Synchronisons nos montres

Présentation au sujet: "Synchronisons nos montres"— Transcription de la présentation:

1 Synchronisons nos montres
Gérard Berry Collège de France Chaire Algorithmes, machines et langages Cours 5, 12 mars 2014

2 It is possible to own too much :
Le facteur temps, c’est l’âpre fumet, et c’est le parfum Anagrammes, Etienne Klein It is possible to own too much : a man with one watch knows what time it is, a man with two watches is never quite sure Lee Segall G. Berry, Collège de France 12/03/2014

3 Les rythmes naturels – bien compliqués !
Le jour et la nuit Le cycle lunaire, le cycle annuel Rythme des saisons rythme de la lumière rythme décalé de la température Rythmes agricoles : labourage, s les, récolte,... Migration des oiseaux et des poissons Floraison simultanée des bambous du monde entier La nature a bien suivi le cours 2013 sur le temps multiforme ! G. Berry, Collège de France 12/03/2014

4 La durée du jour Passage du soleil au méridien : 24h en moyenne
=> équation du temps (le soleil au sud ne donne pas le midi) Passage d’une étoile au méridien : 23h56mn la terre a avancé de ~1o sur son orbite ! G. Berry, Collège de France 12/03/2014

5 Mesurer les durées Mesurer les durées clepsydre
sablier (jusqu’à 1 an !) corde à nœuds G. Berry, Collège de France 12/03/2014

6 Horloges à eau (clepsydres)
Ksêtíbios, 3e siècle avant Jésus-Christ G. Berry, Collège de France 12/03/2014

7 G. Berry, Collège de France
12/03/2014

8 Yantra Mandir, Jaipur, ~1730 Photo G. Berry
G. Berry, Collège de France 12/03/2014

9 Photo G. Berry G. Berry, Collège de France 12/03/2014

10 Les heures canoniales et les cloches
Matines entre minuit et le lever du soleil 4 tintements Prime lever du soleil 3 tintements Tierce milieu de matinée 2 tintements Sexte midi 1 tintement None milieu d’après-midi Vêpres coucher du soleil Complies tombée de la nuit Irrégulières, annoncées par les cloches Mais qu’est-ce donc qu’un tintamarre? G. Berry, Collège de France 12/03/2014

11 Les clepsydres gèlent, inventons l’échappement !
source B. Meigun Prieuré de Dunstable, 1283 Huygens ajoute le pendule et la cycloïde pour régulariser le pendule (1694) G. Berry, Collège de France 12/03/2014

12 G. Berry, Collège de France
12/03/2014

13 La pendule de référence (Pavillon de Breteuil)
entre chien et loup 24 point d’heure pdh ecl avec les poules alp pm potron-minet 18 06 07 7h et des poussières ps maqh pt midi à quatorze heures 12 midi pétante G. Berry, Collège de France 12/03/2014

14 G. Berry, Collège de France
12/03/2014

15 Le calendrier Seuls deux calendriers actuels comptent vraiment
le calendrier vulgaire (ou Grégorien), encore utilisé le calendrier pataphysique : tous les 13 sont des vendredis Mon préféré : le calendrier révolutionnaire (Laplace) 1 mois = 3 semaines de 10 jours 1 jour = 10 heures 1 heure = 100 minutes 1 minute = 100 secondes 5 jours supplémentaires tous les ans : Vertus, Génie, Travail, Opinion, Récompenses plus un pour les années bissextiles : Sans-culottides G. Berry, Collège de France 12/03/2014

16 mauvaise estimation de longitude
Des Scilly à John Harrisson Le grand prix de l’amirauté ( livres) 2 novembre 1707 (Grégorien), mauvaise estimation de longitude (1s d’erreur = 400m) 1772 : Chronomètre H5 1/3 s par jour ! G. Berry, Collège de France 12/03/2014

17 Le tourbillon Bréguet 7 messidor an IX (26 juin 1801).
Source : leblogdesmontres.fr G. Berry, Collège de France 12/03/2014

18 “On August 12, 1853, two trains on the Providence & Worcester Railroad were headed toward each other on a single track. The conductor of one train thought there was time to reach the switch to a track to Boston before the approaching train was scheduled to pass through. But the conductor's watch was slow. As his speeding train rounded a blind curve, it collided head-on with the other train—fourteen people were killed. The public was outraged. All over New England, railroads ordered more reliable watches for their conductors and issued stricter rules for running on time.” G. Berry, Collège de France 12/03/2014

