Кибернетическая картина мира
.pdfРоссия – гигантская по территории страна, и ее социальноэкономическое развитие во многом определяется информатизацией на основе новых технологий. В соответствии с правительственными решениями, каждый населенный пункт с населением свыше 500 чел. должен иметь выход в Интернет. Для осуществления этой большой задачи необходимо решить следующие проблемы.
1. Определить поэтапно спектр предоставляемых услуг с перспективой их развития. Единая сеть должна объединять все органы управления, почты, организации здравоохранения, образования и культуры и предоставлять населению многообразие услуг. В перспективе каждый житель России от ребенка до пенсионера должен иметь своего помощника в виртуальных мирах.
2. Ввиду неразвитости инфраструктуры связи возникает проблема создания такой инфраструктуры, которая сначала могла бы объединить все районные центры России с использованием всех проводных и беспроводных средств связи, оптоволоконных линий и систем с привязными аэростатами.
3. Необходимо разработать трехслойный Интернет, где первый слой – системы проводной связи, наземные системы, второй слой – системы на основе привязных аэростатов и свободно летающих дирижаблей, третий слой – это системы на основе использования спутников. Трехслойный Интернет имеет повышенную надежность, мобильность и высокую пропускную способность.
4. Возникает проблема концентрации финансовых ресурсов для решения этой задачи, с привлечением как местных и федеральных ресурсов, так и ресурсов частных фирм.
5. Решение проблемы информатизации регионов России – задача комплексного системного анализа территорий и ресурсов. В качестве примеров рассматриваются задачи информатизации Ленинградской области и Санкт-Петербурга.
Помимо традиционных направлений работ коммуникационной отрасли одной из задач при построении национальных систем связи является создание транспортной среды, позволяющей осуществлять передачу первичных и тематически обработанных данных в реальном масштабе времени к различным центрам генерации и анализа комплексной информации и принятия решений.
Специалистамигруппыкомпаний«ЕвразияТелеком»совместно с ведущими научными специалистами был проведен цикл исследований, имевших целью выработку рекомендаций по оптимизации структуры широкополосной транспортной сети при использовании
211
ее в качестве коммуникационной основы для различных распределенных систем национального масштаба [62].
Технологической базой проведения исследований стала развернутая в Москве, Московской области и Санкт-Петербурге широкополосная сеть передачи данных компании «Евразия Телеком» (рис. 4.1), построенная по технологии Metro Ethernet. Организация «длинной линии» на трассе Москва – Петербург была выполнена с помощью технологии CWDM.
В целях организации прикладного тестирования к сети компании «Евразия Телеком» осуществлялось присоединение стационарных и передвижных пунктов сбора радиолокационной информации, а также центров обработки и принятия решений, расположенных в лабораториях Арктического и антарктического НИИ. Дополнительно исследовалась возможность работы удаленных потребителей с использованием традиционных для рынка SOHO технологий доступа в Интернет: dial-up и ADSL.
Исследования проводились в следующих основных направлениях: 1) оценка возможности использования существующей сети в качестве опорной для систем мониторинга критически важных объектов, в частности, объектов ядерной энергетики. Для этого направления наибольшую значимость имела минимизация рисков отказа отдельных компонентов коммуникационной среды и обеспечение
минимальной задержки в передачи информации;
|
Saint-Petersburg |
GigabitEthernet/CWDM |
|
Moscow |
|
|
L2VPN |
|
L2VPN |
Internet |
|
|
Network |
|
|||
|
Catalyst |
Internet |
|
Catalyst |
|
|
3550 |
|
|
3550 |
|
|
Gigabit |
Cisco 7206 |
|
Gigabit |
|
|
Ethernet |
VXR |
|
Ethernet |
Cisco |
Mail,DNS |
|
|
Mail,DNS |
|
7206 VXR |
NetFlow |
|
Internet |
NetFlow |
|
|
Modem |
|
Modem |
|
|
|
Cisco 2511-RJ |
|
Cisco 2511-RJ |
|
||
|
|
|
|
Catalyst |
Cisco GSR |
Catalyst |
Catalyst |
Cisco GSR |
Catalyst |
|
|
||||
3550 |
|
3550 |
3550 |
|
3550 |
Cisco |
|
Cisco |
|
Cisco |
|
Cisco |
10720 |
DPT |
10720 |
|
10720 |
DPT |
10720 |
|
|
|
|
|
||
|
Ring |
|
|
|
Ring |
|
|
|
|
Dial-Up |
|
|
|
Catalyst |
Cisco |
Catalyst |
Line |
Catalyst |
Cisco |
Catalyst |
3550 |
3550 |
|
3550 |
3550 |
||
10720 |
|
10720 |
||||
|
|
|
|
|
||
Catalyst |
|
Catalyst |
|
Catalyst |
|
Catalyst |
3550 |
|
3550 |
|
3550 |
|
3550 |
Cisco 2610XM
Modem
FastEthernet
Catalyst 3550
Operator |
Billing |
Operator |
|
Server |
|
Network Control Centre
Рис. 4.1. Схема сети передачи данных
212
2) обеспечение максимальной унификации присоединения заинтересованных потребителей с тем, чтобы обеспечить бесперебойную «поточность» присоединения даже для случаев оперативного развертывания передвижных пунктов сбора и обработки радиолокационной информации (например, при возникновении чрезвычайных ситуаций);
3) создание предпосылок для гибкого увеличения и расширения предоставляемых сетью сервисов, что особенно важно для обеспечения эволюции распределенной системы радиолокационного контроля;
4) максимальное снижение затрат на коммуникационную составляющую в расчете на конечного потребителя.
