1989年、LBLの研究者ビル・ジョンストンは、米国上院の公聴会のためにワシントンに呼ばれた。 その目的は、国家的な情報スーパーハイウェイの可能性を探ることであった。
ジョンストンと彼の同僚たちは、ワシントンに未来を示しました。 上院の公聴会で初めて行われたコンピュータのライブ・デモンストレーションで、彼らは高速で大陸横断的なコンピュータ・ネットワークの可能性を示したのです。 研究者たちはコンピュータに接続し、何千マイルも離れた場所にある装置や研究者が処理、分析、組み立てたデータを、科学的なアニメーション「映画」として表示したのです。 磁気共鳴イメージング装置、スーパーコンピューター、データストレージ装置、コンピューターワークステーションなどの機器を一時的に橋渡しし、これまで不可能だった方法で個人と資源を結びつけることができることを実証した。
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IMAGE OF INTERNET TRAFFIC ON NSFNET T1 BACKBONE |
4 年後、クリントン大統領とアル ゴア副大統領（上院議員として、1989 年に公聴会で司会した）はカリフォルニアのシリコンバレーに飛びました。 シリコングラフィックス社で、情報スーパーハイウェイの現状を説明され、その将来像を共有した。 ゴア氏は、このプロジェクトの黎明期から提唱してきた。
クリントン-ゴア会談の前夜、シリコン・グラフィックスのアンドリュー・チェレンソン氏は、現在世界中の多くの学術研究機関を結ぶ、広がる蜘蛛の巣状のコンピュータネットワークについて、とっさのメッセージを発信した。 クリントン／ゴア会談に興味のある人はいませんか？ クリントン／ゴア会議に興味のある人はいませんか？ 翌朝、チェレンソン氏はソニーのミニカメラを接続して、クリントンとゴアが情報スーパーハイウェイを建設するためのブレインストーミングに参加するのに同行した。 世界各地から集まった200人の「参加者」は、各自のデスクに置かれたコンピュータの前で、シリコン・グラフィックスの様子を見ながら、互いに感想を言い合っていた。 チェレンソン社長の即席のテレビ会議は、近い将来、私たちが簡単に会話し、一緒に訪問し、情報を共有できるようになることを予感させるもので、11カ国、22タイムゾーンで放送された。
10年前、このようなコミュニケーションは、SFの世界ではありふれたものでしたが、国家政策の目標としては新しく、異質なものでした。 1968年に始まった連邦政府は、国防高等研究計画局（DARPA）を通じて、研究機関間でデータを高速に移動できる実験的なネットワークを、まず1つ、次にいくつか構築するための資金を提供しました。 これらのプロトタイプのネットワークは、進化し、増殖し、急速にリンクしてきました。 今日、インターネット（または単に「ネット」）として知られる11,000以上のネットワークの融合したインフラは、世界中の1,000万人以上の人々を結び付けています。
Lawrence Berkeley Laboratory は当初からネットワーク コンピューティングの主要な設計者の 1 人で、1972 年から「ネットワークを成長させる」手助けをしてきました。 1975 年、LBL はネットワークに接続された一握りの機関の 1 つとなり、「オンザエア」しました。 1986年、インターネットが過負荷で停滞し、自滅の危機に瀕したとき、LBLの研究者ヴァン・ジェイコブソンは2人のチームの一員としてインターネットを救い、放棄を勧告する人々からインターネットを救いました。 さらに最近、ジェイコブソンと彼のチームは、それまでデータと電子メールのパイプラインだったものを、音声とビデオのネットワーク会議を通じて多くの人々が即座に会話し交流できるネットワークに変身させるなど、重要な貢献をしている。 現在では、かつてメール中心だったこの文化は繁栄し、クリントン/ゴアのシリコングラフィックス訪問の時のように、世界中の人々が日常的に交流することができるようになりました。 また、LBLは分散型科学コンピューティングのパイオニアであり、高価なコンピューティングリソースの場所を重要視しないような新しいリンクを構築しています。