19 Horloges atomiques G. Berry, Collège de France 12/03/2014

20 Horloge parlante 1933 : l’horloge parlante d’Ernest Esclangon
1991: Marie-Sylvie Behr donne sa voix à l’horloge atomique mais qui est donc cet homme ? G. Berry, Collège de France 12/03/2014

21 Horloge atomique de poche !
< 120mW power consumption < 17cm3 volume 35g weight ± 5  1011 accuracy at shipment σy < 5  10 12 at τ = 1 hour short-term stability (Allan Deviation) < 3  10 12 / month aging rate source Symmetricom.com G. Berry, Collège de France 12/03/2014

22 La seconde, unité globale
La seconde est la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les niveaux hyperfins F=3 et F=4 de l’état fondamental 6S½ de l’atome de césium 133, à la température de référence du zéro absolu. Laps de temps : 1 s = 9 192 631 770 laps 1 s ~ 9.2 giga-laps Oeuf coque, niveau de la mer, 0 absolu = 3mn 45s compter jusqu’à ~ 2 téra-laps Oeuf coque, Paris, 35m, 100  Celsius = 4mn 03s compter jusqu’à laps G. Berry, Collège de France 12/03/2014

23 La fin de notre Kilogramme étalon?
Pavillon de Breteuil Sèvres source : CSIRO Industrial Physics 90% platine, 10% Iridium h = d = 39,17mm Australie : sphère de silicium parfaite diamètre précis à 70 nm défauts de rugosité < 0,3 nm G. Berry, Collège de France 12/03/2014

24 Le NIST américain : masse = temps
Balance du Watt Photo par Richard Steiner Kg défini par la seconde, la la vitesse de la lumière c et la constante de Planck h ! G. Berry, Collège de France 12/03/2014

25 Physiciens ou ‘Pataphysiciens ?
La seconde est la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les niveaux hyperfins F=3 et F=4 de l’état fondamental 6S½ de l’atome de césium 133, à la température de référence du zéro absolu. 1 mètre = la distance parcourue par la lumière dans le vide en 1 / 299 792 458 seconde Le kilogramme est la masse qui subirait une accélération de précisément 2×10-7 m/s2 lorsqu’elle est soumise à la force par mètre entre deux conducteurs parallèles, rectilignes, de longueur infinie, de section circulaire négligeable, placés à une distance d’un mètre l’un de l’autre dans le vide, et à travers desquels passe un courant électrique constant d’exactement 6, ×1018 charges élémentaires par seconde.  G. Berry, Collège de France 12/03/2014

26 Quelle heure : GMT, TU, UTC, ou TAI ?
GMT : heure déterminée par le passage du soleil moyen au méridien de Greenwich (équation du temps) – 0h00 à midi ! après bagarre avec les français, bien sûr ! : adopté par les compagnies ferroviaires mais une loi de 1858 impose le temps local ! 1880: loi imposant l’heure GMT en Angleterre TAI (Temps Atomique International) : moyenne de plus de 200 horloges au Césium correction de gravité base d’encore autre temps UTC  mix(TUC, CUT) ! temps civil mondial, TAI + secondes (ralentissement de la terre, etc.) TCB (planètes), TCG (temps géocentrique), TT (temps terrestre), etc. – vive la relativité générale ! G. Berry, Collège de France 12/03/2014

27 voir Parler du temps, mais de manière formelle,
Bugs de temps 31/12/2008 : tous les lecteurs MP3 Zune (Microsoft) vident leur piles à minuit en bouclant sur deux tests 28/02/2010 : les PS3 FAT de Sony repassent au 01/01/2000 (ou autres), perdant le réseau et les jeux 10/2010 : les iPhones US passent à l’heure d’hiver, 10/2010 : mais pas leurs réveils ! 25/02/1991: 28 morts et 98 blessés suite à la chute d’un SCUD sur une caserne américaine, due au système d’horloge logicielle d’une station Patriot voir Parler du temps, mais de manière formelle, cours 1 du 04/02/2013, G. Berry, Collège de France 12/03/2014

28 PTP = Precise Time Protocol, IEEE 1588
Deux versions, 2002 puis 2008 Base : GPS, horloges atomiques travaille en TAI, communique l’écart avec UTC Réseaux multicast (Ethernet ou autres) Objectifs Synchronisation < 1 s charge faible sur les machines et réseaux simple à administrer Contraintes temps de propagation dans le réseau symétriques White paper : Precision Clock Synchronization, The Standard IEEE 1588, Hirschmann G. Berry, Collège de France 12/03/2014

