Net als bij de vooruitgang van de computertechnologie die ieder jaar exponentieel in capaciteit lijkt toe te nemen, lijken atoomklokken ook jaar na jaar dramatisch te stijgen in hun nauwkeurigheid.

Nu, die pioniers van de atoomkloktechnologie, het Amerikaanse National Institute of Standards Time (NIST), hebben aangekondigd dat ze een atoomklok met een nauwkeurigheid die twee keer zo groot is als die van alle klokken die eerder zijn geweest.

De klok is gebaseerd op een enkel aluminium atoom en NIST beweert dat het accuraat kan blijven zonder een seconde te verliezen in meer dan 3.7 miljard jaar (ongeveer dezelfde tijd dat het leven de aarde heeft bestaan).

De vorige nauwkeurigste klok is ontworpen door de Duitse Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) en was een optische klok op basis van een strontium-atoom en was tot op een seconde nauwkeurig in meer dan een miljard jaar. Deze nieuwe atoomklok van NIST is ook een optische klok, maar is gebaseerd op aluminiumatomen, wat volgens NIST's onderzoek met deze klok veel nauwkeuriger is.

Optische klokken gebruiken lasers om de atomen stil te houden en verschillen van de traditionele atoomklokken die worden gebruikt door computernetwerken die gebruikmaken van NTP-servers (Network Time Protocol) en andere technologieën die zijn gebaseerd op fontein klokken. Niet alleen gebruiken deze traditionele fonteinklokken cesium als hun tijd houdend atoom, maar in plaats van lasers gebruiken ze supergekoelde vloeistoffen en vacuums om de atomen te beheersen.

Dankzij het werk van NIST, PTB en het Verenigd Koninkrijk NPL (Nationaal Fysisch Laboratorium) atoomklokken blijven exponentieel groeien, maar deze nieuwe optische atoomklokken op basis van atomen zoals aluminium, kwik en strontium zijn nog lang niet gebruikt als basis voor GMT (Coordinated Universal Time).

UTC wordt bestuurd door een constellatie van cesiumfonteinklokken die, hoewel nog steeds nauwkeurig tot een seconde in 100,000-jaren, veel minder nauwkeurig zijn dan deze optische klokken en gebaseerd zijn op technologie van meer dan vijftig jaar oud. En helaas, totdat de wetenschappelijke gemeenschap van de wereld het eens kan worden over een atoom- en klokontwerp dat internationaal moet worden gebruikt, zullen deze precieze atoomklokken alleen maar een toneelstuk van de wetenschappelijke gemeenschap blijven.

Precisie wordt steeds belangrijker in moderne technologieën en niet meer dan nauwkeurigheid in tijdbewaking. Van internet tot satellietnavigatie is nauwkeurige en accurate synchroniciteit van vitaal belang in de moderne tijd.

In feite zouden veel van de technologieën die we als vanzelfsprekend beschouwen in de wereld van vandaag, niet mogelijk zijn als het niet voor de meest accurate machines was die werden uitgevonden - de atoomklok.

Atoomklokken zijn slechts tijdwaarnemingsapparatuur zoals andere klokken of horloges. Maar wat hen onderscheidt, is de nauwkeurigheid die ze kunnen bereiken. Als een primitief voorbeeld zal uw standaard mechanische klok, zoals een klokkentoren in het stadscentrum, met maar liefst een seconde per dag afdrijven. Elektronische klokken zoals digitale horloges of klokradio's zijn nauwkeuriger. Dit soort klok zweeft een seconde in ongeveer een week.

Wanneer u echter de precisie van een atoomklok vergelijkt, waarbij een seconde niet verloren gaat of wint in 100,000 jaren of meer, is de nauwkeurigheid van deze apparaten onvergelijkbaar.

Atoomklokken kunnen deze nauwkeurigheid bereiken door de oscillatoren die ze gebruiken. Bijna alle soorten klokken hebben een oscillator. Over het algemeen is een oscillator slechts een circuit dat regelmatig tikt.

Mechanische klokken gebruiken slingers en veren om een ​​regelmatige oscillatie te bieden, terwijl elektronische klokken een kristal hebben (meestal kwarts) dat, wanneer een elektrische stroom wordt doorlopen, een nauwkeurig ritme geeft.

