클럭 드리프트
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1. 개요
클럭 드리프트는 시계의 시간 측정 정확도가 시간에 따라 변하는 현상을 의미하며, 일반 시계, 원자 시계, 그리고 상대론적 효과에 의해 발생하는 경우로 구분된다. 일반 시계는 품질, 환경 변화에 따라 드리프트율이 달라지며, 원자 시계는 매우 정밀하여 드리프트가 거의 없지만 상대론적 효과는 시간 지연을 발생시켜 시계 드리프트를 유발한다. 클럭 드리프트는 GPS 위성의 시간 보정에 영향을 미치며, 컴퓨터 난수 생성 및 타이밍 공격에도 활용될 수 있다. 특히, CPU 발열을 이용한 부채널 공격에 클럭 드리프트가 사용될 수 있다.
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2. 일반 시계의 클럭 드리프트
손목시계와 같은 일반적인 시계 역시 클럭 드리프트 현상에서 자유롭지 않다. 시계는 제작 시 정해진 정밀도를 가지지만, 시간이 지남에 따라 다양한 요인에 의해 오차가 발생하여 정확성을 유지하기 위해 주기적인 보정이 필요하게 된다. 이러한 오차 누적 현상이 바로 클럭 드리프트이며, 시계의 종류나 환경에 따라 그 정도가 달라진다.
2. 1. 원인
손목시계와 같은 일반적인 시계는 정밀도에 한계가 있어 시간이 지남에 따라 정확성을 유지하기 위해 보정이 필요하다. 클럭 드리프트가 발생하는 정도, 즉 드리프트율은 시계 자체의 품질, 전원을 공급하는 장치의 안정성, 주변 온도, 그리고 그 외 미묘한 환경적 요인들에 따라 달라진다. 이 때문에 같은 시계라 할지라도 놓인 환경이나 상황에 따라 다른 드리프트율을 보일 수 있다.더욱 정교하게 만들어진 시계나 오래된 기계식 시계 중 일부는 시계의 작동 속도를 조절하여 드리프트를 수정할 수 있는 장치를 갖추고 있기도 하다. 예를 들어, 추시계의 경우 진자의 길이를 미세하게 조정함으로써 시계 드리프트를 조절할 수 있다.
반면, 수정 발진기를 사용하는 시계는 기계식 시계의 진자에 비해 제조 과정에서 발생하는 편차로 인한 드리프트의 영향을 덜 받는다. 이러한 이유로 대부분의 일반적인 수정 시계에는 사용자가 직접 조절할 수 있는 드리프트 보정 기능이 포함되어 있지 않다.
3. 원자 시계의 클럭 드리프트
원자 시계는 현존하는 시계 중 가장 정밀하여 클럭 드리프트가 극히 미미하다.
3. 1. 특징
원자 시계는 매우 정밀하며 시계 드리프트가 거의 없다. 조석 가속 및 기타 효과로 인해 지구 자전 속도조차 원자 시계보다 드리프트 및 드리프트 변동이 더 크다. 원자 시계의 원리는 과학자들이 SI 단위 초를 세슘-133 원자의 정확히 9,192,631,770번 진동으로 재정의할 수 있게 했다. 이러한 진동의 정밀성으로 인해 원자 시계는 약 1억 년에 1초 정도의 드리프트만 발생한다. 2015년 기준으로 가장 정확한 원자 시계는 150억 년에 1초를 잃는다.[1][2] 국제 원자시 (TAI) 시간 표준 및 그 파생물(예: 협정 세계시 (UTC))은 전 세계 원자 시계의 가중 평균을 기반으로 한다.4. 상대론적 클럭 드리프트
아인슈타인이 예측한 바와 같이, 상대론적 효과는 시간 지연으로 인해 시계 드리프트를 일으킬 수 있다. 이는 고정된 보편적인 시간이 존재하지 않으며, 시간은 관찰자에 따라 상대적이기 때문이다. 상대론적 클럭 드리프트는 주로 두 가지 원인, 즉 특수 상대성 이론에 따른 속도 차이와 일반 상대성 이론에 따른 중력 시간 지연에 의해 발생한다.
