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Synchronisons nos montres Gérard Berry Collège de France Chaire Algorithmes, machines et langages

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Présentation au sujet: "Synchronisons nos montres Gérard Berry Collège de France Chaire Algorithmes, machines et langages"— Transcription de la présentation:

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

3 12/03/20142G. Berry, Collège de France Le facteur temps, cest lâpre fumet, et cest 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

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

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

6 12/03/ G. Berry, Collège de France Mesurer les durées sablier (jusquà 1 an !) corde à nœuds clepsydre

7 12/03/ G. Berry, Collège de France Horloges à eau (clepsydres) Ksêtíbios, 3e siècle avant Jésus-Christ

8 12/03/20147G. Berry, Collège de France

9 12/03/ G. Berry, Collège de France Yantra Mandir, Jaipur, ~1730 Photo G. Berry

10 12/03/20149G. Berry, Collège de France Photo G. Berry

11 12/03/ G. Berry, Collège de France Les heures canoniales et les cloches Matinesentre minuit et le lever du soleil 4 tintements Primelever du soleil3 tintements Tiercemilieu de matinée2 tintements Sextemidi1 tintement Nonemilieu daprès-midi2 tintements Vêprescoucher du soleil3 tintements Compliestombée de la nuit4 tintements Mais quest-ce donc quun tintamarre? Irrégulières, annoncées par les cloches

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

13 12/03/201412G. Berry, Collège de France

14 12/03/ G. Berry, Collège de France La pendule de référence (Pavillon de Breteuil) potron-minet entre chien et loup pm ecl pdh point dheure ps 7h et des poussières midi pétante maqh midi à quatorze heures alpavec les poules 07 pt

15 12/03/201414G. Berry, Collège de France

16 12/03/201415G. Berry, Collège de France 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

17 12/03/ G. Berry, Collège de France Des Scilly à John Harrisson Le grand prix de lamirauté ( livres) 2 novembre 1707 (Grégorien), mauvaise estimation de longitude (1s derreur = 400m) 1772 : Chronomètre H5 1/3 s par jour !

18 12/03/ G. Berry, Collège de France Le tourbillon Bréguet 7 messidor an IX (26 juin 1801). Source : leblogdesmontres.fr

19 12/03/ G. Berry, Collège de France 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 trainfourteen 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.

20 12/03/ G. Berry, Collège de France Horloges atomiques

21 12/03/ G. Berry, Collège de France Horloge parlante 1991: Marie-Sylvie Behr donne sa voix à lhorloge atomique 1933 : lhorloge parlante dErnest Esclangon mais qui est donc cet homme ?

22 12/03/ G. Berry, Collège de France Horloge atomique de poche ! < 120mW power consumption < 17cm 3 volume 35g weight ± accuracy at shipment σy < at τ = 1 hour short-term stability (Allan Deviation) < / month aging rate source Symmetricom.com

23 12/03/ G. Berry, Collège de France La seconde, unité globale La seconde est la durée de périodes de la radiation correspondant à la transition entre les niveaux hyperfins F=3 et F=4 de létat fondamental 6 S ½ de latome de césium 133, à la température de référence du zéro absolu. Oeuf coque, niveau de la mer, 0 absolu = 3mn 45s compter jusquà ~ 2 téra-laps Oeuf coque, Paris, 35m, 100 Celsius = 4mn 03s compter jusquà laps Laps de temps : 1 s = laps 1 s ~ 9.2 giga-laps

24 12/03/ G. Berry, Collège de France La fin de notre Kilogramme étalon? 90% platine, 10% Iridium h = d = 39,17mm Australie : sphère de silicium parfaite diamètre précis à 70 nm défauts de rugosité < 0,3 nm Pavillon de Breteuil Sèvres source : CSIRO Industrial Physics

25 12/03/ G. Berry, Collège de France Le NIST américain : masse = temps Kg défini par la seconde, la la vitesse de la lumière c et la constante de Planck h ! Balance du Watt Photo par Richard Steiner

26 12/03/ G. Berry, Collège de France Physiciens ou Pataphysiciens ? La seconde est la durée de périodes de la radiation correspondant à la transition entre les niveaux hyperfins F=3 et F=4 de létat fondamental 6 S ½ de latome de césium 133, à la température de référence du zéro absolu. 1 mètre = la distance parcourue par la lumière dans le vide en 1 / seconde Le kilogramme est la masse qui subirait une accélération de précisément 2×10 -7 m/s 2 lorsquelle est soumise à la force par mètre entre deux conducteurs parallèles, rectilignes, de longueur infinie, de section circulaire négligeable, placés à une distance dun mètre lun de lautre dans le vide, et à travers desquels passe un courant électrique constant dexactement 6, ×10 18 charges élémentaires par seconde. accélérationforcevidecourant électriquecharges élémentaires

27 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 lheure GMT en Angleterre 12/03/ G. Berry, Collège de France Quelle heure : GMT, TU, UTC, ou TAI ? UTC mix(TUC, CUT) ! –temps civil mondial, TAI + secondes (ralentissement de la terre, etc.) TAI (Temps Atomique International) : moyenne de plus de 200 horloges au Césium –correction de gravité –base dencore autre temps TCB (planètes), TCG (temps géocentrique), TT (temps terrestre), etc. – vive la relativité générale !

