Lebih dari satu dekade lalu, peneliti Eropa menemukan protokol distribusi waktu jaringan yang sangat akurat untuk CERN. Mereka sekarang diadopsi oleh industri termasuk jasa keuangan.
“Lihat jari-jariku,” kata John Fishervsayace-presiden Penelitian Lanjutan di Orolia, memegang tangannya dengan jarak sekitar 30 sentimeter. “Itu adalah nanodetik. Sejauh itulah perjalanan cahaya dalam sepersejuta detik. Itu memberi Anda gambaran tentang apa artinya mengatakan bahwa saya memerlukan distribusi waktu jaringan yang sangat akurat – akurat hingga dalam nanodetik.”
Akurasi dalam konteks distribusi waktu mengacu pada sejauh mana jam pada komputer dan sensor yang terhubung setuju dengan jam berapa sekarang. Beberapa proyek Big Science sekarang bahkan membutuhkan akurasi yang lebih tinggi – picoseconds, yang sepersetriliun detik. Pikirkan tentang Penumbuk Hadron Besar di CERN di Swisssalah satu proyek Sains Besar paling terkenal di dunia.
Beberapa partikel yang diukur di Large Hadron Collider bertahan sekitar satu nanodetik, dan partikel tersebut perlu diukur oleh beberapa sensor selama masa pakainya yang sangat singkat. Untuk membuat partikel, peristiwa perlu dipicu dengan waktu yang sangat tepat di berbagai perangkat. Kemudian untuk mempelajari partikel tersebut, pengukuran dari sensor yang berbeda harus dikorelasikan sepanjang waktu yang sangat tepat.
CERN adalah tempat Higgs Boson ditemukan pada tahun 2012, dan CERN adalah tempat World Wide Web dimulai pada tahun 1980-an, dengan penemuan HTTP dan HTML, awalnya dikembangkan untuk membantu fisikawan berbagi artikel ilmiah. Terobosan yang kurang dikenal terjadi sekitar tahun 2010. Karena CERN membutuhkan protokol pengaturan waktu jaringan yang sangat akurat, mereka menginspirasi inovasi yang sekarang dapat digunakan dalam proyek ilmiah lain, dalam aplikasi militer dan luar angkasa, dan dalam keuangan.
“Kami menganggap waktu sebagai hal yang instan,” kata Fischer. “Tetapi dengan pemrosesan terdistribusi, kami harus memikirkan tentang menyinkronkan waktu dari jarak jauh, sehingga semua node menyetujui jam berapa sekarang. Seluruh konsep pengukuran dengan distribusi waktu yang sangat akurat ini dimulai dengan Large Hadron Collider di CERN.”
Bagian dari teknologi yang dikembangkan untuk CERN menjadi standar terbuka. Standar terbuka ini, yang memberikan akurasi dalam beberapa nanodetik, disebut kelinci putih. startup Spanyol Tujuh Solusi bekerja di bawah hibah dari pemerintah Spanyol untuk merancang saklar White Rabbit untuk CERN. Para pengembang di Seven Solutions melanjutkan untuk membuat peningkatan eksklusif pada protokol White Rabbit dan membawa teknologi baru ke industri. Seven Solutions baru saja dibeli oleh Oroliasebuah perusahaan berbasis di AS yang memasarkan solusi pemosisian, navigasi, dan pengaturan waktu – atau solusi PNT, sebagaimana mereka disebut dalam bisnis ini.
Pusat data dan perdagangan keuangan
Di Orolia, Fischer menerapkan PNT terutama untuk pemerintah, militer dan kedirgantaraan, tetapi juga untuk industri pada umumnya. Dua contoh di mana protokol waktu jaringan yang sangat akurat sekarang dibutuhkan di industri adalah pusat data dan perdagangan keuangan.
Munculnya pusat data telah mendorong beberapa persyaratan untuk distribusi waktu jaringan yang sangat akurat. Sekitar 10 tahun lalu, semua orang mulai memindahkan aplikasi dan data ke cloud. Pusat data besar terdiri dari ribuan komputer yang perlu disinkronkan. Kekuatan pemrosesan telah meningkat secara eksponensial sejak tahun 1960-an, jadi lebih banyak hal yang dapat terjadi di komputer dalam hitungan nanodetik.
Superkomputer secara teratur melakukan petaflops, yang merupakan satu juta operasi floating point per nanodetik. Bahkan server rata-rata di pusat data rata-rata melakukan ribuan operasi per nanodetik. Ketika komputer menjalankan algoritme terdistribusi, mereka harus bekerja dalam langkah kunci, yang membutuhkan sinkronisasi tingkat tinggi.
