ВЕРСИЯ ДЛЯ СЛАБОВИДЯЩИХ
Войти
Логин:
Пароль:
Забыли пароль?
научная деятельность
структура институтаобразовательные проектыпериодические изданиясотрудники институтапресс-центрконтакты
русский | english
Интеллектуальный анализ данных >> О кафедре >> Связывающие одной сетью

На Большом Каретном стоит дом, в доме находится Институт проблем передачи информации, на шестом этаже которого есть дверь с табличкой «Лаборатория №18: методов анализа и синтеза сетевых протоколов». За дверью – совсем не то, чего ожидаешь от лаборатории: ни химического запаха, ни нагромождений аппаратуры. Два помещения, в одном – кьюбиклы с персональными компьютерами, в другом – огромный стол для переговоров, а одну из стен полностью занимают маркерные доски.

Зачем железу этикет

 — Ну, давайте с названием сначала разберёмся, – начинает рассказывать Антон Кирьянов, выпроводив из переговорки коллег. – Cинтезом протоколов в рамках одного института одной страны заниматься никто сейчас не будет. Только если вам не нужен протокол для какой-то одной узкой задачи. Военной, например. Если взять широкий гражданский стандарт, например WiFi, и на бумаге его напечатать – это тысячи страниц. Огромный проект. Синтез, разработка протокола – это мировая задача. Так что синтезом мы занимаемся в рамках работы в международных комитетах. А на уровне одной лаборатории можно самостоятельно развивать какие-то отдельные вещи в рамках одного стандарта, то есть заниматься анализом.

Сетевой протокол – довольно сложная штука для объяснения на пальцах. Потому что абстрактная в настоящем смысле этого слова: её нельзя взять рукой и продемонстрировать, как нельзя выложить на стол правила хорошего тона или музыкальную гармонию. Но можно, конечно, попробовать их исчерпывающе сформулировать и напечатать на бумаге – там тоже будут тысячи страниц.

В коммуникации всегда находятся как минимум двое. Как только кто-то собирается что-то кому-то сообщить, у нас на руках коммуникационная задача. Если решать её с нуля, то начинать придется с освоения языка. Как именно это у нас самих выходит, учёные всё ещё разбираются, но принципиальная схема того, как устроена речь, уже есть.

Лингвисты выделяют различные уровни речи: на одном происходит звукоизвлечение (фонемный), на другом эти звуки сплетаются в кусочки слов, приставки, корни, окончания (морфемный), дальше эти кусочки становятся словами (лексика), а там уже складываются в предложения, за которые отвечает синтаксис. И для того, чтобы разговор между двумя людьми состоялся, их высказывания на всех этих уровнях должны быть правильными.

Подобным же образом дело обстоит с общением и у железа: специалисты по телекоммуникациям разделяют протоколы на несколько слоев, обыкновенно размещая их на семи ярусах: от прикладного (на котором описывается то, как формулируют свои сообщения конечные приложения: чаты, браузеры, видеоигры) до физического (то, каким должен быть сам сигнал, передающий информацию). В некотором смысле, утопическая мечта формализации обыденного языка – это reverse-engineering проект, нацеленный на то, чтобы дедуцировать правила, регулирующие нашу речь и разобраться, как это так получается, что мы друг друга понимаем.

— Мы занимаемся в основном беспроводными вещами, так что «сидим» на двух нижних уровнях: канальном и физическом, – продолжает Кирьянов, пока я вспоминаю, сколько же уровней в речи выделяют лингвисты. – Физический это, условно, о том, какие сигналы, модуляции передаются в среде. А следующий, MAC-уровень, это доступ к среде – описание того, что должно сделать устройство, для того чтобы получить право передавать данные в среду. Ну, давайте я про наиболее острые вещи расскажу.

Мой собеседник показывает фотографию: столб, на котором гнездится огромный моток сетевых проводов. Я говорю: «О, Индия!». Кирьянов смеётся:

— Почти. Это мы были в Бангкоке, там очень интересно. Ощущение, что старые провода они вообще не снимают, и если что-то не работает, то говорят «давайте мы еще один провод повесим, вдруг заработает». Но экономически, провода – это зачастую не выгодно, не говоря уже о том, как это выглядит. А иногда у вас сенсор какой-нибудь плавает в океане, ну какой тут провод?

Показывает следующую. Тоже из Бангкока, и содержательно ничем от первой не отличается:

— Вот, смотрите – это один из крупных торговых центров Бангкока. Тут каждые 15 метров расположен кластер из 4-х точек доступа Wi-Fi, от разных операторов. Каждый оператор ставит свою точку доступа, потому что зона приёма сигнала у точки ограничена, а им ведь необходимо всю территорию покрыть. Двери, стены, понятное дело, мешают. Чем ближе вы стоите к точке доступа, тем больше у вас скорость передачи, потому что лучше сигнал. Поэтому их пытаются понаставить как можно более часто. И что дальше происходит?

