クロックドリフト

クロック ドリフトとは、クロックが基準クロックとまったく同じ速度で動作しない、いくつかの関連する現象を指します。つまり、しばらくするとクロックが「ずれて」、他のクロックから徐々に同期がずれます。すべてのクロックはドリフトの影響を受け、再同期しない限り、最終的には乖離が生じます。特に、コンピューターで使用される水晶ベースのクロックのドリフトは、高速通信に何らかの同期メカニズムを必要とします。コンピューターのクロック ドリフトは、乱数ジェネレーターの構築に利用できます。ただし、これらはタイミング攻撃によって悪用される可能性があります。

腕時計などの日常的に使用する時計の精度には限りがあります。精度を保つには、最終的には修正が必要になります。ドリフト率は時計の品質によって異なり、電源の安定性、周囲温度、その他の微妙な環境変数によっても左右されます。そのため、同じ時計でも状況によってドリフト率が異なる場合があります。

より高度な時計や古い機械式時計には、時計の速度を調整して時計のドリフトを修正できる、何らかの速度トリマーが付いていることがよくあります。たとえば、振り子時計では、振り子の長さをわずかに変えることで時計のドリフトを操作できます。

クォーツ発振器は、機械式時計の振り子よりも製造上のばらつきによるドリフトの影響を受けにくいです。そのため、日常的に使用されるクォーツ時計のほとんどには、調整可能なドリフト補正機能がありません。

原子時計は非常に正確で、時計のドリフトはほとんどありません。地球の自転速度でさえ、潮汐加速やその他の影響により、原子時計よりもドリフトとドリフトの変動が大きくなります。原子時計の原理により、科学者はSI単位の 秒を正確に再定義することができました。セシウム133原子の9,192,631,770回の振動。これらの振動の精度により、原子時計は1億年に約1秒しかずれません。2015年現在、最も正確な原子時計は150億年に1秒遅れています。^{[1] [2]}国際原子時（TAI）標準時間とその派生時間（協定世界時（UTC）など）は、世界中の原子時計の加重平均に基づいています。

アインシュタインが予測したように、相対論的効果によって時間の遅れによる時計のドリフトも発生する可能性があります。これは、固定された世界時が存在せず、時間は観測者に対して相対的であるためです。特殊相対性理論は、異なる慣性系（つまり、互いに対して動いているが、加速も減速もしていない）の観測者が持つ 2 つの時計が、どちらの観測者にとっても異なる速度で進むように見えることを説明します。

これに加えて、一般相対性理論は重力による時間の遅れを生じます。簡単に言うと、より強い重力場（例えば惑星に近い場所）にある時計は、よりゆっくりと進むように見えます。これらの時計を持っている人（つまり、より強い重力場の内側と外側にいる人）は、どちらの時計が速く進んでいるように見えるかについて全員が同意するでしょう。

影響を受けるのは時計の機能ではなく、時間そのものである。両方の効果は実験的に観察されている。^[要出典]

時間の遅れは実用上重要です。たとえば、GPS 衛星の時計は重力の減少によりこの影響を受けます (そのため、時計は地球上の時計よりも速く動いているように見えます)。そのため、ユーザーに位置情報を報告する際には、相対論的に補正された計算を組み込む必要があります。一般相対性を考慮しなければ、GPS 衛星に基づくナビゲーションの修正はわずか 2 分後には誤りとなり、地球上の位置の誤差は毎日約 10 キロメートルの割合で蓄積され続けます。^[3]

コンピュータプログラムは、特に暗号化の場合には、高品質の乱数を必要とすることが多い。^[4]クロックドリフトを利用して乱数ジェネレーター（RNG）を構築する同様の方法がいくつかあります。

ハードウェア乱数ジェネレータを構築する 1 つの方法は、独立した 2 つのクロック クリスタルを使用することです。1つは、たとえば 1 秒間に 100 回刻み、もう 1 つは 1 秒間に 100 万回刻みます。平均すると、より高速なクリスタルは、より低速なクリスタルが刻むたびに 10,000 回刻みます。ただし、クロック クリスタルは正確ではないため、刻む回数は異なります。この変化を利用してランダム ビットを作成できます。たとえば、高速の刻みの回数が偶数の場合は 0 が選択され、刻みの回数が奇数の場合は 1 が選択されます。したがって、このような 100/1000000 RNG 回路は、1 秒間に 100 ビットのややランダムなビットを生成できます。通常、このようなシステムは偏りがあり (たとえば、1 よりも 0 が多く生成される)、そのため、ややランダムな数百ビットが「ホワイトニング」されて、偏りのないビットがいくつか生成されます。

同様の方法で、一種の「ソフトウェア乱数ジェネレータ」を作成することもできます。これには、オペレーティング システムのタイマー ティック (通常、1 秒あたり 100 ～ 1000 回のティック) とCPUの速度を比較することが含まれます。OS タイマーと CPU が 2 つの独立したクロック クリスタルで動作している場合、状況は理想的であり、前の例とほぼ同じです。ただし、両方が同じクロック クリスタルを使用している場合でも、クロック ドリフト測定を行うプロセス/プログラムは、割り込みや同時に実行される他のプロセスやプログラムなど、CPU 内の多かれ少なかれ予測できない多くのイベントによって「妨害」されます。したがって、測定では依然としてかなり良好な乱数が生成されます。

上記のようなハードウェア乱数ジェネレーターのほとんどは、かなり低速です。そのため、ほとんどのプログラムでは、これらのジェネレーターを使用して適切なシードを作成し、それを疑似乱数ジェネレーターまたは暗号的に安全な疑似乱数ジェネレーターに渡して、多数の乱数を高速に生成します。

2006年に、CPUの発熱に基づくクロックスキューを悪用したサイドチャネル攻撃が公開されました^{[5] 。攻撃者は}匿名サーバー（Tor隠しサービス）でCPUに大きな負荷をかけ、CPUの発熱を引き起こします。CPUの発熱はクロックスキューと相関関係があり、タイムスタンプを観察することで検出できます（サーバーの実際のIDで）。

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