Кибернетическая картина мира. Есть многое на свете, друг Горацио, что недоступно нашим
 Скачать 14.04 Mb.
|
|
Network Control Centre Saint-Petersburg Moscow Dial-Up Line DPT Ring Cisco GSR Catalyst 3550 Catalyst 3550 Catalyst 3550 Catalyst 3550 Catalyst 3550 Catalyst 3550 L2VPN Modem Cisco 2511-RJ Catalyst 3550 Gigabit Ethernet Cisco 7206 VXR Internet Mail,DNS NetFlow Cisco 10720 Cisco 10720 Cisco 10720 DPT Ring Cisco GSR Catalyst 3550 Catalyst 3550 Catalyst 3550 Catalyst 3550 Catalyst 3550 Catalyst 3550 L2VPN Modem Cisco 2511-RJ Catalyst 3550 Gigabit Ethernet Cisco 7206 VXR Internet Mail,DNS NetFlow Cisco 10720 Cisco 10720 Cisco 10720 Cisco 2610XM Catalyst 3550 FastEthernet Billing Server Operator Operator Modem Internet GigabitEthernet/CWDM Network Рис. 4.1. Схема сети передачи данных 213 2) обеспечение максимальной унификации присоединения за- интересованных потребителей с тем, чтобы обеспечить бесперебой- ную «поточность» присоединения даже для случаев оперативного развертывания передвижных пунктов сбора и обработки радиоло- кационной информации (например, при возникновении чрезвы- чайных ситуаций); 3) создание предпосылок для гибкого увеличения и расширения предоставляемых сетью сервисов, что особенно важно для обеспе- чения эволюции распределенной системы радиолокационного кон- троля; 4) максимальное снижение затрат на коммуникационную со- ставляющую в расчете на конечного потребителя. Снижение рисков отказа отдельных компонент широкопо- лосной сети достигалось соответствующими организационно- техническими методами, в том числе обоснованным резервиро- ванием 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 группо- вых сбоев отдельных составляющих. в зависимости от критичности последствий принималось решение о повышении отказоустойчиво- сти отдельных компонентов. После выявления и локализации уяз- вимых мест производились натурные испытания, имитирующие аварийную ситуацию, позволяющие скорректировать как суще- ствующие аппаратно-программные конфигурации отдельных эле- ментов сети, так и процедуры устранения аварийных ситуаций. обеспечение унификации подключения новых источников дан- ных и центров обработки в системе радиолокационного контро- ля обеспечено за счет использования стандартизованных и типо- вых решений. заложенная в сети «Евразия Телеком» технология Ethernet является сегодня единственной, которая считается обла- дающей запасом на будущее для всех типов приложений и услуг. Стратегически при построении распределенной системы радиоло- кационного контроля принимается во внимание полный спектр ре- шений: 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- 214 ем специфических требований к характеристикам пути, по которому доставляется единица передаваемой информации. возможны следу- ющие 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 ин- формации о разных классах пакетов между узлами системы пере- дачи данных. это производится двумя методами: внешней сигнали- зацией и с помощью маркировки каждого индивидуального пакета в соответствии с его классом. Управление ресурсами узлов IP-сети определяет политику по от- ношению к передаваемым пакетам в ситуации нехватки ресурсов (перегрузки), т. е. когда поток входящих данных кратковременно или постоянно превышает скорость разгрузки узла выходящим по- током. При помощи информации, полученной на этапе 3, узел определя- ет свою политику 4 по отношении к разным категориям пакетов. При этом основным методом управления являются разные стра- тегии буферизации. Например, поток пакетов, требующий достав- ки в реальном режиме времени, получает абсолютный приоритет и прерывает передачу других потоков, а потоки, главными требо- ваниями которых является получение максимальной пропускной способности, делят между собой буфер значительного размера со- гласно относительного приоритета между собой. Шаг 5 является дополнительной мерой, направленной на по- вышение эффективности работы протоколов надежной доставки 215 нечувствительного к задержкам трафика и включает в себя меха- низмы 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 обра- ботки полученных данных. Следует отдельно выделить услуги ви- део- и мультивещания. видеосодержание услуги видео может быть как широкодоступ- ным, так и строго контролируемым – в зависимости от источника и аудитории, а также принятой конфиденциальности целевых дан- ных. Услуга мультивещания видеопотоков ориентирована на ши- рокий круг заинтересованных потребителей. Как пример, пользо- ватели могут просматривать передаваемый видеопоток, описываю- щий метеообстановку, прямо в web-странице. одним из исследованных вариантов предоставления информа- ционного контента явилось использование специализированных программно-аппаратных средств SSG, дающих широкие возмож- ности по варьированию предоставляемых информационных серви- сов и классов обслуживания. Исследования выполнялись примени- тельно к серии маршрутизаторов Cisco 26xx, оснащенных соответ- ствующей 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 радиолока- ционной информации (начиная от заинтересованных министерств и ведомств и закачивая физическими