LBL 情報・コンピューティング科学部門ディレクターの Stu Loken 氏は、これまでに達成されたことと現在進行中のことを見て、私たちは新しい情報時代の幕開けにいるのだと述べています。
「連邦政府には、国のインフラストラクチャーに投資してきた長い歴史があります」と Loken は指摘します。 「18世紀には運河を、19世紀には鉄道を、20世紀には州間高速道路を建設しました。 そして、10年ほど前から高速コンピュータネットワークの建設に着手した。 これらのネットワークは、情報化時代の高速道路です」。
ローケンをはじめ、この分野のほとんどすべての研究者は、情報スーパーハイウェイによって、テレビ、電話、ケーブルテレビ、コンピュータ、家電、出版、情報企業が、単一の双方向情報産業に収斂することは避けられないと述べています。 ゴア副大統領は、これが「21世紀で最も重要かつ有利な市場」になると予測している。 AT&Tは、世界の情報市場は1996年までに1兆4000億ドル規模になると予想し、アップルコンピュータは、2001年までに3兆5000億ドル規模に成長すると見積もっているそうです。
情報スーパーハイウェイの構想は、1986年に挫折しそうになりました。
当時、インターネットは20年近く経っており、1万人のユーザーがいました。 彼らはネットワークに依存するようになり、それはすでに電子メールを交換したりデータを移動したりする手段以上のものになっていました。 ネットワークは、遠く離れた共同研究者たちを密接に結びつける、仮想のオフィス廊下のような役割を果たしていたのです。
1986年10月、インターネットは、多くの設計者が「輻輳崩壊」と診断した事態に見舞われました。 通信、つまり文書メッセージから生の科学的データまであらゆるものからなるデジタル・データ・ストリームは、最大で毎秒56キロビット（毎秒5万6000ビット、タイプしたページの約2ページ分）でシステム内を流れていたのです。 ところが、この21世紀の情報システムが、ある日突然、電信機のスピードまで落ちてしまったのだ。 その日、ローレンス・バークレー研究所と、わずか1/4マイル離れたカリフォルニア大学バークレー校の間の通信速度が、1秒間に320ビットまで落ちたのだ。 システムの利用者は、神秘的で狼狽した。
国中のインターネット・ユーザーは、私たちの多くが電話に依存しているのと同様に、このネットワークを復活させる方法について頭を悩ませていました。 LBLのエンジニアリング部門のヴァン・ジェイコブソンもその一人であった。
「ネットワークは1000分の1も遅くなっていた」とジェイコブソン氏は振り返ります。 「数分で届いていたメールが丸1日かかるようになった。 数分で届いていたメールが1日かかるようになり、みんなあきらめるようになった。 ネットワーク通信という概念そのものが危うくなった。
「私はマイク・カレルス（カリフォルニア大学バークレー校のバークレーユニックス開発グループ）と一緒に仕事をしていました。 6 か月間、私たちはなぜインターネットが失敗しているのか、レンガの壁に頭をぶつけながら問い続けていました。 ある夜、バークレーのコーヒーハウスで悟りを開いた。 私たちは、その疑問を覆したのです。 本当の疑問は、「インターネットはこれまでどのように機能してきたのか」でした。
「考えてみてください」とジェイコブソンは言います。 ワークステーションは1秒間に10メガビット（1000万ビット）のデータを送信でき、ルーターはそれを1秒間に56キロビットの容量を持つインターネットに乗せます。 このボトルネックからスタートし、何千人もの人が同時にネットワークを利用することになるのです。 そう考えると、インターネット上のトラフィックジャムは避けられないと彼は言う。
インターネット上でトラフィックが増加するにつれ、システムの多くのユーザーは、ネットワークの渋滞を突破しようと、自滅的ともいえる行動に頼らざるを得なくなったのです。 情報のパケットは、コンピュータによってネットワークに送信され、その後、輻輳のために送信者に返されます。 コンピュータは、このような場合、すぐに再試行し、メッセージが通るまで繰り返し再送信するようプログラムされていた。 ジェイコブソンは、この状況を「火にガソリンを注ぐようなものだ」と表現している。