Sistem perdagangan keuangan membutuhkan sinkronisasi tingkat tinggi untuk memastikan keadilan. Karena satu perdagangan dapat mengubah harga saham, yang kemudian memengaruhi perdagangan berikutnya, penting untuk memastikan waktu. Hal yang sama berlaku untuk perdagangan antar bank dan pertukaran mata uang.
Mencapai akurasi nanodetik
“Pada hari-hari awal internet, para insinyur datang dengan protokol waktu jaringan [NTP], yang akurat hingga seperseribu detik, yaitu seperseribu detik,” kata Fischer. “Itulah yang digunakan PC kami untuk memperbarui jam mereka melalui jaringan fixed-line. Kami telah meningkatkannya sejak itu.
“Melakukan distribusi waktu melalui jaringan menjadi sangat menarik sekitar tahun 2000,” kata Fischer. “Insinyur datang dengan protokol waktu baru. Ini adalah IEEE 1588, atau yang kami sebut protokol waktu presisi – PTP. Idenya adalah Anda mengirim paket ini bolak-balik melalui jaringan Ethernet dan Anda mengukur waktu tunda. Dengan itu, Anda bisa turun ke tingkat presisi mikrodetik, jadi sepersejuta detik.”
Tetapi bahkan itu tidak cukup. Sekitar 15 tahun yang lalu, para ilmuwan membutuhkan protokol distribusi waktu yang lebih akurat. Salah satu cara untuk mendapatkan waktu yang lebih akurat adalah dengan menjalankan kabel koaksial untuk menghubungkan semua node. Tapi ini tidak praktis di tempat-tempat seperti CERN, di mana jaringan membentang berkilo-kilo dan ribuan node perlu dihubungkan.
Selama periode itu, sebuah konsep baru muncul dari komunitas telekomunikasi bernama Ethernet sinkron. Itu tidak hanya membawa informasi waktu, tetapi juga frekuensi, yang membuatnya lebih akurat. Kemudian para peneliti di CERN, termasuk orang-orang dari Seven Solution, menyempurnakan ide ini, dengan loop back untuk melakukan kalibrasi otomatis. Mereka mampu mencapai akurasi nanodetik untuk CERN Super Collider.
White Rabbit didasarkan pada Synchronous Ethernet – dan tweak milik Seven Solutions ditingkatkan pada White Rabbit.
Mencapai akurasi sub-nanodetik
Fischer mengangkat tangannya lagi, kali ini dengan jarak sekitar tiga sentimeter. “Seperti itulah 100 picosecond terlihat. Sejauh itulah perjalanan cahaya dalam 100 pikodetik.”
Tidak lama kemudian CERN menemukan bahwa mereka tidak dapat melakukan percobaan tertentu jika komputer dan sensor tidak disinkronkan ke dalam tingkat sub-nanodetik. Para insinyur yang bekerja untuk CERN akhirnya mencapai akurasi hingga seratus picodetik, yaitu 0,1 nanodetik.
Seven Solutions juga melakukan perbaikan. Fischer mengatakan bahwa sepengetahuannya, Seven Solutions, yang sekarang menjadi bagian dari Orolia, telah mencapai distribusi waktu jaringan paling akurat di dunia.
“Ada banyak cara untuk mendistribusikan waktu,” kata Fischer. “Ketika Anda memiliki jarak yang jauh dan banyak hal berbeda yang ingin mengetahui waktu, jaringan adalah cara yang paling efisien. Tidak praktis untuk menjalankan kabel jarak jauh dan menghubungkan semua node berbeda yang perlu disinkronkan.
Namun ada beberapa tantangan untuk menyinkronkan waktu melalui jaringan. Jika Anda mencoba mengirimkan informasi waktu melalui kabel, waktu yang dibutuhkan informasi untuk mencapai tujuan dapat diprediksi. Jika Anda mengirimkannya melalui jaringan, data masuk ke dalam paket, dan kemudian diteruskan melalui sakelar dan perute, yang menyebabkan penundaan. Jika penundaan bersifat deterministik, suatu algoritme dapat dengan mudah mengkompensasi. Tetapi jaringan jarang bersifat deterministik pada tingkat yang dibutuhkan. Bandwidth, throughput, dan latensi bervariasi berdasarkan seberapa banyak lalu lintas di jaringan pada saat itu.
“Sebagian besar waktu, protokol distribusi yang bekerja di jaringan menggunakan semacam pertukaran paket jaringan,” kata Javier Diaz, yang membantu CERN meningkatkan White Rabbit sebagai bagian dari penelitiannya untuk Universitas Granada. Diaz akhirnya bergabung dengan Seven Solutions dan kemudian menjadi CEO-nya.
