Protocolo NTP (Network Time Protocol) y el Sistema GPS (Global Position System)

Sistema global de navegación. Poligonación. Localización por Satélite. Triangulación. Timing. Posicionamiento. DGPS (Differential Global Positioning System)

  • Enviado por: Moncho
  • Idioma: castellano
  • País: México México
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Protocolo {NTP} y el Sistema {GPS}

PROTOCOLO NTP Y EL SISTEMA GPS


Indice

Introducción 3

El sistema GPS de Posicionamiento Global 6

Introducción histórica al Sistema GPS 7

GPS Básico 8

GPS en tres pasos básicos 11

GPS Diferencial 12

¡Por qué se necesita el DGPS? 12

¡Cómo funcional el DGPS? 15

Aplicaciones de DGPS 16

¡Como solucionar la limitación de los 100 m de resol. 18

GPS y los Servidores NTP para Internet 20

La necesidad de un servicio confiable de tiempos 21

La historia del tiempo en Internet 23

NTP entra a la escena 24

El moderno Servicio Postal 24

Haciendo tic-tac al unísono 25

Una ciencia inexacta 26

Más que solo Tiempo 26

Tiempo para las masas 27

El Crisol del Tiempo 27

GPS trabajando 28

El alcance de USNO 29

Hardware GPS para sincronizar 30

Diseño y realización de un Servicio de Sellado Digital
del Tiempo 32

Como construir un Servicio Digital de Tiempos 34

Funcionamiento del Servicio de Sellado 36

Estructura de un Sello de Tiempo 38

El Secuenciador y la Publicidad 40

Conclusiones 43

Apéndice 44

Instalación Tardis 2000 v1.0 para Windows 44

El Servidor NTP correcto para Ud. 49

Bibliografía y Web Sites consultados 51

Introducción

Actualmente el sistema GPS a cobrado una importancia enorme como un servicio de localización y posicionamiento global. Sus principales ventajas: disponibilidad mundial y muy económico, si bien requiere la compra del aparato receptor y decodificador el uso de la señal del sistema GPS no tiene ningún costo y es prácticamente omnipresente en todo el globo terrestre.

Su principal aplicación a sido la utilización como un sistema de referencia para ubicar algún punto sobre la superficie terrestre o trazar el recorrido de cualquier objeto o persona, con precisión de hasta 10 metros en el caso del sistema DGPS.

Es obvio que las aplicaciones basadas en esta características son innumerables, basta imaginar cualquier aplicación que requiera localizar un punto en la tierra o estimar movimientos entre puntos.

Pero actualmente se han encontrado aplicaciones para el GPS muy distintas al propósito original , algunas extremas, como el utilizar las desviaciones de la señal al cruzar la atmósfera para obtener datos acerca de las condiciones climatológicas, otra mas: en la navegación marítima se esta estudiando la posibilidad de evaluar las diferencias de la reflexión de la señal en la superficie del océano para conocer la dirección y fuerza del viento y altitud de las olas. Otras no tan extremas, como la utilización de la señal GPS (su contenido temporal) para sincronizar las transmisiones en Internet.

La transmisión de información por cualquier medio requiere que el receptor este “sincronizado” con el transmisor para poder decodificar la información contenida en la portadora. Prácticamente todos los sistemas de comunicación actual tienen algún medio interno para recuperar esta sincronía a partir de la señal recibida.

En la Internet, la sincronía no se usa directamente para recuperar la señal de información, si no para lograr el acceso a los medios de transmisión dentro de la red con la mayor eficiencia posible. Por ejemplo haciendo una analogía entre la Internet y la TV. La señal de televisión viaja por el aire y normalmente solo sigue una trayectoria para llegar a nuestro aparato receptor, pero en la Internet las cosas son distintas, la señal puede viajar a través de múltiples caminos para llegar del punto A al punto B cada uno tendrá un cierto tiempo de retraso para ir y venir de nuestra computadora al servidor que queremos acceder. Este retraso no siempre es el mismo ya que con cada petición o recepción de información el camino seguido rara vez será el mismo. Aquí es donde entra el protocolo NTP, un conjunto de normas para acceder en el dominio del tiempo a los recursos de la red, ¡Y que tiene que ver todo esto con el sistema GPS?. Pues bien, el protocolo NTP requiere que el tiempo en la red sea absoluto y estandarizado de lo contrario las diferencias horarias o los retrasos y adelantos en los relojes de cada computadora ocasionarían un caos en la red al llegar cada equipo y decir “mi tiempo es este y no hay ningún otro” pero cada equipo conectado a la Internet tendría un tiempo distinto y relativo a su reloj de sistema, que actualmente suma millones de equipos en linea. El protocolo NTP toma su referencia temporal de servidores conocidos como Stratum 1 que en su mayoría estaban conectados a algún servicio de información horaria mundial vía RF o a un reloj atómico local. Estos sistemas tienen inconvenientes de disponibilidad y claridad de la señal para el primer caso y de costo para el segundo. Aquí es donde el sistema GPS entra en acción, colocando un servidor Stratum 1 en algún lugar por medio del sistema GPS podemos determinar su localización exacta sobre el globo terrestre, para estimar con mucha precisión a partir del conocimiento de su localización exacta, el tiempo que dura en ir y venir cualquier señal por Internet, además, el sistema GPS provee dentro de su señal el tiempo local del satélite obtenido de un reloj atómico a bordo y que esta sincronizado con los demás satélites GPS, esto no da la gran ventaja de aprovechar una señal gratuita y omnipresente de mucha precisión con un equipo receptor de un precio muy inferior al de cualquier reloj atómico.

Nos permitimos dar una explicación sobre el sistema GPS como sistema de localización ya que si bien el fin de este trabajo no es la localización de puntos vía GPS si es necesario comprender como el GPS trabaja ya que como veremos más adelante los sistemas para NTP requieren, cuando menos al iniciar operaciones, de conocer su posición lo más exactamente posible, no se diga si es un servidor móvil.

El Sistema GPS de Posicionamiento Global

Introducción histórica al Sistema GPS

Cuando la Unión Soviética puso en órbita el primer satélite artificial de la Tierra, se observaba como un puntito brillante, que se movía lentamente entre los astros que servían de punto de referencia para los navegantes. Pronto surgió una idea, pasar de la navegación estelar a la por satélite. Un grupo de científicos soviéticos, dirigidos por el académico V. Kotélnikov, ofrecieron utilizar el método Protocolo {NTP} y el Sistema {GPS}
Doppler para determinar los parámetros de las órbitas de los satélites. 

El 3 de Marzo de 1978, la URSS puso en marcha el satélite Cosmos 1000, dando inicio al sistema de navegación cósmica nacional, "Tsikada", destinado a localizar a los barcos en cualquier lugar del océano. Actualmente hay varios satélites con esta misión.

Con este esquema de satélites, se pueden obtener datos, en el ecuador cada 72 minutos y en latitudes altas más a menudo, y en las latitudes norteñas, donde las órbitas se cruzan, ininterrumpidamente. En los barcos se instala un microprocesador, que se conecta al sistema de radionavegación tradicional

El uso de este sistema, proporcionaba, hace unos años, el ahorro del orden de unos 25000 rublos al año, por barco, en la URSS (Actualmente desaparecida).

Posteriormente se implantó en la URSS el Sistema de Satélite de Navegación Global (SSNG), para la localización exacta de barcos, automóviles y otros objetivos.

En el año 1986, la URSS y los EE.UU., declararon a la Organización Marítima Internacional, que se podían explotar estos sistemas con fines pacíficos. Este sistema se ha desarrollado desde entonces, quedando completo el año 1995. Consta de 24 satélites, de los que tres son de reserva, situados en tres planos orbitales, a 20200 km de altura, con un ángulo de 120 grados; uno respecto al otro. Las señales de navegación se emiten en una banda de 1602.2 a 1615 MHz. Además estos satélites pueden servir a una cantidad ilimitada de usuarios. Actualmente este sistema está gestionado por el Ministerio de Defensa de EE.UU.

Este es el origen del Sistema de Posicionamiento Global "GPS", en amplio desarrollo actualmente, cuyo predecesor, el SSNG, puede seguir usándose, mediante un módulo adicional.

A muchos navegantes y topógrafos acostumbrados a trabajar con los métodos tradicionales, el posicionamiento de posición con sólo pulsar un botón, les debe de parecer sorprendente. Pues bien, existe actualmente una forma más avanzada del GPS, que optimiza aún más los límites de la precisión.

Este avance se conoce como GPS diferencial "DGPS", y con él se puede medir fiablemente una posición hasta cuestión de metros, y en cualquier lugar del planeta.

GPS Básico

Este sistema se basa en 24 satélites orbitando a más de 20000 km de altura. Estos actúan como puntos de referencia a partir de los cuales "triangulan" su posición unos receptores en la Tierra. En cierto sentido es como una versión en alta tecnología de la vieja técnica de los "boy scouts" o bandas análogas, consistente en tomar  marcaciones mediante una brújula desde las cumbres de los montes cercanos para situar un punto en el mapa.

