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Tiempo en Internet Sistemas Distribuidos I

Dr. Roberto Gómez Cárdenas 1

El tiempo en Internet

Características y funcionamiento

El tiempo (un poco historia)

Desde invención relojes mecánicos en el siglo XVII, el tiempo se ha medido de forma astronómica.En decada de 1940 se estableció que el período de rotación de la tierra no es constante.

la tierra esta disminuyendo su velocidad debido a la fricción tidal y el arrastre atmosférico



El día solarCada día el sol se levanta en el este y desciende en el oeste.El momento en que el sol alcanza su punto aparentemente más alto en el cielo se llama tránsito de sol (aprox. 12hrs del día).El intervalo entre dos tránsitos consecutivos del sol se llama día solar. Puesto que existen 24 horas en un día, cada una de las cuales contiene 3,600 segundos, el segundo solar se define como 1/86,400 de un día solar.

GMT y el UTGMT: Greenwich Mean TimeEn mediados 1800 se introdujo el GMT, llamado después UT (Universal Time), basado en tiempo solar.En diferentes lugares del mundo, cientos de tiempos diferentes fueron adoptados

cada uno con su propio meridianosuperficie tierra fue divida en 24 zonas



Zonas de tiempo

El UTC

Universal Coordinated Time.Estándar oficial para el tiempo actual.Basado en el concepto de segundo atómico.En 1955 se inventa el primer reloj atómico en base al cesio 133.Existen otros basados en hidrogeno.



Componentes UTCUniversal

puede ser usado en cualquier lugar en el mundoes independiente de las zonas de tiempopara convertir UTC a tiempo local, se debe sumar o restar el tiempo local

Coordinatedvarias instituciones contribuyen con sus estimaciones para el cálculo del tiempo UTC se construye combinando estas estimaciones

Un segundo atómicoEn 1967, en la 13eva General Conference ofWeights and Mesures, se define la unidad de tiempo fundamental del Sistema Internacional (SI).Un segundo SI (o segundo atómico) es

la duración es de 9,192,631,770 periodos de radiación correspondientes a la transición entre dos niveles hiperfinos de estado del átomo del cesio 133la elección fue hecha para que el segundo atómico fuera igual al segundo solar promedio en el año de su introducción



Calculando el UTCEn forma periódica, cada laboratorio le indica al BIPM (oficina internacional del peso y la medida) en París.El BIPM hace un promedio de lo que recibe y produce el TAI (tiempo atómico internacional)

TAI es el promedio de las marcas de los relojes cesio 133 a partir de la medianoche del 1o. enero de 1958 dividido entre 9,192,631,770

Algunas imagenes BIPM y de la USNO

reloj y labo del BIPMla sede y escudo del BIPM

reloj cesio de la USNOmodelo HP5071A

cuarto cálculo tiempo de laU.S. Naval Observatory



Ejemplo tiempo BIPM

Ajustando el tiempoUTC se basa la resonancia cuantica del átomo del cesio.Rotación tierra no esta influida por la definición de un segundo UTC

se tienen 86,400 segundos UTC por día si la rotación tierra tarda más, la media noche de un día caería en el mediodía del siguientees necesario añadir o suprimir segundos extras dentro de UTC para sincronizar



Segundos de ajuste (leaps seconds)

Los segundos que se añaden o suprimen se conocen como segundos de ajuste.Los segundos de ajuste pueden predecirse tanto como la rotación de la tierra.

por lo tanto, no se pueden calcular de forma simple futuras fechas UTCal menos con una precisión de segundos

Ajustando el tiempo

El uso de los segundos de ajuste se hace al final de un día UTC.

si se inserta un segundo, el tiempo en UTC se especifica como 23:59:60, es decir se requieren dos segundos para pasar de 23:59:59 a 0:00:00 en lugar de unosi un segundo es retirado entonces el tiempo va a pasar de 23:59:58 a 0:00:00 en un segundo en lugar de dos