이러한 시간 지연 효과는 시계 자체의 문제가 아니라 시간의 본질적인 특성이며, 실험적으로도 검증되었다. 상대론적 시간 지연은 GPS 위성과 같이 정밀한 시간 측정이 요구되는 시스템에서 중요한 고려 사항이며, 정확한 작동을 위해 이러한 효과를 반드시 보정해야 한다.[3]
4. 1. 특수 상대성 이론
알베르트 아인슈타인이 예측했듯이, 상대성 이론 효과는 시간 지연으로 인해 클럭 드리프트를 유발할 수 있다. 이는 고정된 보편적 시간이 존재하지 않으며, 시간은 관찰자에 따라 상대적이기 때문이다. 특수 상대성 이론은 서로 다른 관성 좌표계(서로에 대해 일정 속도로 움직이는, 즉 가속하거나 감속하지 않는 기준틀)에 있는 관찰자들이 가진 두 시계가 각 관찰자에게 서로 다른 속도로 움직이는 것처럼 보이는 현상을 설명한다.또한, 일반 상대성 이론은 중력 시간 지연이라는 효과를 설명한다. 간단히 말해, 더 강한 중력장(예: 행성에 더 가까운 곳)에 있는 시계는 더 약한 중력장에 있는 시계보다 느리게 가는 것처럼 보인다. 이 경우, 관찰자들은 어떤 시계가 더 빠르게 가는지에 대해 동일하게 인식한다.
이러한 시간 지연 효과는 시계 자체의 문제가 아니라 시간 자체에 영향을 미치는 현상이며, 두 효과 모두 실험적으로 관찰되었다.
시간 지연은 실생활에서도 중요한 의미를 가진다. 예를 들어, GPS 위성의 시계는 겪는 중력 감소로 인해 이러한 효과를 경험하며 (시계가 지구상의 시계보다 더 빠르게 작동하는 것처럼 보이게 함) 따라서 사용자에게 위치를 보고할 때 상대론적으로 수정된 계산을 통합해야 한다. 일반 상대성 이론을 고려하지 않으면 GPS 위성을 기반으로 한 항법 수정은 단 2분 후에 잘못되고, 전 세계 위치의 오류는 매일 약 10km의 속도로 계속 축적될 것이다.[3]
4. 2. 일반 상대성 이론
알베르트 아인슈타인이 예측한 바와 같이, 상대론적 효과는 시간 지연으로 인해 시계 드리프트를 일으킬 수도 있다. 이는 고정된 보편적인 시간이 없으며 시간은 관찰자에 상대적이기 때문이다. 특수 상대성 이론은 서로 다른 관성 좌표계에 있는 관찰자가 보유한 두 시계가 각 관찰자에게 서로 다른 속도로 움직이는 것처럼 보이는 방식을 설명한다.이 외에도, 일반 상대성 이론은 중력 시간 지연을 설명한다. 간단히 말해서, 더 강한 중력장(예: 행성에 더 가까움)의 시계는 더 느리게 움직이는 것처럼 보인다. 이러한 시계를 가진 사람들(즉, 더 강한 장 안팎에 있는 사람들)은 어떤 시계가 더 빠르게 가는 것처럼 보이는지에 대해 모두 동의할 것이다.
영향을 받는 것은 시계의 기능이 아닌 시간 자체이다. 두 효과 모두 실험적으로 관찰되었다.
시간 지연은 실용적인 중요성을 갖는다. 예를 들어, GPS 위성의 시계는 겪는 중력 감소로 인해 이러한 효과를 경험하며(시계가 지구상의 시계보다 더 빠르게 작동하는 것처럼 보이게 함) 따라서 사용자에게 위치를 보고할 때 상대론적으로 수정된 계산을 통합해야 한다. 일반 상대성 이론을 고려하지 않으면 GPS 위성을 기반으로 한 항법 수정은 단 2분 후에 잘못되고, 전 세계 위치의 오류는 매일 약 10km의 속도로 계속 축적될 것이다.[3]
4. 3. GPS 시스템에의 영향
아인슈타인이 예측한 것처럼, 상대론적 효과는 시간 지연으로 인해 시계 드리프트를 일으킬 수 있다. 특수 상대성 이론은 서로 다른 관성 좌표계에 있는 관찰자의 시계가 서로 다른 속도로 움직이는 것처럼 보이는 현상을 설명하고, 일반 상대성 이론은 중력 시간 지연, 즉 중력이 강한 곳의 시계가 더 느리게 가는 현상을 설명한다.이러한 시간 지연 효과는 실용적으로 중요한데, 특히 GPS 위성의 시계에 영향을 미친다. GPS 위성은 지구 표면보다 중력이 약한 곳에 위치하므로, 일반 상대성 이론에 따라 위성의 시계는 지구상의 시계보다 더 빠르게 작동하는 것처럼 보인다. 또한 특수 상대성 이론에 따른 효과도 고려해야 한다.
따라서 GPS 시스템은 사용자에게 정확한 위치 정보를 제공하기 위해 이러한 상대론적 효과를 고려하여 시계를 보정하는 계산을 수행해야 한다. 만약 일반 상대성 이론을 고려하지 않고 계산한다면, GPS 위성을 이용한 항법 정보는 단 2분 만에 부정확해지며, 전 세계 위치 오차는 매일 약 10km씩 누적될 것이다.[3]
5. 클럭 드리프트를 이용한 난수 생성
컴퓨터 프로그램은 특히 암호학 분야에서 고품질 난수가 필요한 경우가 많다.[4] 클럭 드리프트 현상은 이러한 고품질 난수를 생성하는 난수 생성기(RNG)를 만드는 데 활용될 수 있으며, 여기에는 몇 가지 유사한 방법이 존재한다.
주요 방법으로는 서로 다른 클럭 소스를 이용하는 하드웨어 기반 방식과, 운영체제의 타이머와 CPU 속도를 비교하는 소프트웨어 기반 방식 등이 있다. 이러한 방식들은 클럭 간의 미세한 시간 차이(드리프트)에서 발생하는 예측 불가능성을 이용하여 난수를 생성한다. 자세한 구현 방식과 특징은 하위 문단에서 설명한다.
5. 1. 하드웨어 난수 생성기
컴퓨터 프로그램은 특히 암호학 분야에서 고품질 난수가 필요한 경우가 많다.[4] 클럭 드리프트 현상을 이용하여 난수 생성기(RNG)를 구축하는 몇 가지 유사한 방법이 존재한다.하드웨어 난수 생성기를 만드는 한 가지 방법은 서로 독립적으로 작동하는 두 개의 수정 발진기를 이용하는 것이다. 예를 들어, 하나는 초당 100번 진동하고 다른 하나는 초당 100만 번 진동하는 수정 발진기를 사용할 수 있다. 평균적으로 빠른 발진기는 느린 발진기가 한 번 진동할 때마다 10,000번 진동하게 된다. 하지만 수정 발진기는 완벽하게 정확하지 않으므로, 실제 진동 횟수는 예측과 달라지게 된다. 이 예측 불가능한 변동성을 이용하여 임의의 비트(0 또는 1)를 생성할 수 있다. 예를 들어, 빠른 발진기의 진동 횟수가 짝수이면 0을, 홀수이면 1을 생성하는 방식이다. 이러한 100Hz/1MHz 기반의 난수 생성 회로는 초당 약 100개의 임의 비트를 생성할 수 있다.
일반적으로 이렇게 생성된 난수는 특정 값(예: 0)이 더 자주 나오는 편향성을 가질 수 있다. 따라서 수백 개의 다소 임의적인 비트를 모아 백색화(whitening) 과정을 거쳐 편향되지 않은 소수의 난수를 얻는다.
이와 유사한 원리로 "소프트웨어 난수 생성기"를 구현할 수도 있다. 이는 운영 체제의 타이머 틱(보통 초당 100~1000번 발생)과 CPU의 속도를 비교하는 방식이다. 만약 OS 타이머와 CPU가 각각 별개의 독립적인 수정 발진기에 의해 제어된다면, 앞서 설명한 하드웨어 방식과 거의 동일한 원리로 작동하여 이상적이다. 그러나 설령 두 요소가 동일한 수정 발진기를 사용하더라도, 클럭 드리프트를 측정하는 프로세스나 프로그램 자체가 인터럽트 발생, 다른 프로그램의 동시 실행 등 CPU 내부의 예측 불가능한 여러 이벤트에 의해 영향을 받는다. 결과적으로 이러한 측정 과정 역시 상당히 양질의 난수를 생성할 수 있다.
위에 설명된 방식과 같은 대부분의 하드웨어 난수 생성기는 생성 속도가 상당히 느리다는 단점이 있다. 따라서 많은 프로그램에서는 이러한 하드웨어 난수 생성기를 직접 사용하기보다는, 이를 통해 생성된 소수의 고품질 난수를 의사 난수 생성기(PRNG)나 암호학적으로 안전한 의사 난수 생성기(CSPRNG)의 초깃값(seed)으로 사용하여, 빠르고 대량의 난수를 생성하는 데 활용한다.
5. 2. 소프트웨어 난수 생성기
컴퓨터 프로그램, 특히 암호학 분야에서는 고품질의 난수가 필요한 경우가 많다.[4] 클럭 드리프트를 활용하여 난수 생성기(RNG)를 만드는 방법 중 하나로 소프트웨어 기반 방식이 있다.이는 운영 체제의 타이머 틱(보통 초당 100~1000번)과 CPU의 속도를 비교하는 원리를 이용한다. 만약 운영 체제 타이머와 CPU가 서로 다른 독립적인 수정 발진기를 사용한다면, 이는 두 개의 독립 클럭을 사용하는 하드웨어 난수 생성기와 유사한 방식으로 작동한다.
하지만 두 요소가 동일한 클럭 수정 발진기를 사용하더라도, 클럭 드리프트를 측정하는 프로세스는 인터럽트나 동시에 실행되는 다른 프로그램과 같은 예측 불가능한 여러 CPU 이벤트의 영향을 받는다. 이러한 예측 불가능성 덕분에 측정 과정에서 여전히 충분히 좋은 품질의 난수를 얻을 수 있다.
다만, 이렇게 클럭 드리프트를 이용하는 방식(하드웨어 방식 포함)은 난수 생성 속도가 상당히 느리다는 단점이 있다. 따라서 대부분의 프로그램에서는 이 방식으로 생성된 난수를 직접 사용하기보다는, 이를 의사 난수 생성기(PRNG)나 암호학적으로 안전한 의사 난수 생성기(CSPRNG)의 초기값, 즉 '시드(seed)'를 생성하는 데 활용한다. 이렇게 생성된 시드를 바탕으로 PRNG나 CSPRNG는 훨씬 빠르고 많은 양의 난수를 만들어낸다.
6. 클럭 드리프트를 이용한 타이밍 공격
클럭 드리프트 현상은 시스템의 타이밍 정보 유출로 이어져 부채널 공격과 같은 보안 위협에 악용될 수 있다. 2006년에는 CPU의 발열 상태에 따른 클럭 드리프트를 이용해 가명 서버(토르 숨겨진 서비스 등)의 실제 정보를 알아내려는 공격 기법이 발표되기도 했다.[5]
6. 1. 부채널 공격
2006년에는 CPU 발열에 기반한 클럭 드리프트를 악용한 부채널 공격 기법이 발표되었다.[5] 공격자는 의도적으로 CPU에 과부하를 걸어 가명 서버(예: 토르 숨겨진 서비스)에서 CPU 발열을 유도한다. CPU 발열은 클럭 드리프트 발생과 관련이 있으며, 공격자는 서버의 실제 신원을 통해 타임스탬프 변화를 관찰함으로써 클럭 드리프트를 감지하고 이를 공격에 활용할 수 있다.참조
[1]
웹사이트
The most accurate clock ever built only loses one second every 15 billion years
https://www.theverge[...]
2015-04-22
[2]
논문
Hyper-precise atomic clocks face off to redefine time
2015-06-04
[3]
웹사이트
Real-World Relativity: The GPS Navigation System
http://www.astronomy[...]
2012-06-30
[4]
서적
Serious Cryptography
No Starch Press
[5]
문서
Hot or Not: Revealing Hidden Services by their Clock Skew
http://www.cl.cam.ac[...]
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