  Protocolo {NTP} y el Sistema {GPS}

Protocolo {NTP} y el Sistema {GPS}

Los satélites actúan como puntos de referencia al ser supervisadas sus órbitas con gran precisión desde estaciones terrestres. Mediante una medición del tiempo de viaje de las señales trasmitidas desde los satélites, un receptor GPS en tierra determina su distancia desde cada satélite. Con la medición de la distancia desde cuatro satélites y la aplicación de cálculo matemático, el receptor calcula, latitud, longitud, altitud, derrota y velocidad. Los buenos receptores tienen una precisión menor que 100 m, y efectúan más de una medida por segundo.
Protocolo {NTP} y el Sistema {GPS}

Los receptores pueden hacerse con antenas muy pequeñas, de hecho son de tal tamaño, que caben en la mano.

Otra ventaja es que las señales GPS (código C/A) están al alcance de todos, gratuitamente sin necesidad de pagar tasas de licencia ni uso, aunque el gobierno actual le gustaría cobrar  por ello, no es posible pues los satélites son de EE.UU y de Rusia, con lo cual no tiene ninguna opción de sacar dinero a costa de este tipo de usuarios. El código denominado P(Y) es de uso militar y restringido a usuarios autorizados.

GPS en tres pasos básicos

Paso 1

Los satélites son puntos de referencia. Sus posiciones en el espacio se conocen con toda precisión, constituyendo la base de todos los cálculos GPS.

Paso 2

El tiempo de viaje de la señal da la distancia. Mediante una serie de mensajes codificados, un receptor en tierra determina el momento en que la marca de tiempo partió del satélite, así como el momento de llegada a su antena. La diferencia es el tiempo de viaje de cada señal. La distancia es el producto del tiempo por la velocidad de la luz. En este proceso es donde hay errores.

Paso 3

Tres distancias fijan la posición. Se supone un receptor a 23000 km de un satélite. Esta medición restringe el lugar del universo en que puede encontrarse el receptor. Indica que ha de estar en algún lugar de una superficie esférica imaginaria, centrada en ese satélite y con un radio de 23000 km.

Si por ejemplo el receptor se encuentra a 26000 km de un segundo satélite, eso restringe aún más el lugar, a la intersección entre dos esferas, que es una circunferencia.

Una tercera medición, añade otra esfera, que intercepta el círculo determinado por las otras dos. La intersección ocurre en dos puntos, y así con tres mediciones, el receptor restringe su posición a sólo dos puntos en todo el universo.

Una cuarta medición seleccionaría uno de estos dos puntos, pero no es necesario, pues de los dos puntos del paso anterior, uno está a miles de km de la Tierra, por lo que no tiene sentido.

Aunque a veces es realizada esta cuarta medición, para proporcionar una forma de asegurar que el reloj del receptor está sincronizado con la hora universal.

GPS diferencial

Es una forma de hacer más preciso al GPS. El DGPS proporciona mediciones precisas hasta un par de metros en aplicaciones móviles, e incluso mejores en sistemas estacionarios. Esto implica el que sea un sistema universal de medición, capaz de posicionar cosas en una escala muy precisa.

El DGPS opera mediante la cancelación de la mayoría de los errores naturales y causados por el hombre, que se infiltran en las mediciones normales con el GPS.

Las imprecisiones provienen de diversas fuentes, como los relojes de los satélites, órbitas imperfectas y, especialmente, del viaje de la señal a través de la atmósfera terrestre. Dado que son variables es difícil predecir cuales actúan en cada momento. Lo que se necesita es una forma de corregir los errores reales conforme se producen. Aquí es donde entra el segundo receptor, se sitúa en un lugar cuya posición se conozca exactamente. Calcula su posición a través de los datos de los satélites y luego compara la respuesta con su posición conocida. La diferencia es el error de la señal GPS.

No es posible calcular el error en un momento y que valga para mediciones sucesivas, ya que los receptores de los satélites cambian continuamente. Para realizar esta tarea es necesario tener dos receptores operando simultáneamente. El de referencia permanece en su estación y supervisa continuamente los errores a fin de que el segundo receptor (el itinerante) pueda aplicar las correcciones a sus mediciones, bien sea en tiempo real o en algún momento futuro.

El concepto ya está funcionando algún tiempo y se ha utilizado ampliamente en la ciencia e industria. Hay una norma internacional para la transmisión y recepción de correcciones, denominada "Protocolo RTCM SC-104".

Por qué se necesita el DGPS ?

Si el mundo fuera como un laboratorio, el GPS sería mucho más preciso. Dado que el mundo parece una jungla, hay multitud de oportunidades para que resulte perturbado un sistema basado en la radio. A continuación se describen los errores a los que hay que enfrentarse:

Errores de los satélites

Los satélites llevan relojes atómicos muy precisos, pero no perfectos. La posición de los satélites en el espacio es también importante, estos se ubican en órbitas altas, por lo que están relativamente libres de los efectos perturbadores de la capa superior de la atmósfera terrestre, pero aún así se desvían ligeramente de las órbitas predichas.

La atmósfera

La información se transmite por señales de radio y esto constituye otra fuente de error. La física puede llevarnos a creer que las señales de radio viajan a la velocidad de la luz, que es constante, pero eso sólo es en el vacío. Las ondas de radio disminuyen su velocidad en función del medio en que se propagan. Así pues, conforme una señal GPS pasa a través de las partículas cargadas de la ionosfera y luego a través del vapor de agua de la troposfera, se retrasa un poco, lo cual implica un valor erróneo de la distancia del satélite.

Error multisenda

Cuando la señal GPS llega a la Tierra se puede reflejar en obstrucciones locales antes de llegar al receptor. La señal llega a la antena por múltiples sendas, primero la antena recibe la señal directa y algo más tarde llegan las desplazadas, produciendo ruido. Un ejemplo es en el caso de la TV cuando se ven imágenes múltiples solapadas.

Error del receptor

Los receptores tampoco son perfectos y pueden introducir sus propios errores, que surgen de sus relojes o de ruido interno.

Disponibilidad selectiva

Mucho peor que las fuentes naturales de error es el que aporta intencionadamente el Departamento de Defensa de EE.UU.. Su finalidad es asegurarse de que ninguna fuerza hostil utiliza la posición de GPS contra los EE.UU.

Se introduce ruido en los relojes de los satélites, lo cual reduce su precisión, aunque también pueden dar datos orbitales erróneos.

Los receptores militares disponen de una llave física que desencripta los errores introducidos para así eliminarlos. De esta forma se pueden llegar a precisiones de 15 m.

El DGPS obtiene mejores precisiones que las conseguidas con las codificadas para usos militares.

DGPS también proporciona una forma de verificar la fiabilidad de las mediciones momento a momento.
 

Magnitud típica de los errores (en m)

Precisión por satélite GPS

DGPS

Relojes de satélites 

1.5

0 

Errores de órbitas 

2.5

0 

Ionosfera 

5

0.4 

Troposfera 

0.5 

0.2 

Ruido receptor

0

.3 

Multisenda

0

.6 

Dep. Defensa

30

0 

 

Precisión de posición

GPS

DGPS

Horizontal 

50 

1.3 

Vertical 

78 

2 

3D

93

2.8 

¿ Cómo funciona el DGPS ?

El GPS es "autónomo", esto es, que un solo receptor puede desplazarse a cualquier sitio y realizar mediciones por sí mismo, empleando como referencia los satélites GPS. Mientras que el DGPS implica otro receptor añadido, uno que se desplaza y otro estacionario.

Previamente se han comentado las diversas fuentes de error. A su vez las distancias entre los dos receptores son muy pequeñas comparadas con las distancias a las que se encuentran los satélites, esto quiere decir que recorrerán la atmósfera con retrasos análogos, de forma que una de las estaciones puede dedicarse a medir esos errores y facilitárselo a la otra.

Se ha de ubicar el receptor de referencia en un punto cuya posición se haya determinado con exactitud, al recibir las señales GPS ataca los cálculos en sentido inverso al de un receptor. Emplea su posición para calcular el tiempo. Y así obtiene el error entre el teórico y el real.

Todos los receptores de referencia han de facilitar esta información de errores a todos los receptores itinerantes de su zona con objeto de que corrijan sus mediciones. El receptor de referencia reconoce todos los satélites visibles y calcula los errores instantáneos.

Luego codifica esta información en un formato estándar y lo transmite a los receptores itinerantes.

Algunos trabajos no requieren correcciones en tiempo real, en este caso se conoce como GPS posprocesado.

También existe el DGPS invertido, por ejemplo, en una flota de camiones que informan periódicamente de su posición a una estación base. En lugar de enviar a los camiones las correcciones diferenciales, la corrección se realiza en la estación base. Los camiones sólo conocen su posición de una manera aproximada, pero el controlador sabría la posición exacta, hasta el punto de poder ubicar el camión en el carril de la calle en que se encuentra.

Aplicaciones de DGPS

Servicio de guardacostas

El Servicio de Guardacostas de EE.UU. es el responsable de proporcionar todas las ayudas de navegación. El huracán BOB que azotó la costa este de EE.UU. en 1991 destrozó o desplazó un gran número de boyas. La situación era peligrosa, pues los barcos iban a puerto confiados en unas boyas que ya no existían o estaban cambiadas de sitio.

