Kutatási cél
Az infokommunikációs rendszerek egyre fontosabb szerepet töltenek be mindennapi életünkben, szolgáltatásaik nélkülözhetetlenné, közmű jellegűvé váltak. Az egyre összetettebb alkalmazások és a folyamatosan növekvő felhasználói igények az infrastruktúra komplexitását is növelik. A folyamat a következő évtizedben tovább, sokszor öngerjesztő módon erősödik, pl. az előrejelzések alapján 20-30 szorosára emelkedik a szélessávú mobil csomagkapcsolt hálózatok forgalmi terhelése. A követelmények kiszolgálására a jelenlegi architektúrák már nem biztosítanak skálázható és gazdaságosan kivitelezhető megoldást, új sémák használata szükséges. Az új megközelítések bevezetéséhez, a szemléletváltás megalapozásához azonban körültekintő vizsgálatok szükségesek.
A kutatásban célunk, hogy a komplex rendszert a lehető legszélesebb spektrumban vizsgáljuk, ezért egyaránt definiáltunk infrastruktúra-fejlesztési, alapkutatási és alkalmazás-orientált részfeladatokat. Az infrastruktúra továbbfejlesztésével lehetőség nyílik a szimulációs kapacitás maximális kihasználására. Az alapkutatási tevékenység előrevetíti a (távolabbi) jövő kommunikációs rendszereiben alkalmazandó technológiákat, valamint az ezekkel kapcsolatos megválaszolandó kérdéseket. Az alkalmazott kutatási pontok közvetlenül segítik a mai rendszerek továbbfejlesztését és hatékonyabbá tételét.
Ezért a problémafelvetésnek megfelelően a projektet az alábbi kutatási pontokra tervezzük bontani.
– Szimulációs infrastruktúra fejlesztése: a klaszter rendszerű számítógép erőforrásainak optimális kihasználása érdekében olyan interaktív ütemező és felügyeleti rendszer kialakítása, melyen hatékonyan futtathatók a legkülönbözőbb modellezési vizsgálatok, pl. diszkrét idejű, eseményvezérelt hálózati szimulációk.
– Kvantum-kommunikációs lehetőségek alapkutatása: a kvantum-kommunikációs hálózatokban rejlő lehetőségek feltérképezése a zajos kvantumcsatornák kapacitás visszaállíthatóságának, valamint a nagy-hatótávolságú, biztonságos kvantum-kommunikáció implementálhatóságának vizsgálatán keresztül. Kvantum-hibajavító algoritmus megvalósítása és a kvantum-repeater működési mechanizmusának, illetve strukturális felépítésének optimalizálása.
– Hálózat-architektúrák optimalizálása: a komplex távközlő rendszerek optimális elosztottsági fokának kutatása, jól skálázható mobil Internet infrastruktúrák tervezése, a hálózati elemek optimális topológiai elosztásának és az elemek együttműködésének elemzése az alternatív topológiákban.
– Elosztott mobilhálózati protokollok vizsgálata: az új igények által motivált architekturális változtatások a működő protokollokban is módosításokat indukálnak. Ebben a pontban az elosztott és dinamikus mobilitás-kezelés új megközelítéseit vizsgáljuk, melyek képesek lehetnek a skálázhatóság megfelelő szintű támogatására.
– Szimuláció alkalmazása a fejlesztésben: a részletes szimuláció lehetőséget ad a megtervezett eszközök működésének pontos feltérképezésére, segítségével jól előrejelezhető az eszköz viselkedése a legkülönbözőbb alkalmazási feltételek mellett.
A számítógépes szimuláció tudományának fejlődésével lehetővé vált, hogy nagy komplexitású rendszereket is nagy léptékben és valósághűen modellezhessünk. A fenti pontokban is központi szerephez jutó valósághű modellek nagyléptékű szimulációja nagyszámú, ám sokszor párhuzamosítható művelet végrehajtását igényli.