Atoomklokken gebruiken de oscillatie van atomen tijdens verschillende energietoestanden. Vaak wordt cesium 133 (en soms rubidium) gebruikt omdat de hyperfijne overgangsoscillatie meer dan 9 miljard keer per seconde (9,192,631,770) bedraagt ​​en dit verandert nooit. In feite is de Internationaal systeem van eenheden (SI) beschouwt nu officieel een seconde in de tijd als 9,192,631,770-cycli van straling van het cesiumatoom.

Atoomklokken vormen de basis voor 's werelds wereldwijde tijdschaal - UTC (Coordinated Universal Time). En computernetwerken over de hele wereld blijven synchroon door het gebruik van tijdsignalen uitgezonden door atoomklokken en opgepikt NTP tijdservers (Network Time Server).

We vertrouwen allemaal op de tijd om onze dagen gepland te houden. Horloges, wandklokken en zelfs de dvd-speler vertellen ons allemaal de tijd, maar af en toe is dit niet nauwkeurig genoeg, vooral wanneer de tijd moet worden gesynchroniseerd.

Er zijn veel technologieën die een uiterst nauwkeurige precisie tussen systemen vereisen, van satellietnavigatie tot veel internettoepassingen, nauwkeurige tijd wordt steeds belangrijker.

Maar precisie bereiken is niet altijd eenvoudig, vooral in moderne computernetwerken. Hoewel alle computersystemen ingebouwde klokken hebben, zijn dit geen nauwkeurige tijdstukken maar standaard kristaloscillatoren, dezelfde technologie die wordt gebruikt in andere elektronische klokken.

Het probleem met het vertrouwen op systeemklokken als deze is dat ze geneigd zijn te zweven en op een netwerk dat bestaat uit honderden of duizenden machines, als de klokken met een ander tempo drijven - chaos kan snel volgen. E-mails worden ontvangen voordat ze worden verzonden en tijdkritieke applicaties mislukken.

Atoomklokken zijn de meest nauwkeurige tijdsstukken in de buurt, maar dit zijn laboratoriumtools op grote schaal en zijn onpraktisch (en erg duur) om te worden gebruikt door computernetwerken.

Natuurkundige laboratoria zoals de Noord-Amerikaan NIST (National Institute of Standards and Time) hebben atoomklokken waarvoor ze tijdsignalen uitzenden. Deze tijdsignalen kunnen door computernetwerken worden gebruikt voor synchronisatie.

In Noord-Amerika wordt de door NIST uitgezonden tijdcode genoemd wwvb en wordt uitgezonden door Boulder, Colorado in lange golf op 60Hz. De tijdcode bevat het jaar, de dag, het uur, de minuut, de seconde, en aangezien het een bron van UTC is, worden eventuele schrikkelseconden toegevoegd om pariteit met de rotatie van de aarde te waarborgen.

Het WWVB-signaal ontvangen en gebruiken om een ​​computernetwerk te synchroniseren, is eenvoudig te doen. Radio-referentienetwerktijdservers kunnen deze uitzending ontvangen in heel Noord-Amerika en door het protocol te gebruiken NTP (Network Time Protocol).

Een toegewijde NTP tijdserver die het WWVB-signaal kan ontvangen, kan honderden en zelfs duizenden verschillende apparaten synchroniseren met het WWVB-signaal en ervoor zorgen dat elk signaal binnen enkele milliseconden UTC valt.

Atoomklokken zijn de ultieme tijdwaarnemingsapparatuur. Hun nauwkeurigheid is ongelooflijk, omdat een atoomklok binnen een miljoen jaar niet zoveel als een seconde zal afdrijven, en wanneer dit wordt vergeleken met de volgende beste chronometers, zoals een elektronische klok die in een week met een seconde kan afdrijven, een atoomklok is ongelooflijk nauwkeuriger.