лицами, обеспечивающими, например, метеорологическую поддержку собственного досуга). Проведенные эксперименты позволяют с уверенностью утверж- дать, что исследованные технологии, транспортные сети и мето- дики могут быть с успехом использованы как для предоставления традиционных телекоммуникационных услуг, так и для построе- 216 ния единых национальных технологических сетей. Количество по- требителей информации применительно к рассмотренной телеком- муникационной сети может достигать десятков тысяч с суммарной полосой пропускания более 10 Гбит/c. в качестве одного из возможных направлений дальнейшего раз- вития 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. в настоящий момент наибольший интерес представляют отече- ственные аэростатные системы «Рысь», «Ягуар» и «Пума». в сильно населенных пунктах РФ возможны следующие вари- анты применения: 1) организация последней мили для традиционных потребите- лей телекомуникационных услуг (операторы связи, организации и частные лица); 2) организация последней мили для дорожных датчиков в инте- ресах дорожного комитета; 3) обеспечение функционирования систем дзА (дистанционно- го зондирования атмосферы). вероятные потребители – аэропорты, морские порты, дорожные службы, Росгидромет, МЧС, Госатом- надзор, Мо. Применительно к регионам РФ наибольший интерес представ- ляет оказание услуг на пространственно разнесенных слабонасе- ленных территориях, прежде всего в местах расположения нефте- и газодобывающих предприятий (например, Республика Коми). 4.2. рекурсивные вычислительные системы 4.2.1. История разработки рекурсивных машин После организации кафедры вычислительных систем и сетей д.т.н. М. Б. Игнатьевым в Ленинградском институте авиационного прибо- ростроения (ЛИАП) в 1972 г. кроме робототехники важным направ- 217 лением ее деятельности было выбрано создание развивающихся вС нетрадиционной архитектуры. Чтобы понять логику такого решения, необходимо рассказать о состоянии мировой вТ в начале 70-х гг. в это время господствовала фирма IBM, грубо нарушая законы о монополиях и ведя судебные процессы во многих штатах внутри США и в других странах. этот монополизм проявился и в компью- терной 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 фон- неймановская архитектура, которая уже не могла удовлетворить потребителей. в Советском Союзе шла борьба между двумя тенден- циями – развивать свои собственные разработки, такие как БэСМ, «Урал» и др., или копировать зарубежный опыт, прежде всего ма- шины IBM. в этой ситуации наша молодая кафедра, выделившаяся из кафедры технической кибернетики, решила развивать нетради- ционные многопроцессорные вычислительные системы, которые в перспективе обеспечивали высокую производительность и на- дежность. для нас это решение было продолжением наших работ в области цифровых дифференциальных анализаторов, которые являлись многопроцессорными специализированными рекурсив- ными структурами с обратными связями, высокопроизводитель- ными и надежными за счет введения избыточности методом избы- точных переменных, который ранее был нами разработан. важный шаг был сделан нашим доцентом в. А. Торгашевым, который пред- ложил распространить и развить эти принципы на универсальные вычислительные машины. в итоге родилась концепция рекурсив- ных машин, которая получила поддержку Государственного коми- тета по науке и технике в Москве и Института кибернетики (ИК) во главе с академиком в. М. Глушковым в Киеве. Сложился кол- лектив из москвичей, которых представлял в. А. Мясников, из ки- евлян, которых представлял в. М. Глушков, и ленинградцев с об- щим 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 традицион- ную архитектуру и провозглашал нетрадиционную рекурсивную, которая потом завоевала весь мир в виде систем клиент-сервер. впервые советская компьютерная разработка была анонсирована 218 на международной арене, что привлекло внимание с разных сто- рон. Текст этого доклада представлен в прил. 3. Итогом этой акции было, во-первых, включение работы в программу ГКНТ и выделе- ние финансов на создание экспериментального образца рекурсив- ной машины, во-вторых, соглашение с фирмой «Контрол дейта» по созданию рекурсивной машины на основе наших архитектур- ных 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 «Кон- трол 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 Ле- нинградский 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 реализо- вывался 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 фир- ме 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 време- ни это была самая мощная машина с быстродействием свыше одно- го 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 продол- жала развивать линию мощных машин и выпустила серию машин Cyber, которые использовались для предсказания погоды и реше- ния 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 обстоя- тельств нам удалось развернуть работу по реальному созданию ре- курсивной машины. закипела работа, в которой принимали уча- стие сотрудники нашей кафедры – 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 изготов- лены многие блоки машины и осенью 1979 г. экспериментальный образец рекурсивной машины был предъявлен государственной ко- 219 миссии во главе с академиком А. А. дородницыным. в специальном Постановлении ГКНТ СССР и Комиссии Президиума Совета Мини- стров 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 про- должалась, хотя наш коллектив разделился – часть сотрудников в январе 1980 г. во главе с в. А. Торгашевым перешла в Ленинград- ский 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. Тако- вы внешние контуры этой пионерской работы. 