Bitacora aplicación segundos de ajuste1961 JAN 1 =JD 2437300.5 TAI-UTC= 1.4228180 S + (MJD - 37300.) X 0.001296 S1961 AUG 1 =JD 2437512.5 TAI-UTC= 1.3728180 S + (MJD - 37300.) X 0.001296 S1962 JAN 1 =JD 2437665.5 TAI-UTC= 1.8458580 S + (MJD - 37665.) X 0.0011232S1963 NOV 1 =JD 2438334.5 TAI-UTC= 1.9458580 S + (MJD - 37665.) X 0.0011232S

:::

1985 JUL 1 =JD 2446247.5 TAI-UTC= 23.0 S + (MJD - 41317.) X 0.0 S1988 JAN 1 =JD 2447161.5 TAI-UTC= 24.0 S + (MJD - 41317.) X 0.0 S1990 JAN 1 =JD 2447892.5 TAI-UTC= 25.0 S + (MJD - 41317.) X 0.0 S1991 JAN 1 =JD 2448257.5 TAI-UTC= 26.0 S + (MJD - 41317.) X 0.0 S1992 JUL 1 =JD 2448804.5 TAI-UTC= 27.0 S + (MJD - 41317.) X 0.0 S1993 JUL 1 =JD 2449169.5 TAI-UTC= 28.0 S + (MJD - 41317.) X 0.0 S1994 JUL 1 =JD 2449534.5 TAI-UTC= 29.0 S + (MJD - 41317.) X 0.0 S1996 JAN 1 =JD 2450083.5 TAI-UTC= 30.0 S + (MJD - 41317.) X 0.0 S1997 JUL 1 =JD 2450630.5 TAI-UTC= 31.0 S + (MJD - 41317.) X 0.0 S1999 JAN 1 =JD 2451179.5 TAI-UTC= 32.0 S + (MJD - 41317.) X 0.0 S

El reloj de la computadora

Tiempo es almacenado dentro de un conjunto de bits.El sumar datos a esos bits es lo que hace que el tiempo funcione.El significado del valor cero, necesita ser definido por separado

este valor se conoce como epoca



Numero bits y resolución

Usar más bits puede ampliar el rango del tiempo o puede incrementar la resolución.Ejemplo

si se usan 8 bits, pueden haber 256 valores diferentesse se elige almacenar segundos, la resolución es de un segundo y el rango va de 0 a 255 segundossi se prefiere almacenar minutos entonces se pueden guardar hasta 255 minutoscon 64 bits se puede contar con una resolución de nanosegundos y con un buen rango

Haciendo funcionar el tiempoEn un reloj real el tiempo avanza automáticamente.

reloj real = pulsos de un cuarzoes independiente de los bits de tiempo

Necesario actualización del tiempodespués de n pulsos es necesario sumar algo al valor almacenado en el conjunto de bitsuna resolución de nanosegundos no sirve de mucho, si el valor es actualizado cada minuto.



Actualizando el tiempo

Necesario una actualización frecuente de los bits de tiempo.En muchas casos la actualización la hace una rutina de servicio de interrupción.

la interrupción es tratada por un chip de tiempo programabledesafortunadamente el actualizar los bits del reloj, comparado con generar una interrupción, es lento

Escala tiempo computadora

Debido a requerimientos velocidad, la mayoría de los bits de tiempo usan una escala de tiempo lineal como segundos (en lugar de hh:mm:ss)Si un usuario desea el tiempo real, se lee el valor de los bits y se convierte

time(NULL) 989264388

gettimeofday() 14:39:48 del5 mayo2001



Frecuencias actualizaciónEn teoría las matemáticas necesarias para actualizar el campo de bits es simple:

si se tienen dos interrupciones por hora, hay que añadir 30 minutos en cada interrupciónsi se tienen cuatro interrupciones por minuto hay que sumar 15 segundos en cada interrupciónsi se tienen 100 interrupciones por segundo, hay que añadir 10ms por interrupcion

El modelo reloj de Unix

Unidades en los bits de reloj son microsegundos.El incremento por interrupción es de 1,000,000/HZ (HZ = frecuencia interrupción).El valor añadido en cada interrupción de tiempo se conoce como tick.



