. Оба эффекта были экспериментально обнаружены. ^{[ необходима цитата ]}

Замедление времени имеет практическое значение. Например, часы в спутниках GPS испытывают этот эффект из-за пониженной гравитации, которую они испытывают (из-за чего их часы кажутся идущими быстрее, чем на Земле), и поэтому должны включать релятивистски скорректированные вычисления при сообщении местоположения пользователям. Если бы общая теория относительности не учитывалась, навигационное исправление, основанное на спутниках GPS, было бы ложным всего через 2 минуты, а ошибки в глобальных позициях продолжали бы накапливаться со скоростью около 10 километров в день. ^[3]

Генераторы случайных чисел

Компьютерным программам часто требуются высококачественные случайные числа, особенно для криптографии . ^[4] Существует несколько похожих способов использования дрейфа часов для создания генераторов случайных чисел (ГСЧ).

Один из способов создания аппаратного генератора случайных чисел — использовать два независимых тактовых кристалла , один из которых, например, тикает 100 раз в секунду, а другой — 1 миллион раз в секунду. В среднем более быстрый кристалл будет тикать 10 000 раз за каждый тик более медленного. Но поскольку тактовые кристаллы неточны, точное количество тиков будет варьироваться. Это изменение можно использовать для создания случайных битов. Например, если количество быстрых тиков четное, выбирается 0, а если количество тиков нечетное, выбирается 1. Таким образом, такая схема ГСЧ 100/1000000 может производить 100 несколько случайных битов в секунду. Обычно такая система смещена — например, она может производить больше нулей, чем единиц — и поэтому сотни несколько случайных бит «отбеливаются», чтобы произвести несколько несмещенных битов.

Существует также похожий способ создания своего рода «программного генератора случайных чисел». Он включает сравнение тика таймера операционной системы (тика, который обычно составляет 100–1000 раз в секунду) и скорости ЦП . Если таймер ОС и ЦП работают на двух независимых тактовых кристаллах, ситуация идеальна и более или менее совпадает с предыдущим примером. Но даже если они оба используют один и тот же тактовый кристалл, процесс / программа, которая выполняет измерение дрейфа часов, «нарушается» многими более или менее непредсказуемыми событиями в ЦП, такими как прерывания и другие процессы и программы, которые работают в то же время. Таким образом, измерение все равно будет производить довольно хорошие случайные числа.

Большинство аппаратных генераторов случайных чисел, таких как описанные выше, довольно медленные. Поэтому большинство программ используют их только для создания хорошего начального числа, которое затем передается в генератор псевдослучайных чисел или криптографически защищенный генератор псевдослучайных чисел для быстрого создания множества случайных чисел.

Атака по времени

В 2006 году была опубликована атака по сторонним каналам ^[5] , которая эксплуатировала перекос часов на основе нагрева ЦП. Атакующий вызывает большую нагрузку на ЦП на псевдонимном сервере ( скрытый сервис Tor ), вызывая нагрев ЦП. Нагрев ЦП коррелирует с перекосом часов, который можно обнаружить, наблюдая за временными метками (под реальной идентификацией сервера).

Смотрите также

Ссылки

↑ Винсент, Джеймс (22 апреля 2015 г.). «Самые точные часы, когда-либо построенные, теряют всего одну секунду каждые 15 миллиардов лет». The Verge . Получено 17 сентября 2016 г.
^ Гибни, Элизабет (4 июня 2015 г.). «Сверхточные атомные часы соревнуются за переопределение времени». Nature . 522 (7554): 16– 17. Bibcode :2015Natur.522...16G. doi : 10.1038/522016a . PMID 26040875.
^ Погге, Ричард У.; «Относительность в реальном мире: навигационная система GPS». Доступно 30 июня 2012 г.
^ Омассон, Жан-Филипп (2017). Серьёзная криптография . No Starch Press . стр. 24. ISBN 9781593278267.
^ Стивен Дж. Мердок. Горячо или нет: выявление скрытых услуг по их часовой разнице , ACM CCS 2006. (pdf)

[1] Винсент, Джеймс (22 апреля 2015 г.). «Самые точные часы, когда-либо построенные, теряют всего одну секунду каждые 15 миллиардов лет». The Verge . Получено 17 сентября 2016 г.

[2] Гибни, Элизабет (4 июня 2015 г.). «Сверхточные атомные часы соревнуются за переопределение времени». Nature . 522 (7554): 16– 17. Bibcode :2015Natur.522...16G. doi : 10.1038/522016a . PMID 26040875.

[3] Погге, Ричард У.; «Относительность в реальном мире: навигационная система GPS». Доступно 30 июня 2012 г.

[4] Омассон, Жан-Филипп (2017). Серьёзная криптография . No Starch Press . стр. 24. ISBN 9781593278267.

[5] Стивен Дж. Мердок. Горячо или нет: выявление скрытых услуг по их часовой разнице , ACM CCS 2006. (pdf)