۹.۰۵.۱۳۸۹

یک دنیا پیام

وقتی می‌خواهید نامه‌ای برای یکی از دوستان‌تان ارسال کنید، آن را درون پاکت قرار می‌دهید، آدرس را روی پاکت می‌نویسید، تمبر می‌چسبانید و نامه را با خوشحالی در صندوق پست می‌اندازید. تا اینجای کار همه چیز مرتب است. اما تصور کنید کارمند اداره پست در یکی از مراکز رسیدگی به نامه‌ها، تمام نامه‌های ارسال شده به آن مرکز را باز کند، همه صفحات نامه‌ها را با هم مخلوط کند و در نهایت آنها را به شکل یک بسته واحد بفرستد. شاید به نظر برسد این کار چیزی جز دستورالعمل کاملی برای یک فاجعه بزرگ نباشد، اما برخی کارشناسان معتقدند این درست همان ایده‌ای است که به‌کار بردن آن در مورد اینترنت می‌تواند گلوگاه‌های شبکه را کاهش دهد و سرعت جریان اطلاعات را دو برابر کند. این ایده که به «کدگذاری شبکه» (Network Coding) شهرت دارد، پیش از این برای بهبود شیوه انتقال تصاویر و نرم‌افزارها در اینترنت مورد آزمایش قرار گرفته است. اما وقتی که سیستم موجود ظاهرا سال‌ها است که به خوبی کار می‌کند، چرا باید در شیوه ارسال اطلاعات در اینترنت، تغییری به وجود آورد؟ موریل مدارد (M.Medard)، دانشمند علوم کامپیوتر در انستیتو تکنولوژی ماساچوست (MIT)، در پاسخ به این پرسش می‌گوید «برای درک ضرورت کدگذاری شبکه، استفاده از این قیاس رایج که در آن اینترنت به یک ابرشاهراه و بسته‌های اطلاعات به اتومبیل‌های در حال رفت‌وآمد در آن تشبیه می‌شود، مفید خواهد بود.» همه چیز به خوبی پیش می‌رود تا اینکه اتومبیل‌ها به تقاطعی می‌رسند که در لحظه تنها یک اتومبیل می‌تواند از آن عبور کند. در چنین شرایطی اتومبیل‌ها باید به خط شوند و به نوبت از تقاطع بگذرند که در نتیجه جریان بسیار کند خواهد شد.
اما به گفته ریموند یئونگ (R.Yeung)، استاد دانشگاه هنگ کنگ «اینجا جایی است که این قیاس درهم می‌شکند، چراکه اتومبیل‌ها اشیایی فیزیکی هستند که از قوانین فیزیک پیروی می‌کنند.» در واقع این حقیقت ارسال اطلاعات در اینترنت نیست، پس چرا باید آن را اینگونه تلقی کرد؟ در حال حاضر وظیفه جابه‌جایی پیام میان کامپیوترهای شبکه بر عهده دستگاهی است موسوم به «مسیریاب» (Router). این دستگاه پس از دریافت اطلاعات و شناسایی بهینه‌ترین مسیر انتقال، پیام را از آن مسیر به سوی مقصد ارسال می‌کند. با اینکه مسیریاب بهینه‌ترین مسیر انتقال را پیدا می‌کند اما قادر به از میان برداشتن محدودیت‌های ناشی از گلوگاه‌ها (تقاطع‌ها) نیست. یئونگ در این‌باره می‌گوید «ضرورتی ندارد که رفتار اطلاعات به شکل اشیا فیزیکی باشد. در واقع دستکاری شکل اطلاعات بدون از دست دادن محتوای آنها امکانپذیر است.» یئونگ برای مسئله گلوگاه‌ها در اینترنت راه‌حلی ابداع کرده که مبتنی بر این ویژگی قابل توجه اطلاعات است. یئونگ به جای مسیریاب از دستگاه‌های کدگذار استفاده کرد که می‌توانند بسته‌های اطلاعات را بخوانند و به سوی مقصدشان ارسال کنند. زمانی که دو بسته اطلاعات برای تنها فضای خالی موجود در یک تقاطع باهم رقابت می‌کنند، این دستگاه می‌تواند آنها را به شکل یک بسته واحد کدگذاری و به صورت همزمان ارسال کند. زمانی که این بسته جدید به کدگذار بعدی برسند، به شکل اولیه‌شان کدبرداری می‌شوند و اگر لازم باشد همراه با بسته سومی که مسیرش با آنها یکی است، دوباره کدگذاری خواهند شد. در واقع این فرایند کدگذاری و کدبرداری آنقدر ادامه می‌یابد تا پیام‌ها به مقاصد نهایی‌شان برسند.
