V roce 1989 byl výzkumný pracovník LBL Bill Johnston povolán do Washingtonu na slyšení v americkém Senátu. Jeho účelem bylo prozkoumat potenciál národní informační superdálnice.
Johnston a jeho kolegové ukázali Washingtonu budoucnost. Během první živé počítačové demonstrace, která kdy proběhla před senátním slyšením, předvedli možnosti vysokorychlostní transkontinentální počítačové sítě. Výzkumníci zapojili počítač a zobrazili data zpracovaná, analyzovaná a sestavená do animovaných vědeckých „filmů“ zařízeními a výzkumníky rozmístěnými tisíce kilometrů od sebe. Předvedli, jak lze dočasně propojit zařízení, jako je jednotka pro zobrazování magnetickou rezonancí, superpočítače, zařízení pro ukládání dat a počítačové pracovní stanice, a propojit tak jednotlivce a zdroje způsobem, který dosud nebyl možný.
 |
OBRAZ INTERNETOVÉHO DOPRAVNÍHO RUCHU NA KOSTCE NSFNET T1 |
O čtyři roky později přiletěli do kalifornského Silicon Valley prezident Bill Clinton a viceprezident Al Gore, který jako senátor předsedal slyšení v roce 1989. Na setkání ve společnosti Silicon Graphics Inc. se seznámili se stavem vznikající informační superdálnice a následně se podělili o svou vizi její budoucnosti. Gore se o tento projekt zasazoval již od jeho počátků.
V předvečer návštěvy Clintona a Gora rozeslal Andrew Cherenson ze společnosti Silicon Graphics pohotovou zprávu o šířící se počítačové síti připomínající pavučinu, která nyní spojuje mnoho akademických a výzkumných institucí po celém světě: Má někdo zájem o konferenci Clinton/Gore? Později se přihlásil a zkontroloval odpověď. Druhý den ráno Cherenson připojil minikameru Sony a připojil se ke Clintonovi a Gorovi během jejich brainstormingu s plánovači a aktéry, kteří pomáhají budovat informační superdálnici. Po celém světě sedělo u svých stolů před počítačovými pracovišti 200 nadšených „účastníků“, kteří sledovali dění v Silicon Graphics a zároveň mezi sebou komentovali. Cherensonova improvizovaná videokonference – předzvěst toho, jak snadno budeme moci v blízké budoucnosti hovořit, společně se navštěvovat a sdílet informace – se vysílala v 11 zemích a 22 časových pásmech.
Před deseti lety byla taková komunikace konvenční ve světě science fiction, ale nová a cizí jako cíl národní politiky. Počínaje rokem 1968 poskytla federální vláda prostřednictvím své Agentury pro pokročilé obranné výzkumné projekty (DARPA) počáteční finanční prostředky na vytvoření nejprve jedné a poté několika experimentálních sítí, které mohly přenášet data mezi výzkumnými institucemi vysokou rychlostí. Tyto prototypové sítě se vyvíjely, rozšiřovaly a rychle propojovaly. Dnes spojená infrastruktura více než 11 000 sítí známá jako internet nebo jen „síť“ spojuje až 10 milionů lidí na celém světě.
Laboratoř Lawrence Berkeleyho byla od počátku jedním z hlavních architektů síťových počítačů a od roku 1972 pomáhala „rozvíjet síť“. LBL „vyrazila do éteru“ v roce 1975 a stala se jednou z několika institucí připojených k síti. Když byl internet v roce 1986 přetížen, vázl a byl na pokraji sebezničení, byl výzkumný pracovník LBL Van Jacobson členem dvoučlenného týmu, který ho pomohl zachránit před těmi, kteří doporučovali, aby byl opuštěn. V nedávné době se Jacobson a jeho tým zasloužili o další klíčové přínosy, když navrhli proměnu původně datového a e-mailového potrubí v síť, která nyní umožňuje mnoha lidem mluvit a okamžitě komunikovat prostřednictvím síťových audio- a videokonferencí. Dnes tato kultura, v níž dříve převládala pošta, vzkvétá a umožňuje lidem z celého světa běžně komunikovat, stejně jako tomu bylo během návštěvy Clintona a Gora v Silicon Graphics. LBL je také průkopníkem v oblasti distribuovaných vědeckých výpočtů a vytváří nové vazby, díky nimž je umístění drahých výpočetních zdrojů nepodstatné.
