Дрейф часов - Clock drift

Дрейф часов относится к нескольким связанным явлениям, когда часы не работают с той же скоростью, что и опорные 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 они не синхронизированы. В частности, дрейф кварцевых часов, используемых в компьютерах, требует некоторого механизма синхронизации для любой высокоскоростной связи. Дрейф компьютерных часов можно использовать для построения генераторов случайных чисел . Однако их можно использовать с помощью тайминговых атак .

В неатомных часах

Повседневные часы, такие как наручные, обладают конечной точностью. В конце концов, чтобы они оставались точными, их нужно исправить. 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 дрейф часов. Например, в маятниковых часах дрейфом часов можно управлять, немного изменяя длину маятника .

Кварцевый генератор менее 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 отклонение в дрейфе, чем атомные часы, из-за приливного ускорения и других эффектов. Принцип, лежащий в основе атомных часов, позволил ученым заново определить секунду в системе СИ с точки зрения точно 9 192 631 770 колебаний атома цезия . Точность этих колебаний позволяет атомным часам дрейфовать примерно на одну секунду за сто миллионов лет; по состоянию на 2015 год самые точные атомные часы теряют одну секунду каждые 15 миллиардов лет. Международное атомное время (TAI) стандартное время и его производные (например, координированное всемирное время (UTC)) основаны на средневзвешенных атомные часы по всему миру.

Относительность

Как предсказал Эйнштейн , релятивистские эффекты также могут вызывать дрейф часов из-за замедления времени . Это связано с тем, что не существует фиксированного универсального времени, поскольку время относительно наблюдателя. Специальная теория относительности описывает, как два часа, удерживаемые наблюдателями в разных инерциальных системах отсчета (т. Е. Движущиеся относительно друг друга, но не ускоряющиеся или замедляющиеся), кажутся наблюдателям тикающими 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) покажутся медленнее. Люди, держащие эти часы (то есть те, которые находятся внутри и снаружи более сильного поля), все согласятся, какие часы идут быстрее.

Это влияет на само время, а не на функцию часов. Оба эффекта наблюдались экспериментально.

Замедление времени имеет практическое значение. Например, часы на спутниках GPS испытывают этот эффект из-за пониженной силы тяжести, которую они испытывают (заставляя их часы работать быстрее, чем на Земле), и поэтому они должны включать релятивистски скорректированные 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.

Генераторы случайных чисел

Компьютерные программы часто нуждаются в случайных числах высокого качества, особенно для криптографии . Существует несколько аналогичных 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 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 RNG может производить 100 несколько случайных битов в секунду. Обычно такая система является смещенной - она ​​может, например, производить больше нулей, чем единиц, - и поэтому сотни несколько случайных битов «отбеливаются», чтобы произвести несколько несмещенных битов.

Также существует похожий способ построить своего рода «программный генератор случайных чисел». Это включает в себя сравнение тика таймера операционной системы (тик, который обычно составляет 100–1000 раз в секунду) и скорости процессора . 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 тактовый кристалл, процесс / программа, выполняющая измерение ухода тактовой частоты, "нарушается" многими более или менее непредсказуемыми событиями в ЦП, такими как прерывания и другие процессы и программы, которые выполняются в одно и то же время. 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 начального числа, которое они затем передают генератору псевдослучайных чисел или криптографически безопасному генератору псевдослучайных чисел для быстрого получения множества случайных чисел.

Сроки атаки

В 2006 году была опубликована атака по побочному каналу, в которой использовался сдвиг тактовой частоты из-за нагрева процессора. Злоумышленник вызывает большую загрузку процессора на псевдонимном сервере ( скрытая служба Tor ), вызывая нагрев процессора. Нагрев процессора коррелирует со сдвигом часов, который можно обнаружить, наблюдая за отметками времени (под реальной идентификацией сервера).

Смотрите также

• Проскальзывание бит
• Смещение часов
• Влияние теории относительности на GPS
• Блокировка впрыска
• Закон Сигала

Ссылки