Atoomklokken worden over de hele wereld gebruikt en vormen het hart van veel moderne technologieën die een veelheid aan toepassingen mogelijk maken die we als vanzelfsprekend beschouwen. Internethandel, satellietnavigatie, luchtverkeersleiding en internationaal bankieren zijn allemaal sectoren die sterk afhankelijk zijn

Ze bepalen ook de tijdschaal van de wereld, UTC (Coordinated Universal Time), die door een constellatie van deze klokken wordt aangehouden (hoewel UTC moet worden aangepast om rekening te houden met de vertraging van de aardse spin door het toevoegen van schrikkelseconden).

Computernetwerken moeten vaak worden gesynchroniseerd met UTC. Deze synchronisatie is van vitaal belang in netwerken die tijdsgevoelige transacties uitvoeren of een hoge mate van beveiliging vereisen.

Een computernetwerk zonder voldoende tijdsynchronisatie kan veel problemen veroorzaken, waaronder:

Verlies van gegevens

• Moeilijkheden bij het identificeren en registreren van fouten
• Verhoogd risico op beveiligingsinbreuken.
• Geen tijdgevoelige transacties kunnen uitvoeren

Om deze redenen moeten veel computernetwerken worden gesynchroniseerd met een bron van UTC en zo accuraat mogelijk worden bewaard. En hoewel atoomklokken grote, omvangrijke apparaten zijn die worden bewaard in de fysica laboratoria, is het ongelooflijk eenvoudig om ze als een bron van tijd te gebruiken.

Network Time Protocol (NTP) is een softwareprotocol dat uitsluitend is ontworpen voor de synchronisatie van netwerken en computersystemen en met behulp van een speciale NTP-server de tijd vanaf een atoomklok kan door de tijdserver worden ontvangen en via NTP via het netwerk worden gedistribueerd.

NTP-servers gebruiken radiofrequenties en meer in het algemeen de GPS-satellietsignalen om de atoomklok-timingsignalen te ontvangen die vervolgens over het netwerk worden verspreid, waarbij NTP regelmatig elk apparaat aanpast om te zorgen dat het zo nauwkeurig mogelijk is.

Gebruikers van het Nationaal Fysisch Laboratorium (NPL) Het MSF-tijd- en -frequentiesignaal is waarschijnlijk bekend met het feit dat het signaal af en toe uit de lucht wordt genomen voor gepland onderhoud.

NPL heeft daar gepland onderhoud voor 2010 gepubliceerd waar het signaal tijdelijk uit de lucht wordt gehaald. Gewoonlijk duren de geplande uitvaltijden minder dan vier uur, maar gebruikers moeten zich ervan bewust zijn dat terwijl NPL en VT Communications, die de antenne onderhouden, alles in het werk stellen om ervoor te zorgen dat de zender zo kort mogelijk is uitgeschakeld, er vertragingen kunnen optreden .

En hoewel NPL ervoor zorgt dat alle gebruikers van het MSF-signaal een geavanceerde waarschuwing hebben voor mogelijke uitval, kunnen noodreparaties en andere problemen leiden tot ongeplande uitval. Elke gebruiker die problemen ontvangt bij het ontvangen van het MSF-signaal, moet de NPL-website in geval van ongepland onderhoud voordat u contact opneemt met uw timeserververkoper.

De datums en tijden van de geplande onderhoudsperioden voor 2010 zijn als volgt:

* 11 maart 2010 van 10: 00 UTC naar 14: 00 UTC

* 10 Juni 2010 van 10: 00 BST naar 14: 00 BST (UTC + 1 uur)

* 9 September 2010 van 10: 00 BST tot 14: 00 BST (UTC + 1 uur)

* 9 december 2010 van 10: 00 UTC tot 14: 00 UTC

Aangezien deze geplande onderbrekingen niet langer dan vier uur in beslag mogen nemen, moeten gebruikers van MSF die op tijdservers hebben gerekend, geen enkele vertraging in de nauwkeurigheid van hun netwerk constateren, aangezien hun tijd niet voldoende tijd zou moeten zijn voor het afgeven van een apparaat.

Voor gebruikers die zich zorgen maken over de nauwkeurigheid of die een NTP tijdserver (Network Time Server) die niet bezwijkt voor normale uitval, willen ze misschien overwegen te investeren in een GPS-tijd-server.