با به‌کارگیری یک تابع ریاضی خطی مثل یک عمل منطق بولی یا معادلات همزمان پیچیده‌تر، می‌توان تعداد نامحدودی از بسته‌های اطلاعات را با هم ترکیب و دوباره به شکل اولیه‌شان بازیابی کرد. علاوه بر این، می‌توان نشانه‌هایی به محتویات بسته‌ها افزود تا به دستگاه کدگذار بگوید که از چه تابع ریاضی برای کدگذاری آن بسته استفاده شده است و به این ترتیب فرایند کدبرداری بسیار ساده‌تر خواهد شد. در سال ۲۰۰۰ یئونگ و همکارانش، رودولف آهلسود (R.Ahlswede) از دانشگاه بیله فلد در آلمان و نینگ کای (N.Cai) و شوین رابرت لی(S.Robert Li) در دانشگاه هنگ کنگ، این راه‌حل را در مورد مسئله مشهوری در جریان اطلاعات موسوم به «شبکه پروانه‌ای» به کار بردند. یئونگ و همکارانش توانستند نشان دهند که با استفاده از روش کدگذاری می‌توان تعداد عمل‌های شبکه پروانه‌ای را به نصف رساند (جزئیات کار یئونگ و همکارانش در باره شبکه پروانه‌ای در همین صفحه توضیح داده شده است). به بیان دیگر کدگذاری شبکه در ساده‌ترین حالتش می‌تواند بازده شبکه را دست‌کم دو برابر کند. یئونگ در این‌باره می‌گوید «اما در مورد شبکه‌های پیچیده‌تر واقعی، بهبود بالقوه عملکرد شبکه به کمک این روش بسیار فراتر از این خواهد بود.» در واقع محققان دانشگاه MIT به تازگی موفق شدند ثابت کنند که یک سیستم شبکه مبتنی بر کدگذاری در مقایسه با سیستم شبکه مبتنی بر مسیریابی مشابه، در انتقال تصویر از طریق یک شبکه ۲۰ گرهی «وای-فای» (Wi-Fi)، پنج برابر بهینه‌تر است.
با وجود این همه مزیت، چرا شبکه فعلی اینترنت فورا به شبکه مبتنی بر کدگذاری تبدیل نمی‌شود؟ ماتیاس گراس گلاوسر (M.Grossglauser)، مدیر آزمایشگاه اینترنت مرکز تحقیقات نوکیا در هلسینکی فنلاند در این‌باره می‌گوید «به این سادگی‌ها هم نیست، ایده کدگذاری شبکه بسیار فوق‌العاده و خلاقانه است اما من بسیار بعید می‌دانم که دستگاه‌های کدگذار جانشین مسیریاب‌های فعلی شوند. انجام چنین کاری نه تنها بی‌نهایت گران و پرهزینه خواهد بود بلکه مشکلات و موانعی مثل پردازش مورد نیاز برای کدگذاری و کدبرداری بسته‌های منفرد اطلاعات، در خود این تکنولوژی نیز باعث می‌شود به راحتی نتوان از دست مسیریاب‌ها خلاص شد.» با این حال شایعاتی مبنی بر اینکه دولت چین قصد دارد برخی ویژگی‌های کدگذاری شبکه را به دستگاه‌های مسیریاب اضافه کند، اما بیشتر کارشناسان بر این باورند که دست‌کم به این زودی‌ها نمی‌توانیم مسیریاب‌ها را به کلی کنار بگذاریم. اما به هرحال اگر بخواهیم به نیمه پر لیوان نگاه کنیم می‌توان گفت که کدگذاری شبکه تا اینجای کار دست‌کم به عنوان یک شیوه کارآمد در سازماندهی شبکه‌های بی‌سیم و همراه به همراه، خودش را مطرح کرده است.
