Новата парадигма за синхронизацията на времето

На Световната конференция по радиосъобщения ITU (WRC-23), която се проведе в Дубай от 20-ти ноември до 15-ти декември, бе обсъдена замяната на високосните секунди с високосни минути. Експертите за пореден път отложиха решението „за по-късно“. Но едно е сигурно: рано или късно допълнителните секунди ще трябва да бъдат премахнати. Нека се спрем по-подробно.

Трите времеви скали: UT1, TAI и UTC

Всяко събитие може да бъде определено чрез три пространствени и една времева координата – следователно времето трябва да бъде нормативно определено и глобално синхронизирано, при това с висока точност. Времевата скала по същество представлява подреден набор от подходящо номерирани знаци.

Понастоящем се използват три времеви скали: UT1 (универсално време), TAI (международно атомно време) и UTC (координирано универсално време). Нека разгледаме разликите между тях.

UT1

Универсалното време (UT1) се определя от наблюденията на въртенето на Земята. То е пропорционално на ъгъла на завъртане на планетата около оста ѝ. Коефициентът е избран така, че 24-те часа на UT1 да са близки до средната продължителност на деня. А фазата – така, че нулевият час на UT1 да съответства на полунощ на линията на меридиана в Гринуич.

Под секунда при UT1 се разбира 1/86400 от средния слънчев ден. До 1960 г. тя е била равна на една секунда в Международната система единици (SI). До 1972 г. UT1, която се изчислява и поддържа от IERS, е общоприетата референтна скала за време.

TAI

TAI е времева скала, която се определя в атомни секунди – интервал, равен на 9 192 637 770 периода на излъчване на атома цезий-133. На първи януари 1958 г. е съгласувано TAI да съвпада с UT1.

Оттогава TAI се определя от Международното бюро за мерки и теглилки, което събира и обработва показанията на 450 атомни часовника, разположени в 85 държави. Скоро обаче се появява идеята да се комбинират различните скали, за да се повиши точността. Това доведе до приемането на нов координиран световен стандарт за времето, което стана факт през 1972 г.

UTC

Колебанията в скоростта на въртене на Земята водят до разминаване между скалите UT1 и TAI. IERS коригира това несъответствие с допълнителни секунди. Комбинацията им с UI1 и TAI дава UTC, координираното универсално време.

Въпреки че BIPM изчислява и разпространява стандартната скала за време UTC, потребителите по целия свят имат достъп до местните стойности на UTC, определени от националните лаборатории. Те са координирани както с UTC, така и помежду си.

Защо е важна синхронизацията без допълнителни секунди

В днешните 5G мрежи синхронизацията е по-важна от всякога, а в бъдеще ще играе още по-голяма роля. Така например в системите за управление на роботи в заводите.

Синхронизацията е важна и за работата на центровете за данни. Времето помага да се съпоставят и организират едновременни събития в стотици сървъри. В сектора за сигурност отчитането на времето е необходимо например за проверка на сертификатите с кратък срок на валидност и за откриване на пробиви.

Непрекъснатият характер на UTC, който налага периодично да се добавят допълнителни секунди, засяга икономиката, киберсигурността и съвременните индустрии, базирани на архитектурата на разпределените системи.

По-подробно за проблемите

Автоматизацията и разпределените системи не могат да работят последователно поради разликите във времето, които се появяват заради допълнителната секунда. Ситуацията се утежнява от липсата на стандарти в „услугата за високосни секунди“, бавния диалог между общността на ИТ специалистите и метролозите. Освен това липсва единен подход за предоставяне на услуги, използващи глобалните навигационни сателитни системи като GPS, Galileo, GLONASS, DORIS и BeiDou, както и регионалните системи като IRNSS.

Несъответствията водят до сривове в софтуера за интернет на нещата и за устройства, базирани на Windows, Linux и Unix. Фърмуерът на всеки сензор е базиран на една от тези системи. Внезапните промени във времето предизвикват грешки в хронологията на събитията на ниско ниво, която определя управлението на многозадачните и други процеси в системата.

