طرحی جدید برای شبكه های ارتباطی

كلود شانون, ریاضیدان و مهندسی بود كه ۶۰ سال پیش با بنا نهادن بنیادهای یك نظریه ریاضی جدید در مورد ارتباطات كه امروزه «نظریه اطلاعات» نامیده می شود, باعث به وجود آمدن یك تحول عظیم و انقلابی در حوزه ارتباطات شد

كلود شانون، ریاضیدان و مهندسی بود كه ۶۰ سال پیش با بنا نهادن بنیادهای یك نظریه ریاضی جدید در مورد ارتباطات كه امروزه «نظریه اطلاعات» نامیده می‌شود، باعث به وجود آمدن یك تحول عظیم و انقلابی در حوزه ارتباطات شد.

پیشرفت‌های عملی حاصل از كار او كه در ارتباط با انتقال فشرده و قابل اعتماد اطلاعات است، امروزه در نمونه‌های فراوانی مانند اینترنت، سیستم‌های تلفن بی‌سیم و ابزارهای ذخیره اطلاعات مانند CD‌ها و DVDها دیده می‌شود.

شانون ارتباط از طریق خطوط تلفن را كه تنها به مكالمات شخصی فردبه‌فرد اختصاص داشت، متحول كرد. امروزه اطلاعات به طور روزافزونی از طریق شبكه‌های مشترك مانند اینترنت منتقل می‌شود كه در آن كاربرهای فراوانی به طور همزمان از طریق وسیله‌ای یكسان با یكدیگر مرتبط می‌شوند.

شبكه‌های مشترك به طور بالقوه می‌توانند بهره‌وری و كارایی سیستم‌های ارتباطی را افزایش دهند، اما همچنین می‌توانند باعث ایجاد رقابت بر سر منابع مشترك شوند. افراد بسیاری باید برای دستیابی به مثلا آهنگ‌های قابل دانلود یك سرور با هم رقابت كنند.

بنابراین مساله یافتن راه‌هایی برای هموار كردن این اشتراك است،‌ مساله‌ای كه والدین بچه‌های كوچك آن را خوب می‌شناسند. اپراتورهای شبكه به طور مداوم تلاش می‌كنند كه این مساله را با افزایش منابع حل كنند، اما این روش اغلب ناكافی است.

این كار برای مثال با افزایش پهنای باند از طریق سیم‌های مسی و كابل‌های نوری انجام می‌‌شود، اما تلاش برای افزایش پهنای باند تا ابد شكست خواهد خورد. بنابراین علاوه بر روش‌های سخت‌افزاری، تكنیك‌هایی برای افزایش كارایی نیز مورد نیاز است.

در حال حاضر در اینترنت و دیگر شبكه‌های مشترك، اطلاعات توسط روترها تقویت و ارسال می‌شوند؛ یعنی كلیدهایی كه در گره‌های محل تقاطع عبور سیگنال‌ها عمل می‌كنند.

روتر پیام‌های ورودی را انتقال می‌دهد و آنها را به سمت مقصد نهایی پیغام‌ها هدایت می‌كند. اما اگر كسی خواستار كارایی بیشتر باشد، آیا روترها بهترین وسیله برای عبور اطلاعات هستند؟ آیا این عملیات بهترین راه اجرای چنین هدف‌هایی است؟

تا پیش از هفت سال پیش كمتر كسی به چنین سوال‌هایی فكر می‌كرد. اما از آن به بعد رودلف آهلسوئد از دانشگاه بیلفید در آلمان، با همكاری نینگ چای، شو-ین، رابرت لی و ریموند یونگ از دانشگاه چینی هنگ‌كنگ مقاله‌ای منتشر كردند كه روش جدیدی را برای توزیع اطلاعات در شبكه‌های مشترك ارائه می‌داد.

در این راهكار كه كدگذاری شبكه نامیده می‌شود، روترها با كدگذارها جایگزین می‌شوند و به جای ارسال خود پیام‌ها، شواهدی درباره آنها ارسال می‌كنند.

وقتی دریافت‌كننده‌ها شواهد را جمع ‌كنند، با سر هم كردن آن سرنخ‌ها اصل پیغام را به دست می‌آورند. به‌رغم اینكه این روش ممكن است غیرشهودی به نظر برسد و هنوز در مرحله مطالعه قرار دارد، قابلیت این را دارد كه به طور چشمگیری سرعت سیستم‌های ارتباطی را بیشتر كند و جرقه‌ای برای انقلاب بعدی در این حوزه باشد.

پژوهشگران در حال حاضر به دنبال كشف راه‌های جدید برای بهبود كارایی هستند، با این حال تا جایی كه ما می‌دانیم تمام آن روش‌ها به طور كلی توسعه روش‌های موجود هستند.

