1989 kallades LBL-forskaren Bill Johnston till Washington för en utfrågning i den amerikanska senaten. Syftet: att undersöka möjligheterna med en nationell informationssupermotorväg.
Johnston och hans kollegor visade Washington framtiden. Under den första levande datademonstration som någonsin genomförts inför en senatsutfrågning visade de upp möjligheterna med ett transkontinentalt höghastighetsdatanätverk. Forskarna kopplade in en dator och visade data som bearbetades, analyserades och sammanställdes till animerade vetenskapliga ”filmer” av apparater och forskare som var utspridda tusentals mil från varandra. De demonstrerade hur utrustning som en enhet för magnetisk resonanstomografi, superdatorer, datalagringsenheter och datorarbetsstationer tillfälligt kunde kopplas samman och knyta samman individer och resurser på ett sätt som aldrig tidigare varit möjligt.
 |
BILDNING AV INTERNETTRAFIKEN PÅ NSFNET T1 BACKBONE |
Fyra år senare flög president Bill Clinton och vicepresident Al Gore, som som i egenskap av senator hade lett utfrågningen 1989, till Silicon Valley i Kalifornien. Vid ett möte på Silicon Graphics Inc. informerades de om läget för den framväxande informationssupervägen och delade i sin tur med sig av sina visioner för dess framtid. Gore har varit förkämpe för detta projekt ända sedan det började.
Vid kvällen före besöket mellan Clinton och Gore skickade Andrew Cherenson från Silicon Graphics ut ett spontant meddelande om ett spindelvävsliknande datanätverk som nu förbinder många akademiska institutioner och forskningsinstitutioner runt om i världen: Är någon intresserad av Clinton/Gore-konferensen? När han loggade in senare kontrollerade han svaret. Nästa morgon kopplade Cherenson in en minikamera från Sony och följde med Clinton och Gore under deras brainstorming-session med de planerare och aktörer som hjälper till att bygga informationssupervägen. Runt om i världen satt 200 förtjusta ”deltagare” vid sina skrivbord framför datorarbetsplatser och tittade på vad som hände på Silicon Graphics samtidigt som de kommenterade sinsemellan. Cherensons improviserade videokonferens – ett förebud om den lätthet med vilken vi kommer att kunna prata, besöka varandra och dela information inom en nära framtid – sändes i 11 länder och 22 tidszoner.
För tio år sedan var sådan kommunikation konventionell inom science fiction-världen men ny och främmande som ett nationellt politiskt mål. Från och med 1968 tillhandahöll den federala regeringen genom Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) startkapital för att etablera först ett och sedan flera experimentella nätverk som kunde flytta data mellan forskningsinstitutioner med hög hastighet. Dessa prototypenätverk har utvecklats, spridits och snabbt kopplats samman. I dag finns det en sammansmält infrastruktur av mer än 11 000 nät som kallas Internet, eller bara ”nätet”, och som förbinder mer än 10 miljoner människor runt om i världen.
Från början har Lawrence Berkeley Laboratory varit en av de främsta arkitekterna av nätverksdatorer och har hjälpt till att ”utveckla nätet” sedan 1972. LBL ”gick i luften” 1975 och blev en av en handfull institutioner som var anslutna till nätverket. När Internet överbelastades, körde fast och var på gränsen till självförstörelse 1986 ingick LBL-forskaren Van Jacobson i ett tvåmanslag som hjälpte till att rädda det och räddade det från dem som rekommenderade att det skulle överges. På senare tid har Jacobson och hans team gjort andra viktiga insatser, genom att konstruera metamorfosen av vad som hade varit en data- och e-postledning till ett nätverk som nu gör det möjligt för många människor att tala och interagera omedelbart via ljud- och videokonferenser i nätverket. I dag blomstrar denna tidigare e-postdominerade kultur och gör det möjligt för människor runt om i världen att interagera rutinmässigt, precis som de gjorde under Clinton/Gore-besöket på Silicon Graphics. LBL är också en pionjär inom distribuerad vetenskaplig databehandling, genom att skapa nya förbindelser som gör det oväsentligt var dyra dataresurser finns.