4.2.2. Принципы организации рекурсивных машин и систем Рассмотрим принципы организации рекурсивных машин и си- стем. в математике существует большой раздел – рекурсивные функ- ции. долгое время термин «рекурсия» употреблялся математиками, не будучи четко определенным. Его приблизительный интуитивный смысл можно описать следующим образом. значение искомой функ- ции Ф в произвольной точке Х (под точкой подразумевается набор значений аргументов) определяется через значения этой же функ- ции в других точках Н, которые в каком-то смысле предшествуют Х. Само слово «рекурсия» означает возвращение. Рекурсивные функ- ции – это вычислимые функции. По сути все вычислимые на ком- пьютерах функции – это рекурсивные функции, но разные компью- терные архитектуры по-разному ведут вычислительные процессы. Чем лучше соответствует структура компьютера структуре задач, тем меньше затраты памяти и времени. И когда мы говорим о рекур- сивных 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 ре- курсивные операции распространены. 220 эвМ выступает как средство материализации логико-мате- матических преобразований. эвМ являет собой иллюстрацию кон- цепции потенциальной осуществимости, поскольку при отсутствии ограничений на время работы и емкость памяти любая эвМ в со- стоянии провести любые вычисления. Конкретное же протекание процессов вычисления проявляется лишь на уровне организации преобразований информации (задействуются конкретные реги- стры, коммутаторы, процессоры, линии передачи данных в опреде- ленном порядке и сочетании и т. д.). С этой точки зрения «архитек- тура 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, алгорит- мов) на объекты другой природы (физические элементы, сигналы). Причем это отображение взаимно неоднозначно – алгоритму аj мо- жет соответствовать множество архитектур {А} и обратно – архи- тектуре 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 матема- тики». Не представляется возможным непротиворечивая формали- зация отображения {а} {А} из-за его неоднозначности. Поэтому построить соответствующую аксиоматическую теорию проектиро- вания эвМ не представляется возможным. Когда мы формулировали принципы организации рекурсив- ных машин, мы исходили из потребностей развития вычисли- тельных машин и систем, получили множество авторских свиде- тельств [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 ма- шин традиционной архитектуры, ревизию принципов фон Ней- мана, принципы архитектуры рекурсивных машин, основные особенности языка рекурсивных машин, фрагментарное описа- ние рекурсивной машины. в качестве иллюстрации рекурсивной структуры можно привести систему 3М – модульную микропро- цессорную систему [52]. Система 3М строится из модулей трех типов – операционных, коммуникационных и интерфейсных. 221 операционные модули выполняют основную работу по обработке данных, реализации объектов математической памяти, процессов определения готовности и выполнения операторов программы на внутреннем языке. Коммуникационный модуль предназначен для реализации коммуникационной системы – установления логиче- ского соединения между модулями, обмена информацией между модулями, поиска в системе ресурсов запрошенного типа. Интер- фейсные модули подключаются к внешним устройствам своими блоками ввода-вывода. вопросы организации обмена информаци- ей с внешним миром имеют большое значение для существенно многопроцессорных систем, оказывают значительное влияние на их фактические характеристики. Различные классы задач требу- ют различной интенсивности обмена с внешними устройствами. вычислительная система должна обеспечивать построение таких ее конфигураций для каждого конкретного применения, которые бы обладали оптимальными для этого применения характеристи- ками по вводу-выводу. Система 3М обеспечивает инкрементное наращивание вычислительной мощности до любого необходи- мого значения путем подключения дополнительных блоков без внесения изменений в имеющуюся систему и ее По как на этапе разработки системы, так и в ходе ее эксплуатации. Методология проектирования и реализации системы 3М базируется на рассмо- трении вС как иерархии виртуальных машин. Система 3М имеет рекурсивно-организованную многоуровневую структуру. Рекур- сивность структуры состоит в том, что структура всякой модифи- кации системы задается рекурсивным определением. Развитие рекурсивной структуры осуществляется с помощью операции поляризации. динамически меняющиеся в ходе вычислений вир- туальные процессы требуют постоянной динамической реконфи- гурации связей между модулями. Сейчас реализуются системы, содержащие тысячи и миллионы процессоров. |