GPS-tijdservers ontvangen de tijd van de ronddraaiende navigatiesatellieten. Omdat deze overal ter wereld beschikbaar zijn en de signalen nooit uitvallen wegens onderbrekingen, kunnen ze een constant nauwkeurig tijdsignaal leveren (GPS-tijd is niet hetzelfde als UTC, maar wordt gemakkelijk geconverteerd door NTP omdat het precies 17 seconden achterblijft vanwege schrikkelseconden toegevoegd aan UTC en niet aan GPS).

Synchronisatie van moderne computernetwerken is om tal van redenen van cruciaal belang, en dankzij het tijdprotocol NTP (Network Time Protocol) is dit relatief eenvoudig.

NTP is een algoritmisch protocol dat de tijd op verschillende computers analyseert en vergelijkt met een enkele tijdreferentie en past elke klok aan voor drift om synchronisatie met de tijdbron te garanderen. NTP is bij deze taak zo in staat dat een met het protocol gesynchroniseerd netwerk op realistische wijze milliseconde nauwkeurigheid kan verkrijgen.

De tijdbron kiezen

Als het gaat om het maken van een tijdreferentie is er echt geen alternatief dan om een ​​bron van UTC te vinden (Coordinated Universal Time). UTC is de wereldwijde tijdschaal die wereldwijd wordt gebruikt als een enkel tijdsschema door computernetwerken. UTC wordt nauwkeurig gehouden door een constellatie van atoomklokken over de hele wereld.

Synchroniseren met UTC

De meest eenvoudige methode om een ​​UTC Time-bron te ontvangen, is om een ​​stratum 2 internettijdserver te gebruiken. Deze worden geacht stratum 2 te zijn, omdat ze de tijd verdelen na de eerste keer ontvangen van a NTP-server (stratum 1) dat is verbonden met een atoomklok (stratum 0). Helaas is dit niet de meest nauwkeurige methode om UTC te ontvangen vanwege de afstand die de gegevens moeten afleggen tussen host en de client.

Er zijn ook beveiligingsproblemen bij het gebruik van een internet stratum 2-tijdbron in die zin dat de UDP-poort van de firewall 123 open moet blijven om de tijdcode te ontvangen, maar deze firewallopening kan en is misbruikt door kwaadwillende gebruikers.

Toegewijde NTP-servers

Dedicated NTP tijdservers, ook wel netwerktijdservers genoemd, zijn de meest nauwkeurige en veilige methode voor het synchroniseren van een computernetwerk. Ze werken extern op het netwerk, dus er zijn geen problemen met de firewall. Deze stratum 1-apparaten ontvangen de UTC-tijd rechtstreeks van een atoomklokbron via langegolfradiostations of de GPS-netwerk (Global Positioning System). Hoewel dit een antenne vereist, die in het geval van GPS op een rooftop moet worden geplaatst, zal de tijdserver zelf honderden en inderdaad duizenden verschillende apparaten op het netwerk automatisch synchroniseren.

Nauwkeurige tijdregistratie als nogal vaak over het hoofd gezien als een prioriteit voor netwerkbeheerders, maar velen riskeren zowel beveiliging als gegevensverlies door niet te garanderen dat hun netwerken zo nauwkeurig mogelijk worden gesynchroniseerd.

Computers hebben hun eigen hardwareklokken, maar dit zijn vaak gewoon simpele elektronische oscillatoren zoals die in digitale horloges bestaan ​​en helaas zijn deze systeemklokken gevoelig voor drift, vaak tot enkele seconden per week.

Verschillende machines in een netwerk draaien die verschillende tijden hebben - zelfs al binnen een paar seconden - kan grote schade aanrichten, omdat zoveel computertaken afhankelijk zijn van tijd. Tijd, in de vorm van tijdstempels, is de enige referentie die computers gebruiken om onderscheid te maken tussen verschillende gebeurtenissen en mislukken nauwkeurig een netwerk synchroniseren kan leiden tot allerlei onnoemelijke problemen.

Hier zijn enkele van de belangrijkste redenen waarom uw netwerk moet worden gesynchroniseerd met Network Time Protocol, prefasbly met een NTP tijdserver.