Podíváme-li se na to, čeho bylo dosaženo a na čem se pracuje, ředitel divize informačních a výpočetních věd LBL Stu Loken říká, že jsme na úsvitu nového informačního věku.
„Federální vláda má dlouhou historii investic do národní infrastruktury,“ poznamenává Loken. „V 18. století vybudovala kanály, v 19. století železnice a ve 20. století mezistátní dálnice. Zhruba před deseti lety pak zahájila výstavbu vysokorychlostních počítačových sítí. Tyto sítě jsou dálnicemi informačního věku.“
Loken a téměř všichni ostatní výzkumníci v oboru tvrdí, že informační superdálnice povedou k nevyhnutelnému sblížení televize, telefonu, kabelové televize, počítačů, spotřební elektroniky, vydavatelství a informačních podniků do jediného interaktivního informačního průmyslu. Viceprezident Gore předpovídá, že to bude „nejdůležitější a nejlukrativnější trh 21. století“. Společnost AT&T uvádí, že do roku 1996 očekává celosvětový informační trh v hodnotě 1,4 bilionu dolarů; Apple Computer odhaduje, že do roku 2001 vzroste tento trh na 3,5 bilionu dolarů.
Vize informačních superdálnic v roce 1986 téměř ztroskotala.
Tenkrát měl internet téměř dvě desetiletí 10 000 uživatelů. Ti se na síť začali spoléhat, neboť se již stala mnohem více než jen prostředkem pro výměnu elektronické pošty a přenos dat. Síť sloužila jako virtuální kancelářská chodba, která důvěrně spojovala vzdálené spolupracovníky.
V říjnu 1986 zažil internet to, co jeho mnozí konstruktéři diagnostikovali jako „kolaps přetížení“. Komunikace – digitální datový proud sestávající ze všeho možného, od psaných zpráv po nezpracovaná vědecká data – proudila systémem rychlostí až 56 kilobitů za sekundu (56 000 bitů, tedy asi dvě stránky psané na stroji za sekundu). Jednoho dne se tento informační systém 21. století náhle zpomalil na tempo telegrafu. Toho dne se přenosová rychlost mezi laboratoří Lawrence Berkeleyho a Kalifornskou univerzitou v Berkeley vzdálenou jen čtvrt míle zpomalila na 320 bitů za sekundu. Uživatelé systému byli zmateni a zděšeni.
Uživatelé internetu po celé zemi, kteří jsou na síti závislí stejně jako většina z nás na svých telefonech, si lámali hlavu, jak ji oživit. Mezi těmi, kteří se zapojili, byl i Van Jacobson z technického oddělení LBL.
„Síť se zpomalila tisíckrát,“ vzpomíná Jacobson. „Pošta, která dříve procházela během několika minut, nyní trvala celý den. Lidé to začali vzdávat. Celá myšlenka síťové komunikace byla ohrožena.
„Pracoval jsem s Mikem Karelsem (z vývojové skupiny Berkeley Unix na Kalifornské univerzitě v Berkeley). Šest měsíců jsme se ptali, proč internet selhává, a tloukli jsme hlavou do zdi. Pak jednoho večera v kavárně v Berkeley došlo k osvícení. Otočili jsme otázku. Skutečná otázka zněla: „Jak to, že internet vůbec funguje?
„Zamyslete se nad tím,“ říká Jacobson: Pracovní stanice může přenášet data rychlostí 10 megabitů za sekundu (10 milionů bitů) a směrovač je umístí na internet, který má kapacitu 56 kilobitů za sekundu. Začínáte s tímto úzkým místem a pak se musíte potýkat s tisíci lidí, kteří používají síť současně. Vzhledem k tomu je podle něj dopravní zácpa na internetu nevyhnutelná.