Снижение рисков отказа отдельных компонент широкополосной сети достигалось соответствующими организационнотехническими методами, в том числе обоснованным резервированием устройств, интерфейсов и каналов, задействованных для решения конкретных целевых задач. Априорная оценка рисков выполнялась для всех элементов сети путем анализа последствий и скорости восстановления после возникающих одиночных и групповых сбоев отдельных составляющих. В зависимости от критичности последствий принималось решение о повышении отказоустойчивости отдельных компонентов. После выявления и локализации уязвимых мест производились натурные испытания, имитирующие аварийную ситуацию, позволяющие скорректировать как существующие аппаратно-программные конфигурации отдельных элементов сети, так и процедуры устранения аварийных ситуаций.
Обеспечение унификации подключения новых источников данных и центров обработки в системе радиолокационного контроля обеспечено за счет использования стандартизованных и типовых решений. Заложенная в сети «Евразия Телеком» технология Ethernet является сегодня единственной, которая считается обладающей запасом на будущее для всех типов приложений и услуг. Стратегически при построении распределенной системы радиолокационного контроля принимается во внимание полный спектр решений: LRE, Ethernet, беспроводные сети 802.11.
Реализованные в транспортной сети механизмы управления качеством обслуживания (QoS) дают возможность разворачивать в рамках системы радиолокационного контроля различные типы приложений, обеспечивая при этом необходимую приоритезацию для критичных к задержке служб. QoS достигается удовлетворени-
213
емспецифическихтребованийкхарактеристикампути,покоторому доставляется единица передаваемой информации. Возможны следующие требования к характеристикам запрашиваемого сервиса:
1) обеспечение гарантированной пропускной способности; 2) обеспечение гарантированной задержки прохождения через
сеть; 3) обеспечение минимальных потерь;
4) обеспечение равномерности доставки пакетов.
В исследуемой сети реализация QoS выполняется по следующим направлениям:
1) управление скоростями входных потоков; 2) классификация пакетов согласно модели их обслуживания; 3) распространение информации об этом в пределах IP-сети; 4) управление ресурсами внутри узлов IP-сети в случае пере-
грузки; 5) обеспечение минимальных потерь для передаваемого трафика.
Направления 1 и 2 взаимосвязаны и определяют различные классы пакетов, входящих в сеть, вместе с разрешенной для них входной интенсивностью поступления. С помощью произведенной на шаге 2 сегрегации далее решается задача 3 распространения информации о разных классах пакетов между узлами системы передачи данных. Это производится двумя методами: внешней сигнализацией и с помощью маркировки каждого индивидуального пакета в соответствии с его классом.
Управление ресурсами узлов IP-сети определяет политику по отношению к передаваемым пакетам в ситуации нехватки ресурсов (перегрузки), т. е. когда поток входящих данных кратковременно или постоянно превышает скорость разгрузки узла выходящим потоком.
При помощи информации, полученной на этапе 3, узел определяет свою политику 4 по отношении к разным категориям пакетов.
При этом основным методом управления являются разные стратегии буферизации. Например, поток пакетов, требующий доставки в реальном режиме времени, получает абсолютный приоритет и прерывает передачу других потоков, а потоки, главными требованиями которых является получение максимальной пропускной способности, делят между собой буфер значительного размера согласно относительного приоритета между собой.