Back-ups van gegevens - van vitaal belang voor het beschermen van gegevens in elk bedrijf of organisatie, een gebrek aan synchronisatie kan ertoe leiden dat niet alleen back-ups mislukken, maar dat oudere versies van bestanden meer moderne versies vervangen.

Kwaadaardige aanvallen - ongeacht hoe veilig een netwerk, iemand, ergens uiteindelijk toegang tot uw netwerk zal krijgen, maar zonder nauwkeurige synchronisatie kan het onmogelijk worden om te achterhalen welke compromissen er hebben plaatsgevonden en het zal ook niet-geautoriseerde gebruikers extra tijd geven binnen een netwerk om ravage aan te richten.

Foutopsporing - als er fouten optreden en ze onvermijdelijk doen, bevatten de systeemlogboeken alle informatie om problemen te identificeren en te corrigeren. Als de systeemlogboeken echter niet gesynchroniseerd zijn, kan het soms onmogelijk zijn om uit te zoeken wat er mis ging en wanneer.

Online Trading - Kopen en verkopen op het internet is nu gemeengoed en in sommige bedrijven worden duizenden online transacties elke seconde uitgevoerd, van het reserveren van een stoel tot het kopen van aandelen en een gebrek aan nauwkeurige synchronisatie kan leiden tot allerlei fouten bij online handelen, zoals items die meerdere keren worden gekocht of verkocht.

Compliance en legaliteit - Veel industriële regelsystemen vereisen een controleerbare en accurate methode van timing. Een niet-gesynchroniseerd netwerk is ook kwetsbaar voor juridische kwesties, omdat het exacte tijdstip waarop een gebeurtenis zou hebben plaatsgevonden niet kan worden bewezen.

Wanneer je op oudejaarsavond aftelde om het begin van het volgende jaar te markeren, begon je bij 10 of 11? De meeste feestgangers zouden vanaf tien zijn afgeteld, maar ze zouden prematuur geweest zijn dit jaar omdat er vorig jaar een extra seconde was toegevoegd - de schrikkelseconde.

Schrikkelseconden worden normaal één of twee keer per jaar ingevoegd (normaal op oudejaarsavond en in juni) om de wereldwijde tijdschaal te garanderen GMT (Coordinated Universal Time) valt samen met de astronomische dag.

Sprong seconden zijn gebruikt sinds UTC voor het eerst werd geïmplementeerd en ze zijn een direct resultaat van onze nauwkeurigheid in tijdregistratie. Het probleem is dat modern atoomklokken zijn veel nauwkeuriger tijdwaarnemingsapparatuur dan de aarde zelf. Het werd opgemerkt toen atoomklokken voor het eerst werden ontwikkeld, dat de lengte van een dag, eens gedacht dat het precies 24-uren waren, varieerde.

De variaties worden veroorzaakt door de rotatie van de aarde die wordt beïnvloed door de zwaartekracht en de getijdekrachten van de aarde, die allemaal de rotatie van de aarde minutieus vertragen.

Dit draaien vertraagt, terwijl het maar minuscuul is, als het niet wordt gecontroleerd, dan zou de UTC-dag snel afdalen naar de astronomische nacht (zij het in enkele duizenden jaren).

De beslissing of een Leap Second nodig is, is de taak van de International Earth Rotation Service (IERS), maar Leap Seconds zijn niet bij iedereen populair en kunnen potentiële problemen veroorzaken wanneer ze worden geïntroduceerd.

UTC wordt gebruikt door NTP tijdservers (Network Time Protocol) als een tijdreferentie voor het synchroniseren van computernetwerken en andere technologie en de verstoring die Leap-seconden kunnen veroorzaken, wordt gezien als de moeite niet waard.

Anderen, zoals astronomen, zeggen echter dat het nalaten van UTC in overeenstemming met de astronomische dag het bestuderen van de hemelen bijna onmogelijk zou maken.

De laatste schrikkelseconde die is ingevoegd voordat deze in 2005 was, maar sinds 23 zijn er in totaal 1972 seconden aan UTC toegevoegd.