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郵便で送る荷物のように、ネットワークで送る通信は小さなパケットに分けられ、発送や組み立ての指示とともに包装されます。 CALLED PROTOCOLS |
解決策は、ネットワークユーザーをもっと丁寧にすることだと彼は言います。
「一度に多くの人が通信しようとすると、ネットワークはそれに対処できず、パケットを拒否して送り返す」とジェイコブソン氏は説明します。 ワークステーションがすぐに再送信すると、状況を悪化させます。 そこで、パケットを再送する前に少し待つような、丁寧なプロトコルを書きました。 誰もがこの丁寧なプロトコルを使わなければ、インターネットは誰のためにもならないのです」。
ジェイコブソンとカレルのプロトコルは、今やインターネットの普遍的な部分であり、”スロースタート “と呼ばれています。 スロー・スタートは、ネットワークを監視し、輻輳が差し迫っているように見えるとき、パケットの送信をミリ秒から1秒の範囲で遅らせることによって輻輳を回避する。 スロースタートは、ネットワークの現在の利用可能な容量と、送信者と選択した宛先間の往復伝送時間（基本的には距離）の倍数などの要因に基づいて、伝送速度を遅らせます。 導入から6年、ネットワークの速度とユーザー数の両方が1000倍になったにもかかわらず、スロースタートはネットワークの混雑を回避し続けています。
約2年前、ジェイコブソンとゼロックスのパロアルト研究所（PARC）の研究者は、インターネットに音声およびビデオ会議を追加するプロジェクトに取り組みました。 電話システムと同様、コンピュータを介した複数の当事者による音声・ビデオ会議は、古くからあるビジョンであり、まだ実現されていないものだった。
会議という点では、コンピュータネットワークは電話システムに対して本質的な優位性を持ってスタートします。 電話回線は2点をつないで1つの会話をするのに対し、インターネットは回線上の各関係者をつないで、同時に複数の “会話 “をするのです。 この膨大な情報の流れをサポートするために、通信を小さなパケットに分解し、ネットワークを通過するパケットの流れの中に混ぜるのです。 各パケットは、配送と組み立ての指示（プロトコルと呼ばれる）で包まれ、宛先、返信アドレス、受信側のコンピュータがすべてのパケットを元の通信に並べ替える方法などが書かれています。
インターネット特有のわずかな遅延のため、オーディオおよびビデオ会議をネットワークに導入する役割を担ったいくつかの研究グループは、不可能な使命を与えられたと結論付けました。 彼らは新しいネットワークを構築するよう助言した。
「これはおかしいと思いました」とジェイコブソン氏は振り返る。 「インターネットは、1秒間に1ギガビット（10億ビット）で転送するクレイ社のスーパーコンピュータ2台の間の通信をサポートしていた。 また、キーボードの前に座って、1秒間に20ビットのタイピングをする人にも有効である。 この堅牢性とダイナミックレンジは、放棄するにはあまりに惜しいと思いました。 そこで、私たちは徹底的に調べました。 オーディオもビデオもできない理由はなかったはずです」。
遅延は、実際にはビデオ会議よりも話している人たちの邪魔になります。 会議参加者は、ビデオ伝送中に時々静止画が表示されても許容できますが、不規則なスタッカートのバーストで聞こえる声は、ちんぷんかんぷんなものに聞こえます。 ジェイコブソンとゼロックスPARCのスティーブ・ディアリングは、インターネットのグローバルな接続性を維持しながら、スムーズで迅速な音声の流れを可能にするシステムを考案することに集中した。
リスナーが連続したスピーチを聞くことができるように、ジェイコブソンとディーリングはまず、各オーディオパケットにタイムスタンプを追加しました。 受信機はタイムスタンプを読み、パケットを時系列に並べ、それを再生しながら、その後の再生のためにさらに受信パケットを受信し、並べ替えるのです。 これは、ピッグラタン音声の裏返しを回避するものですが、ネットワークパケットフローの不均一な性質と、その結果として生じる音声のバーストには対処できません。