Несъответстващата хронология може да доведе до „паника на ядрото“ (kernel panic) – компютърна грешка, от която системата не може да се възстанови бързо:

При такива сценарии една допълнителна секунда в UTC може да доведе до ефекта на доминото: прекъсване на телекомуникациите, на електропреносната мрежа, прекъсване на железопътния транспорт и всичко друго, което можете да си представите. Вероятно в бъдеще допълнителната секунда от UTC за първи път ще бъде отрицателна. Трудно е да се каже как ще реагират системите на това.

Новата парадигма за синхронизация на времето

Съществуват два варианта за обработка на събитията, свързани с въвеждането на допълнителна секунда: прескачане на времето или размазване на прескачането. В повечето случаи се предпочита вторият вариант – методът на разпръскване през интервал от няколко часа.

Въведената допълнителна секунда се обозначава като 23:59:60, време, което не се предоставя в повечето съвременни цифрови системи. Това противоречие доведе до широкото използване на специални методи, които все по-често се използват като алтернатива на допълнителната секунда. Така например Google размазва допълнителната секунда за предходните 24 часа, Facebook – за следващите 18 часа, Microsoft – за предходните две секунди, а Alibaba – за 24-часов интервал, в средата на който попада допълнителната секунда.

От 1972 г. насам UTC е актуализиран 27 пъти. Последната дата е 31 декември 2016 г. Днес разликата между UTC и TAI е 37 секунди.

Високосната секунда може да е била съвсем приемливо решение през 1972 година, когато то е удовлетворявало както научната общност, така и сферата на телекомуникациите, но днес UTC пречи по еднакъв начин и на цифровите приложения, и на учените, които вместо него вече използват TAI или UT1.

Последиците и рисковете от корекциите доведоха до все повече призиви за реформа на UTC и премахване на допълнителните секунди. Темата за бъдещето на координираното универсално време беше поставена на обсъждане от Международния съюз по далекосъобщения (ITU) още през 1999 г. По това време Китай предложи да проучи по-добре въпроса и да вземе решение.

По-късно държавите и организациите продължиха да обсъждат въпроса за допълнителната секунда на Световната конференция по радиосъобщения през 2015 г., на която беше взето решение да не се правят никакви промени в UTC до 2023 г. Днес реформата придоби спешен характер.

Разбира се, потребителите трябва да имат време да преценят и да направят необходимите актуализации на своите системи и софтуер, преди високосната минута да влезе в сила. В същото време връзката между UTC и UT1 трябва да бъде запазена по някакъв начин. Някои области и отрасли, като астрономията, геодезията, космическите изследвания, все още използват UT1. Ето защо не е възможно да си затворим очите за това.

Универсалната еталонна скала на времето

Въпросът за въвеждането на еталонна времева скала е повдиган многократно. Основната цел е UTC да стане непрекъсната, а не стъпаловидна атомна скала на времето, както е сега.

На 27-ата среща на Генералната конференция по мерки и теглилки през ноември 2022 г. беше решено да се запази съществуващото изравняване на UTC с въртенето на Земята. Това означава, че ще трябва да се използва по-широк диапазон от допустими отклонения от 0,9 секунди. Съответно да се въведат по-големи корекции. Но тази втора мярка ще бъде по-рядка, така че UTC да може да се използва през следващите 100 години.

Днес BIPM, ITU-R и други организации разработват нова процедура, която ще влезе в сила през 2035 г. В нея се призовава за определяне на ново приемливо отклонение UT1-UTC, така че UTC да продължи да работи в настоящите и бъдещите приложения за измерване на времето.

За да се адаптират към промяната на UTC, редица потребители, включително астрономическите, морските навигационните, мобилните и въздушните служби, се нуждаят от допълнително време, за да актуализират своите системи.