Шаг 5 является дополнительной мерой, направленной на повышение эффективности работы протоколов надежной доставки
214
нечувствительного к задержкам трафика и включает в себя механизмы явного и неявного взаимодействия с протоколом четвертого уровня модели OSI (например, TCP).
Изучен вариант управления QoS на стороне клиента при по-
мощи операционных систем Linux, Windows 2000 и Windows XP.
Сформированы типовые конфигурации для разных типов трафика и приложений.
Немаловажное значение в рамках системы радиолокационного контроля приобретает также переход к услугам информационного содержания, прежде всего в части достигнутых результатов обработки полученных данных. Следует отдельно выделить услуги видео- и мультивещания.
Видеосодержание услуги видео может быть как широкодоступным, так и строго контролируемым – в зависимости от источника и аудитории, а также принятой конфиденциальности целевых данных. Услуга мультивещания видеопотоков ориентирована на широкий круг заинтересованных потребителей. Как пример, пользователи могут просматривать передаваемый видеопоток, описывающий метеообстановку, прямо в web-странице.
Одним из исследованных вариантов предоставления информационного контента явилось использование специализированных программно-аппаратных средств SSG, дающих широкие возможности по варьированию предоставляемых информационных сервисов и классов обслуживания. Исследования выполнялись применительно к серии маршрутизаторов Cisco 26xx, оснащенных соответствующей IOS.
Оптимизация стоимостных характеристик присоединения к коммуникационной среде обеспечивалась за счет рационального выбора используемых сетевых технологий, устройств и требуемых сочетаний классов обслуживания. В отдельных случаях стоимость подключения в расчете на одну точку присутствия составляла не более 300 дол., что делает возможным присоединение к подобной сети большого количества пользователей тематической радиолокационной информации (начиная от заинтересованных министерств и ведомств и закачивая физическими лицами, обеспечивающими, например, метеорологическую поддержку собственного досуга).
Проведенные эксперименты позволяют с уверенностью утверждать, что исследованные технологии, транспортные сети и методики могут быть с успехом использованы как для предоставления традиционных телекоммуникационных услуг, так и для построе-
215
ния единых национальных технологических сетей. Количество потребителей информации применительно к рассмотренной телекоммуникационной сети может достигать десятков тысяч с суммарной полосой пропускания более 10 Гбит/c.
Вкачестве одного из возможных направлений дальнейшего развития рассматривается использование привязных аэростатов для организации беспроводного доступа.
Возможными областями применения аэростатных технологий являются:
1) организация собственных воздушных точек присутствия для оказания услуг связи;
2) организация «воздушных площадок» для сдачи в аренду под размещение оборудования операторов связи и различных смежных служб.
Внастоящий момент наибольший интерес представляют отечественные аэростатные системы «Рысь», «Ягуар» и «Пума».
Всильно населенных пунктах РФ возможны следующие варианты применения:
1) организация последней мили для традиционных потребителей телекомуникационных услуг (операторы связи, организации и частные лица);
2) организация последней мили для дорожных датчиков в интересах Дорожного комитета;
3) обеспечение функционирования систем ДЗА (дистанционного зондирования атмосферы). Вероятные потребители – аэропорты, морские порты, дорожные службы, Росгидромет, МЧС, Госатомнадзор, МО.
Применительно к регионам РФ наибольший интерес представляет оказание услуг на пространственно разнесенных слабонаселенных территориях, прежде всего в местах расположения нефте-
игазодобывающих предприятий (например, Республика Коми).
4.2.Рекурсивные вычислительные системы
4.2.1. История разработки рекурсивных машин
Послеорганизациикафедрывычислительныхсистемисетейд.т.н. М. Б. Игнатьевым в Ленинградском институте авиационного приборостроения (ЛИАП) в 1972 г. кроме робототехники важным направ-
216
лением ее деятельности было выбрано создание развивающихся ВС нетрадиционнойархитектуры.Чтобыпонятьлогикутакогорешения, необходимо рассказать о состоянии мировой ВТ в начале 70-х гг.