S nárůstem provozu na internetu se mnozí uživatelé systému spoléhali na něco, co se rovnalo sebedestruktivnímu chování při pokusech prolomit zácpu sítě. Pakety informací byly počítačem přenášeny do sítě a následně se kvůli přetížení vracely zpět odesílateli. Počítače byly naprogramovány tak, aby se s tím vypořádaly tak, že to okamžitě zkusily znovu a opakovaně odesílaly zprávu, dokud neprošla. Jacobson tuto situaci přirovnává k přilévání benzínu do ohně.
|
STEJNĚ JAKO BALÍČKY ZASÍLANÉ POŠTOU JSOU I KOMUNIKACE ZASÍLANÉ PO SÍTI ROZDĚLENY DO MALÝCH BALÍČKŮ A OPATŘENY PŘEPRAVNÍMI A MONTÁŽNÍMI POKYNY, ZVANÉ PROTOKOLY |
Řešením podle něj bylo, aby uživatelé sítě byli slušnější.
„Pokud se snaží komunikovat příliš mnoho lidí najednou,“ vysvětluje Jacobson, „síť si s tím neporadí, pakety odmítne a pošle je zpět. Když některá z pracovních stanic okamžitě vysílá znovu, situaci to ještě zhoršuje. Udělali jsme to tak, že jsme napsali zdvořilostní protokoly, které vyžadují mírné počkání, než se paket znovu odešle. Tyto zdvořilostní protokoly musí používat všichni, jinak internet nikomu nefunguje.“
Jacobsonovy a Karelsovy protokoly, které jsou nyní univerzální součástí internetu, se nazývají „pomalý start“. Slow Start zabraňuje přetížení tím, že monitoruje síť, a pokud se zdá, že přetížení hrozí, zpožďuje přenos paketů od milisekund až po sekundu. Funkce Slow Start zpožďuje přenosové rychlosti na základě faktorů, které zahrnují aktuální dostupnou kapacitu sítě a také násobek doby přenosu (v podstatě vzdálenost) mezi odesílatelem a zvoleným cílem. Šest let po svém zavedení technologie Slow Start stále zabraňuje přetížení sítě, přestože rychlost sítě i počet uživatelů vzrostly tisícinásobně.
Přibližně před dvěma lety se Jacobson a výzkumníci z výzkumného centra Palo Alto Research Center (PARC) společnosti Xerox ujali projektu, jehož cílem bylo přidat do internetu audio a videokonference. Stejně jako u telefonních systémů byla audio/video konference mezi více účastníky prostřednictvím počítače starou, dosud nedosaženou vizí.
Co se týče konferencí, počítačová síť začíná s přirozenou výhodou oproti telefonnímu systému. Zatímco telefonní linka spojuje dva body a přenáší jeden rozhovor, internet spojuje každou stranu na lince a přenáší více „rozhovorů“ současně. Aby podpořil tento obrovský tok informací, rozděluje komunikaci na malé pakety, které se mísí do probíhajícího proudu paketů procházejících sítí. Každý paket je zabalen do přepravních a montážních instrukcí (tzv. protokolů), které udávají cíl, zpáteční adresu a způsob, jakým může přijímající počítač všechny pakety znovu seřadit do původní komunikace.
Vzhledem k mírným zpožděním, která jsou internetu vlastní, dospělo několik výzkumných skupin pověřených zavedením audiokonferencí a videokonferencí do sítě k závěru, že dostaly nesplnitelný úkol. Doporučily, aby byla vybudována nová síť.
„Připadalo nám to směšné,“ vzpomíná Jacobson. „Internet podporoval komunikaci mezi dvěma superpočítači Cray, které přenášejí rychlostí jeden gigabit za sekundu (jedna miliarda bitů). Fungovalo to i pro někoho, kdo seděl u klávesnice a psal rychlostí 20 bitů za sekundu. Tato robustnost a dynamický rozsah se zdály být příliš dobré na to, abychom se jich vzdali. Tak jsme se na to pořádně podívali. Neměl být žádný důvod, proč bychom nemohli zpracovávat zvuk a video.“
Zpoždění ve skutečnosti více narušuje hovor lidí než videokonference. Účastníci konference jsou schopni tolerovat občasný nehybný obraz během videopřenosu, zatímco hlasy slyšené v nerovnoměrných staccatech znějí jako bláboly. Jacobson a Steve Deering z Xerox PARC se soustředili na návrh systému, který by zachoval globální propojení internetu a zároveň umožnil plynulý a rychlý tok zvuku.