El Servicio de Guardacostas equipó uno de sus barcos de mantenimiento de boyas con un receptor DGPS y reposicionaron las boyas de nuevo, en tan solo unos días.
A lo largo de este año se espera esté implantado el sistema DGPS para toda la costa de EE.UU.

Aviación

Algunos experimentos realizados por la NASA y por las FAA de EE.UU. contribuyeron al aterrizaje de helicópteros y aviones de pasajeros mediante DGPS como único sistema guía, sin las radiobalizas tradicionales.

En la actualidad los sistemas de aterrizaje con poca visibilidad son tan caros que sólo están disponibles en los mayores aeropuertos. El DGPS es tan barato que lo puede instalar cualquier aeropuerto. La mejora de seguridad de vuelo es tremenda.

Como referencia se puede citar Canadá, donde el sistema  GPS ha sustituido al habitual, conocido como Omega.

Gestión de los recursos naturales

La gestión del uso y protección de los bosques es una gran tarea. Su estudio topográfico es difícil, sin embargo hay que medir constantemente parcelas de árboles, ya sea por asunto de su conservación o por ventas a empresas madereras.
El Servicio Forestal de EE.UU. ha sido uno de los pioneros del DGPS. Hacen medidas con GPS desde helicópteros.

Otras aplicaciones son: topografía de galerías de minas, de superficies de pantanos y de zonas para pesca.

Otro caso es el control de incendios en los bosques.

Exploración costera

Las empresas petrolíferas gastan enormes cantidades de dinero en la exploración del fondo de los océanos en busca de lugares idóneos para perforar. El problema, es que una vez el barco encuentra un lugar de perforación, su tripulación necesita llevar a ese punto los dispositivos de perforación, lo cual no es fácil llegar al mismo sitio, al no haber posibilidad de poner marcas de referencia, y apartarse unos metros significa muchos millones de gasto de más. Para solucionar este problema usan el GPS.

Otra utilidad es para mantener a los barcos en las rutas exactas.

También se usan para el levantamiento topográfico de los puertos.

Gestión transporte y flotas

Con este sistema el controlador de una flota  puede llevar la cuenta de cada vehículo, el resultado es una más estricta adhesión al horario y una mejor supervisión.
A las empresas de transporte, flotas de servicios y servicios de seguridad pública les gusta saber la posición de sus vehículos incluso al extremo de conocer el nombre de la calle. La solución es DGPS.

También se usa en los ferrocarriles

Protocolo {NTP} y el Sistema {GPS}

Agricultura

El GPS está abriendo una nueva era de "agricultura de precisión". Un agricultor puede analizar las condiciones del suelo en cada parcela, y compilar un mapa de las demandas de fertilizante. Este mapa se digitaliza y se registra en ordenador. La máquina que adiciona los productos químicos al terreno, va con un GPS y su posición se correlaciona con los datos previamente digitalizados,  añadiendo en cada punto la cantidad exacta de fertilizante. Se beneficia el agricultor con menos gasto y el medio ambiente evitando un exceso de productos químicos.

También se puede aplicar a la fumigación aérea.

 Transporte marítimo

En EE.UU. es obligatorio que los barcos petroleros lleven GPS por motivos de seguridad.

Otras aplicaciones costeras son: la verificación de vaciados en barcazas, hasta la determinación de las zonas de pesca legal.

También es posible su aplicación en cualquier tipo de actividad  marina.

Seguridad pública

Para los servicios de bomberos y policía el tiempo de respuesta es muy importante. Con DGPS se pueden guiar los vehículos con gran precisión. Los planos de rutas centralizadas ofrecen a los controladores un mejor conocimiento de la forma en que están desplegados sus efectivos.

Servicio de información de tiempo mundial

La señal del sistema GPS contiene también la información de tiempo proporcionado por el reloj atómico abordo del satélite y ya que todos los relojes de los satélites están sincronizados se puede usar esta información para sincronizar cualquier evento temporal a nivel mundial evitando que las diferencias horarias o los errores humanos interfieran en la ejecución de estos eventos a la hora y día indicados por la fuente.

¿Cómo solucionar la limitación de los 100 m de resolución?

Como se ha comentado previamente, el sistema GPS para usos no militares tiene una limitación puesta intencionadamente por el ministerio de defensa de EE.UU., con la finalidad, como ya en normal en ellos de incordiar y no beneficiar a nadie, la limitación a 100 m en la resolución, salvo que se use el DGPS que como se ha visto requiere más medio y por lo tanto es más costoso. Debido a las presiones de diversos sectores, el presidente de EE.UU. ha indicado que en el plazo de 10 años se eliminarán las restricciones militares, pero mientras tanto el error en demasiado grande para algunas aplicaciones, como el control de flotas de autobuses urbanos. Para resolver esta falta de resolución, en EE.UU se ha propuesto un sistema aplicable a los autobuses que consta del siguiente equipamiento en cada autobús, un odómetro o sensor  de velocidad del vehículo, y un giróscopo que nos dará el cambio en acimut del vehículo. Estos sensores ha de estar perfectamente calibrados y además ha de conocerse la posición inicial y el acimut. Como todos los sensores están sujetos a error esta no es la solución perfecta. La empresa Andrew Corp., ha creado un sistema que combina lo mejor del GPS y el sistema de posicionamiento continuo (CPS). El sensor de GPS calibra los sensores para evitar errores acumulados. El factor más importante en la generación de errores es la estabilidad del giróscopo, reducidos al mínimo con el sistema Navigator AUTOGIRO, basado en un giróscopo con fibra óptica, diseñado especialmente para sistemas de navegación. El sistema propuesto por esta empresa está aplicándose en diversas empresas de transporte urbano de EE.UU.

GPS y los Servidores NTP para Internet

La necesidad de un Servicio Confiable de Tiempos

El tiempo es un argumento irreversible que afecta globalmente a todas las actividades humanas y es componente clave para todas las relaciones causales entre procesos. Las relaciones de dependencia entre unos hechos y otros son función del orden en el que se realizan cada uno de ellos y suelen ser manifestación de las relaciones causales que los unen.

Por este motivo, cualquier versión telemática de los procesos que hoy realizamos por otros medios, habrá de disponer de un mecanismo que permita poner de manifiesto esa misma dependencia temporal. Consideremos, por ejemplo, el caso de la celebración de un examen o prueba evaluatoria. En este tipo de escenarios, todos los participantes deben tener las mismas oportunidades, por lo que se les reúne simultáneamente en un mismo lugar, se les plantean las mismas preguntas y se les otorga el mismo tiempo para confeccionar sus respuestas. Al final del periodo marcado, las respuestas de cada uno de los participantes no podrán ser ya modificadas por nadie ya que eso iría en contra del principio de igualdad de oportunidades.

En este tipo de situaciones es necesaria la intervención de una Autoridad que pueda certificar que cada respuesta al examen planteado fue firmada por su autor y fue presentada dentro del plazo. Una vez emitido el documento que afirma tales hechos, ni el contenido de las respuestas, ni la autoría de las mismas, ni el momento en que se produjo la entrega deberán poder modificarse sin que con ello se invalide automáticamente el "sello" emitido por la Autoridad de Certificación.

Consideremos otro caso más, el de un Concurso Público de Ofertas. En este caso, varias compañías presentan sus opciones como respuesta a un mismo pliego de exigencias, y hacen sus cuentas para presentar una oferta que les pueda hacer ganar el concurso.

Actualmente, sus propuestas, convenientemente firmadas por sus representantes legales, se meten en sobres que se cierran y sellan para, posteriormente, ser entregados en depósito ante el organismo titular del concurso. Cuando han sido presentadas todas las opciones dentro de un mismo plazo de tiempo marcado por las normas del concurso, se reúnen en un acto público todas las partes involucradas para verificar el estado inalterado de los sellos, y luego abrir los sobres haciendo así su contenido público. Si alguien pudiese abrir los sobres antes de que se termine el plazo de presentación de ofertas, el transgresor podría conocer información privilegiada que le permitiría ganar fraudulentamente el concurso.

Si alguien pudiese sustituir o modificar una oferta previa incluyendo algo nuevo después de que haya terminado el plazo de presentaciones, también dispondría de información privilegiada que posiblemente se habría filtrado desde sus oponentes ya que éstos se encuentran más relajados al creer que nada puede hacerse ya para modificar las opciones presentadas.

En el primer caso, en el del examen, además del documento con las respuestas, todos los participantes deberían hacerse con un sello de tiempo que pueda, posteriormente, probar ante cualquiera, que ese documento existía en el momento de ser entregado, y que lo fue dentro del plazo estipulado para ello. A partir de ese instante, su contenido no podrá modificarse sin que con ello no se invalide el sello. Si surgiese cualquier disputa posterior, cualquiera podría verificar que el sello está intacto y que el documento que tiene delante es realmente el que se presentó a la salida del examen. Ni el examinador ni el examinado pueden ponerse de acuerdo para cambiar las respuestas ya que no son capaces de reconstruir un sello válido.

En este caso del concurso público, lo mejor sería no tener que entregar en modo alguno, las propuestas antes de que deban ser abiertas y hechas públicas. Para poder hacerlo así, tan sólo es necesario que exista un mecanismo confiable que pruebe la existencia de cada una de las propuestas con anterioridad al final del plazo de presentación, de modo que también nadie pueda modificarlas con posterioridad y antes de hacerlas públicas resolviendo automáticamente el concurso.