Algunas funciones y estructuras del tiempo en Unix

#include <time.h>

time_t time( time_t *tloc );int gettimeofday( tp, tzp );

struct timeval *tp;struc timezone *tzp;

#include <sys/times.h>

clok_t times( buffer );struct tms *buffer;

Un segundo se compone de CLK_TCK pulsos, (tics)

Algunos valores de Unix----------------------------------------------------------------------------time.h----------------------------------------------------------------------------#ifndef CLK_TCKextern long _sysconf(int); /* System Private interface to sysconf() */#define CLK_TCK _sysconf(3) /* clock ticks per second */

/* 3 is _SC_CLK_TCK */#endif----------------------------------------------------------------------------sys/time.h----------------------------------------------------------------------------extern int tick_per_msec; /* clock ticks per millisecond (may be zero) */extern int msec_per_tick; /* milliseconds per clock tick (may be zero) */extern int usec_per_tick; /* microseconds per clock tick */extern int nsec_per_tick; /* nanoseconds per clock tick */



Calidad del relojResolución (resolution)

la más pequeña modificación posible en el modelo del tiempo si el reloj incrementa su valor solo una vez por segundo, la resolución es de un segundo

Precisión (precision)el más pequeño incremento posible que puede leer un programauna resolución no sirve de mucho, si no se puede leer el reloj

Calidad del reloj ...Jitter (second derivation)

cuando se lee el reloj muy repetidamente, la diferencia entre las lecturas puede variar de forma aleatoriala diferencia de estas diferencias es el jitter

Exactitud (accuracy)un reloj no solo debe poder ser leído, sino ajustadoexactitud determina que tan cerca esta el reloj de una referencia de tiempo oficial



Sincronía tiempo en internet

Existen varios sistemas de sincronía para Internet, pero todos tienen en común el principio de cliente-servidor.

sistema de tiempo, que ofrece una computadora, esta sincronizado con un reloj de referencia externoel servidor envía la información de tiempo a través de Internet cada vez que una computadora (el cliente) lo solicita.

Protocolos sincronización

Rigth timesservidores ofrecen tiempo a tavés de una página webque puede ser accedida con un browser

Network Time Protocolsistema automatico de sincronia para internet

Time Protocol and Daytime ProtocolAnteriores al NTPNo soportan retardos en los tiempos transmisiónUtil solo para redes localesReferencia: RFC 868 y RFC 867



Rigth timeEs una pagina www que contiene la fecha y hora en el tiempo de la transmisión de la página.

H:horas de 0 a 23T: acrónimo de la zona del tiempo

S: info day-light saving timeL: info leap second insertion.

http://www.time.gov/timezone.cgi?Central/d/-6/java

NTP: Network Time Protocol

Protocolo internet usado para sincronizar los relojes de la computadoras a alguna referencia de tiempo.Originalmente desarrollado por el Profesor David L. Mills en la universidad de Delaware.Primera implementación: alrededor 1980Referencia: RFC 1305



SNTP

Simple Network Time ProtocolTambién es un NTPNo cuenta con algunos algoritmos, que no son necesarios para todos los tipos de servidores.

Características NTP

NTP necesita un reloj de referencia, que define el tiempo real para operar.

todos los relojes se ajustan a dicho tiempo reallos sistemas no solo concuerdan en el alguntiempo, sino en tiempo real definido por algunestandar

Utiliza UTC como tiempo de referenciaEs tolerante a fallas.



Características NTPAutomaticamente selecciona la mejor de las fuentes de sincronización.

es posible contar con varios candidatos para minimizar el error acumulado

Es altamente escalablered sincronización puede consistir de varios relojes de referencia

Con varias fuentes de tiempo NTP puede tener una buena exactitud, usando una resolución menor a nanosegundos (2-32 sgs)

Versiones NTP

Actualmente estan disponibles las versiones tres y cuatro de implementaciones de NTPLa última versión de software liberada es NTPv4, pero la oficial es NTPv3.Algunos vendedores de sistemas operativos entregan su propia versión.Compatabilidad:

clientes con viejas versiones pueden hablar con nuevas versiones de servidores en otra dirección requiere interferencia manual.