Понятно, что происходит: когда в помещении одновременно говорит несколько десятков человек, вы услышите только того, кто стоит к вам ближе всего. Так же и со связью: когда множество передатчиков работает рядом, они «светят» друг на друга, и пропускная способность падает у всех.

— Если ничего с этим не делать, то у вас будут хором говорить тысячи устройств. И когда одновременно несколько устройств попытаются передать данные, пакеты попадут в коллизию и никто ничего не передаст. Поэтому тут начинают появляться различные «фишки». Особенности доступа к среде.

Чтобы устройства не «галдели», перебивая друг друга, им нужно объяснить, как правильно себя вести. Объяснить, как общаться друг с другом – чтобы мы, при их посредстве, смогли, в свою очередь друг с другом пообщаться.

В каждом конкретном случае проекты в лаборатории №18 – это задачи по тонкой настройке протокола. В самом стандарте не написано, как именно им пользоваться, только описывается, что с его помощью можно сделать. Дальше уже начинается работа специалистов – она в своем роде педагогическая: надо учить конкретные «железки» правильно им пользоваться.

— Стандарт, он как ящик с инструментами. Как этими инструментами пользоваться, уже вы выбираете. Можете пытаться забивать гвозди не молотком, а отвёрткой, например. Иногда это оправдано. В общем, мы ездим на заседания различных международных комитетов, вносим свой вклад в разработку протоколов. Наш «рисёч», он ведь весь открытый – и если мы что-то придумали, то это принадлежит всему сообществу. Ты никогда не знаешь, где оно может выстрелить. Мы можем просто что-то придумать для всеобщей пользы – сказать люди, вот! Пользуйтесь этим. Этот механизм примените и будет вам хорошо. Наука не так устроена, чтобы результат работал только на кого-то персонально. Наука должна быть общемировой и открытой.

Математика, физика, код

«Рисёч» и решения, конечно, требуют верификации и валидации. У «сетевиков» производственный цикл начинается на уровне математики и заканчивается готовым прототипом – путь этот тоже проходит через несколько слоёв.

— Лучше всего, конечно, было бы брать глобальную сеть и проверять, как работает наше решение. Понятное дело, разворачивать какую-нибудь LTE-сеть в масштабах города это несбыточная мечта, – разводит руками Кирьянов, – никакой оператор не даст вам свою сеть на пару часов, чтобы какие-то парни из лаборатории там что-нибудь потестили.

Поэтому эксперименты проводятся иначе. Во-первых, сетевики очень много занимаются моделированием – как, например, и астрофизики, которым тоже, к их великому сожалению, никто не даёт  «порулить» звёздными системами.

— Ну, что это такое. Есть имитационная среда, это код на С++, он открытый, разрабатывается всем миром, каждый может написать кусок и так поучаствовать в его развитии. Это, грубо говоря, стенд. Там «в цифре» детально реализованы протоколы, которые используются в реальных устройствах. TCP, IP, UDP, WiFi, LTE – всё, что угодно. Вы делаете ноду-сервер, устанавливаете на ней свой протокол, делаете клиента. Можно даже движение клиента эмулировать. Выбираете или создаёте свой тип трафика и начинаете моделировать – например, 10 секунд передачи видео.

Для того, чтобы эмулировать поведение сети нужны большие вычислительные мощности. Моделирование секунд передачи может занимать многие часы. Поэтому для того, чтобы смоделировать работу сети уже нужна работающая сеть.  Для того, чтобы распределить вычислительную нагрузку — модели обсчитываются в лаборатории на машинах, в свою очередь, объединённых в сеть: им раздают задачи на вычислительные узлы, а потом собрать результаты, которые были этими вычислительными узлами посчитаны.

— У нас тут штук 20 компьютеров, на каждом из которых 4-8 ядер. Мы их объединили в специальную сеть, которая позволяет параллельно все эти процессы считать. Ну, и курчатовским кластером пользоваться пытаемся, но там у коллег еще куча нерешенных проблем с систематизацией работы, поэтому пока в основном приходится справляться самим.

Но начинается всё традиционным образом – с доски и математики. Поэтому спектр познаний у тех, кто развивает сетевые технологии, выглядит примерно так: во-первых, физика – надо понимать, как распространяются сигналы в среде, во-вторых – математика. Отдельно – телекоммуникации, понимание сетевых технологий и, конечно же, программирование:

— Да, и программирования становится всё больше и больше, потому что это связано с моделированием. И физики тоже всё больше: до недавнего времени с железом почти не работали. Но теперь начнём: оборудование появилось. – сообщает Кирьянов, – Ведь полный цикл такой: сначала получили теоретические результаты, проверили на имитационном моделировании, а потом пошли и сделали натурэксперимент. Ну и дальше там уже запуск в продакшн. Вот полный цикл.