Technikai leírás
Klaszter alapú hálózat-szimulációs infrastruktúra fejlesztése
A tervezett keretrendszer szimulációk automatikus replikálására és összegzésére alkalmas. A rendszer felhasználói szimulációkat állíthatnak össze, melyet lokálisan, a saját gépükön tesztelni tudnak. Az egyes szimulációs modellek helyi fejlesztését követően a felhasználók egy központi weboldalon a szimulációkat feltölthetik, annak paraméterterét megadhatják (a paramétertér többdimenziós, tartalmazhat tetszőleges értékeket, pl.: determinisztikus véletlenszám-generátor magszáma – azonos szimulációs paraméterek feletti átlagolásra). A felhasználók által feltöltött szimulációk központilag, kreditrendszer alapján kerülnek elbírálásra, (pl. valamely számú kreditet „befizetve” azonnal elérhetővé válnak). A szimulációs feladat ezek után a központi rendszer által a szuperszámítógépre kerül. A központi rendszer menedzseli az egyes futó részfeladatok felügyeletét, szükség szerinti újraindítását, illetve a beadó felhasználó értesítését a hibákról.
A szimulációs szoftver segítségével a kódban mérőpontok (probe) helyezhetők el, ezek hasonlóan egy digitális scope-hoz triggerfeltételekben felhasználhatóak, kombinálhatóak, majd egy kimeneti rekordstruktúrába menthetőek. A kimeneti rekordokat a futó szimulációs részfeladatok folyamatosan, streaming jelleggel küldik a központi szerver felé, a részeredmények így már a futás vége előtt is interaktívan ellenőrizhetőek a beadó felhasználó által. Ez elősegíti az esetleges hibák korai felderítését, így elkerülhető a szuperszámítógép fölösleges terhelése hibás számítási feladatokkal. A feladat végeztével a beadó felhasználó értesítést kap, és az eredményeket egyben letöltheti.
A kifejlesztendő hálózat-szimulációs infrastruktúra hiánypótló: a felhő- és grid/klaszter alapú számítógéprendszerek kezelését és kihasználtságát hivatott optimalizálni. A keretrendszer különösen jól alkalmazható hálózattervezési célokra, mivel a nagy számítási kapacitás elérhetővé tétele mellett nagyfokú interaktivitást is biztosít.
Fejlett kvantum-kommunikációs lehetőségek kutatása
A kvantumcsatornák a hagyományos optikai szálakkal, illetve vezeték-nélküli optikai csatornákkal is megvalósíthatóak, a jelenlegi – már kiépített – hagyományos, nem kvantum-kommunikáció alapú hálózati architektúra felhasználásával. Ugyanakkor, a kvantum-kommunikációs csatornák tulajdonságai nem írhatóak le a klasszikus információelmélet eredményeivel. A kvantumcsatornák kapacitásával kapcsolatban számos kérdés jelenleg is tisztázatlan. Ezen kutatási pont célja a jövő kvantum-kommunikációs hálózataiban rejlő lehetőségek feltérképezése, a zajos kvantumcsatornák kapacitás visszaállíthatóságának, valamint a nagy-hatótávolságú, biztonságos kvantum-kommunikáció implementálhatóságának vizsgálatán keresztül.
Kiemelt fontosságú a szuperaktiválási lehetőségek kutatása, feltérképezése és alkalmazhatósági lehetőségeinek vizsgálata a jövő telekommunikációs hálózataiban, - elsődlegesen kiemelve az optikai-alapú, valamint vezeték-nélküli kvantum-kommunikációs hálózatokat. A kutatás során kidolgozásra kerül egy hatékony, információ-geometriai módszerekre épülő algoritmus, amellyel a szuperaktiválás kérdésköre nagy hatékonysággal vizsgálható, a jelenleg sem ismert csatornakombinációk feltárhatók. A kvantum-repeaterek („kvantum-jelismétlők”) tervezése és kifejlesztése alapvető fontosságú a jövő telekommunikációs hálózatainak hatékonysága szempontjából. Ugyanakkor, a kvantum-repeaterek nem valósíthatóak meg a hagyományos klasszikus-repeaterek esetében alkalmazott módszerekkel, ugyanis a kvantumállapotok nem másolhatóak, többszörözhetőek. Javaslatot teszünk a napjainkban ismert kvantum-repeaterek működési mechanizmusának, illetve azok strukturális felépítésének módosításaira, amely módosításnak köszönhetően nagyságrendekkel hatékonyabb kommunikáció valósítható meg a jövő kommunikációs hálózataiban.
A nagy-hatótávolságú kvantum kommunikáció vizsgálata során kidolgozásra kerül egy, - mind a zajos optikai szálakon keresztüli, mind pedig az űrtávközlés-alapú kvantum-kommunikációban alkalmazható, - a jelenlegi megoldásoknál nagyságrendekkel hatékonyabb, kvantum-hibajavító algoritmus.
