Klockdrift

Klockdrift hänvisar till flera relaterade fenomen där en klocka inte går i exakt samma takt som en referensklocka. Det vill säga, efter en tid "glider" klockan isär eller avsynkroniseras gradvis från den andra klockan. Alla klockor är föremål för drift, vilket orsakar eventuell divergens om de inte synkroniseras om. I synnerhet kräver driften av kristallbaserade klockor som används i datorer någon synkroniseringsmekanism för all höghastighetskommunikation. Datorklockdrift kan användas för att bygga slumptalsgeneratorer . Dessa kan dock utnyttjas genom att tajma attacker .

I icke-atomära klockor

Vardagsklockor som armbandsur har ändlig precision. Så småningom kräver de korrigering för att förbli korrekta. Drifthastigheten beror på klockans kvalitet, ibland strömkällans stabilitet, den omgivande temperaturen och andra subtila miljövariabler. Således kan samma klocka ha olika drifthastigheter vid olika tillfällen.

Mer avancerade klockor och gamla mekaniska klockor har ofta någon form av hastighetstrimmer där man kan justera klockans hastighet och därmed korrigera för klockdrift. Till exempel, i pendelklockor kan klockdriften manipuleras genom att något ändra längden på pendeln .

En kvartsoscillator är mindre utsatt för drift på grund av tillverkningsvariationer än pendeln i en mekanisk klocka. Därför har de flesta vardagliga kvartsklockor inte en justerbar driftkorrigering.

Atomklockor

Atomklockor är mycket exakta och har nästan ingen klockdrift. Även jordens rotationshastighet har mer drift och variation i drift än en atomklocka på grund av tidvattenacceleration och andra effekter. Principen bakom atomklockan har gjort det möjligt för forskare att omdefiniera SI-enheten tvåa i termer av exakt 9 192 631 770 svängningar av cesium -133-atomen. Precisionen i dessa svängningar tillåter atomur att driva ungefär bara en sekund på hundra miljoner år; från och med 2015 tappar den mest exakta atomklockan en sekund var 15:e miljard år. Tidsstandarden för International Atomic Time (TAI) och dess derivator (såsom Coordinated Universal Time ( UTC)) är baserade på viktade medelvärden av atomur världen över.

Relativitet

Som Einstein förutspådde kan relativistiska effekter också orsaka klockdrift på grund av tidsutvidgning . Detta beror på att det inte finns någon fast universell tid, tiden är i förhållande till betraktaren. Särskild relativitetsteori beskriver hur två klockor som hålls av observatörer i olika tröghetsramar (dvs. som rör sig i förhållande till varandra men inte accelererar eller bromsar) var och en ser ut att ticka i olika takt för endera observatören.

Utöver detta ger allmän relativitet oss gravitationstidsdilatation . Kortfattat kommer en klocka i ett starkare gravitationsfält (t.ex. närmare en planet) att se ut att ticka långsammare. Människor som håller dessa klockor (dvs. de inom och utanför det starkare fältet) skulle alla vara överens om vilka klockor som verkar gå snabbare.

Det är tiden själv snarare än klockans funktion som påverkas. Båda effekterna har observerats experimentellt. ^{[ citat behövs ]}

Tidsutvidgning är av praktisk betydelse. Till exempel upplever klockorna i GPS-satelliter denna effekt på grund av den minskade gravitationen de upplever (som gör att deras klockor verkar gå snabbare än de på jorden) och måste därför inkludera relativistiskt korrigerade beräkningar när de rapporterar platser till användarna . Om den allmänna relativitetsteorin inte togs med i beräkningen, skulle en navigationsfix baserad på GPS-satelliterna vara falsk efter bara 2 minuter, och fel i globala positioner skulle fortsätta att ackumuleras med en hastighet av cirka 10 kilometer varje dag.

Slumptalsgeneratorer

Datorprogram behöver ofta slumptal av hög kvalitet, särskilt för kryptografi . Det finns flera liknande sätt som klockdrift kan användas för att bygga slumptalsgeneratorer ( RNG).

Ett sätt att bygga en hårdvarugenerator för slumptal är att använda två oberoende klockkristaller , en som till exempel tickar 100 gånger per sekund och en som tickar 1 miljon gånger per sekund. I genomsnitt kommer den snabbare kristallen då att ticka 10 000 gånger för varje gång den långsammare tickar. Men eftersom klockkristaller inte är exakta kommer det exakta antalet fästingar att variera. Den variationen kan användas för att skapa slumpmässiga bitar. Till exempel, om antalet snabba bockar är jämnt, väljs en 0, och om antalet bockar är udda, väljs en 1. Således kan en sådan 100/1000000 RNG-krets producera 100 något slumpmässiga bitar per sekund. Vanligtvis är ett sådant system partiskt - det kan till exempel producera fler nollor än ettor - och så hundratals lite slumpmässiga bitar " vitas" för att producera några opartiska bitar.

Det finns också ett liknande sätt att bygga en sorts "programvara för slumptalsgenerator". Detta innebär att jämföra timerticken för operativsystemet (ticket som vanligtvis är 100–1000 gånger per sekund) och processorns hastighet . Om OS-timern och CPU:n körs på två oberoende klockkristaller är situationen idealisk och mer eller mindre densamma som i föregående exempel. Men även om de båda använder samma klockkristall så processen /programmet som gör klockdriftmätningen av många mer eller mindre oförutsägbara händelser i CPU:n såsom avbrott och andra processer och program som körs samtidigt. Således kommer mätningen fortfarande att producera ganska bra slumptal.

De flesta slumptalsgeneratorer för hårdvara som de som beskrivs ovan är ganska långsamma. Därför använder de flesta program dem bara för att skapa ett bra frö som de sedan matar till en pseudoslumptalsgenerator eller en kryptografiskt säker pseudoslumptalsgenerator för att producera många slumptal snabbt.

Timing attack

2006 publicerades en sidokanalattack som utnyttjade klockskevning baserat på CPU-uppvärmning. Angriparen orsakar kraftig CPU-belastning på en pseudonym server ( Tor hidden service ), vilket orsakar CPU-uppvärmning. CPU-uppvärmning är korrelerad med klockskevhet, vilket kan detekteras genom att observera tidsstämplar (under serverns verkliga identitet).

Se även

^ Vincent, James (22 april 2015). "Den mest exakta klockan som någonsin byggts tappar bara en sekund var 15 miljarder år. " The Verge . Hämtad 17 september 2016 .
^ Gibney, Elizabeth (4 juni 2015). "Hyperexakta atomklockor vänder för att omdefiniera tiden" . Naturen . 522 (7554): 16–17. Bibcode : 2015Natur.522...16G . doi : 10.1038/522016a . PMID 26040875 .
^ Pogge, Richard W.; "Real-World Relativity: The GPS Navigation System" Åtkomst 30 juni 2012.
^ Steven J. Murdoch. Hot or Not: Revealing Hidden Services by their Clock Skew , ACM CCS 2006. (pdf)

[1] Vincent, James (22 april 2015). "Den mest exakta klockan som någonsin byggts tappar bara en sekund var 15 miljarder år. " The Verge . Hämtad 17 september 2016 .

[2] Gibney, Elizabeth (4 juni 2015). "Hyperexakta atomklockor vänder för att omdefiniera tiden" . Naturen . 522 (7554): 16–17. Bibcode : 2015Natur.522...16G . doi : 10.1038/522016a . PMID 26040875 .

[3] Pogge, Richard W.; "Real-World Relativity: The GPS Navigation System" Åtkomst 30 juni 2012.

[4] Steven J. Murdoch. Hot or Not: Revealing Hidden Services by their Clock Skew , ACM CCS 2006. (pdf)