● بیت‌ها ماشین نیستند

آهلسوئد و همكارانش طرح خود را بر مبنای ایده شانون ساخته‌اند كه انتقال شواهدی درباره یك داده در واقع سودمندتر از فرستادن مستقیم داده است. آنها همچنین فهمیدند كه یك گیرنده باید بتواند داده اولیه را وقتی شواهد كافی جمع‌آوری شدند به دست آورد، اما نیازی ندارد كه تمام شواهد ارسالی را دریافت كند.

یك نوع سرنخ می‌تواند توسط دیگری جایگزین شود و آنچه اهمیت دارد دریافت تركیبی از سرنخ‌هاست كه همراه هم، پیام اولیه را آشكار می‌كنند. كدگذاری شبكه این دیدگاه كلاسیك را كه كانال‌های ارتباطاتی شبیه جاده و بیت‌ها شبیه ماشین‌هایی هستند كه در طول این جاده‌ها حركت می‌كنند، كنار می‌‌گذارد.

اما فهمیدن نحوه انتقال اطلاعات در مدل حمل‌ونقل برای درك اینكه این طرح جدید چگونه كار می‌كند و چرا یك چنین وعده‌هایی می‌دهد، سودمند است.

شانون به طور ریاضی ثابت كرد كه هر كانال دارای یك ظرفیت است (مقداری از اطلاعات كه می‌تواند در مدت زمان معینی منتقل شود) و اینكه ارتباطات به طور قابل اتكایی قابل دستیابی هستند تا وقتی كه ظرفیت كانال‌ها پر نشود.

در تشبیه حمل‌ونقل، ظرفیت جاده‌ها تعداد ماشین‌هایی است كه در هر ثانیه می‌توانند با امنیت از آنها عبور كنند. اگر ترافیك كمتر از ظرفیت باقی بماند، به طور كلی می‌توان تضمین كرد كه ماشین ورودی به جاده بدون تغییر از انتهای آن خارج می‌شود.

مهندسان به طور فزاینده‌ای سیستم‌های ارتباطی پیچیده‌ای بر مبنای مدل حمل‌ونقل ساخته‌اند. برای مثال، سیستم‌های تلفن كه شانون درباره آنها به دقت فكر كرده بود یك «جاده» مجزا برای هر مكالمه اختصاص می‌دهند و در خطوط تلفن كلاسیك دو خط تلفن هیچ وقت زمان و فركانس یكسان ندارند.

شبكه‌های كامپیوتری و به‌خصوص اینترنت، به طور ذاتی هزارتوهایی از جاده‌های پرشاخه و متقاطع هستند. اطلاعاتی كه از یك كامپیوتر به كامپیوتر دیگر سفر می‌كند، برای رسیدن به مقصد خود از تعدادی از این جاده‌ها عبور می‌كند.

بیت‌های یك پیام یكتا در بسته‌هایی جمع می‌شوند (كه شبیه قطاری از ماشین‌ها یا اتوبوس هستند) كه هر كدام با مقصد مورد نظر مشخص شده‌اند. روترها كه در محل تقاطع جاده‌ها قرار دارند هر بسته را وارسی می‌كنند و آن را به مقصدش می‌فرستند.

با این همه بیت‌ها ماشین‌ نیستند. وقتی دو وسیله نقلیه در یك پل بسیار باریك به هم برسند باید برگردند، اما اگر دو بیت در این وضعیت گیر كنند انتخاب‌های زیادی ممكن است، انجام دهند كه یكی از آنها كدگذاری شبكه است.

● خط رو خط

تصور یك شبكه شش گره‌ای درون یك جعبه می‌تواند آن انتخاب‌ها را آشكار كند. در كامپیوتر پیغام‌ها از رشته‌های صفر و یك تشكیل شده‌اند. فرض كنید كه هر پیوند یا جاده از این شبكه در هر ثانیه می‌تواند یك بیت (صفر یا یك) و در یك جهت معین منتقل كند.

آمی كه یك كاربر شبكه در گره A است، امیدوار است كه بتواند اطلاعات را به صورت یك بیت در ثانیه برای دانا در گره D بفرستد. در همین حال بن در گره B می‌خواهد با همان سرعت، اطلاعات را برای كارل در گره C بفرستد. آیا آمی و بن می‌توانند به طور همزمان و بدون پركردن ظرفیت هیچ یك از خطوط به خواسته خود برسند؟

در یك سیستم روتر وضعیت امیدواركننده‌ به نظر نمی‌رسد. هر دو مسیرها، از آمی به دانا و از بن به كارل، نیازمند عبور از پنج پیوند (خط ارتباطی بین دو گره) هستند. این پیوند معادل یك پل باریك است.

