Synchronisons nos montres Gérard Berry Collège de France Chaire Algorithmes, machines et langages [email protected]

Synchronisons nos montres Grard Berry Collge de France Chaire Algorithmes, machines et langages http://www.college-de-france.fr/site/gerard-berry [email protected] Cours 5, 12 mars 2014

12/03/20142G. Berry, Collge de France Le facteur temps, cest lpre 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

Le jour et la nuit Le cycle lunaire, le cycle annuel Rythme des saisons rythme de la lumire rythme dcal de la temprature 12/03/2014 3 G. Berry, Collge de France Les rythmes naturels bien compliqus ! La nature a bien suivi le cours 2013 sur le temps multiforme ! Rythmes agricoles : labourage, semailles, rcolte,... Migration des oiseaux et des poissons Floraison simultane des bambous du monde entier

Passage dune toile au mridien : 23h56mn la terre a avanc de ~1 o sur son orbite ! 12/03/2014 4 G. Berry, Collge de France La dure du jour Passage du soleil au mridien : 24h en moyenne => quation du temps (le soleil au sud ne donne pas le midi)

12/03/2014 5 G. Berry, Collge de France Mesurer les dures sablier (jusqu 1 an !) corde nuds clepsydre

12/03/2014 6 G. Berry, Collge de France Horloges eau (clepsydres) Kstbios, 3e sicle avant Jsus-Christ

12/03/20147G. Berry, Collge de France

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

12/03/20149G. Berry, Collge de France Photo G. Berry

12/03/2014 10 G. Berry, Collge de France Les heures canoniales et les cloches Matinesentre minuit et le lever du soleil 4 tintements Primelever du soleil3 tintements Tiercemilieu de matine2 tintements Sextemidi1 tintement Nonemilieu daprs-midi2 tintements Vprescoucher du soleil3 tintements Compliestombe de la nuit4 tintements Mais quest-ce donc quun tintamarre? Irrgulires, annonces par les cloches

12/03/2014 11 G. Berry, Collge de France Les clepsydres glent, inventons lchappement ! Prieur de Dunstable, 1283 Huygens ajoute le pendule et la cyclode pour rgulariser le pendule (1694) source B. Meigun

12/03/201413 G. Berry, Collge de France La pendule de rfrence (Pavillon de Breteuil) 24 12 0618 potron-minet entre chien et loup pm ecl pdh point dheure ps 7h et des poussires midi ptante maqh midi quatorze heures alpavec les poules 07 pt

12/03/201415G. Berry, Collge de France Le calendrier Seuls deux calendriers actuels comptent vraiment le calendrier vulgaire (ou Grgorien), encore utilis le calendrier pataphysique : tous les 13 sont des vendredis Mon prfr : le calendrier rvolutionnaire (Laplace) 1 mois = 3 semaines de 10 jours 1 jour = 10 heures 1 heure = 100 minutes 1 minute = 100 secondes 5 jours supplmentaires tous les ans : Vertus, Gnie, Travail, Opinion, Rcompenses plus un pour les annes bissextiles : Sans-culottides

12/03/2014 16 G. Berry, Collge de France Des Scilly John Harrisson Le grand prix de lamiraut (20 000 livres) 2 novembre 1707 (Grgorien), mauvaise estimation de longitude (1s derreur = 400m) 1772 : Chronomtre H5 1/3 s par jour !

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

12/03/2014 18 G. Berry, Collge 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.

12/03/201419 G. Berry, Collge de France Horloges atomiques

12/03/2014 20 G. Berry, Collge de France Horloge parlante 1991: Marie-Sylvie Behr donne sa voix lhorloge atomique 1933 : lhorloge parlante dErnest Esclangon mais qui est donc cet homme ? http://www.dailymotion.com/video/xxeyyr_le-visage-de-l-horloge-parlante_news

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

12/03/2014 22 G. Berry, Collge de France La seconde, unit globale La seconde est la dure de 9 192 631 770 priodes de la radiation correspondant la transition entre les niveaux hyperfins F=3 et F=4 de ltat fondamental 6 S de latome de csium 133, la temprature de rfrence du zro absolu. Oeuf coque, niveau de la mer, 0 absolu = 3mn 45s compter jusqu 2 068 342 148 250 ~ 2 tra-laps Oeuf coque, Paris, 35m, 100 Celsius = 4mn 03s compter jusqu 2 233 809 520 110 laps Laps de temps : 1 s = 9 192 631 770 laps 1 s ~ 9.2 giga-laps