Este mecanismo insinuado en los párrafos anteriores es lo que denominamos un Sello de Tiempo, cuya única finalidad es probar que en un determinado instante de tiempo, todos los agentes involucrados declararon disponer o disponían de un determinado documento; en un caso las respuestas del examen, y en otro de una oferta secreta.

Sincronizar el tiempo en la vasta Internet es crucial par los millones de computadoras intercambiando información. Hoy, GPS ayuda a llenar el rol de un reloj de red global, proveyendo un serio y exacto tiempo.

La Internet es muchas cosas para mucha gente. Para algunos, es un enorme y distribuido reloj de red, aun en su infancia pero creciendo rápido. Ahora mas que nunca, la fuerza que maneja el rápido acceso a la Internet es el sistema GPS, que ha venido convirtiéndose en todo lo que un reloj de red puede ser: exacto, seguro, barato y omnipresente.

Hace no mas de cinco años, la mundial Internet se jactaba de tener 3.8 millones de hosts en mas de 37,000 redes, de acuerdo con el Consorcio de Internet y Sofware. Ahora, a finales de Febrero del 2000, esta vasta web ha crecido a unos asombrosos 71 millones de computadoras en línea, con muchas de ellas hambrientas de tiempo. Llegaron los días de los servidores aislados existiendo en un vació de información.

Hoy, las comunicaciones complejas entre computadoras son comunes, con gente intercambiando bases de datos a través de la red y procesando transacciones de incontables tipos. En este abierto ambiente de intercambio de información la necesidad de un tiempo - la sincronización del tiempo en internet - rápidamente se vuelve aparente. Hoy, GPS es el reloj más ampliamente usado para esta tarea.

La Historia del Tiempo en Internet

Los primeros esfuerzos cronometrando la red comenzaron una década atrás en la red de la DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency, Agencia de la Defensa para los Proyectos de Investigación Avanzada), ancestros de la actual Internet. David Mills de la Universidad de Delawere designo a los “Fuzzballs”, servidores de tiempo con receptores de radio que podrían sincronizarse a las estaciones de tiempo de onda corta del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (National Institute of Standars and Technology, NIST). Pronto se volvió claro, sin embargo estas señales recibidas de tiempo por radio tenían muchos problemas y relevarlas a través de la Internet fue enteramente otro asunto.

Para apreciar las dificultades que ello envolvía, imagine una Internet de 150 años atrás, basada en el Servido Postal. Usted esta en Guadalajara y quiere comparar su reloj a un reloj en Monterrey. A exactamente el mediodía, usted apunta el tiempo en un papel y lo da a la oficina postal. Un jinete veloz lo lleva a Aguascalientes donde otro jinete continua el viaje. En una semana su mensaje llegara a Monterrey y entonces el tiempo local será anotado y regresado a usted a través de otra corrida del Servicio Postal. Cuando el paquete finalmente regrese, ¿podrá hacer una comparación significativa entre los tiempos anotados?

Actualmente usted puede, pero solo si puede medir exactamente los tiempos transcurridos en cada una de las dos etapas del viaje de ida y vuelta. Esto es, si usted conoce cuanto de la diferencia del tiempo aparente es debido al tiempo de viaje del paquete, el resto puede ser atribuido a las diferencias de tiempo entre los dos relojes. En la Internet de hoy, un reloj “cliente” de red puede aplicar esta diferencia para saberlo de acuerdo a un reloj “servidor” de red.

NTP entra a la escena.

Como dedujo Dennis Ferguson de Universidad de Toronto algunas décadas atrás cuando diseño el Protocolo de Tiempo de Red (Network Time Protocol, NTP), un método para transferencias en tiempo precisas en la Internet, extensamente desarrollado por Mills en un reporte del grupo de trabajo de red de la DARPA en Marzo de 1992, desde entonces se volvió el estándar de Internet para la sincronización del tiempo.

NTP ha sido portado a prácticamente todas las plataformas de computadoras, desde supercomputadoras hasta las modestas computadoras personales (PC). NTP puede sincronizar los relojes de las computadoras hasta cerca de 1 milisegundo en una red de área local (LAN) y cerca de unos cuantos décimas de milisegundo en una red de área foranea (WAN). Imagine un reloj de computadora en Guadalajara, en perfecto ritmo con un servidor en la ciudad de Monterrey.

Una razón de porque NTP sobresale es su habilidad para sincronizar los relojes de sistema de servidores primarios (Stratum 1) al Tiempo Universal Coordinado (Universal Coordinated Time, UTC) por vía radio, satélite, modem o relojes atómicos locales y entonces proporcionar tiempo para los Stratum 2, servidores bajos y clientes que carecen de hardware especial pero en cambio se sincronizan a la Internet usando su propia copia del programa de NTP

El Moderno Servicio Postal

La Internet de hoy es una red de paquetes switcheados que envía y recibe información por un medio muy distinto al del Servicio Postal. Mensajes entre computadoras que no están en la misma red de área local deben ser pasados a través la red global de ruteadores, que son computadoras que miran las direcciones de la red y consulta tablas dinámicas de por donde remitir cada mensaje para acercarlo a su destino.

Un mensaje de correo electrónico de Guadalajara a Monterrey puede tener que pasar a través de una docena de ruteadores conectados en el viaje de ida. Cada uno de estos brincos toma una cantidad de tiempo que no puedes ser estimada con precisión porque dependerá de que tan ocupado este el router y sus circuitos. Dos correos electrónicos enviados uno tras otro pueden seguir rutas muy diferentes para llegar al mismo destino, ya que los ruteos (y los tiempos de viaje resultantes) están cambiando constantemente en respuesta a los respaldos del trafico de ruteadores.

Haciendo tictac al unísono.

Mientas que es fácil registrar un tiempo local y enviar la información a prácticamente cualquier parte, el hacer uso de este registro para comparar y sincronizar los relojes de las computadoras en Internet requiere un poco de magia. Una mirada de cerca a como el protocolo NTP trabaja entre el cliente y el servidor pondrá a la vista los trucos de esta magia.

El cliente podría ser una computadora personal con un programa de aplicación NTP corriendo en segundo plano. Este programa puede enviar un mensaje especialmente formateado a un servidor NTP conocido. En la Internet este mensaje es conocido como un mensaje UDP (User Datagram Protocol, Protocolo de Datagrama de Ususario), o simplemente un datagrama. Este contiene un registro del supuesto tiempo leído en el reloj del sistema cliente, formateado con un valor de 64 bits en segundos y fracciones de segundos partiendo de la fecha arbitraria de Enero 1 de 1900 y cero horas que es completamente segura al problema Y2K y provee una precisión por debajo de los nanosegundos. Llamaremos a este tiempo T1. UDP es un protocolo de Internet de conexión libre, así que el cliente puede enviar múltiples datagramas fuera y obtener respuesta en la misma conexión a la red (distinto a telnet o una conexión FTP).

Cuando el servidor NTP recibe el datagrama del cliente el servidor inmediatamente registra el tiempo de su llegada (T2). Este inspecciona el datagrama en busca de alguna instrucción especial (algunos servidores NTP intercambian y decodifican palabras de “autentificación” encriptadas, implicando checar llaves privadas para probar que este es realmente la fuente de tiempo y no algún hacker desviando la dirección del servidor.

Cuando el servidor esta listo para responder al cliente registra un tercer tiempo (T3) - su hora de transmisión - y anexa el tiempo T2 y T3 al datagrama NTP del cliente devolviéndolo a este. El cliente NTP debe prepararse para recibir este datagrama y estamparlo con un cuarto tiempo (T4). Considere que estos tiempos: dos de ellos (T2 y T3) registran el tiempo leído en el reloj del servidor, mientras que los otros dos (T1 y T4) son registrados por el reloj del cliente, qué nosotros asumimos tiene algún error o desplazamiento.

Lo que nosotros queremos saber es el valor de este desplazamiento de tiempo entre el cliente y el servidor, así podremos ajustar el cliente al servidor. Desafortunadamente no tenemos suficiente información para determinar este desplazamiento. Podemos medir el tiempo total transcurrido de este intercambio del datagrama, que llamaremos retraso, y estimar el desplazamiento como se muestra a continuación.

Una ciencia inexacta.

Si el retraso en la red del cliente al servidor fuera exactamente igual que el tiempo de regreso la estimación de este desplazamiento entre los relojes podría ser exacta. Pero, la vida de la red no es tan simple. Los caminos de salida y regresos pueden variar de algunos a cientos de milisegundos. El ruteo en la Internet es un misterio cambiando dinámicamente, así que los caminos son raramente simétricos.

Puede mostrarse de la experiencia que las estimaciones más exactas del desplazamiento del tiempo en Internet serán cuando el desplazamiento total sea mínimo. Usando UDP, podemos buscar desplazamientos pequeños enviando múltiples datagramas al mismo o múltiples servidores NTP. Por el envío de múltiples datagramas el cliente puede observar la dispersión de los desplazamientos en la red. El desplazamiento de red es un estimado de cuanto le toma enviar paquetes de mensaje a través de la red mientras que la dispersión es una medida de la repetitividad de cada uno de los actuales desplazamientos de tiempo.