— И как показала практика, с железками дело иметь намного сложнее, чем с кодом, – продолжает рассказывать он, – у нас пока со всем этим только один сотрудник мучается. Это уже сильно физика, важная — физика распространения сигнала в среде. Имитационное моделирование с распространением сигнала и интерференцией справляется не идеально. Потому что в реальности всё совсем по-другому, конечно. И, тем более, что уж говорить о математике в сравнении с действительностью. Математики конечно любят, чтобы пакеты по Пуассону приходили: хорошо берутся производные, интегралы, всё хорошо подставляется. И, главное, получатся красивые формулы, пишете статью – красиво! Или ограничение жизни пакета они по Пуассону распределяют – мой собеседник хмыкает, – но у вас если пакет на видеоконференции задержался на 5 секунд, он не будет использован уже никак. Там есть окно, 300 миллисекунд. Не пришел в буфер за 300 мс – всё, привет! Картинка не отобразится уже никогда, Математики с такими штуками работать не любят – некрасиво. Реальность, она, конечно, не очень удобна для математики. Поэтому надо работать с «железом».

Чтобы не упереться в потолок

Когда я задаю вопрос о больших фундаментальных целях, стоящих перед лабораторией, Кирьянов смотрит на меня с легким недоумением, будто я внезапно спрашиваю его о том, зачем мыть руки перед едой или прививаться от ветрянки.

— Знаете, это называлось недавно приоритетным направлением развития российских технологий, – улыбка, – но это, конечно, просто бюрократическая формулировка. Мы – те, кого называют enablers. Позволяем людям получать то, что им нужно. («Хотите на Марс? Ищите того, кто построит вам ракету», – думаю я.) У оптимизации, которой мы занимаемся, две стороны: с математической точки зрения это функция полезности, с гуманитарной – степень удовлетворенности пользователя. Недавно ещё рингтоны на телефоны закачивали по проводу, а потом интернет в каждом девайсе появился. В какой-то момент сети начинают перегружаться, не могут переваривать такую нагрузку, поэтому технологии постоянно приходится улучшать. Запросы-то расти не перестанут. Вы теперь уже и HD-видео хотите на телефоне смотреть. В общем, надо что-то делать, чтобы не упереться в потолок. Есть например такая штука, новая – тактильный интернет. Врач будет делать операцию в одном городе, сам находясь в другом. Для этого нужны вообще адские скорости, задержки должны быть миллисекундные, не больше. И для того, чтобы этого добиться, это история совсем не про «железо». Новая технология это в первую очередь интеллектуальная начинка, её надо садиться и придумывать. Это спецификации протоколов, это код, это новая математика. Мы не «хардварщики». Железо — это уже потом.

Развитие сетевых технологий начинает влиять на нашу жизнь намного быстрее, чем открытие новой частицы или изобретение технологий редактирования генома. Хотя мы этого почти не замечаем. Еще несколько лет назад – может, кто-нибудь помнит? – пределом обычного роутера, который вы ставили дома, была скорость 10 Мбит/с. Сейчас это уже давно не так. Сегодняшние скорости беспроводной сети выше в десятки раз. А площадки для стартов в «завтра» уже давно разрабатываются — в лабораториях, подобных этой. ИППИ участвует в разработке стандарта WiFi следующего поколения, IEEE WiFi 802.11ax – работа началась в 2014 году, а значит к 2019 он будет опубликован, а потом и наши домашние сети ускорятся. И мы этого наверняка не заметим. Потому что возросшая мощь технологии вновь на шаг опередит наши потребности.

Иван Шунин, ТАСС-Чердак (2017 г.)

 

 

НОВОСТИ И ОБЪЯВЛЕНИЯ
Собеседование на Кафедру проблем передачи информации и анализа данных (ИППИ РАН) для студентов второ...
ВНИМАНИЮ СТУДЕНТОВ! Обновлены программы курсов Кафедры проблем передачи информации и анализа данных ...
ВНИМАНИЮ СТУДЕНТОВ! Обновлено расписание занятий на весну 2015 в аудиториях ИППИ РАН в Большом Карет...
Вторая часть курса лекций "Введение в Квантовую теорию поля" проф. Александра Белавина в...
Изменения в расписании базовых кафедр...
Обновлено расписание занятий базовых кафедр МФТИ в ИППИ РАН, весенний...
15 марта в 17 часов в 115 кпм для студентов базовой кафедры состоится...
Все новости   
 

 

© Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт проблем передачи информации им. А.А. Харкевича Российской академии наук, 2024
Об институте  |  Контакты  |  Противодействие коррупции