Med tanke på vad som har åstadkommits och vad som är på gång säger Stu Loken, chef för LBL:s avdelning för informations- och datavetenskap, att vi befinner oss i början av en ny informationsålder.
”Den federala regeringen har en lång historia av investeringar i landets infrastruktur”, konstaterar Loken. ”Den byggde kanaler på 1700-talet, järnvägar på 1800-talet och motorvägar på 1900-talet. Sedan, för ungefär tio år sedan, började den bygga höghastighetsdatanät. Dessa nät är informationsålderns motorvägar.”
Loken och nästan alla andra forskare på området säger att informationssupermotorvägarna kommer att resultera i den oundvikliga konvergensen av tv, telefon, kabel-tv, datorer, konsumentelektronik, förlag och informationsföretag till en enda interaktiv informationsindustri. Vicepresident Gore förutspår att detta kommer att bli ”2000-talets viktigaste och mest lukrativa marknadsplats”. AT&T säger att man räknar med att den globala informationsmarknaden kommer att vara värd 1,4 biljoner dollar 1996; Apple Computer uppskattar att marknaden kommer att växa till 3,5 biljoner dollar år 2001.
Visionen om informationssupervägar kraschade nästan 1986.
Då nästan två decennier gammal hade Internet 10 000 användare. De hade kommit att förlita sig på nätet eftersom det redan hade blivit mycket mer än bara ett sätt att utbyta elektronisk post och flytta data. Nätet fungerade som en virtuell kontorshall och knöt intimt samman avlägsna medarbetare.
I oktober 1986 drabbades Internet av vad dess många konstruktörer diagnostiserade som ”överbelastningskollaps”. Kommunikation – en digital dataström som består av allt från skriftliga meddelanden till rå vetenskapliga data – hade flödat genom systemet med upp till 56 kilobit per sekund (56 000 bitar, eller ungefär två maskinskrivna sidor, per sekund). En dag bromsade detta 2000-talets informationssystem plötsligt upp till telegrafens hastighet. Den dagen saktelades överföringshastigheten mellan Lawrence Berkeley Laboratory och University of California i Berkeley, bara en kvarts mil bort, ner till 320 bitar per sekund. Användarna av systemet var förbryllade och bestörta.
Internetanvändare över hela landet, som är lika beroende av nätverket som de flesta av oss är beroende av våra telefoner, funderade på hur de skulle kunna återuppliva det. Van Jacobson från LBL:s ingenjörsavdelning var en av dem som engagerade sig.
”Nätet hade blivit tusen gånger långsammare”, minns Jacobson. ”Post som hade gått igenom på några minuter tog nu en hel dag. Folk började ge upp. Hela idén med nätverkskommunikation var hotad.
”Jag arbetade med Mike Karels (från Berkeley Unix-utvecklingsgruppen vid University of California i Berkeley). I sex månader hade vi frågat varför Internet misslyckades och slagit våra huvuden mot en tegelvägg. En kväll på ett kaffehus i Berkeley fick vi ett ögonblick av upplysning. Vi vände på frågan. Den verkliga frågan var: Hur hade Internet någonsin fungerat?
”Tänk efter”, säger Jacobson: En arbetsstation kan sända data med 10 megabit per sekund (10 miljoner bitar) och en router skickar dem vidare till Internet, som har en kapacitet på 56 kilobit per sekund. Man börjar med denna flaskhals och måste sedan ta itu med tusentals människor som använder nätet samtidigt. Med tanke på detta, säger han, var en trafikstockning på Internet oundviklig.
