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Développés pour Big Science en Europe, des protocoles temporels très précis garantissent des transactions équitables dans le | financier Computer Weekly

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Il y a plus de dix ans, des chercheurs européens ont inventé des protocoles de distribution du temps réseau très précis pour le CERN. Ils sont maintenant adoptés par des industries, y compris les services financiers.

« Regardez mes doigts », dit John Fischer, vJece-président de la recherche avancée à Orolia, tenant ses mains à environ 30 centimètres l’une de l’autre. « C’est une nanoseconde. C’est la distance parcourue par la lumière en un milliardième de seconde. Cela vous donne une idée de ce que cela signifie de dire que j’ai besoin d’une distribution temporelle réseau très précise – précise à l’intérieur en une nanoseconde.

La précision dans le contexte de la distribution temporelle fait référence à la mesure dans laquelle les horloges des ordinateurs connectés et des capteurs correspondent à l’heure. Certains des grands projets scientifiques ont maintenant besoin d’une précision encore plus élevée – les picosecondes, qui sont des trillionièmes de seconde. Pensez au Grand collisionneur de hadrons au CERN en Suisse, l’un des projets Big Science les plus célèbres au monde.

Certaines des particules mesurées au Grand collisionneur de hadrons existent pendant environ une nanoseconde, et elles doivent être mesurées par plusieurs capteurs au cours de leur très courte durée de vie. Pour créer les particules, les événements doivent être déclenchés avec une synchronisation très précise sur les différents appareils. Ensuite, pour étudier ces particules, les mesures de différents capteurs doivent être corrélées le long d’une chronologie très précise.

Le CERN est l’endroit où le boson de Higgs a été découvert en 2012, et le CERN est l’endroit où le World Wide Web a commencé dans les années 1980, avec l’invention de HTTP et HTML, développés à l’origine pour aider les physiciens à partager des articles scientifiques. Une percée moins connue s’est produite vers 2010. Parce que le CERN avait besoin de protocoles de synchronisation réseau très précis, ils ont inspiré l’innovation qui peut maintenant être utilisée dans d’autres projets scientifiques, dans des applications militaires et spatiales, et dans la finance.

« Nous considérons le temps comme un simple instant », explique Fischer. « Mais avec le traitement distribué, nous devons penser à synchroniser le temps à distance, afin que tous les nœuds soient d’accord sur l’heure qu’il est. Tout ce concept de mesure avec une distribution temporelle très précise a commencé avec le Grand collisionneur de hadrons au CERN.

Une partie de cette technologie développée pour le CERN est devenue un standard ouvert. Cette norme ouverte, qui fournissait une précision de quelques nanosecondes, a été appelée Lapin blanc. Startup espagnole Sept solutions a travaillé grâce à une subvention du gouvernement espagnol pour concevoir l’interrupteur White Rabbit pour le CERN. Les développeurs de Seven Solutions ont ensuite apporté des améliorations propriétaires au protocole White Rabbit et ont apporté la nouvelle technologie à l’industrie. Seven Solutions a récemment été rachetée par Orolia, une société basée aux États-Unis qui commercialise des solutions de positionnement, de navigation et de chronométrage – ou solutions PNT, comme on les appelle dans le secteur.

Centres de données et trading financier

À Orolia, Fischer s’applique principalement au gouvernement, à l’armée et à l’aérospatiale, mais aussi à l’industrie en général. Deux exemples de cas où des protocoles de temps réseau très précis sont maintenant nécessaires dans l’industrie sont les centres de données et le trading financier.

L’émergence des centres de données a entraîné certaines des exigences en matière de distribution du temps réseau très précise. Il y a environ 10 ans, tout le monde a commencé à déplacer des applications et des données vers le cloud. Les énormes centres de données se composent de milliers d’ordinateurs qui doivent être synchronisés. La puissance de traitement a augmenté de façon exponentielle depuis les années 1960, de sorte que beaucoup plus peut se produire dans un ordinateur en une nanoseconde.

Les superordinateurs fonctionnent régulièrement en pétaflops, ce qui représente un million d’opérations en virgule flottante par nanoseconde. Même un serveur moyen dans un datacenter moyen effectue des milliers d’opérations par nanoseconde. Lorsque les ordinateurs exécutent des algorithmes distribués, ils doivent fonctionner en parallèle, ce qui nécessite un degré élevé de synchronisation.

