“أرو”: من يمكنه ثني الضوء من أجل إنترنت أرخص؟ – ترجمة* محمد جواد آل السيد ناصر الخضراوي

ARROW: Who Can Bend Light for Cheaper Internet?
 “Rachel GORDON, MIT Computer Science & Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL)”
(بقلم: راشيل غوردون، مختبر علوم الحاسوب والذكاء الاصطناعي التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا)

ملخص المقالة:

تعاني شبكات الألياف البصرية من أجل تقديم عرض النطاق الترددي العالي والتوافر المفروض من أعباء العمل الناشئة المتعلقة بالتعلم الآلي ومكالمات الفيديو والرعاية الصحية. ويمكن لهذه الألياف ان تنفصل مما يسبب أضرارا جسيمة ومكلفة. وقد توصل علماء مختبر علوم الحاسوب والذكاء الاصطناعي التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ومن فيسبوك إلى طريقة للحفاظ على الشبكة عند تعطل الألياف. ويعيد نظامهم، المسمى “أرو” (ARROW)، تكوين الضوء البصري من الألياف التالفة إلى الألياف الصحيحة، مع استخدام خوارزمية على الإنترنت للتخطيط الاستباقي لخفض الألياف المحتملة في وقت مبكر، بناء على متطلبات حركة المرور على الإنترنت في الوقت الحقيقي. ويمكن أن يحمل “أرو” حركة مرور تزيد مرتين إلى 2.4 مرة دون الحاجة إلى تمديد ألياف جديدة، مع الحفاظ على موثوقية الشبكة بشكل كبير.

( المقالة )

“أرو” (ARROW) هي شبكة ألياف بصرية قابلة لإعادة التشكيل، طُوِّرت في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، تهدف إلى أخذ قانون “مور” (Moore’s Law) الى نهايته.

وتعتبر شبكات المنطقة الواسعة “وان” (Wide Area Networks WANs) الهيكل الأساسي العالمي والدافع التشغيلي للإنترنت اليوم الذي يربط مليارات أجهزة الكمبيوتر عبر القارات والمحيطات، وهي أساس الخدمات الحديثة عبر الإنترنت. وبما أن كوفيد-19 قد وضع اعتمادًا حيويًا على الخدمات عبر الإنترنت، فإن شبكات اليوم تكافح من أجل تقديم عرض النطاق الترددي العالي والتوافر الذي تفرضه أعباء العمل الناشئة المتعلقة بالتعلم الآلي ومكالمات الفيديو والرعاية الصحية.

ولتوصيل شبكات المنطقة الواسعة على مدى مئات الأميال، يتم ربط كابلات الألياف البصرية التي تنقل البيانات باستخدام الضوء في جميع أنحاء أحيائنا، وهي مصنوعة – بشكل لا يصدق – من خيوط رقيقة من الزجاج أو البلاستيك تعرف باسم الألياف البصرية. وعلى الرغم من أنها سريعة للغاية، إلا أنها ليست موثوقة دائما: يمكن أن تنفصل (تتمزق) بسهولة بسبب الطقس والعواصف الرعدية والحوادث وحتى الحيوانات. ويمكن أن تسبب هذه التمزقات أضرارا جسيمة ومكلفة، مما يؤدي إلى انقطاع خدمة الطوارئ (911)، وفقدان الاتصال بالإنترنت، وعدم القدرة على استخدام تطبيقات الهواتف الذكية.

وقد توصل حديثًا علماء من مختبر علوم الحاسوب والذكاء الاصطناعي التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (CSAIL) ومن فيسبوك إلى طريقة للحفاظ على الشبكة عند تعطل الألياف، وخفض التكلفة. ويعيد نظامهم، المسمى “أرو” (ARROW)، تكوين الضوء البصري من الألياف التالفة إلى الألياف الصحيحة، مع استخدام خوارزمية على الإنترنت للتخطيط الاستباقي لخفض الألياف المحتملة في وقت مبكر، بناء على متطلبات حركة المرور على الإنترنت في الوقت الحقيقي.

وتم بناء “أرو” على مفترق طرق لنهجين مختلفين: “هندسة المرور الواعية بالفشل”، وهي تقنية توجه حركة المرور إلى حيث توجد موارد عرض النطاق الترددي أثناء تخفيضات الألياف، و “إعادة تشكيل الطول الموجي”، التي تستعيد موارد عرض النطاق الترددي الفاشلة عن طريق إعادة تكوين الضوء.

وعلى الرغم من أن هذا المزيج قوي، إلا أنه من الصعب رياضيا حل المشكلة بسبب صلابة إن پي (NP-hardness)  [١] في نظرية التعقيد الحسابي.