Вэто время господствовала фирма IBM, грубо нарушая законы
омонополиях и ведя судебные процессы во многих штатах внутри США и в других странах. Этот монополизм проявился и в компьютерной литературе – там описывались машины IBM, и почти ничего не говорилось о машинах других фирм, таких как «Контрол Дейта Корпорейшен», «Бэрроуз» и др., которые выступали конкурентами IBM. В машинах фирмы IBM реализовывалась классическая фоннеймановская архитектура, которая уже не могла удовлетворить потребителей. В Советском Союзе шла борьба между двумя тенденциями – развивать свои собственные разработки, такие как БЭСМ, «Урал» и др., или копировать зарубежный опыт, прежде всего машины IBM. В этой ситуации наша молодая кафедра, выделившаяся из кафедры технической кибернетики, решила развивать нетрадиционные многопроцессорные вычислительные системы, которые в перспективе обеспечивали высокую производительность и надежность. Для нас это решение было продолжением наших работ в области цифровых дифференциальных анализаторов, которые являлись многопроцессорными специализированными рекурсивными структурами с обратными связями, высокопроизводительными и надежными за счет введения избыточности методом избыточных переменных, который ранее был нами разработан. Важный шаг был сделан нашим доцентом В. А. Торгашевым, который предложил распространить и развить эти принципы на универсальные вычислительные машины. В итоге родилась концепция рекурсивных машин, которая получила поддержку Государственного комитета по науке и технике в Москве и Института кибернетики (ИК) во главе с академиком В. М. Глушковым в Киеве. Сложился коллектив из москвичей, которых представлял В. А. Мясников, из киевлян, которых представлял В. М. Глушков, и ленинградцев с общим центром в ЛИАП. В наиболее ярком виде эта концепция была представлена на международном конгрессе ИФИП в Стокгольме в 1974 г. в нашем докладе [45]. Советская делегация отнеслась к докладу очень холодно, зато иностранцы приветствовали доклад, который ниспровергал компьютерные авторитеты и традиционную архитектуру и провозглашал нетрадиционную рекурсивную, которая потом завоевала весь мир в виде систем клиент-сервер. Впервые советская компьютерная разработка была анонсирована
217
на международной арене, что привлекло внимание с разных сторон. Текст этого доклада представлен в прил. 3. Итогом этой акции было, во-первых, включение работы в программу ГКНТ и выделение финансов на создание экспериментального образца рекурсивной машины, во-вторых, соглашение с фирмой «Контрол Дейта» по созданию рекурсивной машины на основе наших архитектурных решений, в-третьих, предоставление самой лучшей для того времени элементной базы и средств отладки. М. Б. Игнатьев стал руководителем рабочей группы по сотрудничеству с фирмой «Контрол Дейта Корпорейшен» и в этом качестве развивал как проект по рекурсивной машине, так и другие проекты, в числе которых была покупка машины «Сайбер» для Ленинградского научного центра АН СССР, на базе этой машины организовался сначала Ленинградский научно-исследовательский вычислительный центр, а потом Ленинградский институт информатики и автоматизации АН
СССР. Следует отметить, это было время некоторого потепления советско-американских отношений, именно в это время реализовывался проект «Союз-Апполон».
Несколько слов о фирме «Контрол Дейта Корпорейшен». Эта фирма была организована в Миннеаполисе Биллом Норрисом в 1957 г., и ее первой машиной была СDС 1604. На этой же фирме работал Сеймур Крей, под руководством которого в 1962 г. была построена машина СDС 6600, которая состояла из центрального процессора и десяти процессоров ввода-вывода. Для своего времени это была самая мощная машина с быстродействием свыше одного мегафлопа. В это время СDС была серьезным соперником IBM. В 1972 г. Сеймур Крей организовал самостоятельную фирму Cray Research и создал серию мощных машин Cray. СDС тоже продолжала развивать линию мощных машин и выпустила серию машин Cyber, которые использовались для предсказания погоды и решения других сложных задач. Сотрудники СDС искали новые пути развития ВТ и в это время и произошла наша встреча с ними.