Una gran dispersión afectara adversamente la estimación del desplazamiento de tiempo entre el cliente y el servidor. Grandes dispersiones son inherentes a las grandes distancias de red; mientras mas allá viaja usted para obtener el tiempo, menos exacta será la estimación del tiempo. Los múltiples intercambios del datagrama también le permiten al NTP desgajar los caminos, largos desplazamientos pueden ser causados por un inusual y momentario retraso en la red o por los servidores de tiempo que erróneamente colocan el tiempo incorrecto.

Mas que solo Tiempo

Pero las funciones de NTP son mas que solo un programa de ajuste de tiempo. También es un sistema evolucionado de “arquitecturas, algoritmos, entidades y protocolos”, en las palabras de Mills, que es diseñado para llevar el tiempo de servidores primarios a clientes en la Internet. Es inherente a este diseño chequeos robustos, filtros y características diseñadas para mitigar los errores de cronometraje causados por la perdida de servidores individuales o redes enteras.

Estimar un desplazamiento de tiempo en un solo punto no es suficiente para sincronizar un cliente a un servidor de reloj. Mediciones continuas de los desplazamientos del reloj pueden ser hechas para determinar la frecuencia de error del cliente o el rango de error en los intervalos del reloj del cliente. Si hace tictac rápidamente puede ganar tiempo sobre el servidor. Si hace tictac lentamente podrá perder tiempo.

NTP muestrea los desplazamientos de tiempo continuamente, en un intervalo que va de cada 16 segundos hasta 1024 segundos. El muestreo continuo habilita al cliente para operar un lazo cerrado de fase y frecuencia híbrido que disciplina al hardware del reloj de la computadora, en efecto, forza al hardware a correr a una frecuencia controlada. Es irónico pensar que este muestreo incesante es necesario porque las típicas estaciones de trabajo para ingeniería de $250,000 pesos usan un simple cristal de cuarzo que puede variar fuertemente con la temperatura de la oficina y puede perder ¡hasta 10 segundos por día!.

Tiempo para las Masas

Los Clientes usan la sincronización NTP para miles de aplicaciones, accediendo a los servidores de tiempo de todos los lugares del globo para múltiples usos. Por ejemplo, un especialista en sistemas de red en Eugene, Oregon que vigila un servidor de tiempo para una red de mas de 3,000 nodos puede acceder a los servidores de tiempo Maestros Alternos NTP. Un proveedor de servicio en Argentina usa los servidores USNO para sincronizar su distribución secundaria de tiempo. Una arquitectura de sistemas IBM que sincroniza el tiempo para la Radio Pública Nacional en Washington, D. C. O un sistema administrador de la U. S. Naval con una red de servidores de archivos que inventarian cada articulo en cada barco del la U. S. Navy, ambos usan los servidores USNO para sus propósitos. Y la lista de aplicaciones de NTP continua, limitada solo por las necesidades de tiempo de los usuarios y clientes de Internet.

Como todos estos usuarios accesan al tiempo depende de la jerarquía de NTP, donde cualquier servidor con una fuente de tiempo preciso es designada como un Stratum1.

El Crisol del Tiempo

En la época de los 80's había solo cinco servidores de tiempo, manteniendose sincronizados con el Tiempo Coordinado Universal (UTC). Las reglas para el funcionamiento del UTC descansan en las autoridades mundiales para la medición del día -los laboratorios nacionales que determinan las escalas para el tiempo atómico y contribuyen al crisol para el UTC- estas reglas son mantenidas en el Bureau Internacional des Poids et Mesures (BIPM).

Actualmente hay más de 50 organizaciones alrededor del mundo que proveen accesos para la determinación del UTC. Cada contribución esta respaldada por la calidad y el número de relojes en las instalaciones del laboratorio. Actualmente, USNO provee una buena parte de accesos de tiempo, cerca del 35 % del total mundial. NIST agrega otro 5 % del dominio de los Estados Unidos en el sincronizamiento atomico. El reloj maestro de USNO puede proveer una precisión menor a nanosegundos usando la transferencia de dos vías basada en los satélites geoestacionarios.

GPS Trabajando

Cinco años atrás los laboratorios nacionales de tiempo, universidades y corporaciones tenian aproximadamente 50 magníficos servidores NTP de acceso público. Estos servidores Stratum 1 inyectaron tiempo a la Internet, usando relojes atómicos, y radio receptores como fuentes de tiempo. En ese tiempo solo había nueve servidores públicos Stratum 1 usando sincronía GPS. Hoy cerca de 92 servidores NTP están en operación alrededor del globo, y de estos mas de 40 usan GPS como su referencia temporal.

GPS provee un medio ideal para las la transferencia del tiempo mundial. Con la presencia de una constelación de 28 satélites, la señal está siempre presente en áreas pobladas.

Solo es necesario que un satélite GPS sea visible para mantener la exactitud. A menudo, un receptor GPS usado para tiempo solo debe ser iniciado en el modo de “supervivencia”, localizando un mínimo de cuatro satélites PGS para determinar su posición: longitud, latitud y altitud. Estos valores pueden ser promediados con aproximadamente 10,000 muestras hasta que la posición se conozca hasta un error de pocos metros.

Entonces, el receptor temporal de GPS puede revertirse al funcionamiento de modo tiempo “un solo satélite”. Requiriendo solo un satélite en su vista para mantener la precisión del tiempo. Esto hace que sea posible operar en los grandes rascacielos con solo una antena montada en la ventana que tenga solo una porción de vista hacia el cielo.

El simplísimo receptor de código GPS C/A puede extraer el tiempo con una precisión de un microsegundo. USNO monitorea el tiempo GPS, mientras que el Segundo Escuadrón Operaciones Espaciales (2SOPS, 2nd Space Operations Squadron) mantiene el tiempo GPS. 2SOPS usa la información monitoreada por USNO para mantener el tiempo GPS con una diferencia por debajo de los 20 nanosegundos con respecto al UTC-(USNO) del último año, así asegura una precisión de UTC obtenida a través del GPS por debajo de los milisegundos de ruido inherente al tráfico en Internet. El precio actual de un modulo GPS lo hace una atractiva alternativa a la sincronía vía modem o radio.

El Alcance de USNO

La disponibilidad de la sincronía GPS ha sido excelente: los servidores NTP de la Universidad de Washington en San Luis Missouri han estado en operación por cuatro años y hasta la fecha nunca han experimentado perdidas de la señal GPS. Un servidor USNO NTP en la Universidad de Alaska en Fairbanks tiene que quejarse todavía de su invierno hiela huesos. Y todos los servidores USNO GPS NTP navegaron perfectamente a través del problema Y2K sin ningún sobresalto.

El USNO opera los servidores más ocupados en el mundo, de acuerdo a un reciente reporte sobre los servidores NTP Stratum 1 no publicado. Hay actualmente 21 servidores NTP Stratum 1 operados por USNO, 16 d ellos cuentan con GPS para su UTC. Seis adicionales servidores NTP GPS serán establecidos por USNO en el año en curso. Los tres servidores en Washington D.C. actualmente responden a más de 170 entradas por segundo.

En 1995, en respuesta a la popularidad de los servidores NTP, USNO se embarco en un ambicioso proyecto de establecer servidores NTP regionales a lo largo de los Estados Unidos. Distribuyendo los servidores de semejante manera ayudaría a conservar el ancho de banda de Internet y a mejorar la precisión temporal del cliente por medio de caminos de red cortos . USNO selecciono los lugares para los servidores NTP GPS basado en su proximidad con las mayores rutas de Internet, y en las universidades y organizaciones que tienen experiencia con el servicio NTP.

En Washington D.C. en el Departamento de Servicio de Tiempo USNO y en el Reloj Maestro Alterno en Colorado Springs, Colorado, cada uno de cinco servidores NTP toma el tiempo de dos MASERS de hidrógeno.

Los MASERS alimentan una señal de 5-MHz a los relojes digitales, que sacan un código estandar IRIG-b. Las computadoras NTP son servidores industriales de trabajo UNIX, cada uno con dobles generadores sincronizados en formato de tarjeta VMEbus (Virsa Module Eurocard). Estas tarjetas actúan como relojes de bus, proveyendo un código de tiempo en BCD en registros de memoria de doble puerto que están mapeados por el sofware del programa NTP como direcciones de programa. Este esquema provee el sotware NTP con acceso al código de tiempo con esencialmente cero latencia. Un receptor GPS de formato VMEbus es usado para respaldar el reloj maestro.

Otros sitios USNO NTP son muy remotos para enlazarse con los relojes atómicos maestros directamente. El primer sitio USNO GPS NTP fue establecido en diciembre de 1995 en la Universidad de Washington en San Luis, Missouri. El siguiente año, servidores GPS NTP fueron enviados al Instituto de Tecnología en Massachusetts (MIT) en Cambridge y a Digital Equipment Corp. (ahora Compaq) en Palo Alto, California.