Aby posluchač slyšel souvislou řeč, Jacobson a Deering nejprve přidali ke každému zvukovému paketu časovou značku. Přijímač přečte časová razítka, chronologicky seřadí pakety a pak je přehraje a zároveň pokračuje v příjmu a řazení dalších příchozích paketů pro následné přehrání. Tím se zabrání řeči ve stylu prasečí latinky naruby, ale neřeší se tím nerovnoměrná povaha toku síťových paketů a z toho plynoucích zvukových výbuchů.
Aby to oba výzkumníci napravili, využili rozdílu mezi neuvěřitelnou rychlostí, s jakou síť přesouvá pakety, a relativně dlouhým dvou- až půlsekundovým zpožděním, které člověk zvládne, aniž by konverzace byla narušena. Vytvořili algoritmus, který spočítá, jak dlouho trvá příchod paketů, a poté zpomalí přehrávání hlasu natolik, aby i ty nejpomalejší pakety měly dostatek času dorazit. Zpoždění přehrávání zavedené algoritmem je ve skutečnosti velmi krátké, obvykle menší než jedna desetina sekundy. Díky nepostřehnutelným řízeným zpožděním zavedeným Jacobsonem a Deeringem je dnes hlasová konference mezi uživateli internetu s mikrofony a reproduktory počítače běžnou záležitostí.
Sedící ve své kanceláři v LBL Jacobson předvedl, jak je spojen s účastníky sítě po celém světě. Přihlásil se na Internet a vyvolal Lightweight Sessions, okenní rozhraní s jednoduchým formulářem pro ohlášení nebo přihlášení do audio nebo videokonference. Uživatelé sítě běžně přistupují k Lightweight Sessions, aby získali oznámení o nadcházejících konferencích a přihlásili se na ty konference, které je zajímají. Některé konference jsou pouze hlasové, zatímco jiné zahrnují i video, které vyvinuli výzkumníci z Xerox PARC. Během audio/video konference přenášejí malé, levné kamery, obvykle připojené k boku počítače účastníka, živý obraz každého účastníka konference. Jacobsonova obrazovka byla rozdělena do několika oken, přičemž jedno okno zobrazovalo obraz hovořící osoby. Druhé okno zobrazovalo údaje, o kterých se diskutovalo. Třetí okno má mít premiéru na internetu v blízké budoucnosti.
Jacobson toto nové okno s grafickým zobrazením nazývá „tabule“. Lidé jej budou moci používat podobně jako běžný počítačový kreslicí program ke sdílení informací nebo ke spolupráci na návrhovém projektu. Každý účastník konference může vidět a následně upravovat vše, co je na tabuli zobrazeno, nebo se vrátit k předchozí verzi obrázku. Do okna tabule lze také importovat jakýkoli obrázek – například počítačem podporované návrhy nebo rentgenové snímky.
Bílá tabule svědčí o rostoucím významu vizuálních dat ve vědě.
Stu Loken říká, že statické obrázky a video budou nedílnou součástí většiny výzkumů prováděných v LBL. „Věda zažívá nárůst vizuálních dat, vše od skymap mapujících strukturu raného vesmíru přes lékařské snímky ukazující neurochemii u pacientů s Alzheimerovou chorobou až po snímky lidského genomu,“ říká.
Loken uznává, že obrázky vytvářejí možnosti i problémy. K vytvoření obrázků je zapotřebí obrovské množství digitálních informací: Videokamera generuje 30 snímků za sekundu, což odpovídá více než 2000 stranám slov. Počítače jsou však nyní dostatečně rychlé a paměťová zařízení dostatečně masivní, takže vědci začínají používat videokamery, které zachycují data pro počítačovou analýzu. Tato nově vznikající kapacita způsobuje změnu v tom, jak vědci navrhují experimenty, a otevírá nové možnosti, co lze zjistit.
Aby vědci mohli vytvářet data prostřednictvím videa, výzkumníci z oddělení informačních a počítačových věd LBL se ujali mnohostranného úkolu. Bill Johnston vede tým, který vytváří nový hardware a software pro zpracování a analýzu vizuálního datového toku prostřednictvím vysokorychlostních sítí. Jde o to, aby vědec mohl získat výstup například z elektronového mikroskopu a připojit tento videoproud k síti stejně běžně, jako lze dnes k síti připojit pracovní stanici.