Таким образом, в результате стечения благоприятных обстоятельств нам удалось развернуть работу по реальному созданию рекурсивной машины. Закипела работа, в которой принимали уча- стиесотрудникинашейкафедры–В.А.Торгашев,В.И.Шкиртиль, С. В. Горбачев, В. Б. Смирнов, В. М. Кисельников, А. М. Лупал, Ю. Е. Шейнин и многие другие. В результате к 1979 г. были изготовлены многие блоки машины и осенью 1979 г. экспериментальный образец рекурсивной машины был предъявлен государственной ко-
218
миссиивоглавесакадемикомА.А.Дородницыным.Вспециальном Постановлении ГКНТ СССР и Комиссии Президиума Совета Министров СССР от 14.09.1979 г. за № 472/276 отмечалось, что запуск первого в мире экспериментального образца многопроцессорной рекурсивной машины высокой производительности и надежности является достижением мирового уровня. Были разработаны планы дальнейшего развития этой работы, но в декабре 1979 г. советские войска вошли в Афганистан и правительство США разорвало все научно-технические связи с СССР, в том числе и по линии фирмы «Контрол Дейта», что нанесло нам большой ущерб. Но работа продолжалась, хотя наш коллектив разделился – часть сотрудников в январе 1980 г. во главе с В. А. Торгашевым перешла в Ленинградский научно-исследовательский вычислительный центр АН СССР, другая часть продолжала работать на нашей кафедре над созданием различных модификаций многопроцессорных систем. В Институте кибернетики в Киеве был создан отдел рекурсивных машин. Таковы внешние контуры этой пионерской работы.
4.2.2. Принципы организации рекурсивных машин и систем
Рассмотрим принципы организации рекурсивных машин и си- стем.Вматематикесуществуетбольшойраздел–рекурсивныефунк- ции. Долгое время термин «рекурсия» употреблялся математиками, не будучи четко определенным. Его приблизительный интуитивный смысл можно описать следующим образом. Значение искомой функции Ф в произвольной точке Х (под точкой подразумевается набор значений аргументов) определяется через значения этой же функции в других точках Н, которые в каком-то смысле предшествуют Х. Само слово «рекурсия» означает возвращение. Рекурсивные функции – это вычислимые функции. По сути все вычислимые на компьютерах функции – это рекурсивные функции, но разные компьютерные архитектуры по-разному ведут вычислительные процессы. Чем лучше соответствует структура компьютера структуре задач, тем меньше затраты памяти и времени. И когда мы говорим о рекурсивных машинах, мы говорим о соответствии структур машины и задач, а так как задачи бывают разные, то структура машин должна гибко подстраиваться к структурам задач. Математика в настоящее время погружена в программирование, и в программировании рекурсивные операции распространены.
219
ЭВМ выступает как средство материализации логико-мате- матических преобразований. ЭВМ являет собой иллюстрацию концепции потенциальной осуществимости, поскольку при отсутствии ограничений на время работы и емкость памяти любая ЭВМ в состоянии провести любые вычисления. Конкретное же протекание процессов вычисления проявляется лишь на уровне организации преобразований информации (задействуются конкретные регистры, коммутаторы, процессоры, линии передачи данных в определенном порядке и сочетании и т. д.). С этой точки зрения «архитектура ЭВМ» – это ее структура в состоянии (процессе) реализации алгоритма, т. е. как бы ожившая структура. Философской основой такого представления является теория отражения, раскрывающая отображение категорий и явлений одной природы (чисел, алгоритмов) на объекты другой природы (физические элементы, сигналы). Причем это отображение взаимно неоднозначно – алгоритму аj может соответствовать множество архитектур {А} и обратно – архитектуре Аj непосредственно не соответствует какой-либо алгоритм аj. Специфика взаимодействия {а} и {А} раскрывает глубинные свойства диалектического процесса развития математики и ВТ как частного случая взаимодействия абстрактного и конкретного. Как отмечает С. А. Яновская, «лицо машинной математики все более зависит от развития философских и логических оснований математики». Не представляется возможным непротиворечивая формализация отображения {а} {А} из-за его неоднозначности. Поэтому построить соответствующую аксиоматическую теорию проектирования ЭВМ не представляется возможным.
Когда мы формулировали принципы организации рекурсивных машин, мы исходили из потребностей развития вычислительных машин и систем, получили множество авторских свидетельств [47–49 и др.], это был интересный творческий процесс, и с точки зрения достоверности сделанного тогда, в 1974–1979 гг., стоило бы полностью прочитать наш доклад на конгрессе ИФИП в Стокгольме [45]. Этот доклад содержал анализ недостатков машин традиционной архитектуры, ревизию принципов фон Неймана, принципы архитектуры рекурсивных машин, основные особенности языка рекурсивных машин, фрагментарное описание рекурсивной машины. В качестве иллюстрации рекурсивной структуры можно привести систему 3М – модульную микропроцессорную систему [52]. Система 3М строится из модулей трех типов – операционных, коммуникационных и интерфейсных.
220