Wordt vervolgd ...

Er zijn echter enkele gelegenheden waarbij een tijdserver de verbinding met de atoomklok kan verliezen en de tijdcode niet gedurende een langere periode kan ontvangen. Soms kan dit komen door downtime door de atoomklokbesturing voor onderhoud of dat storing in de nabije omgeving de transmissie blokkeert.

Het is duidelijk dat hoe langer het signaal lager is, des te meer potentiële drift op het netwerk kan optreden als de kristaloscillator in de NTP-server is het enige dat tijd aanhoudt. Voor de meeste toepassingen zou dit nooit een probleem mogen zijn, aangezien de meest langdurige periode van downtime normaal niet langer is dan drie of vier uur en de NTP-server in die tijd niet veel zou zijn afgedreven en het optreden van deze downtime vrij zeldzaam is (misschien een keer of twee keer per jaar).

Voor sommige ultra precieze high-end toepassingen worden echter rubidium-kristaloscillatoren gebruikt, omdat deze niet zo veel drijven als kwarts. Rubidium (vaak gebruikt in atoomklokken zelf in plaats van cesium) is veel nauwkeuriger een oscillator dan kwarts en verstrekt betere nauwkeurigheid voor wanneer er geen signaal aan a is NTP tijdserver zodat het netwerk een nauwkeurigere tijd kan aanhouden.

Rubidium zelf is een alkalimetaal, vergelijkbaar in eigenschappen met kalium. Het is zeer licht radioactief, hoewel het geen risico vormt voor de gezondheid van de mens (en wordt vaak gebruikt in beeldvorming van medicijnen door het in een patiënt te injecteren). Het heeft een halfwaardetijd van 49 miljard jaar (de tijd die nodig is om te vervallen met de helft - in vergelijking met sommige van de meest dodelijke radioactieve materialen hebben halfwaardetijden van minder dan een seconde).

Het enige echte gevaar van rubidium is dat het nogal heftig reageert op water en brand kan veroorzaken

Oscillatoren zijn essentieel geweest in de ontwikkeling van klokken en chronologie. Oscillatoren zijn slechts elektronische circuits die een repetitief elektronisch signaal produceren. Vaak worden kristallen zoals kwarts gebruikt om de frequentie van de oscillatie te stabiliseren,

Oscillatoren zijn de primaire technologie achter elektronische klokken. Digitale horloges en analoge klok met batterijvoeding worden allemaal bestuurd door een oscillerend circuit dat meestal een kwartskristal bevat.

En hoewel elektronische klokken vele malen nauwkeuriger zijn dan een mechanische klok, zal een kwartsoscillator elke week een seconde of twee afdrijven.

Atoomklokken natuurlijk zijn veel nauwkeuriger. Ze gebruiken echter nog steeds oscillatoren, meestal cesium of rubidium, maar ze doen dit in een hyperfijne toestand vaak bevroren in vloeibare stikstof of helium. Deze klokken in vergelijking met elektronische klokken zullen in geen miljoen jaar tijd met een seconde afdrijven (en met de modernere atoomklokken 100 miljoen jaar).

Om deze chronologische nauwkeurigheid te gebruiken een netwerktijdserver die gebruikt NTP (Network Time Protocol) kan worden gebruikt om volledige computernetwerken te synchroniseren. NTP-servers gebruik een tijdsignaal van een GPS- of langegolfradio die rechtstreeks van een atoomklok komt (in het geval van GPS wordt de tijd gegenereerd in een klok aan boord van de GPS-satelliet).

NTP-servers controleer deze bron van tijd voortdurend en pas vervolgens de apparaten in een netwerk aan om die tijd aan te passen. Tussen polls (ontvangst van de tijdbron) wordt door de tijdserver een standaardoscillator gebruikt om de tijd te houden. Normaal gesproken zijn deze oscillatoren kwarts maar omdat de tijdserver in regelmatige communicatie met de atoomklok elke minuut of twee zegt, is de normale drift van een kwartsoscillator geen probleem, omdat een paar minuten tussen peilingen niet tot een meetbare drift zou leiden.

Wordt vervolgd ...