Desde entonces, el conjunto NTP a ido en aumento con servidores GPS en la Universidad de California, Los Angeles (UCLA); Universidad de Washington, Seattle; Universidad de Houston, Texas; Universidad Estatal de Ohio, Columbus; Instituto de Tecnología de Georgia, Atlanta; Universidad de Columbia, Nueva York; Colegio Colby, Waterville, Maine y la Universidad de Florida, Gainesville. Este año los servidores NTP serán añadidos a los Laboratorios Nacionales Argonne, Chicago, Illinois; La Universidad de Minnesota, Minneapolis y el Centro Maui de Alto Rendimiento, Maui, Hawai.

Hardware GPS para sincronizar

Solo un número muy reducido de modelos de receptores GPS han sido adaptados para usarse como relojes de referencia para NTP. La principal consideración al escoger un receptor GPS redunda alrededor de cuan herméticamente su interfase de hardware se acopla a la computadora para formar el servidor NTP. Una interfase serie RS-232 puede ser adecuada si la computadora puede responder a la entrada serie sin retrasos, cuando es finalmente el reloj del hardware de la computadora quien debe unirse a través de NTP al receptor GPS. La selección de USNO para sus productos VMEbus esta basada en la reciente experiencia controlando los dispositivos de cámara de carga acoplada para telescopios basados en el VMEbus. La baja latencia de acceso a tiempo GPS habilita algunas implementaciones para ajustar el reloj UNIX de sistema hasta unos buenos 10 microsegundos. Mayor precisión ha sido lograda en otras aplicaciones donde el kernel UNIX ha sido modificado para responder a las interrupciones NTP.

Los veintiun USNO GPS y servidores NTP atómicos esta respondiendo actualmente a más de 640 millones de solicitudes de sincronización NTP por mes. Y este tráfico esta creciendo 5 % por mes. Actualmente, los ocupados servidores USNO -tick.usno.navy.mil- miran el tráfico de 19,000 nuevos clientes por día. Una cosa está bastante clara -si deseas montar un servidor NTP, ellos vendrán.

Diseño y realización de un Servicio de Sellado Digital de Tiempo

El Servicio Digital de Tiempo que se describe se divide en dos partes bien diferenciadas: por una parte está compuesto por un Servidor de Tiempos bajo el protocolo NTP que actúa a nivel Stratum 1, y por otra de un generador de Sellos Digitales de Tiempo.

El servidor NTP Stratum 1 consiste en un emisor de paquetes IP con información horaria sobre el valor del tiempo universal actual UTC a través del protocolo NTP. El nivel de operación es Stratum 1 porque el servidor obtiene sus señales de tiempo a partir de un equipo hardware dedicado que está sincronizado con la escala UTC con una precisión dentro del microsegundo.

El servicio para la emisión de Sellos Digitales de Tiempo es una funcionalidad completamente nueva, que se encuadra dentro del esquema general de las Autoridades de Certificación; es decir, se trata de una instalación que debido a su construcción y gestión públicamente refrendadas, puede ser depositaria de la confianza colectiva en cuanto a la veracidad, exactitud y relevancia de lo que afirma en sus certificados.

El servicio digital de tiempos emite certificados digitales denominados "Sellos Digitales de Tiempo", mediante los cuales se puede vincular fehacientemente un hecho con la escala universal de tiempos (UTC). El hecho fundamental que se vincula es la existencia de un objeto digital y su reconocimiento por parte de la Autoridad de Certificación en un determinado instante de tiempo.

El emisor de los Sellos Digitales de Tiempo sólo declara en sus certificados que tuvo conocimiento indirecto de la existencia de un objeto digital en un determinado instante UTC.

Cómo construir un Servicio Digital de Tiempos

En este capitulo se explica como construir cualquier Servicio Digital de Tiempos, en el apéndice se incluyen las instrucciones para una aplicación práctica de Windows (Tardis 2000). Se incluyen los archivos ejecutables en este disco.

Los elementos fundamentales que son necesarios para la construcción de un servicio que sea capaz de emitir Sellos Digitales de Tiempo son tres:

  • Una fuente segura de tiempos que siga la escala UTC o equivalente. La fuente debe ser tal que no pueda ser alterada por nadie de modo inadvertido e indetectable, y cuya alteración suponga perjuicios a la colectividad superiores a los beneficios que pudieran obtenerse.

  • Una identidad digital propia y adecuadamente protegida en cuanto a su unicidad, secreto e intransferibilidad.

  • Una conexión a prueba de fallos a una red pública de ámbito global.

Protocolo {NTP} y el Sistema {GPS}

Como fuente de tiempos, nuestro sistema utiliza un reloj hardware de alta estabilidad y precisión que nos permite conocer el tiempo UTC con una precisión mejor que el microsegundo, y con una estabilidad de 32 s/año. Este reloj lo mantenemos sincronizado cada segundo con las señales de referencia procedentes de varios satélites de la constelación Navstar que constituye el alma del sistema GPS, y que son visibles desde la ubicación geográfica del servidor.

El sistema de posicionamiento global GPS está basado en una constelación de veinticuatro satélites artificiales que orbitan alrededor del planeta en seis órbitas distintas. Cada uno de ellos dispone a bordo de dos relojes atómicos de cesio que en todo momento marcan el tiempo universal y emiten una señal horaria marcando el comienzo de cada segundo de tiempo universal.

La constelación Navstar está controlada por diez estaciones de seguimiento terrestres dispuestas alrededor del planeta. Cada una de ellas dispone de varios relojes atómicos sincronizados según UTC y son las que se encargan de maniobrar los satélites para que se mantengan en todo momento dentro de sus órbitas teóricas y para adelantar o atrasar los relojes atómicos que llevan abordo los satélites. Este proceso de sincronización mantiene la sincronía global del sistema en el rango de los 130 nanosegundos.

El funcionamiento del sistema GPS se basa en medir la distancia que separa a cualquier punto del espacio de cada uno de los satélites que se ven en cada momento por encima del horizonte. Según sea el tiempo que tarda la señal horaria en llegar al punto de observación se puede estimar la distancia que nos separa de cada uno de los satélites. Dado que todos ellos se mantienen en un órbita perfectamente conocida, los detectores GPS pueden calcular su posición respecto a ese geoide de referencia.

En nuestro caso, sólo estaríamos interesados en las señales de tiempo y con un solo satélite nos bastaría, sin embargo, utilizando todo el sistema GPS podemos combinar las señales de varios satélites (entre 4 y 6) para generar una única señal de sincronismo. Dado que la instalación del Servidor Digital de Tiempos es fija, cualesquiera desviaciones desaforadas en la posición de la estación según el sistema GPS pondría en alerta al sistema sobre la fiabilidad real de las señales de sincronización.

Utilizando los flancos de subida de las señales horarias provenientes de varios satélites unas vez corregidas según la posición de observación, podemos sincronizar el reloj hardware de alta estabilidad que constituye el alma del servicio, manteniéndolo en todo momento sincronizado con el tiempo universal en menos de un microsegundo.

El servicio digital de Tiempos es una Autoridad de Certificación que posee una identidad digital propia, que está compuesta por una serie de claves públicas RSA y DSA que representan los diferentes Sellos de Tiempo que puede emitir. Las claves privadas asociadas a las anteriores claves, se almacenan, convenientemente cifradas, en los discos fijos del equipo. La activación del servicio así como el descifrado de las claves privadas necesarias para poder emitir sellos, se hace bajo el control de un elemento criptográfico a prueba de intrusiones; en nuestro caso, bajo el control de una tarjeta inteligente única que hace las veces de módulo de seguridad.

La prestación del servicio se hace de modo público a través de la red Internet. En nuestro prototipo actual hay una interfaz Web que emite distintos tipos de sellos en http://tictac.fi.upm.es y lo hace a través de formularios html. Sin embargo, la utilización de este tipo de servicios en procesos completamente automáticos nos ha llevado a ubicar un servicio específico y siguiendo un protocolo propio en el puerto 1616.

A través de este puerto y servicio, cualesquiera otras aplicaciones podrán obtener sellos de tiempo así como la información pública necesaria para la interacción con este servicio (claves públicas de los sellos, certificados digitales de identidad, configuración de los sellos, etc.).

Funcionamiento del Servicio de Sellado Digital de Tiempos (SSDT)

Cada uno de los formularios que se reciben en el servidor http lanza la ejecución de un CGI encargado de poner en ejecución un proceso, denominado Formateador que se encarga de supervisar la correcta estructura de la solicitud. En el caso de que esto sea así, se lanza otro proceso, el Firmador, que será el encargado de emitir el sello. Para ello, el proceso Firmador requiere incluir los datos del futuro sello en la secuencia de la autoridad emisora por lo que envía un mensaje a un módulo, denominado Secuenciador, y queda a la espera de su respuesta.

Según sea el flujo de peticiones, podrán ser varios los pares de procesos Formatedor-Firmador que se encuentren a la espera de su posición en la secuencia. Por su parte, el proceso Secuenciador, que es único dentro del sistema, acepta los valores que le entregan los Firmadores de uno en uno y los incluye en la secuencia después de obtener la hora UTC del reloj hardware del sistema. El orden de solicitud de secuencia se respeta, por lo que los procesos Firmadores que antes hayan solicitado, antes obtendrán su respuesta.