وأنشأ فريق العمل خوارزمية جديدة يمكنها بشكل أساسي إنشاء تذاكر يانصيب “LotteryTickets” كتجريد لـ “مشكلة إعادة تشكيل الطول الموجي” على الألياف الضوئية وتغذي فقط المعلومات الأساسية في “مشكلة هندسة المرور”. يعمل هذا جنبا إلى جنب مع “طريقة الاستعادة البصرية”، التي تنقل الضوء من الألياف المقطوعة إلى الألياف الغيير مقطوعة “المستحلة” لاستعادة اتصال الشبكة. ويأخذ النظام أيضا حركة المرور في الوقت الفعلي في الاعتبار لتحسين إنتاجية الشبكة القصوى.

وباستخدام عمليات محاكاة واسعة النطاق وسرير (منصة) اختبار [٢]، يمكن أن يحمل “أرو” حركة مرور تزيد مرتين إلى 2.4 مرة دون الحاجة إلى تمديد ألياف جديدة، مع الحفاظ على موثوقية الشبكة بشكل كبير.

“يمكن استخدام “أرو” لتحسين توافر الخدمة، وتعزيز مرونة البنية التحتية للإنترنت ضد تخفيضات الألياف. إنه يجدد الطريقة التي نفكر بها في العلاقة بين الإخفاقات وإدارة الشبكة – كانت الإخفاقات في السابق أحداثا حتمية، حيث كان الفشل يعني الفشل، ولم يكن هناك طريقة للتغلب عليه سوى الإفراط في توفير الشبكة”، كما يقول زهيزهين زهونغ، المؤلف الرئيسي في ورقة جديدة عن “أرو”. ويضيف: “مع “أرو”، يمكن القضاء على بعض الإخفاقات أو استعادتها جزئيا، وهذا يغير الطريقة التي نفكر بها في إدارة الشبكات وهندسة المرور، مما يتيح فرصا لإعادة التفكير في نظم هندسة المرور، ونظم تقييم المخاطر، والتطبيقات الناشئة أيضا”.

ولا يزال تصميم البنى التحتية للشبكات اليوم، سواء في مراكز البيانات أو في شبكات المنطقة الواسعة، يتبع “نموذج المهاتفة”، حيث يعامل مهندسو الشبكات الطبقة المادية للشبكات على أنها صندوق أسود ساكن بدون إعادة تشكيل.

ونتيجة لذلك، فإن البنية التحتية للشبكة مجهزة لحمل أسوأ طلب على حركة المرور في ظل جميع سيناريوهات الفشل المحتملة، مما يجعلها غير فعالة ومكلفة. ومع ذلك، فإن الشبكات الحديثة لديها تطبيقات مرنة يمكن أن تستفيد من طبقة مادية قابلة لإعادة التشكيل ديناميكيا، لتمكين الإنتاجية العالية، ووقت الاستجابة المنخفض، والعودة السلسة من الأعطال، التي يساعد “أرو” على تمكينها.

وفي النظم التقليدية، يقرر مهندسو الشبكات مسبقا مقدار السعة للحصول عليها في الطبقة المادية للشبكة. وقد يبدو من المستحيل تغيير طوبولوجيا الشبكة دون تغيير الكابلات فعليا، ولكن بما أنه يمكن إعادة توجيه الموجات البصرية باستخدام مرايا صغيرة، فإنها قادرة على إجراء تغييرات سريعة: أي لا حاجة إلى إعادة الأسلاك. وهذا عالَمٌ لم تعد فيه الشبكة كيانا ساكنًا بل بنية ديناميكية للترابطات التي قد تتغير اعتمادا على عبء العمل.

تخيل نظام مترو الأنفاق الافتراضي حيث قد تفشل بعض القطارات من حين لآخر. وتريد وحدة التحكم في مترو الأنفاق التخطيط لكيفية توزيع الركاب على طرق بديلة مع النظر في جميع القطارات المحتملة وحركة المرور عليها.  وباستخدام “أرو”، إذن، عندما يفشل القطار، تعلن وحدة التحكم للركاب فقط عن أفضل الطرق البديلة لتقليل وقت سفرهم وتجنب الازدحام.

وتقول الأستاذ المساعد في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مانيا غُبادي، التي أشرفت على العمل: “هدفي طويل الأجل هو جعل شبكات الحاسوب واسعة النطاق أكثر كفاءة، وفي نهاية المطاف تطوير شبكات ذكية تتكيف مع البيانات والتطبيقات”. وتتابع: “إن وجود طوبولوجيا بصرية قابلة لإعادة التشكيل يحدث ثورة في الطريقة التي نفكر بها في الشبكة، حيث يتطلب إجراء هذا البحث كسر العقيدة التي أنشئت لسنوات عديدة في عمليات نشر الشبكة الواسعة”.

