Кибернетическая картина мира

Россия – 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