Una vez que un proceso Firmador recibe su número de secuencia, ya tiene todos los elementos necesarios parea componer el Sello de Tiempo, por lo que calcula su valor hash y procede al cálculo de la firma digital que le da su validez. Una vez hecho esto, el proceso Firmador lo devuelve al solicitante a través de la conexión que lanzó la ejecución del CGI de partida.

Este proceso normal de funcionamiento puede quedar interrumpido o alterado por diversas circunstancias; una de ellas es la pérdida de la señal de sincronización con el sistema GPS. En este caso, el sistema cierra sus puertas al exterior y no acepta nuevas peticiones hasta que el hardware le vuelva a informar de su correcto estado de sincronía. Esta precaución no sería, en principio, necesaria ya que el reloj hardware utilizado es suficientemente estable como para mantener su sincronía con la escala UTC durante varios meses dentro de un margen de precisión más que aceptable.

Otro factor que puede bloquear la entrada de solicitudes de sellos es que haya demasiados procesos Firmadores en ejecución; tanto si están a la espera de lugar en la secuencia, como si están dedicados al cálculo de las firmas digitales de los sellos. Esta precaución está encaminada a proteger al sistema software de picos de demanda, fortuitos o intencionados, que pudieran poner en riesgo la continuidad del servicio.

Por último, mencionar una última precaución en cuanto a las solicitudes. Tanto el interfaz http como el servicio específico a la escucha en el puerto 1616, el tamaño de las solicitudes está limitado a 1 kByte y su formato es estricto. Con ello se pretende proteger al sistema de posibles solicitudes "gigantes" que podrían comprometer la integridad del sistema si éste intenta procesarlas. Cualquier fallo en el formato o cualquier extralimitación en su tamaño conduce al borrado de lo recibido y al cierre unilateral de la conexión solicitante.

 

Estructura de un Sello de Tiempo

Los elementos básicos de un sello de tiempo son:

  • Datos sobre la Identidad de la Autoridad Emisora (Identidad Jurídica, Clave Pública a utilizar en la verificación del sello, Número de bit de la clave, y el algoritmo de firma digital + función hash utilizados.).

  • Tipo de solicitud cursada (si es un Valor Hash o un Documento, cuál es su valor y Datos de referencia.)

  • Parámetros del Secuenciador (valores hash Anterior, Actual y Siguiente)

  • Fecha y Hora UTC.

  • Firma Digital de todo lo anterior con la clave pública y esquema de firma digital especificados al principio.

Nuestro prototipo admite dos tipos distintos de solicitudes: aquellas en las que el solicitante envía un documento y solicita que aparezca íntegro en el cuerpo del sello, y otra, más anónima, en la que lo que envía es un presunto valor hash de algún objeto digital que el solicitante probablemente posee.

En ambos casos, la longitud máxima de la solicitud de sello no debe superar los 1024 bytes de longitud, por lo que la primera modalidad sólo sirve para textos relativamente cortos. Sin embargo, puede resultar útil para el usuario ya que deja a su criterio qué es lo que quiere matasellar temporalmente; por ejemplo, el texto a sellar podría ser:

"Sofía Mazagatos entrega sus respuestas firmadas al examen de la asignatura S.P.I., con valor MD5 = 29a2fa33dca39b6d9a2bc0748a335f33, como parte del examen de esa asignatura a los profesores encargados del examen"

y entrega copias del sello obtenido a los profesores, además de publicarlo en los "ciber-tablones" de la Facultad. Con ello, este sello servirá para probar posteriormente que las respuestas del examen fueron las que fueron, y nadie podrá cambiarlas ni siquiera con la colaboración de Sofía.

A continuación podemos ver cual es la respuesta, en formato humanamente legible, que se obtiene del servidor TicTac para otro tipo de texto:

Certificado:
Datos Firma:
version:
0
Identidad del firmante:

Servicio Digital de Tiempo
Facultad de Informatica - UPM
Madrid - Spain
http:\\tictac.fi.upm.es
Identidad de la Clave: f208f543a56a7f1f6585d57dd90fb5a3
Numero Bits Clave: 1024
Algoritmo de Firma: md5WithRSAEncryption
Algoritmo Hash: md5
Datos Solicitud:
Tipo: Documento
Documento:
El servicio de Sellado Digital de Tiempos es una iniciativa del
Laboratorio de Criptologia de la Facultad de Informatica de la
Universidad Politecnica de Madrid

Referencia:
Presentacion Jornadas Tecnicas
de RedIris 1998

Datos Encadenamiento:
Hash Anterior: 00000000000000000000000000000000
Hash Actual: b04fa5d98dd622db74fdfc86aac6349d
Hash Siguiente: 29a2fa33dca39b6d9a2bc0748a335f33
Fecha: 1998/299 (1998/10/26)
Hora: 18:08:42,137329

Firma:

c2:25:07:05:51:cc:bf:9f:83:92:67:7c:2d:13:50:34:d5:bf
5a:52:f0:61:0c:e0:9f:93:4a:a1:76:06:1c:f2:1a:35:0e:e8
8c:0d:5a:d3:4e:8e:40:92:c9:d8:95:35:83:35:26:de:56:7b
94:1c:d6:e4:85:65:68:80:d7:5a:5a:6f:7f:b3:97:0e:7c:8a
bb:d5:ad:a9:67:66:7c:a8:5f:c8:01:9b:df:92:0e:01:4c:93
2d:04:94:0e:ea:dc:f9:e1:44:af:91:52:b4:6f:52:e4:df:63>
ce:cf:a9:f5:0c:75:16:72:97:9d:f2:f6:98:85:a8:88:4d:60
d4:22

Tal y como versa este sello, la afirmación a la que se refiere, fue recibida por el servidor TicTac el 26 de Octubre de 1998 a las 18 horas, 8 minutos y 42, 137329 segundos del Tiempo Universal.

El Secuenciador y la Publicidad

Cualquier Autoridad de Certificación persigue satisfacer los niveles de seguridad necesarios para ganarse la confianza de los demás agentes de la red. Para ello, su construcción y funcionamiento se hacen tan públicos como sea necesario para evitar la sensación de "caja negra" a sus potenciales clientes. En lo que a su funcionamiento se refiere, toda Autoridad de Certificación declara públicamente cual va a ser su proceder en aquellos casos en los que dará servicio y renuncia explícitamente a cualquier otro tipo de funcionamiento. Estos compromisos son los que constituyen la denominada "Política de Certificación" de la autoridad.

Además de todo esto, las Autoridades de Certificación asumen un riesgo considerable al convertirse automáticamente en objetivo natural de numerosos enemigos que van desde los que quieren robarle su identidad para poder emitir sellos falsos, a los que quieren forzar al servicio a funcionamientos que se salgan de lo públicamente declarado, hasta los que ponen en duda su credibilidad argumentando oscuras y complejas confabulaciones de la Autoridad de Certificación con otros agentes partidistas.

En nuestro caso, el Servicio Digital de Tiempos se defiende de estos peligros recurriendo a la irreversibilidad del secuenciador y a la publicidad de sus resultados. El módulo secuenciador es el encargado de ampliar en un elemento más una secuencia pública construida a través del cálculo iterado de una función hash, de sentido único, como es, en nuestro caso, el MD5. Cada día, la secuencia se inicializa con el valor nulo en sus registros de encadenamiento. Cuando llega una solicitud de secuencia, utiliza el valor de la solicitud como mensaje para calcular un nuevo estado de los registros de encadenamiento a partir del estado anterior. De este modo, la llegada de una solicitud modifica el estado de la secuencia de modo irreversible.

La irreversibilidad de este proceso nace de la resistencia criptográfica de la función hash utilizada ya que es fácil calcular la función en una dirección pero computacionalmente imposible en la otra. Sin embargo, esta cualidad no impide que el propio secuenciador pudiese mantener varias secuencias simultáneas y diferentes con fines nada confesables. Este proceder o sospecha de proceder, sería una de las primeras críticas que lanzarían los detractores maledicientes del servicio.

Para zanjar estas críticas, cualquier cambio en el estado del secuenciador se publica inmediatamente en el fichero histórico de la secuencia en curso, por lo que podría ser observado por cierto número de testigos imparciales que podrían hablar en su defensa. Para convertir las secuencias en documentos imputables a la Autoridad de Certificación que constituye el Servicio Digital de Tiempos, ésta firma y difunde, al final de cada día, el fichero histórico en el que se indican cuales han sido los elementos de la secuencia producida ese día y en que instantes de tiempo se produjeron los cambios de estado.

Este fichero contiene varios de los datos que componen los Sellos de Tiempo (hashes anterior y posterior, fecha y hora UTC) pero no permiten traslucir ninguna información relativa al valor (hash actual) que provocó ese elemento de la secuencia y, por lo tanto, no permitiría reconstruir parcialmente el sello de tiempo que lleva asociado cada uno de los cambios de estado que forman la secuencia.

Además de poder demostrar la autenticidad de un sello verificando su firma digital, con estos ficheros históricos también podemos comprobar que su emisión está reflejada en el registro del día en que se emitió y que se encuentra distribuido en numerosos puntos de la red pública.

