“Parmaklarıma bak” diyor John FisherbeniOrolia’da Advanced Research’ün ce-başkanı, ellerini yaklaşık 30 santimetre arayla tutuyor. “Bu bir nanosaniye. Işığın saniyenin milyarda birinde kat ettiği yol budur. Bu size, son derece doğru ağ zaman dağılımına ihtiyacım olduğunu söylemenin ne anlama geldiğine dair bir fikir veriyor – bir nanosaniye içinde doğru.
Zaman dağılımı bağlamında doğruluk, bağlı bilgisayarlardaki ve sensörlerdeki saatlerin saatin kaç olduğu konusunda uyuşma derecesini ifade eder. Büyük Bilim projelerinden bazıları artık daha da yüksek doğruluklara ihtiyaç duyuyor – saniyenin trilyonda biri olan pikosaniyeler. düşün Büyük Hadron Çarpıştırıcısı İsviçre’de CERN’dedünyanın en ünlü Büyük Bilim projelerinden biri.
Büyük Hadron Çarpıştırıcısında ölçülen bazı parçacıklar yaklaşık bir nanosaniye kadar var olurlar ve çok kısa ömürleri boyunca birkaç sensör tarafından ölçülmeleri gerekir. Parçacıkları oluşturmak için, olayların farklı cihazlarda çok hassas zamanlamayla tetiklenmesi gerekir. Ardından, bu parçacıkları incelemek için, farklı sensörlerden alınan ölçümlerin son derece hassas bir zaman çizelgesi boyunca ilişkilendirilmesi gerekir.
CERN, Higgs Boson’un 2012’de keşfedildiği yerdir ve CERN, orijinal olarak fizikçilerin bilimsel makaleleri paylaşmasına yardımcı olmak için geliştirilen HTTP ve HTML’nin icadıyla 1980’lerde World Wide Web’in başladığı yerdir. 2010 civarında daha az bilinen bir atılım gerçekleşti. CERN son derece hassas ağ zamanlama protokolleri gerektirdiğinden, artık diğer bilimsel projelerde, askeri ve uzay uygulamalarında ve finansta kullanılabilecek yeniliklere ilham verdiler.
Fischer, “Zamanın sadece bir an olduğunu düşünüyoruz” diyor. “Ancak dağıtılmış işleme ile zamanı bir mesafe boyunca senkronize etmeyi düşünmeliyiz, böylece tüm düğümler saatin kaç olduğu konusunda hemfikir olur. Son derece hassas zaman dağılımıyla ölçüm yapma kavramı, CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı ile başladı.”
CERN için geliştirilen bu teknolojinin bir kısmı açık standart haline geldi. Birkaç nanosaniye içinde doğruluk sağlayan bu açık standart, Beyaz Tavşan. İspanyol başlangıç Yedi Çözüm CERN için Beyaz Tavşan anahtarını tasarlamak için İspanyol hükümetinden bir hibe altında çalıştı. Seven Solutions’daki geliştiriciler, White Rabbit protokolünde tescilli iyileştirmeler yapmaya devam etti ve yeni teknolojiyi endüstriye getirdi. Seven Solutions yakın zamanda satın alındı. Oroliakonumlandırma, navigasyon ve zamanlama çözümleri – ya da iş dünyasındaki adıyla PNT çözümleri – pazarlayan ABD merkezli bir şirket.
Veri merkezleri ve finansal ticaret
Orolia’da, Fischer PNT’yi öncelikle devlet, askeriye ve havacılık sektörlerine ve aynı zamanda genel olarak endüstriye uygular. Endüstride artık son derece hassas ağ zaman protokollerine ihtiyaç duyulan iki örnek, veri merkezleri ve finansal ticarettir.
Veri merkezlerinin ortaya çıkışı, son derece doğru ağ zaman dağılımı için bazı gereksinimleri ortaya çıkardı. Yaklaşık 10 yıl önce herkes uygulamaları ve verileri buluta taşımaya başladı. Devasa veri merkezleri, senkronize edilmesi gereken binlerce bilgisayardan oluşur. İşlem gücü 1960’lardan beri katlanarak artıyor, bu nedenle bir bilgisayarda bir nanosaniye içinde çok daha fazlası gerçekleşebilir.
Süper bilgisayarlar düzenli olarak, nanosaniye başına bir milyon kayan nokta işlemi olan petafloplarda çalışır. Ortalama bir veri merkezindeki ortalama bir sunucu bile nanosaniyede binlerce işlem gerçekleştirir. Bilgisayarlar dağıtılmış algoritmalar çalıştırdığında, yüksek derecede senkronizasyon gerektiren kilit adımında çalışmaları gerekir.