ImplementacionesSistemas Unix

existe versión disponible forma gratuitasoftware disponible en forma de código en C

WindowsWindos 2000 incluye un cliente SNTP

VMSDonde obtenerlo

http://www.eecis.udel.edu/~ntp

Principios funcionamiento

Servidor primario (stratum 1)consiste en una computadora conectada a un reloj de alta precisión, con un software NTP

Otras computadoras (stratum 2) equipadas con un software similar, automaticamentepreguntan al servidor primario.Las computadoras stratum 2 pueden sincronizar otras computadoras llamadas stratum 3.



Principios funcionamiento

Esto puede continuar hasta stratum 16.Entre más lejano se este de la computadora stratum 1, la exactitud disminuye.Una computadora puede ser cliente o servidor.Cada servidor puede tener cientos de clientes.Para efectos de robustez cada cliente puede contar con más de un servidor.

en este caso NTP monitorea a los servidores para estabilidad y exactitud

Diagrama NTP



Servidores NTP

Existen unos 175,000 hosts ejecutando NTP en Internet.

de estos hay unos 300 servidores válidos tipo stratum 1existen unos 20,000 servidores stratum 2existen unos 80,000 servidores stratum 3el resto son servidores de otros stratums

Algunos servidores stratum 1 (107 listados)(http://www.eecis.udel.edu/~mills/ntp/clock1.htm)

AU ntp.cs.mu.OZ.AU (128.250.36.2)Location: The University of Melbourne, Melbourne Australia

BR ntp1.rnp.br (200.19.119.69)Location: Brazilian Research Network/Rede Nacional de Pesquisa

CA clock.cmc.ec.gc.caLocation: Canadian Meteorological Centre, Dorval, Québec, Canada

FR canon.inria.fr (192.93.2.20)Location: INRIA, Rocquencourt (near Paris), France

MX cronos.cenam.mxLocation: Centro Nacional de Metrologia, Queretaro, Mexico



Algunos servidores stratum 2 (136 listados)(http://www.eecis.udel.edu/~mills/ntp/clock2.htm)

AR tick.nap.com.ar (200.49.40.1)Location: Network Access Point, Buenos Aires, Argentina

AU ntp.adelaide.edu.au (129.127.40.3)Location: University of Adelaide, South Australia

CA tick.utoronto.ca (128.100.103.252)Location: University of Toronto, Toronto, Ontario, CANADA

FR ntp.obspm.frLocation: Observatoire de Paris-Meudon, Meudon, France

MX ntp2a.audiotel.com.mx (200.34.146.67)Location: Audiotel office, Mexico D.F., Mexico

Sincronización en NTP

La sincronización de un cliente con un servidor consiste en varios intercambios de paquetes.

cada paquete es un par de petición/respuestaCuando cliente envía un paquete guarda su propia hora local en el paquete enviado.Cuando servidor recibe paquete almacena su tiempo en el paquete y lo regresa.



Sincronización en NTP ...

Cuando cliente recibe la respuesta, vuelve a checar su tiempo para estimar el tiempo de “viaje” del paquete.

estas diferencias de tiempo se pueden usar para estimar el tiempo que toma el paquete en ser transmitido del servidor al cliente.

El tiempo no se considera confiable hasta que diferentes paquetes han sido intercambiados.

Sincronización en NTP ...Solo si las respuestas del servidor satisfacen las condiciones definidas en el protocolo, el servidor es considerado válido.

tiempo no puede ser sincronizado a partir de un servidor considerado como inválido

Usualmente toma unos cinco minutos para que el cliente se sincronice con el servidor

esto también es verdad para referencias locales que no tienen retardos por definición



Ajustando el reloj

Existen cuatro mecanismos para que el software de NTP ajuste el reloj local.Diferentes sistemas operativos proporcionan diferentes medios.Basicamente se cuenta con cuatro mecanismos (llamadas de sistema) para ajustar el reloj local.