この問題を解決するために、2 人の研究者は、ネットワークがパケットを移動させる驚くべき速度と、人間が会話を中断させずに処理できる比較的長い 10 分から半秒の遅延との差を利用しました。 パケットの到着にかかる時間を計算し、最も遅いパケットでも到着に十分な時間がかかるように音声再生を遅くするアルゴリズムを開発したのだ。 このアルゴリズムによる再生遅延は、実際には10分の1秒以下と非常に短いものです。 JacobsonとDeeringが導入した感知できない制御遅延のおかげで、マイクとコンピュータのスピーカーを持つインターネットユーザー間の音声会議は、今や当たり前のものとなっています。
LBLのオフィスに座ったジェイコブソン氏は、世界中のネットワーカーとどのようにつながっているかを実演しました。 インターネットにログオンし、Lightweight Sessionsを呼び出すと、音声やビデオ会議の告知やサインアップを行うためのシンプルなフォームを備えたウィンドウ・インターフェイスが現れた。 ネットワーク・ユーザーは、日常的にLightweight Sessionsにアクセスして、今後開催されるカンファレンスの情報を入手し、興味のあるカンファレンスに申し込んでいる。 音声のみの会議もあれば、ゼロックスPARCの研究者が開発したビデオ会議もある。 オーディオ／ビデオ会議では、通常、参加者のコンピュータの横に接続された小型で安価なカメラが、各会議の参加者のライブ画像を送信する。 ジェイコブソンの画面は、複数のウィンドウに分かれており、1つのウィンドウには発言している人の写真が表示されている。 もう1つのウィンドウには、議論中のデータが表示される。 3つ目のウィンドウは、近い将来、インターネット上で公開される予定だ。
ジェイコブソンはこの新しいグラフィック表示ウィンドウを “ホワイトボード “と呼んでいる。 人々は、情報を共有したり、デザイン・プロジェクトで共同作業したりするために、従来のコンピュータのドローイング・プログラムのようにそれを使うことができるようになるでしょう。 会議の参加者は誰でも、ホワイトボードに描かれたものを見て、修正したり、前のバージョンの画像に戻ったりすることができます。 また、コンピューター支援設計やX線画像など、あらゆる画像をホワイトボードウィンドウに取り込むことが可能です。
このホワイトボードは、科学における視覚的データの重要性が高まっていることを示すものです。
Stu Loken氏は、LBLで行われる研究のほとんどに静止画像と動画が不可欠になるだろうと述べています。 “科学は、初期宇宙の構造を図にしたスカイマップから、アルツハイマー病患者の神経化学を示す医療画像、ヒトゲノムの画像まで、視覚データの急増を経験しています “と彼は言います。
ローケン氏は、画像が可能性と問題の両方を生み出すことを認めています。 画像を作成するには、膨大な量のデジタル情報が必要です。 ビデオカメラは1秒間に30フレームを生成し、これは2000ページ分以上の文字に相当します。 しかし、コンピュータは十分に速く、記憶装置も十分に大きくなったので、科学者はビデオカメラでデータを撮影し、コンピュータで分析することを始めているのです。 この新しい能力は、科学者が実験を設計する方法に変化をもたらし、何が学べるかを知るための新しい窓を開いています。
研究者がビデオを通じてデータを作成できるようにするために、LBL情報およびコンピューティング科学部門の研究者は多面的な使命を担っています。 ビル・ジョンストン氏は、高速ネットワーク上のビジュアルデータストリームの処理と分析のための新しいハードウェアとソフトウェアを作成するチームを率いている。 このアイデアは、科学者が例えば電子顕微鏡から出力を得て、そのビデオストリームを、今日ワークステーションがネットワークに接続できるのと同じように日常的にネットワークに接続できるようにすることである。