کریستینا فراگولی (C.Fragouli)، متخصص کدگذاری شبکه در انستیتو فدارل سوئیس در لوزان در این باره می‌گوید «به خصوص شبکه‌های بی‌سیم می‌توانند برای شیوه‌های سنتی مسیریابی، بسیار دردسرساز باشند. در واقع گره‌ها یا همان دستگاه‌های بی‌سیم در این نوع شبکه‌ها می‌توانند حرکت کنند، از محدوده خارج شوند یا اینکه مانعی فیزیک باعث انسداد ارتباط آنها با شبکه شود.» در واقع به خاطر اینگونه مشکلات است که شبکه‌های بی‌سیم مبتنی بر مسیریابی اغلب نیازمند طراحی سیستم مدیریت‌اند. به بیان دیگر هر کدام از گره‌های موجود در این شبکه‌ها باید ارسال یک بسته اطلاعات را آنقدر تکرار کند تا اینکه یک پیام وصول خبر رسیدن صحیح و سالم بسته به گره بعدی در شبکه را به گره فرستنده برساند. با توجه به این که هر بسته‌ای پیش از رسیدن به مقصد نهایی از چند گره عبور کند و هر کدام از این گره‌ها پیش از متوقف کردن ارسال بسته باید منتظر دریافت خبر وصول باشند، کافی است شبکه منتظر دریافت خبر وصول از یک گره گم شده، خارج از دسترس یا مسدود شده که هرگز نخواهد آمد باقی بماند تا به کلی فلج شود. در چنین شرایطی تکنیک کدگذاری شبکه می‌تواند با فراهم آوردن امکان «ارسال چندگانه» یا به عبارت دیگر ارسال تمام بسته‌های کدگذاری شده به تمام گره‌های داخل محدوده شبکه، مشکل را حل کند. در واقع کدگذاری شبکه بدون آنکه سیستم را بر اثر تلاقی بسته‌ها با مسیر حرکت یکدیگر دچار تراکم بیش از حد کند، بسته‌های اطلاعات را به همه گره‌های واقع در محدوده شبکه می‌رساند و در پایان تنها این گره مقصد است که به محض دریافت اطلاعات، خبر وصول را به گره فرستنده ارسال می‌کند. به گفته مدارد «با توجه به اینکه در استفاده از کدگذاری شبکه دیگر نیازی به مدیریت اتصال‌های منفرد نخواهد بود، به راستی می‌توان توانایی شبکه در ارسال و دریافت سریع‌تر اطلاعات را افزایش داد.»
فرانک فیتزک (F.Fitzek)، استاد دانشگاه آلبورگ دانمارک به تازگی آزمایشی انجام داد که مزیت‌های کدگذاری در شبکه‌های بی‌سیم را به خوبی نشان می‌دهد. در آزمایش فیتزک به هر یک از موبایل‌های داخل شبکه سهمی معادل ۱۵ درصد اطلاعات موجود اختصاص داده شد، اطلاعاتی که این موبایل‌ها (گره‌ها) از طریق ارسال چندگانه بین هم تقسیم کردند. فیتزک دریافت که به این روش هر یک از این موبایل‌ها توانستند ۱۰۰ درصد اطلاعات را با سرعتی ۱۰ برابر سرعت سیستم‌های مبتنی بر مسیریابی به دست آورند. نکته جالب توجه دیگر در آزمایش فیتزک این بود که معلوم شد حتی توان پردازش و محاسبه محدود یک گوشی موبایل هم می‌تواند از پس فرایندهای کدگذاری و کدبرداری، برآید. در واقع چنین عملکرد شطح بالایی بود که آژانس پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی ایالات متحده (DARPA) را بر آن داشت تا اوایل سال میلادی جاری سرمایه‌گذاری قابل توجهی به منظور طراحی و ساخت یک سیستم مخابراتی شبکه کدگذاری بی‌سیم برای افراد و ادوات نظامی، انجام دهد. علاوه بر این در حال حاضر کمپانی‌های دیگری مثل شرکت چینی UUSee.com نیز امکان انتقال فایل‌های تصویری از طریق شبکه کدگذاری را برای اعضای خود فراهم کرده‌اند. به گفته یئونگ «قرار دادن سیستم کدگذاری شبکه در زیرساخت‌های مخابراتی فعلی توسط این کمپانی چینی باعث شده است کاربران آن بتوانند فایل تصویری‌ای را که دانلودش در شبکه‌های عادی شش دقیقه طول می‌کشد، ظرف تنها ۳۰ ثانیه دانلود کنند.» سیستم «توزیع امن محتوای مایکروسافت» نیز مبتنی پروتکلی موسوم به «آوالانچ» است که از نوع کدگذاری شبکه به شمار می‌رود.
در واقع هزاران کاربر این شبکه به لطف ویژگی‌های بی‌نظیر کدگذاری شبکه توانستند در سال گذشته یکی از نرم‌افزارهای بزرگ و پرحجم مایکروسافت موسوم به «Visual Studio» را به راحتی دانلود کنند. کریستوس کانتسیدیس (C.Gkantsidis)، مدیر گروه سیستم‌ها و شبکه بخش تحقیقات کمپانی مایکروسافت در این‌باره می‌گوید «در مقایسه با برنامه پیشین توزیع نرم‌افزار، این‌بار سرعت دانلود توسط کاربران به شکل غیرقابل باوری افزایش یافته بود. دفعه پیش کاربران باید چند روز متوالی دانلود را ادامه می‌دادند اما به کمک سیستم P۲P این زمان به تنها چند ساعت کاهش یافت.»

هیچ نظری موجود نیست: