Uhrendrift - Clock drift

Die Taktdrift bezieht sich auf mehrere verwandte Phänomene, bei denen eine Uhr nicht genau mit der gleichen Geschwindigkeit wie eine Referenzuhr läuft. Das heißt, nach einiger Zeit "driftet" die Uhr auseinander oder desynchronisiert sich allmählich von der anderen Uhr. Alle Uhren unterliegen einer Drift, die zu einer eventuellen Divergenz führt, sofern sie nicht erneut synchronisiert werden. Insbesondere die Drift von in Computern verwendeten kristallbasierten Uhren erfordert einen Synchronisationsmechanismus für jede Hochgeschwindigkeitskommunikation. Die Computertaktdrift kann verwendet werden, um Zufallszahlengeneratoren zu erstellen . Diese können jedoch durch Timing-Angriffe ausgenutzt werden .

In nichtatomaren Uhren

Alltagsuhren wie Armbanduhren haben eine endliche Präzision. Schließlich müssen sie korrigiert werden, um genau zu bleiben. Die Driftrate hängt von der Qualität der Uhr ab, manchmal von der Stabilität der Stromquelle, der Umgebungstemperatur und anderen subtilen Umgebungsvariablen. Somit kann dieselbe Uhr zu unterschiedlichen Anlässen unterschiedliche Driftraten aufweisen.

Fortgeschrittenere Uhren und alte mechanische Uhren haben oft eine Art Geschwindigkeitstrimmer, mit dem man die Geschwindigkeit der Uhr einstellen und so die Uhrendrift korrigieren kann. Beispielsweise kann bei Pendeluhren die Taktdrift durch leichtes Ändern der Länge des Pendels manipuliert werden .

Ein Quarzoszillator ist aufgrund von Fertigungsabweichungen weniger Drift ausgesetzt als das Pendel einer mechanischen Uhr. Daher haben die meisten alltäglichen Quarzuhren keine einstellbare Driftkorrektur.

Atomuhren

Atomuhren sind sehr präzise und haben fast keine Uhrendrift. Sogar die Rotationsrate der Erde weist aufgrund von Gezeitenbeschleunigung und anderen Effekten eine größere Drift und Variation der Drift auf als eine Atomuhr . Das Prinzip hinter der Atomuhr hat Wissenschaftler zu aktivieren , damit neu zu definieren , die SI - Einheit Sekunde in Bezug auf den genau 9 192 631 770 Schwingungen des Cäsiumatoms. Die Präzision dieser Schwingungen ermöglicht es Atomuhren, in hundert Millionen Jahren nur etwa eine Sekunde zu driften. Ab 2015 verliert die genaueste Atomuhr alle 15 Milliarden Jahre eine Sekunde. Die Internationale Atomzeit (TAI) Zeitstandard und seine Derivate (wie der Coordinated Universal Time (UTC)) auf Basis gewichtete Mittelwerte weltweit von Atomuhren.

Relativität

Wie Einstein vorausgesagt hat, können relativistische Effekte aufgrund der Zeitdilatation auch eine Taktdrift verursachen . Dies liegt daran, dass es keine feste Weltzeit gibt, da die Zeit relativ zum Beobachter ist. Spezielle Relativitätstheorie beschreibt, wie zwei Uhren, die von Beobachtern in unterschiedlichen Trägheitsrahmen gehalten werden (dh sich relativ zueinander bewegen, aber nicht beschleunigen oder verlangsamen), jedem Beobachter erscheinen, mit unterschiedlichen Raten zu ticken.

Zusätzlich dazu, die allgemeine Relativitätstheorie gibt uns Gravitations Zeitdilatation . Kurz gesagt, eine Uhr in einem stärkeren Gravitationsfeld (z. B. näher an einem Planeten) scheint langsamer zu ticken. Leute, die diese Uhren halten (dh diejenigen innerhalb und außerhalb des stärkeren Feldes), sind sich alle einig, welche Uhren schneller zu laufen scheinen.

Es ist eher die Zeit selbst als die Funktion der Uhr, die betroffen ist. Beide Effekte wurden experimentell beobachtet.

Zeitdilatation ist von praktischer Bedeutung. Beispielsweise erfahren die Uhren in GPS-Satelliten diesen Effekt aufgrund der verringerten Schwerkraft, die sie erfahren (wodurch ihre Uhren schneller zu laufen scheinen als die auf der Erde), und müssen daher relativistisch korrigierte Berechnungen berücksichtigen, wenn sie den Benutzern Standorte melden. Wenn die allgemeine Relativitätstheorie nicht berücksichtigt würde, wäre eine auf den GPS-Satelliten basierende Navigationskorrektur nach nur 2 Minuten falsch, und Fehler in globalen Positionen würden sich weiterhin mit einer Geschwindigkeit von etwa 10 Kilometern pro Tag ansammeln.

Zufallszahlengeneratoren

Computerprogramme benötigen häufig Zufallszahlen hoher Qualität, insbesondere für die Kryptographie . Es gibt verschiedene ähnliche Möglichkeiten, wie Taktdrift verwendet werden kann, um Zufallszahlengeneratoren (RNGs) zu erstellen.

Eine Möglichkeit, einen Hardware-Zufallszahlengenerator zu erstellen , besteht darin, zwei unabhängige Taktkristalle zu verwenden , von denen einer beispielsweise 100 Mal pro Sekunde und einer 1 Million Mal pro Sekunde tickt. Im Durchschnitt tickt der schnellere Kristall dann jedes Mal 10.000 Mal, wenn der langsamere tickt. Da die Uhrkristalle jedoch nicht präzise sind, variiert die genaue Anzahl der Zecken. Diese Variation kann verwendet werden, um zufällige Bits zu erzeugen. Wenn beispielsweise die Anzahl der schnellen Ticks gerade ist, wird eine 0 gewählt, und wenn die Anzahl der Ticks ungerade ist, wird eine 1 gewählt. Somit kann eine solche 100/1000000-RNG-Schaltung 100 etwas zufällige Bits pro Sekunde erzeugen. Typischerweise ist ein solches System voreingenommen - es könnte zum Beispiel mehr Nullen als Einsen erzeugen - und so werden Hunderte von etwas zufälligen Bits "weiß" , um einige unverzerrte Bits zu erzeugen.

Es gibt auch eine ähnliche Möglichkeit, eine Art "Software-Zufallszahlengenerator" zu erstellen. Dies beinhaltet den Vergleich des Timer-Ticks des Betriebssystems (der Tick, der normalerweise 100–1000 Mal pro Sekunde beträgt) und der Geschwindigkeit der CPU . Wenn der Betriebssystem-Timer und die CPU auf zwei unabhängigen Taktkristallen laufen, ist die Situation ideal und mehr oder weniger dieselbe wie im vorherigen Beispiel. Aber selbst wenn beide denselben Taktkristall verwenden, wird der Prozess / das Programm, das die Taktdriftmessung durchführt, durch viele mehr oder weniger unvorhersehbare Ereignisse in der CPU "gestört", wie z. B. Interrupts und andere Prozesse und Programme, die gleichzeitig ausgeführt werden. Somit ergibt die Messung immer noch ziemlich gute Zufallszahlen.

Die meisten Hardware-Zufallszahlengeneratoren wie die oben beschriebenen sind ziemlich langsam. Daher verwenden die meisten Programme sie nur, um einen guten Startwert zu erstellen, den sie dann einem Pseudozufallszahlengenerator oder einem kryptografisch sicheren Pseudozufallszahlengenerator zuführen , um schnell viele Zufallszahlen zu erzeugen.

Timing-Angriff

Im Jahr 2006 wurde ein Seitenkanalangriff veröffentlicht, bei dem der Zeitversatz aufgrund der CPU-Erwärmung ausgenutzt wurde. Der Angreifer verursacht eine hohe CPU-Auslastung auf einem pseudonymen Server ( Tor Hidden Service ), was zu einer CPU-Erwärmung führt. Die CPU-Erwärmung korreliert mit dem Zeitversatz, der durch Beobachtung von Zeitstempeln (unter der tatsächlichen Identität des Servers) erkannt werden kann.

Siehe auch

Verweise

  1. ^ Vincent, James (22. April 2015). "Die genaueste Uhr, die jemals gebaut wurde, verliert alle 15 Milliarden Jahre nur eine Sekunde . " Der Rand . Abgerufen am 17. September 2016 .
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  3. ^ Pogge, Richard W.; "Relative Relativitätstheorie: Das GPS-Navigationssystem" Zugriff am 30. Juni 2012.
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