Připojení k síti je jen prvním krokem. Johnstonova skupina se věnuje vývoji distribuovaných vědeckých výpočtů. Doposud určovalo průběh vědy umístění zdrojů. Projekty probíhaly na místech, kde se podařilo spojit vhodné lidi, experimentální a výpočetní zdroje. V prostředí distribuovaných vědeckých výpočtů, které se nyní zavádí v LBL, lze rychle a dočasně propojit stroje, databáze a lidi rozptýlené po celém světě. Například videoproud z probíhajícího experimentu může být přesměrován do superpočítače ke zpracování a okamžitá analýza může být použita k interaktivnímu ovládání experimentální aparatury. Nebo může být datový tok zpracován, analyzován a poté sloužit jako vstup v doprovodném experimentu.
Johnston poznamenává, že síťové videokonference jsou již k dispozici, ale upozorňuje, že by se neměly zaměňovat s vysokorychlostním síťovým přenosem vědeckých videodat. Rozdíl je v kvalitě obrazu.
Například aby bylo možné protlačit přenosy videokonferencí stále ještě úzkým internetovým potrubím, byla standardní rychlost vysílání 30 snímků za sekundu snížena na šest až 12 snímků za sekundu. Kromě toho se namísto přenosu celé řady snímků používají kompresní algoritmy, které přenášejí pouze tu část obrazu, která se oproti předchozímu snímku změnila. Tyto dílčí snímky jsou pak na přijímací straně softwarově složeny do celých snímků. Výsledným efektem je, že lidé mohou při hovoru vidět slušný obraz druhého člověka, přestože rychlost digitálního toku je tisíckrát nižší než u standardního video vysílání.
Zatímco pro videokonference to funguje – vzniká pocit přítomnosti, ne-li obraz v kvalitě Ansela Adamse – vědecká data nelze takto koncentrovat a přežít.
Vysvětluje Johnston: „Videodata se obvykle skládají ze snímků vytvořených senzory, které posouvají hranice technologie. Často máme k dispozici spoustu rozmazaných, málo kontrastních snímků s rysy, které je obtížné odlišit od šumu na pozadí. Abychom mohli analyzovat a extrahovat informace, nemůžeme si dovolit ztratit žádný z původních detailů videa. Video přenášené přes internet bylo komprimováno na 8-16 kilobitů za sekundu. Srovnejte to s běžnou monochromatickou přístrojovou kamerou, která generuje 120 000 kilobitů za sekundu.“
Johnstonova skupina využívá laboratorní vědu jako hnací motor pro vývoj technologie, která je nakonec určena pro široké masy. Vezměme si například případ biochemika Marcose Maestreho z LBL, který natáčí na video malá vlákna DNA vibrující v mikroskopické elektrické síti, aby mohl studovat fyzikální chemii DNA. V současné době výzkumníci rozkmitají DNA, vytvoří videozáznam a pak pásku přenesou do animačního systému, kde se pečlivě vytvářejí statické snímky jednotlivých snímků. K získání přibližně 200 snímků, tedy sedmi sekund dat, jsou zapotřebí hodiny a hodiny. Poté se snímky snímek po snímku naskenují do počítače, který sleduje a měří měnící se tvar řetězce DNA a získává tak nové poznatky o jeho struktuře.
V distribuovaném systému vyvíjeném v LBL se výzkumníci budou moci podívat na monitor pracovní stanice a vidět data získaná z živého videa i v průběhu experimentu. Videokamera bude připojena k síti, kde bude úložné zařízení ukládat snímky a zároveň je přenášet do nového superpočítače LBL, systému MasPar pro masivně paralelní zpracování. Systém MasPar dokáže zpracovat a analyzovat vstupní video o 30 snímcích za sekundu, což umožní okamžité zobrazení dat na kterékoli technické pracovní stanici v síti.