La aparición de un sello dentro de la secuencia publicada y firmada por la Autoridad de Certificación emisora, es una garantía de que, ni siquiera ella podría generar sellos falsos con posterioridad a la publicación de la secuencia diaria.

Para poder hacer esto, tanto la agencia emisora como para cualquier otro agente, se enfrentan a un proceso que es computacionalmente imposible, pues requeriría la inversión de una función hash y la retirada de todas las copias de la secuencia genuina que hay distribuidas por la red. Lo más que podría hacer una autoridad corrupta sería emitir a sabiendas un sello falso, pero nunca podría incluirlo en una secuencia pública ya firmada y distribuida.

Por este motivo, el Servicio Digital de Sellos de Tiempo no guarda, como tal, copia de sus secuencias, sino que deja a otros elementos de la red que mantengan públicamente copias de ellas. La Autoridad de Certificación que constituye el Servicio Digital de Sellos de Tiempo se libera de los registros históricos diarios del secuenciador tan pronto como termina el día al que se refiere y las ha firmado con una identidad (clave privada) específica para tal fin.

Conclusiones

La importancia del protocolo NTP dentro de las comunicaciones en Internet es enorme, imaginar que a nivel mundial la red de redes esta trabajando a un mismo tic-tac resulta increíble. Es cierto que Internet incluye una larga lista de protocolos pero NTP desempeña una labor muy importante, por ejemplo, en la actualidad los llamados e-busines que llevan y traen ordenes de compra por todo el mundo serían un caos sin una referencia estándar de tiempo, imaginemos una empresa en la que bastaría con que accidentalmente o intencionadamente se cambiara la hora y hasta fecha de su sistema de computo para parar la producción por horas, o quizás días.

Las redes corporativas de hoy tienden a ser enormes y algunas llevan información para controlar procesos de producción, tomar decisiones, comerciar, etc. La facilidad y economía con que estas pueden instalar un servidor Stratum 1 basado en GPS les reportaría múltiples beneficios que compensarían con creces el gasto efectuado.

Las escuelas pueden también fácilmente implementar un servidor NTP, no solo como fuente de tiempo para una red si no para contar con una fuente de tiempo y sincronía confiable que permita a los alumnos realizar importantes experimentos para mejorar el desempeño de NTP o encontrando nuevas aplicaciones, quizás muy diferentes a la actual.

La Universidad de Guadalajara cuenta con un servidor NTP Stratum 1 en la siguiente dirección:

www.foreigner.class.udg.mx

No cabe duda, el tiempo sigue y seguirá siendo el factor más importante en nuestra vida cotidiana.

Apéndice

 Protocolo {NTP} y el Sistema {GPS}

  Instalación Tardis 2000 v1.0 para Windows

Está aplicación menciona la manera de conectarse al servidor NTP de la Universidad de Zaragoza pero el procedimiento es valido para cualquier otro servidor NTP conociendo su dirección IP

  • Tener un PC, con Windows 95/98, NT o 3.x.

  • Tener el protocolo TCP/IP instalado

  • Con el WinZip descomprimir el fichero tardis2000.zip

  • Dejar los ficheros en una carpeta cualquiera (por ejemplo NTP)

  • Uno de los ficheros es el ejecutable: tardis2000.exe

  • Otro de los ficheros: Tardis2000.doc es el manual (en el que se incluye información detallada sobre el programa, instalación, compra, ...). Es un documento Word.

  • Por último, aparece otro fichero comprimido: k9v10.zip que es una pequeña utilidad para poder comprobar si nuestro equipo está sincronizado con los demás equipos de nuestra LAN.

Para instalar el programa, no tenemos más que ejecutar el fichero tardis2000.exe y seguir las instrucciones.
 Una vez instalado el programa, sólo nos queda configurarlo para que utilice nuestro servidor de tiempo de la Universidad (ntp.unizar.es). Para ello ejecutaremos la aplicación.

  • Nos aparece una serie de servidores de tiempo predeterminados. Por defecto, el programa toma el primer servidor de la lista y que aparece con un reloj rojo a su izquierda.

Protocolo {NTP} y el Sistema {GPS}

  • A continuación, añadiremos el servidor de la universidad: ntp.unizar.es y el tipo de protocolo utilizado, para ello pulsaremos el botón "Add" y rellenaremos la ventana con los siguientes datos:

Protocolo {NTP} y el Sistema {GPS}

  • Para seleccionar el nuevo servidor como servidor actual, haremos doble click con el ratón sobre él. Veremos que es el servidor en curso porque le aparece el reloj rojo a la izquierda de su nombre.

Protocolo {NTP} y el Sistema {GPS}

  • Para que la próxima vez que ejecutemos el programa se tome nuestro servidor como servidor de tiempo predeterminado, hay que situarlo el primero en la lista. Para hacerlo, pulsaremos sobre el nombre con el botón derecho del ratón y así nos aparecerá un mensaje desplegable en el que seleccionaremos la opción "Move to Top".

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  • A continuación sólo quedaría configurar las opciones generales (que arranque minimizado) y el tiempo de consulta al servidor. Una opción más que razonable es que una estación de trabajo que no tiene servicios críticos (mac o pc, ...)

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Protocolo {NTP} y el Sistema {GPS}


El Servidor NTP correcto para Ud.

Servidores de Tiempo Internet

El sitio NTP de la Universidad de Delaware http://www.eecis.udel.edu/~ntp provee las últimas distribuciones públicas de NTP, con listados de servidores Stratum 1 y Stratum 2 alrededor del mundo.. De cualquier manera puede usar el USNO y otros accesos públicos a servidores NTP simplemente bajando NTP para su computadora y contactando sitios cercanos de los listados de paginas WEB para iniciar su asociación NTP. Uno o dos de sus servidores puede entonces distribuir el tiempo NTP a su organización entera, y no se requiere de hardware especial. Un número de programas ampliamente disponibles de sincronización de tiempo existen para las estaciones de trabajo Windows. Contacte http://tycho.usno.navy.mil/ctime.html y http://tycho.usno.navy.mil/ntp.html para ligas a software.

Instalando un Servidor NTP GPS Independiente

Para redes de área local aisladas (LAN) un servidor local NTP GPS es ideal. Cada uno de estos dispositivos de red tiene el código GPS L1, C/A (o algún otro) de fuente de tiempo y interfases Ethernet, con un procesador interno que provee un servidor de red NTP. La precisión de tiempo de la red es típicamente de 1 milisegundo en una red de área local. Muchos de estos servidores soportan otros protocolos de tiempo para red. SNMP, telnet y administración de red http.

Odetics Telecom NTPSync es un receptor GPS de 12 canales tipo “antena inteligente” conectado digitalmente a un caja compacta de red. www.odetics.com Esta disponible dentro de la familia Lantronix CoBox Network de servidores de tiempo. www.lantronix.com

Datum TymServe Network Time Server. Este servidor montable en rack dispone de un receptor interno GPS con una conexión a antena RG-59/U.

TrueTime NTS-100i. Este equipo de bajo perfil, (1U), montable en rack tiene un receptor GPS integral de 8 canales y una antena RG-59/U. Las salidas en el panel posterior proveen de código de tiempo IRIG-B y 10 Mhz o un pulso por segundo (pps).

Convierta su computadora en un servidor NTP GPS

Para alto desempeño y redes de área ancha (WAN) una estación de trabajo dedicada puede ser equipada con hardware GPS y software NTP para convertirlo en un servidor corporativo o público.

Trimble Palisade NTP Synchronization ofrece compatibilidad “plug and play” con instalación en el puerto serie que incluye un receptor GPS de 8 canales y una entrada/salida digital para una pequeña caja que distribuye los pulsos de sincronía a las PC's o a la entrada serie de un servidor UNIX.

El software con los drivers NTP esta disponible gratuitamente. El Trimble Palisade es un receptor GPS de bajo costo ha sido probado por USNO y encontrando que tiene excatitudes mejores a 200 nanosegundos en errores de fase pico a pico. www.trimble.com

Instale un reloj de bus GPS

Muchos productos de nivel de bus para computadora existen que proveen un código de tiempo de latencia cero. Usualmente por medio de registros de bus BCD. Esto provee un estrecho acoplamiento de la fuente de tiempo y disponibilidad para hospedar múltiples receptores. VME, Sbus, PCI, EISA, y otros productos están disponibles , todos ellos proveen precisiones de microsegundos a nivel de bus de sistema.

Brandywine Communications SyncClock32 esta disponible en VME y otros formatos de bus con características de direccionamiento de registro de tiempo de 32 bits y un simple acceso por medio de lenguaje C. Las opciones para fuente de tiempo incluyen el Motorola Oncore GPS. www.brandywine.com

TrueTime GPS-VME presenta un doble peso, formato 6U VME con un display informativo incluido. El modulo GPS es un Magnavox o algún otro receptor. El frente de la tarjeta tiene opciones de salida incluyendo IRIG-B 1 PPS y salidas de frecuencia programables.

Bibliografía y Sitios Web

GPS Satellite Surveying

Alfred Leick

2ª edición Edit. Wiley-Interscience Publication

1995

http://www.gpsworld.com

http://www.unizar.es/ccuz/servicios/ntp/inicio.html

http://tycho.usno.navy.mil/frtime.html

http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/gps/gps_f.html

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