29 Réseau hiérarchique PTP
Source Hirschmann G. Berry, Collège de France 12/03/2014

30 Types de noeuds PTP Boundary Clock  switch temporellement précis
esclave en réception, maître en émission compensation des délais internes Source Hirschmann G. Berry, Collège de France 12/03/2014

31 Protocoles de synchronisation PTP
maître esclave sync 998 (~t1) t1 1000 1005 t’1  1007 1008 fup 1000 1015  1008  101510071000 délai de transmission non connu ! sync 1010 (~t1) t2 1013 1011 t’2  1013 fup 1013 1015 1015  1002  101510131013 dreq 1021 1021 t’3  calcul du délai t3 1025 dresp 1025 délai  (t’2t2t3t’3) / 2  2 t4 1030 sync 1027 (~t4) 1030 t’4  fup 1030 1033 1035 1033 t’5   1035  t’5  délai  1002 G. Berry, Collège de France 12/03/2014

32 Architecture d’un nœud PTP
Les timestamps doivent être construits au plus près du HW La communication HW / SW doit être soignée (drivers réseau / horloges) Source Hirschmann G. Berry, Collège de France 12/03/2014

33 La couche logicielle recherche du meilleur Master
par observation des horloges Source Hirschmann G. Berry, Collège de France 12/03/2014

34 Un exemple extrême, le LHC
Le projet WhiteRabbit du CERN synchronise les horloges à 10 km de distance à ~80 picosecondes près par GPS, IEEE 1588 PTP et Ethernet synchrone Source CERN G. Berry, Collège de France 12/03/2014

35 NTP : Network Time Protocol
Dimension : gigantesque, l’ensemble d’Internet, au moins ! Rôle : essentiel, pour le routage comme pour les utilisateurs! Contraintes : travail en conditions difficiles (mauvais réseau, pannes, etc.) hiérarchie à plusieurs niveaux les sous-réseaux doivent pouvoir survivre, même déconnectés longtemps le protocole doit agir en continu et synchroniser les horloges standards des ordinateurs, sur Internet standard, et en utilisant peu de ressources il doit être sécurisé face aux attaques malicieuses les événements importants doivent être stockés pour analyse éventuelle le logiciel soit être simple, standard, et facile à installer G. Berry, Collège de France 12/03/2014

36 Format du temps dans NTP
de la naissance de l’univers à la mort du soleil 500 as (1 as = 1018 s) era = 136 ans, base 01/01/ :00 G. Berry, Collège de France 12/03/2014

37 Gestion du temps sur un hôte NTP
Chaque serveur a un compteur de temps qui avance l’horloge système tous les 10ms La lecture du temps doit toujours être croissante Correction du temps toutes les secondes agent majeur de fluctuation, la température (1PPM / C) doit respecter la monotonie  correction douce! correction faite dans le noyau  précision ~1s G. Berry, Collège de France 12/03/2014

38 Fonctionnement global de NTP
Associations permanentes ou éphémères, symétriques ou asymétriques (client serveur) Détection automatique des serveurs, reconfiguration automatique en cas de panne (algorithmes byzantins) Authentification cryptographique des accès, détection d’intrusions Algorithmes statistiques d’évaluation du temps et de la qualité des serveurs G. Berry, Collège de France 12/03/2014

39 NTP : protocole riche et complexe, devenu universel
Un énorme travail collectif né de David Mills, qui touche à beaucoup de domaines : algorithmes distribués, statistiques, réseau, noyau OS, cryptographie, etc. Synchronisations ms  s normales Synchronisations ~50ns devenues possibles G. Berry, Collège de France 12/03/2014

40 Localiser les défauts d’une ligne électrique
Source Ptolemy II E. A. Lee et al. UC Berkeley Cf. prochain cours ! G. Berry, Collège de France 12/03/2014