A javasolt módszerek vizsgálatához, az eddigi megoldásokkal történő összehasonlításokhoz komoly számítókapacitás szükséges, így kiemelt szerepet kap a számítások párhuzamosítása és hatékony futtatása sokmagos környezetekben.
Mobil Internet architektúrák evolúciójának modellezése
A következő évtizedben várhatóan sokszorosára fog növekedni a szélessávú mobil csomagkapcsolt hálózatok forgalmi terhelése (20-30 szoros sávszélesség igény) és a forgalmak diverzitása. Az egyik alapvető kérdés a hálózatok skálázhatóságának biztosítása, a hálózati elemek optimális topológiai elosztása. A jelenlegi megoldások centralizált és hierarchikus szemléletet követnek. Lehetséges azonban, hogy egy nagyobb elosztottságot támogató architektúra lenne alkalmasabb.
Számos kompromisszum, kényszer hat az optimális hálózat kialakulására. Például, lehetőleg minél rövidebb (kevésbé költséges) útvonalakon lenne érdemes szállítani a forgalmakat, ami az elosztottság irányába hat, ugyanakkor befolyásolja a kialakulást az elosztott gateway-ek, és linkek költsége.
Ez a kutatási pont a következő feladatot foglalja magában. Első lépésként összegyűjtenénk az architekturális/topológiai kialakítást befolyásoló kompromisszumokat, kényszereket. Utána a legfontosabb kompromisszum kombinációkra lineáris vagy egész értékű programozási modelleket állítunk fel. Különböző bemeneti paraméter tartományokra megvizsgáljuk, hogy mennyire elosztott hálózatot kapunk megoldásnak.
A kutatás során fel kell becsülni a forgalmi igényeket, következtetni kell az egyes hálózati elemek teljesítmény-korlátaira és a hozzá nem férhető információkat paraméteresen kell figyelembe venni. A kutatás első fázisában előálló egyszerűbb modellek kiértékeléséhez és elemzéséhez normál Windows PC-k is használhatóak, ám a későbbiekben felállított, valósághű modellek kiértékelése szuperszámítógépet igényel.
Elosztott mobilitás-kezelési megoldások nagyléptékű szimulációs vizsgálata
Az előző kutatási pontban ismertetett okok miatt a mai mobil Internet architektúrákkal szemben fellépő új forgalmi követelmények ma már architekturális változásokat is implikálnak. A jelenlegi centralizált és/vagy hierarchikus szerkezetű mobil távközlési rendszerek kezdenek elmozdulni az elosztott és „flat” (vagyis központi csomópontokat szinte teljesen nélkülöző) szisztémák felé. Ez az átalakulás a protokollok szintjén is megjelenik, így a mobil Internet egyik legfontosabb funkciójának, a mobilitás kezelésének protokolljaiban is lényegi változtatásokra van szükség.
A jelenleg szabványosított mobilitás-kezelési megoldásokban szub-optimális útvonalakat, rosszul skálázható jelzés- és adatátvitelt, forgalmi többletterhelést, magas végpont-végpont késleltetést tapasztalunk. Az elosztott mobilitás-kezelési módszerek pontosan ezen hibákat hivatottak kiküszöbölni.
Az új, elosztott és dinamikus protokollok és alkalmazási sémák használhatósága éppen attól függ, hogy képesek-e skálázhatóan és hatékonyan megbirkózni a növekvő felhasználószámmal és az ehhez tartozó forgalommennyiséggel. A valósághű hálózati és forgalmi modellekre, nagy felhasználószámra és részletes protokollmodellekre épülő, különböző telepítési- és topológia-struktúrákat tartalmazó mobilitás-kezelési forgatókönyvek vizsgálata diszkrét idejű eseményvezérelt szimulációk segítségével a legkézenfekvőbb, ám az ilyen elemzések óriási számítókapacitást igényelnek. A kutatási pont célja a nagy-teljesítőképességű klaszteralapú számítógép lehetőségeit kihasználva nagyléptékű („large scale”) szimulációkkal vizsgálni az elosztott mobilitás-kezelés aktuális kérdéseit, és így aktív részt vállalni a szabványosítás fő irányvonalainak meghatározásában.
Komplex rendszerek szimulációja
A számítógépes infrastruktúra fejlődésével és a rendelkezésre álló számítási kapacitás növekedésével a tervezési gyakorlatban is egyre nagyobb teret nyer a szimuláció alkalmazása. A szimuláció elősegíti, hogy már a tervezési fázisban felmérhetőek legyenek a kifejlesztendő rendszer szűk keresztmetszetei, potenciális hibái, így téve költséghatékonyabbá a komplex infrastruktúrák fejlesztési folyamatait.