روتر واقع در گره E جایی كه پیوندها آغاز می‌شود، در هر ثانیه دو بیت دریافت می‌كند، (یكی از پیوند دو و دیگری از پیوند سه) اما به این دلیل كه ظرفیت پیوند پنج یك بیت است روتر تنها می‌تواند یك بیت در ثانیه از طریق آن ارسال كند. در مدل حمل‌ونقل، یك چنین گلوگاهی باعث ایجاد ترافیك وحشتناكی می‌شود كه بیت‌های بیشتر و بیشتری در انتظار نوبت خود روی هم تلنبار می‌شوند.

در رویكرد جدید، روتر با یك كدگذار جایگزین می‌شود كه انتخاب‌های بیشتری برای باز كردن ترافیك دارد. كدگذار به جای فرستادن جریان واقعی بیت‌های جمع شده در گلوگاه، می‌تواند اطلاعات كاملا متفاوتی ارسال كند.

برای مثال می‌تواند «یك»های رسیده در طول هر ثانیه معین را با هم جمع كند و اگر مجموع آنها زوج باشد یك «صفر» به جایش بفرستد.

اگر جمع آنها فرد باشد، می‌تواند یك «یك» ارسال كند. بنابراین اگر پیوند به طور همزمان یك «یك» و یك «صفر» از پیوندهای دو و سه دریافت كند، بیت عبوری از آن «یك» خواهد بود. سپس نتیجه توسط روتر F از طریق لینك‌های شش و هفت به ترتیب برای دانا و كارل فرستاده می‌شود.

این رویكرد در گره E هر زوج بیت را با یك بیت دوگانه جایگزین می‌كند. یك چنین جریانی از بیت‌ها احمقانه به نظر می‌رسد. مثل این است كه كدگذار پیشنهادی ما یك مكالمه تلفنی را با مكالمه دیگر تركیب كرده باشد به نحوی كه هر دو آنها نامفهوم شوند.

دقیقا همین بی‌معنایی آشكار این رویكرد دلیل بی‌توجهی به آن به مدت طولانی شده، اما گاهی دیوانگی آشكار، یك نوآوری واقعی است. یك جریان بیت دوگانه ممكن است هیچ انتقالی را به طور كامل توصیف نكند، با این حال می‌تواند شواهدی درباره هر دو آنها فراهم كند. فرض كنید ما به طور اضافه پیغام گم شده آمی به كارل را از طریق پیوند یك و پیغام بن به دانا را از پیوند چهار بفرستیم.

فرستادن این دو پیام منابع شبكه را طوری مصرف می‌كند كه سیستم روتر نمی‌تواند از آن برای رسیدن به اهداف آمی و بن استفاده كند. گره كارل انتقال‌های آمی را دریافت می‌كند و به ازای هر نمونه (از پیوند شش) می‌فهمد كه آیا تعداد «یك»های موجود در جفت پیام‌های ارسالی توسط آمی و بن زوج یا فرد است.

اگر گره كارل همچنین برنامه‌ریزی شده باشد كه قاعده استفاده شده توسط كدگذار را در ابتدای پیوند پنج «بداند» یا اگر این قاعده را از طریق خود شواهد استنتاج كند، شواهد جمع‌آوری شده او را قادر خواهد ساخت كه به پیغام ارسالی توسط بن دست پیدا كند. گره دانا نیز به شكل مشابهی پیام آمی را كشف خواهد كرد.

● آینده شبكه

به این ترتیب با جایگزینی كدگذارها به جای روترها، عملكرد شبكه‌ها بسیار متفاوت خواهد شد. راه‌هایی كه پیغام‌های ما از شبكه عبور می‌كنند تغییر خواهد كرد، آنها نه‌تنها «جاده» را با دیگر پیغام‌ها شریك می‌شوند بلكه حتی ممكن است با پیام‌های دیگر منابع درهم تنیده شوند. برخی می‌ترسند كه این درهم تنیدگی می‌تواند تهدیدی برای امنیت شبكه و پیغام‌های ارسالی باشد.

اما به طور موضعی عبور پیام‌ها از شبكه یك جریان جبری، غیرقابل رمزگشایی است. كاربران شبكه‌های جدید علاوه بر دستیابی به سرعت بسیار بالا، در مورد شبكه‌های بی‌سیم به بهینه‌سازی در مصرف انرژی نیز دست پیدا می‌كند.

همچنین تغییر چگونگی عملكرد شبكه‌ها به صورت كدگذاری شبكه ممكن است آثاری غیرقابل‌تصور روی جامعه داشته باشد، آثاری كه با عملی شدن این طرح باید منتظر وقوع آنها باشیم.

مایكل افروس

ترجمه: مریم جعفراقدمی