“Satu node mengirim paket ke yang lain, yang kemudian mengirimkan paket itu kembali,” kata Diaz. “Protokol mengukur waktu pengiriman dan penerimaan. Jika semuanya berjalan dengan baik, Anda bisa mengatakan setengah dari total waktu bolak-balik adalah waktu propagasi dan Anda dapat menggunakan nilai tersebut untuk menyinkronkan kedua node. Ini biasanya pendekatan yang digunakan dalam protokol distribusi waktu standar.”
“Di masa lalu, orang akan meningkatkan protokol standar menggunakan solusi ad-hoc, berdasarkan kabel. Jika Anda menjalankan kabel koaksial untuk mengirim sinyal khusus di antara node, Anda perlu mengkalibrasi panjang kabel. Ini memakan waktu, tidak terukur, dan rentan terhadap kesalahan. Pendekatan yang lebih baik adalah mendefinisikan standar baru.
“Untuk meningkatkan standar yang ada, kami perlu menyelesaikan beberapa masalah terlebih dahulu,” katanya. “Pertama adalah jalur propagasi mungkin tidak sama di kedua arah. Asimetri dapat menjadi sumber kesalahan. Masalah lainnya adalah dua perangkat yang berbeda mungkin memiliki osilator yang berbeda. Secara teori, mereka beroperasi pada frekuensi yang sama. Namun dalam praktiknya, ada sedikit pergeseran frekuensi. Pergeseran kecil ini mungkin menimbulkan bias nanodetik, yang bukan masalah besar bagi sebagian besar aplikasi. Tapi itu tidak memungkinkan Anda mencapai akurasi sub-nanodetik.
“Begitu kami memecahkan masalah asimetri dan masalah memiliki frekuensi yang sedikit berbeda, kami perlu mengukur waktu propagasi dengan akurasi tinggi,” kata Diaz. “Untuk ini kami memberikan stempel waktu yang sangat akurat dalam paket. Sebelumnya, Anda bisa mendapatkan akurasi enam hingga delapan nanodetik, tetapi ini tidak cukup baik. Dalam protokol standar ada beberapa pemrosesan di atas kartu jaringan, yang menyebabkan keterlambatan pemrosesan, dan ketidakakuratan lebih lanjut. Masalah lainnya adalah lapisan fisik standar menawarkan ‘upaya terbaik’, sehingga penundaan propagasi tidak selalu sama.
“Anda perlu menempatkan stempel waktu sedekat mungkin dengan kartu jaringan, sehingga tidak ada penundaan pemrosesan – dan Anda perlu memodifikasi lapisan fisik sehingga bersifat deterministik,” simpulnya.
Seberapa akurat protokol distribusi waktu jaringan yang digunakan saat ini
Dengan semakin canggihnya penelitian ilmiah, muncul kebutuhan yang semakin besar akan pengaturan waktu yang sangat akurat di seluruh komputer dan sensor di jaringan. Akselerator partikel perlu mendorong partikel mendekati kecepatan cahaya. Kemudian mereka perlu melakukan pengukuran dari sensor yang didistribusikan.
Untuk mendapatkan partikel dengan kecepatan tinggi, perangkat yang berbeda perlu dipicu untuk melakukan tindakan pada partikel dengan waktu yang sangat tepat. Untuk mengukur partikel, sensor terdistribusi perlu mencatat waktu pengukurannya menggunakan jam bersinkronisasi tinggi.
Para astronom juga membutuhkan pengaturan waktu yang sangat akurat. Teleskop paling kuat di dunia menggunakan antena terdistribusi. Seratus piringan antena mungkin tersebar sepanjang satu kilometer. Mereka perlu dipindahkan dengan waktu yang sangat tepat untuk mengarah ke sinyal radio dari galaksi yang jauh. Kemudian pengukuran dari piringan perlu dikorelasikan, sekali lagi dengan presisi yang sangat tinggi.
Sains itu penting, dan akan terus mendorong inovasi. Namun pada akhirnya, penggunaan terbesar dari inovasi ini mungkin akan menjadi keuangan. Siapa yang mendapatkan informasi apa kapan – dan urutan perdagangan ditempatkan – membuat semua perbedaan di dunia.
Aplikasi perdagangan sering didukung oleh superkomputer, sehingga banyak hal terjadi dengan sangat cepat di bidang keuangan akhir-akhir ini. Mereka membutuhkan sinkronisasi lebih dari sebelumnya, yang membuat layanan keuangan menjadi pasar besar untuk protokol pengaturan waktu terbaru.
Indonesian
Arabic
Chinese (Simplified)
Dutch
English
French
German
Italian
Portuguese
Russian
Spanish