ネットワークへの接続は、最初のステップにすぎません。 Johnston氏のグループは、分散型科学コンピューティングの開発に専念しています。 これまでは、リソースの場所が科学の行方を左右してきました。 プロジェクトは、適切な人材、実験、コンピューティングリソースが集まる場所で進められる。 LBLで開発中の分散型科学技術計算環境では、世界中に散らばったマシン、データベース、そして人々を迅速かつ一時的に結びつけることができるようになりました。 例えば、現在進行中の実験のビデオストリームをスーパーコンピュータに転送して処理し、その即座の分析結果を実験装置のインタラクティブな制御に利用することができます。 また、データフローを処理、分析し、関連する実験の入力として使用することもできます。
Johnston は、ネットワーク ビデオ会議がすでに利用可能であると述べていますが、これを科学的ビデオ データの高速ネットワーク伝送と混同してはいけないと警告しています。 違いは画質である。
たとえば、まだ狭いインターネット・パイプラインでビデオ会議伝送を圧迫するために、標準の放送レートである毎秒30フレームは、毎秒6～12フレームに縮小されています。 さらに、連続したフル・フレームを送信するのではなく、前のフレームから変更された画像の部分のみを送信する圧縮アルゴリズムが使用されています。 これらの部分画像は、受信側のソフトウェアによって完全な画像に組み立てられる。 その結果、標準的なビデオ放送の何千倍ものデジタル流量が減少しても、人々は会話しながら互いのきちんとした画像を見ることができるようになるのです。
これはビデオ会議には有効ですが、アンセル・アダムスのような品質の画像ではないにしろ、臨場感は生まれますが、科学的データをこのように集中させて存続させることはできません。
ジョンストン氏は、「ビデオ データは通常、技術の限界に挑戦しているセンサーによって生成された画像で構成されています。 多くの場合、背景のノイズと見分けがつかないような、ぼんやりした低コントラストの画像がたくさんあります。 情報を分析し抽出するためには、元の映像のディテールを失うわけにはいきません。 インターネットで伝送される映像は、1秒間に8〜16キロビットに圧縮されています。 従来のモノクロの計測用カメラが1秒間に12万キロビットを生成しているのと対照的です。”
ジョンストン氏のグループは、最終的に大衆向けとなる技術を開発するための推進力として実験室科学を使用しています。 たとえば、LBL の生化学者マルコス・マエストレは、DNA の物理化学を研究するために、微視的な電気グリッドで振動する小さな DNA 鎖をビデオ撮影しています。 現在、研究者はDNAを振動させてビデオテープを作成し、そのテープをアニメーション・システムに渡して、各フレームの静止画を丹念に作り出しています。 約200フレーム、つまり7秒間のデータを抽出するのに何時間もかかる。 そして、その画像を1コマずつコンピューターに取り込み、DNAの形状の変化を追跡・測定することで、DNAの構造に関する新たな知見を得ることができるのです。
LBLで開発中の分散システムでは、研究者はワークステーションのモニターを見て、実験が実行されている間でもライブビデオから抽出されたデータを見ることができるようになる予定です。 ビデオカメラはネットワークに接続され、ストレージデバイスが画像を保存すると同時に、LBLの新しいスーパーコンピュータ、MasPar超並列処理システムに送信する。 MasParは、1秒間に30フレームのビデオ入力を処理・解析することができ、ネットワーク上のどのエンジニアリングワークステーションでもデータを瞬時に表示することができます。
残念ながら、これを実現するには、このシステムのコンポーネントを単に互いに接続するだけではなく、もっと多くのことが必要になります。 デジタル ストリームが実験からそのストレージ、分析、表示へと流れるとき、いくつかのボトルネックが発生します。 モノクロカメラから毎秒12万キロビットの生信号がネットワークに送信される前に、中間コンピューターが出力をネットワーク用に設定されたデジタルパケットに変換しなければなりません。 デジタルのトラフィックはこの段階からバックアップされ始めます。
