Хаос і комп'ютерні мережі

Хаотичні комп'ютери

Чого нам не вистачає в сучасних комп'ютерах? Якщо живий організм для існування в мінливому середовищі повинен володіти елементами хаотичного поведінки, то можна припустити, що і штучні системи, здатні адекватно взаємодій ствовать з мінливим оточенням, повинні бути в тій чи іншій мірі хаотичними. Сучасні комп'ютери такими не є. Вони являють собою замкнуті системи з дуже великим, але кінцевим числом станів. Можливо, в майбутньому на основі динамічного хаосу створять комп'ютери нового типу -- відкриті з термодіна мічного точки зору системи, здатні адаптуватися до умов зовнішнього середовища. 

Однак вже сьогодні хаотичні алгоритми можуть успішно застосовувати ся в комп'ютер них технологіях для зберігання, пошуку і захисту інформації. При вирішенні деяких завдань вони виявляються більш ефективними в порівнянні з традиційними методами. Це стосується, зокрема, до роботи з мультимедійними даними. На відміну від текстів і програм мультимедійна інформація вимагає іншого способу організації пам'яті. Блакитна мрія користувачів - можливість пошуку мелодії, відеосюжету або потрібних фотографій не з їх атрибутами (назві директорії і файлу, дату створення і т. д.), а за змістом або асоціації, щоб, наприклад, за фрагменту мелодії можна було знайти і відтворити музичний твір. Виявляється, такий асоціативний пошук можна здійснити за допомогою технологій на основі детермінованого хаосу. Яким чином? 

Ми вже обговорювали генерацію інформації хаотичними системами. Тепер поставимо собі питанням: а чи не можна поставити у відповідність траєкторії конкретні дані, записані у вигляді певної послідовності символів? Тоді частина траєкторій системи перебувала б у взаємно однозначним дотриманням нашими информаци оннимі послідовностями. А оскільки кожна траєкторія - це рішення рівнянь руху системи за певних початкових умов, то й будь-яку послідовник ність символів можна було б відновити шляхом вирішення цих рівнянь, задавши в якості початкових умов невеликий її фрагмент. Таким чином з'явилася б можливість асоціативного пошуку інформації, тобто пошуку за змістом. 

Колективом співробітників нашого інституту були створені математичні моделі записи, зберігання та пошуку інформації за допомогою траєкторій динамічних систем з хаосом. Хоча алгоритми здавалися дуже простими, їх потенційна інформаційна ємність значно перевищила обсяг всієї інформації, наявної в Інтернеті. Розвиток ідеї призвело до створення технології, що дозволяє обробляти будь-які типи даних: зображення, текст, цифрову музику, мова, сигнали і т. д. (Патент РФ 2050072, Патент США 5774587, Патент Канади 2164417). 

Приклад використання технології - програмний комплекс "Незабудка", ний призначений для роботи з архівами неструктурованої інформації як на персональних комп'ютерах, так і на інформаційних серверах. "Незабудка" реалізована у вигляді пошукової машини, яка працює під стандартними Інтернет-браузерами типу Netscape і Explorer. Вся інформація в архіві записується і зберігається у вигляді траєкторій хаотичної системи. Для пошуку необхідних документів користувач складає запит шляхом набору в довільним ної формі кількох рядків тексту, що відноситься до змісту необхідного документа. У відповідь система видасть шуканий документ, якщо вхідний інформації достатньо для його однозначного пошуку, або запропонує набір варіантів. При необхідності можна отримати і факсимільний копію знайденого документа. Наявність помилок в запиті не робить істотного впливу на якість пошуку. 

 

 

В більшості сучасних систем зв'язку як носій інформації використовуються гармонійні коливання. Інформаційний сигнал в передавачі модулює ці коливання по амплітуді, частоті або фазі, а в приймачі інформація виділяється за допомогою зворотної операції - демодуляції. Накладення інформації на носій здійснюється або за рахунок модуляції вже сформованих гармонійних коливань, або шляхом управління параметрами генератора в процесі його роботи. 

Аналогічним чином можна проводити модуляцію хаотичного сигналу. Проте можливості тут значно ширше. Гармонійні сигнали мають усього три керовані характеристики (амплітуда, фаза і частота). У разі хаотичних коливань навіть невеликі варіації в значенні параметра одного з елементів джерела хаосу призводять до змін характеру коливань, які можуть бути надійно зафіксовані приладами. Це означає, що у джерел хаосу із змінними параметрами елементів потенційно є великий набір схем вводу інформаційного сигналу в хаотичний носій (схем модуляції). Крім того, хаос принципово має широкий спектр частот, тобто відноситься до широкосмуговим сигналами, інтерес до яких в радіотехніці традиційно пов'язаний з їх більшою інформаційною місткістю в порівнянні з вузькосмуговим коливаннями. Широка смуга частот несучої дозволяє збільшити швидкість передачі інформації, а також підвищити стійкість системи до обурюють факторів. Широкосмугові і надширокосмугових системи зв'язку, засновані на хаосі, мають потенційні переваги перед традиційними системами з широким спектром за такими визначальним параметрам, як простота апаратної реалізації, енергетична ефективність і швидкість передачі інформації. Хаотичні сигнали можуть також служити для маскування що передається по системі зв'язку інформації без використання розширення спектру, тобто при збігу смуги частот інформаційного і переданого сигналів. 