Les systèmes de négociation financière exigent un degré élevé de synchronisation pour garantir l’équité. Étant donné qu’une seule transaction peut modifier le prix d’une action, ce qui affecte ensuite les transactions suivantes, il est essentiel de s’assurer du timing. Il en va de même pour le commerce interbancaire et les échanges de devises.

Atteindre une précision de l’ordre de la nanoseconde

« Au début d’Internet, les ingénieurs ont mis au point le protocole de temps réseau.[[NTP], qui était précis à une milliseconde, ce qui est un millième de seconde », explique Fischer. « C’est ce que nos PC utilisaient pour mettre à jour leurs horloges sur un réseau fixe. Nous nous sommes améliorés depuis.

« Doing La répartition du temps sur un réseau est devenue vraiment attrayante vers l’an 2000 », explique Fischer. « Les ingénieurs ont mis au point un nouveau protocole de chronométrage. C’était IEEE 1588, ou ce que nous appelons le protocole de temps de précision – PTP. L’idée est que vous envoyez ces paquets dans les deux sens sur un réseau Ethernet et que vous mesurez le délai. Avec cela, vous pourriez atteindre une précision de niveau microseconde, donc un millionième de seconde.

Mais même cela ne suffisait pas. Il y a environ 15 ans, les scientifiques avaient besoin de protocoles de distribution temporelle plus précis. Une façon d’obtenir un temps plus précis est d’exécuter des câbles coaxiaux pour connecter tous les nœuds. Mais ce n’est pas pratique dans des endroits comme le CERN, où les réseaux s’étendent sur des kilomètres et où des milliers de nœuds doivent être connectés.

Au cours de cette période, un nouveau concept est né de la communauté des télécommunications appelé Ethernet synchrone. Il transportait non seulement des informations temporelles, mais aussi la fréquence, ce qui le rendait plus précis. Ensuite, les chercheurs du CERN, y compris les gens de Seven Solution, ont perfectionné cette idée, avec des boucles arrière pour faire de l’étalonnage automatique. Ils ont pu atteindre une précision de l’ordre de la nanoseconde pour le Super collisionneur du CERN.

White Rabbit était basé sur Ethernet synchrone – et les réglages propriétaires de Seven Solutions ont amélioré White Rabbit.

Atteindre une précision inférieure à la nanoseconde

Fischer leva à nouveau les mains, les plaçant cette fois à environ trois centimètres l’une de l’autre. « Voilà à quoi ressemble 100 picosecondes. C’est la distance parcourue par la lumière en 100 picosecondes. »

Il n’a pas fallu longtemps pour que le CERN découvre qu’il ne pouvait pas faire certaines expériences si les ordinateurs et les capteurs n’étaient pas synchronisés à un niveau inférieur à la nanoseconde. Les ingénieurs travaillant pour le CERN ont finalement atteint une précision de cent picosecondes, soit 0,1 nanoseconde.

Seven Solutions a également apporté des améliorations. Fischer dit qu’à sa connaissance, Seven Solutions, qui fait maintenant partie d’Orolia, a atteint la distribution de temps réseau la plus précise au monde.

« Il existe de nombreuses façons de répartir le temps », explique Fischer. « Lorsque vous avez de longues distances et beaucoup de choses différentes qui veulent connaître l’heure, un réseau est le moyen le plus efficace. Il n’est pas pratique de faire passer des fils sur de longues distances et de connecter tous les différents nœuds qui doivent être synchronisés.

Mais la synchronisation du temps sur un réseau présente certains défis. Si vous essayez d’envoyer des informations de temps sur un fil, le temps nécessaire pour atteindre la destination est prévisible. Si vous l’envoyez sur un réseau, les données vont dans des paquets, puis sont transmises via des commutateurs et des routeurs, ce qui provoque des retards. Si le délai est déterministe, un algorithme peut facilement compenser. Mais les réseaux sont rarement déterministes dans la mesure requise. La bande passante, le débit et la latence varient en fonction de la quantité de trafic sur le réseau à ce moment-là.