Finansal ticaret sistemleri, adaleti sağlamak için yüksek derecede senkronizasyon gerektirir. Tek bir alım satım bir hisse senedinin fiyatını değiştirebileceğinden ve bu da sonraki alım satımları etkileyebileceğinden, zamanlamanın sağlanması önemlidir. Aynısı bankalar arası ticaret ve döviz bozdurma işlemleri için de geçerlidir.
Nanosaniye doğruluğuna ulaşmak
“İnternetin ilk günlerinde, mühendisler ağ zaman protokolünü buldular. [NTP]saniyenin binde biri olan bir milisaniye hassasiyetindeydi” diyor Fischer. “Bilgisayarlarımızın sabit hatlı bir ağ üzerinden saatlerini güncellemek için kullandıkları şey buydu. O zamandan beri bu konuda gelişme kaydettik.”
Fischer, “Bir ağ üzerinden zaman dağıtımı yapmak 2000 yılı civarında gerçekten çekici hale geldi” diyor. “Mühendisler yeni bir zamanlama protokolü buldular. Bu, IEEE 1588 veya hassas zaman protokolü dediğimiz şeydi – PTP. Buradaki fikir, bu paketleri bir Ethernet ağı üzerinden ileri geri göndermeniz ve zaman gecikmesini ölçmenizdir. Bununla, saniyenin milyonda biri olan mikrosaniye düzeyindeki hassasiyete inebilirsiniz.”
Ama bu bile yeterli değildi. Yaklaşık 15 yıl önce, bilim adamlarının daha doğru zaman dağıtım protokollerine ihtiyaçları vardı. Daha doğru zaman elde etmenin bir yolu, tüm düğümleri bağlamak için koaksiyel kablolar kullanmaktır. Ancak bu, ağların kilometrelerce uzandığı ve binlerce düğümün birbirine bağlanması gereken CERN gibi yerlerde pratik değildir.
O dönemde telekom topluluğundan yeni bir kavram çıktı. senkron Ethernet. Sadece zaman bilgisini değil, aynı zamanda frekansı da taşıyordu, bu da onu daha doğru kılıyordu. Ardından, Seven Solution’daki insanlar da dahil olmak üzere CERN’deki araştırmacılar, otomatik kalibrasyon yapmak için geri döngülerle bu fikri mükemmelleştirdi. CERN Süper Çarpıştırıcısı için nanosaniye doğruluğuna inebildiler.
White Rabbit, Synchronous Ethernet’e dayanıyordu ve Seven Solutions’ın tescilli ayarları White Rabbit’te geliştirildi.
Nanosaniye altı doğruluk elde etme
Fischer ellerini tekrar kaldırdı, bu sefer onları yaklaşık üç santimetre arayla yerleştirdi. “100 pikosaniye böyle görünüyor. Işığın 100 pikosaniyede kat ettiği yol budur.”
CERN’in, bilgisayarlar ve sensörler nanosaniyenin altında bir seviyede senkronize edilmediği takdirde belirli deneyleri yapamayacaklarını öğrenmesi çok uzun sürmedi. CERN için çalışan mühendisler sonunda 0,1 nanosaniye olan yüz pikosaniye içinde doğruluk elde ettiler.
Seven Solutions da iyileştirmeler yaptı. Fischer, bildiği kadarıyla, artık Orolia’nın bir parçası olan Seven Solutions’ın dünyadaki en doğru ağ zaman dağılımını elde ettiğini söylüyor.
Fischer, “Zamanı dağıtmanın birçok yolu var” diyor. “Uzun mesafeler ve zamanı bilmek isteyen birçok farklı şey olduğunda, bir ağ en verimli yoldur. Kabloları uzun mesafeler boyunca çekmek ve senkronize edilmesi gereken tüm farklı düğümleri bağlamak pratik değil.”
Ancak bir ağ üzerinden zamanı senkronize etmenin bazı zorlukları vardır. Zaman bilgisini bir kablo üzerinden göndermeye çalışıyorsanız, bilginin hedefe ulaşması için geçen süre tahmin edilebilir. Bir ağ üzerinden gönderirseniz, veriler paketler halinde gider ve ardından gecikmelere neden olan anahtarlardan ve yönlendiricilerden geçirilir. Gecikme deterministik ise, bir algoritma kolayca telafi edebilir. Ancak ağlar nadiren gereken derecede belirleyicidir. Bant genişliği, verim ve gecikme, o sırada ağda ne kadar trafik olduğuna bağlı olarak değişir.
“Çoğu zaman, bir ağ üzerinde çalışan dağıtım protokolleri bir tür ağ paket alışverişi kullanır” diyor. javier diaz, Granada Üniversitesi için yaptığı araştırma çalışmalarının bir parçası olarak CERN’in Beyaz Tavşan’ı geliştirmesine yardımcı oldu. Diaz sonunda Seven Solutions’a katıldı ve CEO’su oldu.