I takt med att trafiken hade ökat på Internet hade systemets många användare förlitat sig på vad som liknade ett självdestruktivt beteende i sina försök att bryta igenom nätverksstoppet. Informationspaket skulle sändas till nätet av en dator och därefter returneras till avsändaren på grund av överbelastningen. Datorerna hade programmerats för att hantera detta genom att omedelbart försöka igen och skicka meddelandet på nytt tills det gick igenom. Jacobson jämför situationen med att hälla bensin på en brand.
|
LIKT PAKET SOM SKICKAS VIA POSTEN DELAS KOMMUNIKATION SOM SKICKAS VIA ETT NÄTVERK UPP I SMÅ PAKET OCH FÖRPACKAS MED FRAKT- OCH MONTERINGSANVISNINGAR, KALLADE PROTOCOLS |
Lösningen, säger han, var att göra nätverksanvändarna mer artiga.
”Om för många människor försöker kommunicera samtidigt”, förklarar Jacobson, ”kan nätverket inte hantera det och avvisar paketen och skickar tillbaka dem. När en arbetsstation omedelbart sänder om igen förvärrar detta situationen. Det vi gjorde var att skriva artiga protokoll som kräver en liten väntan innan ett paket sänds om. Alla måste använda dessa artiga protokoll, annars fungerar Internet inte för någon.”
Jacobsons och Karels protokoll, som nu är en universell del av Internet, kallas ”Slow Start”. Slow Start undviker överbelastning genom att övervaka nätverket och, när överbelastning verkar vara överhängande, fördröja överföringen av paket allt från millisekunder till en sekund. Slow Start fördröjer överföringshastigheterna baserat på faktorer som inkluderar nätets aktuella tillgängliga kapacitet samt en multipel av överföringstiden (i princip avståndet) mellan avsändaren och den valda destinationen. Sex år efter införandet fortsätter Slow Start att undvika överbelastning av nätet trots att både nätets hastighet och antalet användare har ökat tusenfalt.
För ungefär två år sedan tog Jacobson och forskare vid Xerox Palo Alto Research Center (PARC) itu med ett projekt för att lägga till ljud- och videokonferenser på Internet. Liksom för telefonsystem var ljud-/videokonferenser mellan flera parter via en dator en gammal, ännu ouppnåelig, vision.
När det gäller konferenser har ett datornätverk till att börja med en inneboende fördel jämfört med ett telefonsystem. Medan en telefonlinje förbinder två punkter och överför en konversation, förbinder Internet varje part på linjen och överför flera samtidiga ”konversationer”. För att stödja detta enorma informationsflöde delas kommunikationen upp i små paket som blandas in i den pågående strömmen av paket som korsar nätet. Varje paket är förpackat med frakt- och monteringsinstruktioner (så kallade protokoll) som anger destinationen, returadressen och hur den mottagande datorn kan ordna om alla paket tillbaka till den ursprungliga kommunikationen.
På grund av de små fördröjningar som är inneboende i Internet, konstaterade flera forskargrupper som hade till uppgift att införa ljud- och videokonferenser i nätet att de hade fått ett omöjligt uppdrag. De rekommenderade att ett nytt nätverk skulle byggas.
”Vi tyckte att detta var löjligt”, minns Jacobson. ”Internet stödde kommunikation mellan två Cray superdatorer, som sänder med en gigabit per sekund (en miljard bitar). Det fungerade också för någon som sitter vid ett tangentbord och skriver med 20 bitar per sekund. Denna robusthet och dynamiska räckvidd verkade för bra för att överges. Så vi tittade noga. Det borde inte ha funnits någon anledning till varför vi inte kunde göra ljud och video.”
Fördröjningar är faktiskt mer störande för människor som pratar än för videokonferenser. Konferensdeltagare kan tolerera en tillfällig stillbild under en videoöverföring medan röster som hörs i ojämna staccatobrott låter som rappakalja. Jacobson och Steve Deering från Xerox PARC koncentrerade sig på att utforma ett system som skulle bevara Internets globala uppkoppling och samtidigt möjliggöra ett smidigt och snabbt ljudflöde.
För att lyssnaren skulle kunna höra kontinuerligt tal lade Jacobson och Deering först till en tidsstämpel till varje ljudpaket. Mottagaren läser tidsstämplarna, ordnar paketen kronologiskt och spelar sedan upp dem samtidigt som den fortsätter att ta emot och ordna ytterligare inkommande paket för efterföljande uppspelning. På så sätt undviker man att det blir ett utstuderat Pig Latin-tal, men man tar inte itu med det ojämna paketflödet i nätet och de ljudstötar som blir resultatet.