Naneštěstí, aby se to stalo skutečností, je zapotřebí více než jen zapojit komponenty tohoto systému do sebe. Jak digitální tok proudí od experimentu k jeho uložení, analýze a zobrazení, dochází k několika úzkým místům. Než se surový signál proudící z monochromatické kamery rychlostí 120 000 kilobitů za sekundu přenese do sítě, musí zprostředkující počítač převést výstup do digitálního paketu nakonfigurovaného pro síť. V této fázi začíná digitální provoz couvat.
„Když je jediným důvodem pro počítač zprostředkování mezi sítí a kamerou,“ komentuje Johnston, „v podstatě jste vytvořili byrokracii. Počítač dělá svou práci, ale neefektivně. Počítač je určen spíše k plnění mnoha úkolů než k tomuto specializovanému úkolu. To, co potřebujeme, je řídicí jednotka, odříznutý počítač určený pouze pro tuto jedinou úlohu. Ve spolupráci s firmou PsiTech Corp. z Fountain Valley v Kalifornii nyní vytváříme síťový řadič pro videokameru.“
Odstraňování byrokratů a otevírání úzkých míst – to je podle Johnstona opakovaný úkol jeho skupiny pro distribuované výpočty. Například data, která jsou směrována přes síť, musí být před analýzou uložena do digitálního archivu. Pro ukládání vysokých rychlostí dat ze zdrojů, jako je video, byla v kampusu Berkeley vyvinuta redundantní disková pole RAID (Redundant Arrays of Inexpensive Disks). První generace RAID vyžadovala zprostředkující počítač, který zpomaloval tok dat, proto byl vybudován síťový řadič a byla vyvinuta nová generace, RAID II. RAID II byl nyní připojen k HiPPI, síti o rychlosti 800 megabitů za sekundu, která se obvykle používá k propojení superpočítačů, a LBL pracuje na jeho připojení k internetu. Na této práci spolupracuje několik skupin z oblasti elektrotechniky a informatiky. V rámci souvisejícího projektu financovaného ministerstvem energetiky Johnstonova skupina spolupracuje s profesory z Berkeley Domenicem Ferrarim a Randym Katzem a Bobem Finkem a Tedem Sopherem z LBL na vybudování gigabitové (miliardové) sítě z optických vláken, která propojuje LBL a kampus v Berkeley. K této síti byl připojen veškerý vysokorychlostní hardware v LBL a v kampusu, čímž vznikla místní odbočka k národní informační superdálnici.
Nový počítač MasPar bude v LBL hrát ústřední roli v distribuovaném výpočetním prostředí laboratoře a otevře dveře do éry vizuálních dat. Umožní sice vytvářet a ukládat objemy obrázků, ale výzkumníci brzy narazí na velkou překážku. I když jeho 4 096 procesorů poskytuje špičkový výkon 17 000 milionů instrukcí za sekundu, nikdo zatím neví, jak dát superpočítači pokyn, aby našel konkrétní uložený obrázek.
„Hledání slova nebo řetězce znaků v textové databázi a hledání objektu ve videobázi je velmi odlišný problém,“ říká Johnston. „Počítač snadno najde v textové databázi každý odkaz na ´ryby´, ale neexistuje hotový způsob, jak projít archivní soubor videozáznamů a najít všechny ty, na kterých jsou ryby. Na vývoji technologie, která by to umožnila, spolupracujeme s firmou MasPar Computer Corporation.“
Symbolika této mise – prohledávání příslovečné kupky sena snímků a konečně nalezení jehly – by neměla být přehlížena. Pro počítačové vědce z LBL je to doba bezprostředních možností.
Provoz na internetu se zrychluje a nové odnože rostou a připojují se. Od nástupu Clintona a Gora do úřadu byla ohlášena kaskáda firemních investic do síťové infrastruktury v hodnotě několika miliard dolarů. Telefonní společnosti, kabelové televize a mobilní telefony, vydavatelé a výrobci počítačů spěchají, aby se prosadili. Amerika se připravuje na budoucnost.
Johnston za své kolegy říká: „V této zemi nás čekají stejně hluboké změny, jaké zažili naši předkové na počátku průmyslové revoluce. Během deseti let dojde ke spojení počítačů, komunikací a zábavy. Vědci, lékaři, obchodníci a školáci budou propojeni nejen se svými vrstevníky, ale i se všemi ostatními. Způsob, jakým se učíme a komunikujeme, projde revolucí.“
.