41 Attention à la symétrie des délais réseau !
G. Berry, Collège de France 12/03/2014

42 G. Berry, Collège de France
12/03/2014

43 TTP : Time-Triggered Protocol
TTP : système de réseau et protocoles destiné au temps-réel critique Hermann Kopetz, Vienna University ot Technology Compagnies TTTech, HW Austria Microsystems, Altera, ON semiconductors. développé pour le temps-réel critique et la tolérance aux fautes, en particulier en remplacement du bus CAN 1 ou 2 canaux redondants 25 Mbits / s, TDMA (Time Division Multiplexing Access), allocation statique de slots et rounds, déterminisme, synchronisation précise des horloges détection de fautes fondées sur le temps : non-réception ou sur-réception de messages, détection de pannes, etc. G. Berry, Collège de France 12/03/2014

44 TTP : utilisations Ferroviaire Avionique Automobile
interlocking, contrôle local et distant, conduite automatique, diagnostic, tout au niveau SIL4 (Thales) Avionique FADEC (contrôle moteur) : Aermacchi, General Electric Pressurisation (Airbus A380), contrôle électrique et clim (Boeing 787), par Hamilton-Sunstrand Automobile voitures automatiques (Red Team, DARPA Challenge) G. Berry, Collège de France 12/03/2014

45 FlexRay Autres choix possibles Divers Ethernet déterministes
Consortium automobile (jusqu’en 2009), standard ISO Protocole TDMA déterministe similaire, synchronisation d’horloges + messages asynchrones (pour récupérer CAN) Utilisé dans des voitures allemandes (Audi, BMW, Mercedes, Rolls-Royce) Autres choix possibles Divers Ethernet déterministes LTTA (séminaire A. Benveniste, 05/03/2014) Et pour comprendre les horreurs qu’on peut hélas trouver en automobile, voir G. Berry, Collège de France 12/03/2014

46 Spanner, BD distribuée de Google
Base de données répliquée mondialement, avec plusieurs répliques à chaque endroit (performance et redondance). Millions de machines, milliards d’enregistrements ! Transactions distribuées atomiques, protocole two-phase commit Synchronisation mondiale fine des horloges (~6ms) Système TrueTime de timestamps en forme d’intervalles [earliest, latest], avec garantie (selon la synchro) que le timestamp d’un événement e de date absolue t vérifie earliest  t  latest G. Berry, Collège de France 12/03/2014

47 Garanties temporelles de Spanner
Pour deux transactions d’écriture T1 et T2 enregistrées à t1 et t2 et committées à c1 et c2, garantie de monotonicité des timestamps : c1  t2  latest(c1)  earliest(c2) Maintien permanent du dernier timestamp d’écriture locale sur chaque réplique Possibilité de lecture d’un snapshot pour un timestamp donné, résultat indépendant de la réplique Possibilité de lecture “best effort” si besoin de timestamp réduit G. Berry, Collège de France 12/03/2014

48 Conclusion La synchronisation temporelle précise devient essentielle pour un nombre toujours plus grand d’applications, et est réalisable à complexité et coût raisonnable Pourtant, le sujet est encore peu connu et peu développé dans le système académique, d’où ce cours ! G. Berry, Collège de France 12/03/2014

49 Références sur le temps en général
La mesure du temps Bernard Meiguen, Editions Apogée (2009) La mesure du temps au XXIe siècle Christophe Salomon, séminaire du cours de Serge Haroche Le temps (qui passe ?) Etienne Klein, Bayard (2013) Le facteur temps ne sonne jamais deux fois Etienne Klein, Flammarion (2009) The Book of Nothing John D. Barrow, Vintage Books (2001) G. Berry, Collège de France 12/03/2014

50 Références plus techniques
Precision Clock Synchronization: the Standard IEEE 1588 White paper, Hirschmann Computer Network Time Synchronization : the Network Time Protocol on Earth and in Space David L. Mills, CRC Press (2011) System Design, Modeling, and Simulation using Ptolemy II Claudius Ptolemaeus, Editor (2014) téléchargable avec toutes les démos animées: Spanner: Google's Globally-Distributed Database Proc. OSDI’12, Hollywood, 2012 James C. Corbett, Jeffrey Dean, Michael Epstein, Andrew Fikes, Christopher Frost, JJ Furman, Sanjay Ghemawat, Andrey Gubarev, Christopher Heiser, Peter Hochschild, Wilson Hsieh, Sebastian Kanthak, Eugene Kogan, Hongyi Li, Alexander Lloyd, Sergey Melnik, David Mwaura, David Nagle, Sean Quinlan, Rajesh Rao, Lindsay Rolig, Yasushi Saito, Michal Szymaniak, Christopher Taylor, Ruth Wang, and Dale Woodford G. Berry, Collège de France 12/03/2014