Mecanismos ajuste reloj

settimeofday()llamada para asignar el tiempousarlo solo si el tiempo difiere más de 128ms

adjtime()cambio gradual del tiempo (slew)cambiar frecuencia reloj para hacer que este vaya más lento o más rápido hasta que la correción se termineesto puede tomar tiempo por lo que algunos sistemas Linux ajustan el tiempo en un rango de 0.5ms por segundo



Mecanismos ajuste reloj ...ntp_adjtime()

para controlar diferentes parametros del software del relojajustar el offset del software del relojcontrolar el procesamiento de los segundos de ajusteleer y asignar valores relacionados con el reloj

hardpps()función que solo es llamada por un servicio de interrupción dentro del sistema operativosi se activa hardpps puede modificar frecuencia y offsetdel reloj del núcleo

Información NTP

NTP utiliza paquetes UDP para transferir datos debido a la velocidad de set-up de conexión y comunicación.El timestamp en NTP consiste en un valor binario de 64 bits con un punto implicito entre las dos mitades de 32 bits, por ejemplo:

00000000000000000000000000000001 10000000000000000000000000000000

equivale al decimal 1.5

parte entera parte fraccionaria



Las epocas en NTP

La epoca para NTP empieza en 1900, mientras que para Unix empieza en 1970.Por lo que los siguientes valores corresponden a las 18:52:30.735861 del 31.08.2001:

Unix: 39aea96e.00b3a7500111001 10101110 10101001 0110111000000000 00001011 00111010 01110101

NTP: bd5927ee.bc61600010111101 01011001 00100111 1110111010111100 01100001 01100000 00000000

Otras sincronias de tiempoSistemas navegación

sistemas navegación modernos están basados en señales de radio sincronizadas con relojes atómicos receptores de estos sistemas reciben, aparte de su posición, una señal se sincronía de tiempo

Telefonoenvian información tiempo codificada como stringsgenerados una vez por segundoesto puede ser recibido por una computadora con un modem



Otras sincronias de tiempoBroadcast

los primeros en ser desarrolladosestaciones de radio que transmiten solo información de tiempo y otras insertan esta información durante su programaciónel Instituto Nacional del Tiempo Estandar(NIST) opera una estación de radio de onda corta con las siglas WWV desde Fort Collings, colorado

WWV transmite un pulso corto cada segundo TUC

Sincronías tipo broadcastCanada

NRC CHU Broadcast Codes

Alemania Low-Frecuency

ItaliaIEN RAI Codified Signal

U. K.NPL MSF 60kHz Time and Date Code

U.S.A.NIST WWV Services



Otros algoritmos

Algoritmo de Cristian

Algoritmo de Berkeley

Algoritmo de Cristian

Objetivo:sincronizar al resto con respecto a una máquina tiene un receptor WWV

Periódicamente cada máquina envía un mensaje al servidor preguntándole por el tiempo.Servidor responde tan rápido como puede con un mensaje que contiene su tiempo.



Esquema algoritmoTi

empo

T0

T1

cliente servidor

pet

resp

tiempo deatención

Problemas del algoritmo

Tiempo no corre hacia atrásSi reloj del demandante es más rápido que el del servidor=> tiempo correrá más lento en máquina demandante

Se tiene un tiempo NO-CERO de tiempo de respuesta

Tiempo respuesta:(tiempo transmisión) + (tiempo manejo interrupción)



Algoritmo BerkeleyMétodo recomendable para un sistema en el que no exista un receptor WWV.Algo. Cristian: servidor tiempo es pasivo, todas las máquinas le preguntan y el responde.

Algo. Berkeley: servidor esta activo preguntando a cada máquina la hora.El tiempo daemon (de referencia) debe ser actualizado periódicamente por el operador.

Algoritmo BerkeleyPrincipio:

Servidor pregunta al resto la horaCalcula la nueva hora en base a lo recibidoInforma a las otras computadora la nueva horaTodas las máquinas actualizan su reloj



Paso 1: servidor pregunta hora a las máquinas

demoniodel tiempo

3:00

3:00

3:00

3:00

3:25 2:50

Paso 2: máquinas responden

3:25

3:00

+25

0

-10

2:50



Paso 3: servidor informa ajuste a las otras máquinas

3:05

-20 +15

+5

3:05 3:05

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