Сукупність перерахованих факторів стимулювала активні дослідження хаотичних комунікаційних систем. В даний час вже запропоновано кілька підходів до розширення спектру інформаційних сигналів, побудові простих по архітектури ре передавачів та приймачів. 

Одна з останніх ідей в цьому напрямку - так звані прямохаотіческіе схеми зв'язку. У прямохаотіческой схемою зв'язку інформація вводиться в хаотичний сигнал, що генерується безпосередньо в радіо-або НВЧ-діапазоні довжин хвиль. Інформацію вводять або шляхом модуляції параметрів передавача, або за рахунок її накладення на хаотичний носій вже після його створення. Відповідно, вилучення інформаційного сигналу з хаотичного також здійснюють в області високих або надвисоких частот. Оцінки показують, що широкополосні і надширокосмугових прямохаотіческіе системи зв'язку здатні забезпечити швидкості передачі інформації від десятків мегабіт за секунду до декількох гігабіт на секунду. В Інституті радіотехніки й електроніки Російської академії наук вже проведені експерименти по прямохаотіческой передачі інформації зі швидкістю до 70 Мбіт/сек. 

 

 

В комунікаційних схемах хаос може використовуватися як носій інформації, як динамічний процес, що забезпечує перетворення інформації до нового виду, і, нарешті, як комбінація того й іншого. Пристрій, що перетворює за допомогою хаосу сигнал в передавачі з одного виду в інший, називається хаотичним кодером. З його допомогою можна змінювати інформацію таким чином, що вона виявиться недоступною сторонньому спостерігачеві, але в той же час буде легко повернена до початкового стану спеціальної динамічною системою - хаотичним декодером, що знаходяться на приймальній стороні комунікаційної системи. 

В яких процесах може використовуватися хаотичне кодування? 

По-перше, з його допомогою можна принципово по-новому організувати загальні інформаційне простір, створюючи в ньому великі відкриті групи користувачів -- підпростори. В рамках кожної групи вводиться свій "мову" спілкування - Єдині для всіх учасників правила, протоколи та інші ознаки даної "інформаційної субкультури". Для бажаючих освоїти цей "мова" і стати членом спільноти є відносно прості засоби доступу. У той Водночас для сторонніх спостерігачів участь у подібному обміні буде ускладнено. Таким чином, хаотичне кодування може слу?? ить засобом структуризації "народонаселення" загального інформаційного простору. 

По-друге, подібним же чином можна організувати багатокористувацький доступ до інформації. Наявність глобальної мережі Інтернет та магістральних інформаційних потоків (Highways) припускає існування загальних протоколів, що забезпечують проходження інформації за єдиними каналами. Проте в рамках певних груп учасників (наприклад, в рамках корпоративних мереж) існує гостра необхідність доставки інформації конкретним споживачам, без дозволу доступу "чужим" учасникам. Методи хаотичного кодування є зручним засобом організації таких віртуальних корпоративних мереж. Крім того, вони можуть використовуватися і безпосередньо для забезпечення певного рівня конфіденційності інформації, переходячи в область традиційної криптографії. 

Нарешті, ще одна функція хаотичного кодування дуже актуальна у зв'язку з розвитком електронної комерції та загостренням проблеми авторських прав в Інтернеті. У Особливо це стосується продажу через мережу мультимедійних товарів (музики, відео, цифрової фотографії та ін.) На основі детермінованого хаосу можна забезпечити такий спосіб захисту авторських прав і прав на інтелектуальну власність, як зниження якості інформаційного продукту при загальному доступі. Наприклад, музичні треки, закодовані за допомогою хаосу, будуть поширюватися в мережі без будь-яких обмежень, так що кожен користувач зможе скористатися ними. Однак при прослуховуванні без спеціального декодера якість звуку буде низьким. У чому сенс такого підходу? Поширювана інформація залишається відкритою і не підпадає під обмеження, що накладаються застосуванням криптографічних методів захисту. Крім того, потенційний покупець має можливість ознайомитися з продуктом, а вже потім вирішити, чи варто купувати його високоякісну версію. 

Слід відзначити, що перераховані вище функції хаотичного кодування далеко не вичерпують потенційні можливості його застосування в сучасних інформаційних технологіях. У ході подальшого вивчення та розвитку цієї проблематики, як видно, можуть відкритися нові грані і перспективні галузі використання.