« La plupart du temps, les protocoles de distribution qui fonctionnent sur un réseau utilisent une sorte d’échange de paquets réseau », explique Javier Diaz, qui a aidé le CERN à améliorer White Rabbit dans le cadre de ses travaux de recherche pour l’Université de Grenade. Diaz a finalement rejoint Seven Solutions et en est devenu le PDG.

« Un nœud envoie un paquet à un autre, qui le renvoie ensuite », explique Diaz. « Le protocole mesure les délais d’envoi et de réception. Si tout se passe bien, vous pouvez simplement dire que la moitié du temps total d’aller-retour est le temps de propagation et vous pouvez utiliser cette valeur pour synchroniser les deux nœuds. C’est généralement l’approche utilisée dans les protocoles de distribution temporelle standard.

« Dans le passé, les gens amélioraient les protocoles standard en utilisant des solutions ad hoc, basées sur des câbles. Si vous utilisez un câble coaxial pour envoyer des signaux spéciaux entre les nœuds, vous devez calibrer en fonction de la longueur du câble. Cela prenait du temps, n’était pas évolutif et était sujet aux erreurs. La meilleure approche consistait à définir de nouvelles normes.

« Pour améliorer les normes existantes, nous devions d’abord résoudre certains problèmes », dit-il. « La première est que la voie de propagation peut ne pas être égale dans les deux sens. L’asymétrie peut être source d’erreur. Un autre problème est que deux appareils différents peuvent avoir des oscillateurs différents. En théorie, ils fonctionnent sur la même fréquence. Mais dans la pratique, il y a un petit changement de fréquence. Ce petit changement pourrait introduire un biais de nanoseconde, ce qui n’est pas un gros problème pour la plupart des applications. Mais cela ne vous permettra pas d’atteindre une précision inférieure à la nanoseconde.

« Une fois que nous avons résolu le problème de l’asymétrie et le problème d’avoir des fréquences légèrement différentes, nous devions mesurer le temps de propagation avec une grande précision », explique Diaz. « Pour cela, nous avons fourni un horodatage très précis dans le paquet. Auparavant, vous pouviez en obtenir six à eight nanosecondes de précision, mais ce n’est pas suffisant. Dans les protocoles standard, il y a un certain traitement au-dessus des cartes réseau, ce qui a introduit un délai de traitement et une inexactitude supplémentaire. Un autre problème était que les couches physiques standard offraient le meilleur effort, de sorte que le délai de propagation n’était pas toujours le même.

« Vous devez placer l’horodatage aussi près que possible de la carte réseau, afin qu’il n’y ait pas de délai de traitement – et vous devez modifier la couche physique pour qu’elle soit déterministe », conclut-il.

Comment les protocoles de distribution du temps réseau sont utilisés aujourd’hui

La sophistication croissante de la recherche scientifique s’accompagne d’un besoin croissant de synchronisation très précise entre les ordinateurs et les capteurs d’un réseau. Les accélérateurs de particules doivent pousser les particules à une vitesse proche de celle de la lumière. Ensuite, ils doivent effectuer des mesures à partir de capteurs distribués.

Pour amener les particules à une vitesse aussi élevée, différents dispositifs doivent être déclenchés pour effectuer des actions sur les particules avec un timing très précis. Pour mesurer les particules, les capteurs distribués doivent horodater leurs mesures à l’aide d’horloges hautement synchronisées.

Les astronomes ont également besoin d’un timing très précis. Les télescopes les plus puissants du monde utilisent une antenne distribuée. Une centaine d’antennes paraboliques peuvent être réparties sur un kilomètre. Ils doivent être déplacés avec un timing très précis pour pointer vers les signaux radio des galaxies lointaines. Ensuite, les mesures des plats doivent être corrélées, encore une fois avec une très grande précision.

La science est importante et continuera de stimuler l’innovation. Mais en fin de compte, la plus grande utilisation de cette innovation pourrait finir par être la finance. Qui obtient quelle information quand – et l’ordre dans lequel les transactions sont placées – fait toute la différence dans le monde.

Les applications de trading sont souvent alimentées par des superordinateurs, de sorte que les choses se passent très rapidement dans la finance de nos jours. Ils ont plus que jamais besoin de synchronisation, ce qui fait des services financiers un grand marché pour les derniers protocoles de synchronisation.

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