ولنشر “أرو” في شبكات واسعة في العالم الحقيقي، يتعاون الفريق مع فيسبوك ويأمل في العمل مع مقدمي الخدمات الآخرين على نطاق واسع. ويقول يينغ زهانغ، مدير مهندس البرمجيات في فيسبوك الذي تعاون في هذا البحث: “يوفر البحث نظرة أولية على فوائد إعادة التشكيل. يقول يينغ تشانغ، مدير مهندس البرمجيات في فيسبوك الذي تعاون في هذا البحث: “إن الإمكانات الكبيرة في تحسين الموثوقية جذابة لإدارة الشبكات في هيكل الإنتاج”.

ويقول زهونغ: “نحن متحمسون لأنه سيكون هناك العديد من التحديات العملية المقبلة لنقل “أرو” من أفكار مختبر البحوث إلى أنظمة العالم الحقيقي التي تخدم مليارات الأشخاص، وربما تقليل عدد انقطاع الخدمة التي نواجهها اليوم، مثل تقارير إخبارية أقل عن كيفية تأثير تخفيضات الألياف على الاتصال بالإنترنت”. ويضيف: “نأمل أن يجعل “أرو” الإنترنت لدينا أكثر مرونة أمام الفشل بتكلفة أقل”.

*تمت الترجمة بتصرف

المصدر:

https://scitechdaily.com/arrow-who-can-bend-light-for-cheaper-internet/

المرجع:  ARROW: Restoration-Aware Traffic Engineering

كتب تشونغ الورقة إلى جانب الغبادي؛ وطالب الدراسات العليا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا علاء خداج؛ ومهندسو فيسبوك جوناثان ليتش، ويينغ تشانغ، ويتينغ شيا. قدموا البحث في مؤتمر (SIGCOMM) التابع ل (ACM).

ملاحظة: قاد هذا العمل معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بالتعاون مع فيسبوك. ويجري تقييم هذه التقنية لنشرها على فيسبوك. قدم فيسبوك موارد لإجراء البحث. تم دعم المؤلفين المنتسبين إلى معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا من قبل وكالة مشاريع البحوث المتقدمة – الطاقة، ووكالة مشاريع البحوث الدفاعية المتقدمة، والولايات المتحدة. المؤسسة الوطنية للعلوم.

الهوامش:
[١] في نظرية التعقيد الحسابي، صلابة إن پي (NP-hardness) (صلابة الوقت متعدد الحدود غير الحتمية Non-deterministic polynomial-time hardness) هي الخاصية المميزة لفئة من المسائل العامية “على الأقل صعبة مثل أصعب المسائل في الحدود المتعددة غير الحتمية”. مثال بسيط على مسألة صلابة إن پي هو مسألة مجموع المجموعة الفرعية. ويكيبيديا.
[٢] سرير الاختبار هو منصة لإجراء اختبار صارم وشفاف وقابل للتكرار للنظريات العلمية والأدوات الحسابية والتكنولوجيات الجديدة. يستخدم هذا المصطلح في العديد من التخصصات لوصف البحوث التجريبية ومنصات وبيئات تطوير المنتجات الجديدة. قد تختلف من تطوير النموذج الأولي العملي في الصناعات التحويلية مثل السيارات (المعروفة باسم “البغال  mules”)، ومحركات أو أنظمة الطائرات، وصقل الملكية الفكرية في مجالات مثل تطوير برمجيات الحاسوب المحمية من مخاطر الاختبار المباشر. في تطوير البرمجيات، سرير الاختبار هو طريقة لاختبار وحدة معينة (وظيفة أو صف أو مكتبة) بطريقة معزولة. ويمكن استخدامه كدليل على المفهوم أو عند اختبار وحدة جديدة بصرف النظر عن البرنامج/النظام الذي ستتم إضافته إليها لاحقا. يتم تنفيذ إطار هيكلي حول الوحدة بحيث تتصرف الوحدة كما لو كانت بالفعل جزءا من البرنامج الأكبر. يمكن أن تتضمن منصة الاختبار النموذجية البرامج والأجهزة ومكونات الشبكات. في تطوير البرمجيات، يمكن إعداد بيئة الأجهزة والبرمجيات المحددة كاختبار للتطبيق قيد الاختبار. في هذا السياق، تعرف منصة الاختبار أيضا باسم بيئة الاختبار. ويكيبيديا.