För att råda bot på detta utnyttjade de två forskarna skillnaden mellan den otroliga hastighet med vilken nätverket flyttar paket och den relativt långa fördröjning på två tiondelar till en halv sekund som människor kan hantera utan att samtalet störs. De skapade en algoritm som beräknar hur lång tid det tar för paketen att anlända och sedan saktar ner röståtergivningen tillräckligt för att även de långsammaste paketen ska få tillräckligt med tid att anlända. De uppspelningsfördröjningar som algoritmen medför är faktiskt mycket korta, vanligtvis mindre än en tiondels sekund. Tack vare de omärkliga kontrollerade fördröjningar som Jacobson och Deering infört är röstkonferenser mellan Internetanvändare med mikrofoner och datorhögtalare numera vanliga.
Sittande på sitt kontor vid LBL visade Jacobson hur han är kopplad till nätverkare över hela världen. Han loggade in på Internet och kallade upp Lightweight Sessions, ett fönstergränssnitt med ett enkelt formulär för att meddela eller anmäla sig till en ljud- eller videokonferens. Nätverksanvändare använder Lightweight Sessions rutinmässigt för att få meddelanden om kommande konferenser och för att anmäla sig till de konferenser som intresserar dem. Vissa konferenser är enbart röstkonferenser, medan andra inkluderar video, som utvecklats av forskare från Xerox PARC. Under en audio-/videokonferens sänder små, billiga kameror, som vanligtvis är anslutna till sidan av en deltagares dator, en direkt bild av varje deltagare. Jacobsons skärm var uppdelad i flera fönster där ett fönster visade en bild av den person som talade. Ett andra fönster visade data som diskuterades. Ett tredje fönster kommer enligt planerna att visas på Internet inom en snar framtid.
Jacobson kallar detta nya grafiska fönster för en ”whiteboard”. Människor kommer att kunna använda det ungefär som ett konventionellt datorritningsprogram för att dela information eller samarbeta i ett designprojekt. Alla konferensdeltagare kan se och i sin tur ändra det som avbildas på whiteboardet eller bläddra tillbaka till en tidigare version av bilden. Alla bilder – t.ex. datorstödda ritningar eller röntgenbilder – kan också importeras till whiteboardfönstret.
Viteboardtavlan är ett tecken på den växande betydelsen av visuella data inom vetenskapen.
Stu Loken säger att stillbilder och video kommer att vara integrerade i det mesta av den forskning som bedrivs vid LBL. ”Vetenskapen upplever en spridning av visuella data, allt från skymaps som kartlägger strukturen i det tidiga universum till medicinska bilder som visar neurokemin hos Alzheimerpatienter, till bilder av det mänskliga genomet”, säger han.
Loken erkänner att bilder skapar både möjligheter och problem. Det krävs enorma mängder digital information för att skapa bilder: En videokamera genererar 30 bilder per sekund, eller motsvarande mer än 2 000 sidor ord. Men datorerna är nu tillräckligt snabba och lagringsenheterna tillräckligt stora för att forskarna ska kunna börja använda videokameror för att fånga data som sedan analyseras av datorn. Denna nya kapacitet leder till en förändring i forskarnas sätt att utforma experiment och öppnar nya möjligheter att lära sig nya saker.
För att göra det möjligt för forskare att skapa data med hjälp av video har forskare vid LBL:s avdelning för informations- och datavetenskap tagit på sig ett mångfacetterat uppdrag. Bill Johnston leder ett team som skapar ny hårdvara och mjukvara för bearbetning och analys av en visuell dataström över höghastighetsnätverk. Tanken är att en forskare skall kunna ta utdata från t.ex. ett elektronmikroskop och ansluta den videoströmmen till ett nätverk lika rutinmässigt som en arbetsstation kan anslutas till ett nätverk i dag.