A szimuláció alapja a rendszerre jellemző fizikai differenciálegyenletek meghatározása, a rendszer egyes részegységei közti kapcsolat megalkotása a megfelelő peremfeltételek felvételével, majd megfelelően megválasztott diszkretizáció után az előálló algebrai egyenletrendszer megoldása. A rendszer méretét – és ezzel a megoldandó probléma bonyolultságát – a rendszer szabadságfokainak számával jellemezhetjük, amely egyben az egyenletrendszer megoldásával meghatározandó változók számát is jelenti. Természetesen, a jelenségek egyre pontosabb reprodukciójához a szabadságfokok számának növelése szükséges. Egy összetett rendszer megfelelő pontosságú modellezéséhez akár több tízmillió szabadságfok is szükséges.
Alkalmasan megválasztott diszkretizáció esetén a megoldás algoritmusa rendkívül jól párhuzamosítható. Esetünkben jó példa erre a végeselem vagy végestérfogat módszer, melyek alkalmazása esetén a számítást végző magok közötti kommunikáció jelentős mértékben csökkenthető. Ha a megoldást több számítási egységre osztjuk szét, további előnyt jelent, hogy a megoldáshoz szükséges idő a rendszer méretével általában nem lineárisan, hanem valamely magasabb hatvány szerint változik. Vagyis, ha a magok közötti kommunikáció nem jelent számottevő többletterhelést, a probléma részekre bontásával a lineárisnál nagyobb mértékben gyorsítható a végrehajtás, ez az úgynevezett super-speedup. Ezért a szimuláció futtatásához különös előnyt jelent a szuperszámítógép.
A várt eredmények összefoglalása
Az egyes kutatási pontoktól az alábbi fő eredményeket várjuk:
– Klaszter alapú hatékony feladat menedzsmentet megvalósító diszkrét idejű, eseményvezérelt, interaktív szimulációs környezet megvalósítása, stream alapú futáskövetés implementálása.
– Hatékony, információ-geometriai módszerekre épülő algoritmus kidolgozása, amellyel a szuperaktiválás kérdésköre nagy hatékonysággal vizsgálható. Javaslattétel kvantum-repeaterek működési mechanizmusának, illetve azok strukturális felépítésének módosításaira, melyeknek köszönhetően nagyságrendekkel hatékonyabb kommunikáció valósítható meg a jövő kvantum-kommunikációs hálózataiban.
– Azon motiváló tényezők és kompromisszumok összegyűjtése, melyek befolyásolják a hálózati architektúra és topológia kialakítását. A fő meghatározó tényezők kiválasztása, ezek alapján hálózattervezési kérdések megfogalmazása, valamint hálózati modellek kialakítása. A modellek hozzásegítenek – többek között – bizonyos hálózati elemek optimális elhelyezéséhez, így elősegítik az architekturális tervezési döntéseket.
– Az elosztott mobilitás-kezelési protokollok összehasonlításához és osztályozásához használható paraméterrendszer és referencia-forgatókönyv definiálása, kritériumok és teljesítménymetrikák meghatározása, a létező megoldások hiányosságának felderítése, illetve új protokollok kifejlesztése, modellezése, szimulációs környezetben való implementálása.
– Csatolt rendszer szimulációjának megvalósítása, a szimulációs módszer kiterjesztése komplex infokommunikációs rendszerekben történő hatékony alkalmazására. A szimuláció validálása mérési eredményekkel történő összehasonlításával.
Projekt előrehaladási jelentés
Fejlett kvantum-kommunikációs lehetőségek kutatása
A szuperaktiválás segítségével, egyenként zéró kapacitással rendelkező kvantumcsatornák együttesen, akár teljesen hibamentes információátvitelre is használhatóak. A szuperaktiválásban rejlő lehetőségek forradalmiak. A kutatási munkánkban kiemelt fontosságot kapott a szuperaktiválási lehetőségek kutatása, feltérképezése és alkalmazhatósági lehetőségeinek vizsgálata a jövő telekommunikációs hálózataiban, - elsődlegesen kiemelve az optikai-alapú, valamint vezetéknélküli kvantum-kommunikációs hálózatokat. A kutatási munka keretén belül kidolgozásra került egy információ-geometriai módszerekre épülő algoritmus, amellyel a szuperaktiválás kérdésköre nagy hatékonysággal vizsgálható. A módszer segítségével, további szuperaktív kvantumcsatorna-kombinációk váltak feltárhatóvá. A kutatásainkban mind a klasszikus, mind pedig a kvantum információátvitel szuperaktiválási lehetőségeit elemeztük, kiemelve a szuperaktivált kvantumcsatornák hibamentes, klasszikus- és kvantum-kapacitásának vizsgálatát.