「ネットワークとカメラの間を仲介することだけがコンピュータの理由だと、事実上、官僚主義を作り出していることになる」とジョンストン氏はコメントしています。 コンピュータは仕事をしますが、効率的ではありません。 コンピュータは、このような特殊な仕事ではなく、多くの仕事をするように設計されています。 必要なのはコントローラー、つまり、その仕事だけに特化した無駄のないコンピューターなのです。 現在、カリフォルニア州ファウンテンバレーのPsiTech社と共同で、ビデオカメラ用のネットワークコントローラを作っているところです」。
官僚を退け、ボトルネックを開く–ジョンストンは、これが彼の分散コンピューティンググループの繰り返し行われるミッションであると言います。 たとえば、ネットワークを経由するデータは、分析する前にデジタルアーカイブに保存しなければならない。 ビデオのような高速データを保存するために、バークレーキャンパスではRAID（Redundant Arrays of Inexpensive Disks）が開発されました。 第一世代のRAIDは中間コンピューターが必要で、流れが遅くなるため、ネットワークコントローラーが作られ、新世代のRAID IIが開発された。 RAID IIは現在、スーパーコンピュータ間の接続に通常使用される800メガビット/秒のネットワークであるHiPPIに接続されており、LBLではインターネットへの接続を進めているところです。 この作業は、いくつかの電気工学とコンピュータサイエンスのグループとの共同作業です。 エネルギー省の関連プロジェクトとして、ジョンストン氏のグループは、バークレー校のドメニコ・フェラーリ教授、ランディ・カッツ教授、LBLのボブ・フィンク氏、テッド・ソファー氏と協力して、LBLとバークレーキャンパスを結ぶ光ファイバーギガビット（億ビット）ネットワークを構築しています。 LBLとキャンパス内のすべての高速ハードウェアはこのネットワークに接続され、全国情報スーパーハイウェイへのローカルな支柱を作り出しています。
LBLでは、新しいMasParコンピューターが研究所の分散コンピューティング環境において中心的な役割を果たし、視覚データの時代への扉を開くことになるのです。 大量の画像の作成と保存が可能になる一方で、研究者は間もなく大きな障害に直面することになる。 4,096個のプロセッサが1秒間に170億命令というピーク性能を発揮しても、保存されている特定の画像を見つけるようスーパーコンピュータに指示する方法を、まだ誰も知らないのです。
「テキストデータベースで単語や文字列を検索することと、ビデオデータベースでオブジェクトを検索することは、まったく異なる問題です」とジョンストン氏は言います。 コンピュータは、テキスト データベースの中の「魚」についてのすべての文献を簡単に見つけることができますが、ビデオ画像のアーカイブに目を通して、魚が写っているものをすべて見つける方法はないのです。 私たちは、マスパー・コンピュータ社と共同で、これを実現する技術を開発しています。
このミッションの象徴性–ことわざのような干し草の山のような画像を探し、ついに針を見つける–を見過ごしてはなりません。 LBLのコンピュータ科学者たちにとって、これは差し迫った可能性の時なのだ。
インターネット上のトラフィックは加速度的に増加し、新しいスパーが成長し、接続されています。 クリントンとゴアが大統領に就任して以来、ネットワーク・インフラへの数十億ドル規模の企業投資が次々と発表されました。 電話会社、ケーブルテレビ会社、携帯電話会社、出版社、コンピューターメーカーなどが、競って参入している。 アメリカは未来のために配線されつつあるのです。
ジョンストンは同僚を代表して、「私たちはこの国で、産業革命の到来時に私たちの祖先が経験したのと同じくらい大きな変化を経験しようとしている」と述べている。 10年以内に、コンピュータ、通信、娯楽が融合されるでしょう。 科学者、医者、ビジネスマン、そして小学生は、仲間だけでなく、他のすべての人とつながるようになる。 私たちの学習と交流の方法は、まさに革命的に変化しようとしている」
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