Diaz, “Bir düğüm diğerine bir paket gönderir, o da paketi geri gönderir” diyor. “Protokol gönderme ve alma sürelerini ölçer. Her şey yolunda giderse, ileri geri gidişteki toplam sürenin yarısının yayılma süresi olduğunu söyleyebilir ve bu değeri iki düğümü senkronize etmek için kullanabilirsiniz. Bu tipik olarak standart zaman dağıtım protokollerinde kullanılan yaklaşımdır.”
“Geçmişte insanlar, kablolara dayalı geçici çözümler kullanarak standart protokolleri geliştirirdi. Düğümler arasında özel sinyaller göndermek için bir koaksiyel kablo kullanıyorsanız, kablonun uzunluğuna göre kalibre etmeniz gerekir. Bu zaman alıyordu, ölçeklenebilir değildi ve hataya açıktı. Daha iyi yaklaşım, yeni standartlar tanımlamaktı.
“Mevcut standartları iyileştirmek için önce bazı sorunları çözmemiz gerekiyordu” diyor. Birincisi, yayılma yolu her iki yönde de eşit olmayabilir. Asimetri bir hata kaynağı olabilir. Diğer bir sorun da iki farklı cihazın farklı osilatörleri olabilmesidir. Teorik olarak, aynı frekansta çalışıyorlar. Ancak pratikte, frekanslarda küçük bir kayma var. Bu küçük kayma, çoğu uygulama için büyük bir sorun olmayan bir nanosaniye yanlılığına neden olabilir. Ancak nanosaniyenin altında doğruluk elde etmenize izin vermez.
Diaz, “Asimetri problemini ve biraz farklı frekanslara sahip olma problemini çözdükten sonra, yayılma süresini yüksek doğrulukla ölçmemiz gerekiyordu” diyor. “Bunun için pakette son derece doğru bir zaman damgası sağladık. Önceden, altı ila sekiz nanosaniye doğruluk elde edebiliyordunuz, ancak bu yeterince iyi değil. Standart protokollerde, ağ kartlarının üzerinde, işlem gecikmesine ve daha fazla yanlışlığa neden olan bazı işlemler vardır. Diğer bir sorun da, standart fiziksel katmanların “en iyi çabayı” sunmasıydı, dolayısıyla yayılma gecikmesi her zaman aynı değildi.
“Zaman damgasını ağ kartına mümkün olduğu kadar yakın bir yere koymanız gerekir, böylece işlem gecikmesi olmaz – ve fiziksel katmanı deterministik olacak şekilde değiştirmeniz gerekir,” diye bitiriyor sözlerini.
Bugün ne kadar yüksek doğrulukta ağ zaman dağıtım protokolleri kullanılıyor?
Bilimsel araştırmanın artan karmaşıklığıyla birlikte, bir ağ üzerindeki bilgisayarlar ve sensörler arasında son derece doğru zamanlamaya yönelik artan bir ihtiyaç ortaya çıkıyor. Parçacık hızlandırıcıların parçacıkları neredeyse ışık hızına çıkarması gerekir. Ardından, dağıtılmış sensörlerden ölçümler yapmaları gerekir.
Parçacıkları bu kadar yüksek bir hıza çıkarmak için, parçacıklar üzerinde çok hassas zamanlamayla eylemler gerçekleştirmek üzere farklı cihazların tetiklenmesi gerekir. Parçacıkları ölçmek için, dağıtılmış sensörlerin yüksek senkronize saatler kullanarak ölçümlerini zaman damgası yapması gerekir.
Gökbilimciler ayrıca oldukça hassas zamanlamaya ihtiyaç duyarlar. Dünyanın en güçlü teleskopları dağıtılmış anten kullanır. Yüz çanak anten bir kilometreye yayılabilir. Uzak galaksilerden gelen radyo sinyallerini işaret etmek için çok hassas bir zamanlamayla hareket ettirilmeleri gerekiyor. Ardından tabaklardan alınan ölçümlerin yine çok yüksek bir hassasiyetle ilişkilendirilmesi gerekir.
Bilim önemlidir ve inovasyonu yönlendirmeye devam edecektir. Ama sonuçta bu yeniliğin en büyük kullanım alanı finans olabilir. Kimin hangi bilgiyi ne zaman aldığı ve işlemlerin hangi sırayla verildiği, dünyadaki tüm farkı yaratır.
Alım satım uygulamaları genellikle süper bilgisayarlar tarafından desteklenir, bu nedenle bu günlerde finansta işler çok hızlı gerçekleşir. Senkronizasyona her zamankinden daha fazla ihtiyaçları var, bu da finansal hizmetleri en son zamanlama protokolleri için büyük bir pazar haline getiriyor.