A kvantumcsatornák kapacitás-visszaállításának kérdését kiterjesztettük a kvantumcsatornák klasszikus kapacitására, amely jelentős elméleti áttörést jelent a kvantumcsatornákon keresztüli információátvitel valódi információelméleti háttérének megismerése szempontjából. Kidolgoztuk a zéró-kapacitású kvantumcsatornákon keresztüli klasszikus információátvitel megvalósításához szükséges elméleti modellt és igazoltuk annak információelméleti helyességét.
A kutatómunka keretén belül kidolgoztunk egy forradalmian új kvantum-kódolási eljárást, amellyel a szuperaktiválással egyenértékű eredmények érhetőek el. A módszerünk előnye, hogy a kvantumcsatornák kapacitás visszaállíthatósága a szuperaktiválás jelenségének eléréséhez szükséges kötöttségek és speciális peremfeltételek nélkül is megvalósítható. A módszerünk, - összehasonlítva a hagyományos szuperaktiválással - nagyságrendekkel hatékonyabb megoldást nyújt a kvantumcsatornák kapacitásának visszaállítására és erősítésére. A kidolgozott eljárásunk neve poláraktiválás. A poláraktiválás segítségével tetszőleges, zéró kommunikációs kapacitással rendelkező kvantumcsatornák használhatóak információátvitelre, a módszer pedig – a gyakorlati megvalósítás szempontjából releváns - optikai kvantumcsatorna-modellek esetében is alkalmazható. A munka keretén belül kidolgoztuk a poláraktiválás jelenségének eléréséhez szükséges matematikai hátteret, igazoltuk annak információelméleti helyességét, valamint bizonyítottuk a kidolgozott módszerünk hatékonyságát és alkalmazhatóságát. Megadtuk a poláraktiválás eléréséhez szükséges csatornakódolási eljárást is, valamint javaslatot tettünk annak alkalmazhatóságára a jövő telekommunikációs rendszereiben.
Komplex rendszerek szimulációja
Ebben a munkafázisban két feladat megoldását tűztük ki célul. Egyrészt – az előző munkafázis folytatásaként – az akusztikus rezonátorok optimálását fejlesztettük tovább, képessé téve a modellt irreguláris geometriák kezelésére is. A javasolt új módszer végeselem szimulációval valósítja meg az analitikusan nem számítható komponensek modellezését. A modellben beépítésre került az ún. PML (Perfectly Matched Layer) technika, mely jelentősen hatékonyabbá teszi a nyílt teri akusztikai szimulációt. A javasolt módszer alkalmazhatóságát alátámasztja a mérési eredményekkel való jó egyezés. Az új módszer lehetőséget ad irreguláris geometriájú rezonátorok optimális tervezésének megvalósítására.
Második pontként csatolt numerikus szimuláció megvalósítása volt a célunk. Jelen esetben a csatolást az áramlástani és akusztikai rendszerek között valósítottuk meg. Modellünkben a számítás három lépésben zajlik: elsőként a teljes áramlási tér számítása történik meg az időtartományban, majd ebből az akusztikai forrástér kinyerése a második lépés, végül az akusztikai terjedés számítható az idő- vagy frekvenciatartományban. A fenti modell gyenge csatolást valósít meg, ami azt jelenti, hogy a kölcsönhatások egyirányúak, az akusztikai tér nem hat vissza az áramlásra. Ez a gyakorlatban széles körben elfogadott közelítés. Az áramlási tér számítása során a véges térfogat módszer (FVM – Finite Volume Method) bizonyult hatékonynak, illetve többprocesszoros környezetben is flexibilisen alkalmazhatónak. Megfelelően kialakított párhuzamosítás esetén a módszer a super-speedup jelenségét mutatta, vagyis a processzormagok számának növelésével a szükséges számítási idő lineárisnál meredekebben csökken. Az akusztikai terjedés szimulációjánál a párhuzamosításra egyelőre nem találtunk hatékony megoldást. Validációs futtatások azt mutatták, hogy a fenti módszer képes a csatolás megfelelő reprezentálására.