Anslutning till nätet är bara det första steget. Johnstons grupp ägnar sig åt utvecklingen av distribuerad vetenskaplig databehandling. Hittills har resursernas placering dikterat vetenskapens gång. Projekten fortsätter på platser där rätt personer, experimentella resurser och datorresurser kan sammanföras. I de distribuerade vetenskapliga datormiljöer som nu lanseras vid LBL kan maskiner, databaser och människor som är utspridda över hela världen snabbt och tillfälligt kopplas samman. Till exempel kan en videoström från ett pågående experiment skickas till en superdator för behandling, och den omedelbara analysen kan användas för att interaktivt styra den experimentella apparaten. Eller så kan dataflödet bearbetas, analyseras och sedan användas som indata i ett kompletterande experiment.
Johnston noterar att nätverksvideokonferenser redan finns tillgängliga, men varnar för att detta inte bör förväxlas med nätverksöverföring med hög hastighet av vetenskapliga videodata. Skillnaden är bildkvaliteten.
För att kunna pressa videokonferensöverföringar genom den fortfarande smala Internetledningen har t.ex. den vanliga sändningshastigheten på 30 bilder per sekund minskats till sex till tolv bilder per sekund. I stället för att sända en rad fullständiga bilder används dessutom komprimeringsalgoritmer som endast överför den del av bilden som har ändrats jämfört med föregående bild. Dessa delbilder sätts sedan ihop till fullständiga bilder med hjälp av programvara i den mottagande änden. Nettoeffekten är att människor kan se ordentliga bilder av varandra när de talar, trots att den digitala flödeshastigheten är tusentals gånger lägre än för en vanlig videosändning.
Och även om detta fungerar för videokonferenser – en känsla av närvaro skapas, om än inte en bild av Ansel Adams-kvalitet – kan vetenskapliga data inte koncentreras på detta sätt och överleva.
Förklarar Johnston: ”Videodata består vanligtvis av bilder som produceras av sensorer som tänjer på teknikens gränser. Ofta har vi många suddiga, kontrastfattiga bilder med inslag som är svåra att urskilja från bakgrundsbruset. För att kunna analysera och extrahera information har vi inte råd att förlora några av de ursprungliga videodetaljerna. Video som överförs via Internet har komprimerats till 8-16 kilobit per sekund. Jämför det med en konventionell monokrom instrumenteringskamera som genererar 120 000 kilobit per sekund.”
Johnstons grupp använder laboratorieforskning som drivkraft för att utveckla teknik som i slutändan är avsedd för massorna. Tänk till exempel på fallet med LBL:s biokemist Marcos Maestre, som videofilmar små DNA-strängar som vibrerar i ett mikroskopiskt elnät för att studera DNA:s fysikaliska kemi. För närvarande vibrerar forskarna DNA:t, skapar ett videoband och skickar sedan bandet till ett animeringssystem där stillbilder av varje bildruta produceras med stor noggrannhet. Det krävs timmar och timmar för att få fram cirka 200 bilder, eller sju sekunders data. Sedan skannas bilderna in i en dator bild för bild, som följer och mäter DNA-strängens förändrade form, vilket ger nya insikter om dess struktur.
I det distribuerade system som håller på att utvecklas vid LBL kommer forskarna att kunna titta på en bildskärm på en arbetsstation och se de data som hämtas från en livevideo även när experimentet pågår. Videokameran kommer att anslutas till ett nätverk där en lagringsenhet kommer att spara bilderna samtidigt som den överför dem till LBL:s nya superdator, ett MasPar massivt parallellt bearbetningssystem. MasPar kan bearbeta och analysera en videoinmatning med 30 bilder i sekunden, vilket ger en omedelbar visning av data på vilken teknisk arbetsstation som helst i nätverket.
För att förverkliga detta krävs tyvärr mer än att bara koppla in komponenterna i detta system i varandra. När den digitala strömmen flödar från experimentet till lagring, analys och visning uppstår flera flaskhalsar. Innan den råa signalen som strömmar ut från den monokroma kameran med 120 000 kilobit per sekund överförs till nätverket måste en mellanliggande dator översätta utdata till ett digitalt paket som är konfigurerat för nätverket. Den digitala trafiken börjar backa i detta skede.