28 31/12/2008 : tous les lecteurs MP3 Zune (Microsoft) vident leur piles à minuit en bouclant sur deux tests 12/03/ G. Berry, Collège de France Bugs de temps voir Parler du temps, mais de manière formelle, cours 1 du 04/02/2013, 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 lheure dhiver, 10/2010 : mais pas leurs réveils ! 25/02/1991: 28 morts et 98 blessés suite à la chute dun SCUD sur une caserne américaine, due au système dhorloge logicielle dune station Patriot

29 Deux versions, 2002 puis 2008 Base : GPS, horloges atomiques – travaille en TAI, communique lécart 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 12/03/ G. Berry, Collège de France PTP = Precise Time Protocol, IEEE 1588 White paper : Precision Clock Synchronization, The Standard IEEE 1588, Hirschmann

30 12/03/ G. Berry, Collège de France Réseau hiérarchique PTP Source Hirschmann

31 12/03/ G. Berry, Collège de France Types de noeuds PTP Boundary Clock switch temporellement précis esclave en réception, maître en émission compensation des délais internes Source Hirschmann

32 12/03/ G. Berry, Collège de France Protocoles de synchronisation PTP maîtreesclave sync 998 (~t 1 ) 1007 fup 1000 t t 1 délai de transmission non connu ! sync 1010 (~t 1 ) 1013 fup 1013 t t sync 1027 (~t 4 ) fup 1030 t t 4 dresp 1025 dreq 1021 t délai (t 2 t 2 t 3 t 3 ) / t t 5 délai 1033 t 5 calcul du délai

33 12/03/ G. Berry, Collège de France Architecture dun nœud PTP Les timestamps doivent être construits au plus près du HW La communication HW / SW doit être soignée (drivers réseau / horloges) Source Hirschmann

34 12/03/ G. Berry, Collège de France La couche logicielle recherche du meilleur Master par observation des horloges Source Hirschmann

35 12/03/ G. Berry, Collège de France 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

36 Dimension : gigantesque, lensemble dInternet, au moins ! Rôle : essentiel, pour le routage comme pour les utilisateurs! 12/03/ G. Berry, Collège de France NTP : Network Time Protocol 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

37 12/03/ G. Berry, Collège de France Format du temps dans NTP de la naissance de lunivers à la mort du soleil 232 ps 500 as (1 as = s) era = 136 ans, base 01/01/ :00

38 Chaque serveur a un compteur de temps qui avance lhorloge 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 12/03/ G. Berry, Collège de France Gestion du temps sur un hôte NTP

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

40 12/03/201439G. Berry, Collège de France 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

41 12/03/ G. Berry, Collège de France Localiser les défauts dune ligne électrique Source Ptolemy II E. A. Lee et al. UC Berkeley Cf. prochain cours !

42 12/03/ G. Berry, Collège de France Attention à la symétrie des délais réseau !

43 12/03/201442G. Berry, Collège de France

44 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 12/03/ G. Berry, Collège de France TTP : Time-Triggered Protocol 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.

45 Ferroviaire –interlocking, contrôle local et distant, conduite automatique, diagnostic, tout au niveau SIL4 (Thales) 12/03/ G. Berry, Collège de France TTP : utilisations 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)

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

47 Base de données répliquée mondialement, avec plusieurs répliques à chaque endroit (performance et redondance). Millions de machines, milliards denregistrements ! 12/03/ G. Berry, Collège de France Spanner, BD distribuée de Google Système TrueTime de timestamps en forme dintervalles [earliest, latest], avec garantie (selon la synchro) que le timestamp dun événement e de date absolue t vérifie earliest t latest Synchronisation mondiale fine des horloges (~6ms) Transactions distribuées atomiques, protocole two-phase commit

48 12/03/ G. Berry, Collège de France Garanties temporelles de Spanner Pour deux transactions décriture 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) Possibilité de lecture dun snapshot pour un timestamp donné, résultat indépendant de la réplique Possibilité de lecture best effort si besoin de timestamp réduit Maintien permanent du dernier timestamp décriture locale sur chaque réplique

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

50 12/03/ G. Berry, Collège de France Références sur le temps en général 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) La mesure du temps Bernard Meiguen, Editions Apogée (2009) La mesure du temps au XXIe siècle Christophe Salomon, séminaire du cours de Serge Haroche

51 12/03/ G. Berry, Collège de France 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) Spanner: Google's Globally-Distributed Database Proc. OSDI12, 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 System Design, Modeling, and Simulation using Ptolemy II Claudius Ptolemaeus, Editor (2014) téléchargable avec toutes les démos animées:


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