12/03/2014 23 G. Berry, Collge de France La fin de notre Kilogramme talon? 90% platine, 10% Iridium h = d = 39,17mm Australie : sphre de silicium parfaite diamtre prcis 70 nm dfauts de rugosit < 0,3 nm Pavillon de Breteuil Svres source : CSIRO Industrial Physics

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

12/03/2014 25 G. Berry, Collge de France Physiciens ou Pataphysiciens ? La seconde est la dure de 9 192 631 770 priodes de la radiation correspondant la transition entre les niveaux hyperfins F=3 et F=4 de ltat fondamental 6 S de latome de csium 133, la temprature de rfrence du zro absolu. 1 mtre = la distance parcourue par la lumire dans le vide en 1 / 299 792 458 seconde Le kilogramme est la masse qui subirait une acclration de prcisment 210 -7 m/s 2 lorsquelle est soumise la force par mtre entre deux conducteurs parallles, rectilignes, de longueur infinie, de section circulaire ngligeable, placs une distance dun mtre lun de lautre dans le vide, et travers desquels passe un courant lectrique constant dexactement 6,2415096291526510 18 charges lmentaires par seconde. acclrationforcevidecourant lectriquecharges lmentaires

GMT : heure dtermine par le passage du soleil moyen au mridien de Greenwich (quation du temps) 0h00 midi ! aprs bagarre avec les franais, bien sr ! 1847-48 : adopt par les compagnies ferroviaires mais une loi de 1858 impose le temps local ! 1880: loi imposant lheure GMT en Angleterre 12/03/2014 26 G. Berry, Collge 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 Csium correction de gravit base dencore autre temps TCB (plantes), TCG (temps gocentrique), TT (temps terrestre), etc. vive la relativit gnrale !

31/12/2008 : tous les lecteurs MP3 Zune (Microsoft) vident leur piles minuit en bouclant sur deux tests 12/03/2014 27 G. Berry, Collge de France Bugs de temps voir Parler du temps, mais de manire formelle, cours 1 du 04/02/2013, http://www.college-de-france.fr/site/gerard-berry/course-2013-04-02-10h00.htm 28/02/2010 : les PS3 FAT de Sony repassent au 01/01/2000 (ou autres), perdant le rseau et les jeux 10/2010 : les iPhones US passent lheure dhiver, 10/2010 : mais pas leurs rveils ! 25/02/1991: 28 morts et 98 blesss suite la chute dun SCUD sur une caserne amricaine, due au systme dhorloge logicielle dune station Patriot

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

12/03/2014 29 G. Berry, Collge de France Rseau hirarchique PTP Source Hirschmann

12/03/2014 30 G. Berry, Collge de France Types de noeuds PTP Boundary Clock switch temporellement prcis esclave en rception, matre en mission compensation des dlais internes Source Hirschmann

12/03/2014 31 G. Berry, Collge de France Protocoles de synchronisation PTP matreesclave sync 998 (~t 1 ) 1007 fup 1000 t 1 1000 1005 1015 t 1 dlai de transmission non connu ! sync 1010 (~t 1 ) 1013 fup 1013 t 2 1013 1015 1002 1015 1013 1013 t 2 1008 1015 1007 1000 sync 1027 (~t 4 ) fup 1030 t 4 1030 1002 1030 t 4 dresp 1025 dreq 1021 t 3 1025 dlai (t 2 t 2 t 3 t 3 ) / 2 2 1021 t 3 1033 1035 1035 t 5 dlai 1033 t 5 calcul du dlai 1008 1015 1011

12/03/201432 G. Berry, Collge de France Architecture dun nud PTP Les timestamps doivent tre construits au plus prs du HW La communication HW / SW doit tre soigne (drivers rseau / horloges) Source Hirschmann

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

12/03/201434 G. Berry, Collge de France Un exemple extrme, le LHC Le projet WhiteRabbit du CERN synchronise les horloges 10 km de distance ~80 picosecondes prs par GPS, IEEE 1588 PTP et Ethernet synchrone Source CERN

Dimension : gigantesque, lensemble dInternet, au moins ! Rle : essentiel, pour le routage comme pour les utilisateurs! 12/03/2014 35 G. Berry, Collge de France NTP : Network Time Protocol Contraintes : travail en conditions difficiles (mauvais rseau, pannes, etc.) hirarchie plusieurs niveaux les sous-rseaux doivent pouvoir survivre, mme dconnects 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 tre scuris face aux attaques malicieuses les vnements importants doivent tre stocks pour analyse ventuelle le logiciel soit tre simple, standard, et facile installer

12/03/2014 36 G. Berry, Collge de France Format du temps dans NTP de la naissance de lunivers la mort du soleil 232 ps 500 as (1 as = 10 18 s) era = 136 ans, base 01/01/1900 00:00