”När den enda anledningen till en dator är att förmedla mellan nätverket och en kamera”, kommenterar Johnston, ”har man i själva verket skapat en byråkrati. Datorn gör jobbet, men inte på ett effektivt sätt. En dator är utformad för att utföra många uppgifter snarare än denna specialiserade uppgift. Vad vi behöver är en styrenhet, en avskalad dator som bara ägnar sig åt denna enda uppgift. Vi bygger nu en nätverksstyrenhet för en videokamera i ett samarbete med PsiTech Corp. i Fountain Valley, Kalifornien.”
Sättet att lura byråkrater och öppna flaskhalsar – Johnston säger att detta är ett återkommande uppdrag för hans grupp för distribuerad databehandling. Till exempel måste data som leds genom ett nätverk sparas i ett digitalt arkiv innan de analyseras. För att lagra de höga datahastigheterna från källor som video utvecklades Redundant Arrays of Inexpensive Disks (RAID) på Berkeley campus. Den första generationen av RAID krävde en mellanliggande dator, vilket fördröjde flödet, så en nätverksstyrenhet har byggts och en ny generation, RAID II, har utvecklats. RAID II har nu kopplats till HiPPI, ett nätverk på 800 megabit/sekund som vanligtvis används för att koppla samman superdatorer, och LBL arbetar för att koppla det till Internet. Detta arbete är ett samarbete med flera grupper inom elektroteknik och datavetenskap. I ett relaterat projekt som finansieras av energidepartementet har Johnstons grupp samarbetat med Berkeley-professorerna Domenico Ferrari och Randy Katz samt LBL:s Bob Fink och Ted Sopher för att bygga ett gigabit-nätverk (miljarder bitar) av optisk fiber som förbinder LBL och Berkeley campus. All höghastighetsutrustning vid LBL och på campus har anslutits till detta nätverk, vilket skapar en lokal anslutning till den nationella informationsmotorvägen.
I LBL kommer den nya MasPar-datorn att spela en central roll i labbets distribuerade datormiljö och öppna dörren till eran av visuella data. Även om den kommer att göra det möjligt att skapa och lagra mängder av bilder kommer forskarna snart att stöta på ett stort hinder. Trots att dess 4 096 processorer levererar en topprestanda på 17 000 miljoner instruktioner per sekund, vet ännu ingen hur man instruerar superdatorn att hitta en viss lagrad bild.
”Att söka i en textdatabas efter ett ord eller en teckensträng och att söka i en videodatabas efter ett objekt är ett helt annat problem”, säger Johnston. ”En dator kan lätt hitta varje hänvisning i en textdatabas till ’fisk’, men det finns inget färdigt sätt att titta igenom en arkivuppsättning av videobilder och hitta alla bilder med fiskar. Vi samarbetar med MasPar Computer Corporation för att utveckla teknik för att göra detta.”
Symboliken i detta uppdrag – att söka igenom den berömda höstacken av bilder och äntligen hitta nålen – bör inte förbises. För LBL:s datavetare är detta en tid av överhängande möjligheter.
Trafiken på Internet accelererar och nya sporrar växer fram och kopplas upp. Sedan Clinton och Gore tillträdde har en kaskad av företagsinvesteringar på flera miljarder dollar i nätverksinfrastruktur tillkännagivits. Telefon-, kabel-TV- och mobiltelefonföretag, förläggare och datortillverkare rusar för att göra anspråk. Amerika håller på att kopplas upp för framtiden.
Som talesman för sina kolleger säger Johnston: ”Vi är på väg att uppleva förändringar i detta land som är lika genomgripande som de som våra förfäder upplevde när den industriella revolutionen inleddes. Inom ett decennium kommer datorer, kommunikation och underhållning att smälta samman. Forskare, läkare, affärsmän och skolbarn kommer att vara uppkopplade inte bara mot sina kollegor utan mot alla andra. Vårt sätt att lära och interagera är på väg att revolutioneras.”