Chaque serveur a un compteur de temps qui avance lhorloge systme tous les 10ms La lecture du temps doit toujours tre croissante Correction du temps toutes les secondes agent majeur de fluctuation, la temprature (1PPM / C) doit respecter la monotonie correction douce! correction faite dans le noyau prcision ~1 s 12/03/2014 37 G. Berry, Collge de France Gestion du temps sur un hte NTP

Associations permanentes ou phmres, symtriques ou asymtriques (client serveur) 12/03/2014 38 G. Berry, Collge de France Fonctionnement global de NTP Dtection automatique des serveurs, reconfiguration automatique en cas de panne (algorithmes byzantins) Authentification cryptographique des accs, dtection dintrusions Algorithmes statistiques dvaluation du temps et de la qualit des serveurs

12/03/201439G. Berry, Collge de France NTP : protocole riche et complexe, devenu universel Un norme travail collectif n de David Mills, qui touche beaucoup de domaines : algorithmes distribus, statistiques, rseau, noyau OS, cryptographie, etc. Synchronisations ms s normales Synchronisations ~50ns devenues possibles

12/03/2014 40 G. Berry, Collge de France Localiser les dfauts dune ligne lectrique Source Ptolemy II E. A. Lee et al. UC Berkeley Cf. prochain cours !

12/03/201441 G. Berry, Collge de France Attention la symtrie des dlais rseau !

TTP : systme de rseau et protocoles destin au temps-rel critique Hermann Kopetz, Vienna University ot Technology Compagnies TTTech, HW Austria Microsystems, Altera, ON semiconductors. dvelopp pour le temps-rel critique et la tolrance aux fautes, en particulier en remplacement du bus CAN 12/03/2014 43 G. Berry, Collge 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, dterminisme, synchronisation prcise des horloges dtection de fautes fondes sur le temps : non-rception ou sur-rception de messages, dtection de pannes, etc.

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

Consortium automobile (jusquen 2009), standard ISO Protocole TDMA dterministe similaire, synchronisation dhorloges + messages asynchrones (pour rcuprer CAN) Utilis dans des voitures allemandes (Audi, BMW, Mercedes, Rolls-Royce) 12/03/2014 45 G. Berry, Collge de France FlexRay Autres choix possibles Divers Ethernet dterministes LTTA (sminaire A. Benveniste, 05/03/2014) Et pour comprendre les horreurs quon peut hlas trouver en automobile, voir http://www.safetyresearch.net/2013/11/07/toyota-unintended-acceleration-and-the-big-bowl-of-spaghetti-code/

Base de donnes rplique mondialement, avec plusieurs rpliques chaque endroit (performance et redondance). Millions de machines, milliards denregistrements ! 12/03/2014 46 G. Berry, Collge de France Spanner, BD distribue de Google Systme TrueTime de timestamps en forme dintervalles [earliest, latest], avec garantie (selon la synchro) que le timestamp dun vnement e de date absolue t vrifie earliest t latest Synchronisation mondiale fine des horloges (~6ms) Transactions distribues atomiques, protocole two-phase commit

12/03/2014 47 G. Berry, Collge de France Garanties temporelles de Spanner Pour deux transactions dcriture T1 et T2 enregistres t1 et t2 et committes c1 et c2, garantie de monotonicit des timestamps : c1 t2 latest(c1) earliest(c2) Possibilit de lecture dun snapshot pour un timestamp donn, rsultat indpendant de la rplique Possibilit de lecture best effort si besoin de timestamp rduit Maintien permanent du dernier timestamp dcriture locale sur chaque rplique

La synchronisation temporelle prcise devient essentielle pour un nombre toujours plus grand dapplications, et est ralisable complexit et cot raisonnable 12/03/2014 48 G. Berry, Collge de France Conclusion Pourtant, le sujet est encore peu connu et peu dvelopp dans le systme acadmique, do ce cours !

12/03/2014 49 G. Berry, Collge de France Rfrences sur le temps en gnral 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 Apoge (2009) La mesure du temps au XXIe sicle Christophe Salomon, sminaire du cours de Serge Haroche http://www.college-de-france.fr/site/serge-haroche/seminar-2013-03-12-11h00.htm

12/03/2014 50 G. Berry, Collge de France Rfrences 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) tlchargable avec toutes les dmos animes: http://ptolemy.eecs.berkeley.edu/books/Systems/

Documents

Synchronisons nos montres Gérard Berry Collège de France Chaire Algorithmes, machines et langages [email protected]