ΤΕΙ Δυτικής Ελλάδας Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής ΤΕ. Τεχνολογίες Υπολογιστικού Νέφους ΔΙΑΛΕΞΗ 10: ΠΟΛΎΠΛΟΚΑ ΣΥΣΤΉΜΑΤΑ ΚΑΙ ΑΥΤΟΟΡΓΆΝΩΣΗ

Transcript

1 ΤΕΙ Δυτικής Ελλάδας Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής ΤΕ Τεχνολογίες Υπολογιστικού Νέφους ΔΙΑΛΕΞΗ 10: ΠΟΛΎΠΛΟΚΑ ΣΥΣΤΉΜΑΤΑ ΚΑΙ ΑΥΤΟΟΡΓΆΝΩΣΗ ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ Δ. ΤΣΑΚΑΝΙΚΑΣ

2 Σκοπός Σε αυτή την ενότητα περιγράφονται ζητήματα σχετικά με τα πολύπλοκα συστήματα και την αυτοοργάνωση.

3 Περιεχόμενα ενότητας Πολύπλοκα συστήματα. Επεκτασιμότητα. Ποσοτικοποίηση της πολυπλοκότητας. Διαστρωμάτωση και ιεραρχία. Ανάδειξη. Αυτό-οργάνωση. Δυνατότητα κλιμάκωσης κι αυτόοργάνωση. Κλιμάκωση. Πολυπλοκότητα υπολογιστικών κι επικοινωνιακών συστημάτων. Παράγοντες που επηρεάζουν την πολυπλοκότητα των συστημάτων. Σύστημα από συστήματα. Μεταβάσεις φάσης. Όρια συνθεσιμότητας. Ο ρόλος του λογισμικού.

4 Πολύπλοκα συστήματα Καθορίζοντας τα χαρακτηριστικά των πολύπλοκων συστημάτων: Μεγάλος αριθμός από συστατικά. Παραδείγματα: Ο αριθμός των νευρώνων του ανθρώπινου εγκεφάλου: Εκτιμάτε μεταξύ 80 και120 δισεκατομμύρια. Ένα διαστημόπλοιο: 2.5 εκατομμύρια τμήματα, 230 μίλια καλωδίου, 1040 λυχνίες και1440 διακόπτες κυκλώματος. Αριθμός των servers που χρησιμοποιούνται από το Amazon EC2 > 0.5 εκατομμύριο. Ένας πολύ μεγάλος αριθμός καναλιών αλληλεπίδρασης μεταξύ των συστατικών. Πολύπλοκη αλληλεπίδραση με το περιβάλλον. Έλλειψη συμμετρίας και κανονικότητας.

5 Ποσοτικοποίηση της πολυπλοκότητας Η θερμοδυναμική εντροπία, η εντροπία von Neumann και η εντροπία Shannon σχετίζονται με τον αριθμό των καταστάσεων ενός συστήματος. Έτσι, αντικατοπτρίζουν σε κάποιο βαθμό την πολυπλοκότητα του συστήματος. Σχετικά προβλέψιμη απόδοση, e=e/c με όπου E η περίσσια εντροπία και C η στατιστική πολυπλοκότητα. Η περίσσια εντροπία, E, καταμετρά την πολυπλοκότητα μίας στοχαστική διεργασίας ως αποτέλεσμα ιστορικών πληροφοριών σχετικά με τη διεργασία, οι οποίες επιτρέπουν την πρόβλεψη της μελλοντικής συμπεριφοράς της διεργασίας. Η στατιστική πολυπλοκότητα, C, αντανακλά το μέγεθος του μοντέλου του συστήματος με ένα ορισμένο επίπεδο αφαιρετικότητας.

6 Ποσοτικοποίηση της πολυπλοκότητας Η πολυπλοκότητα Kolmogorov KV (s) μιας συμβολοσειράς s σύμφωνα με την καθολική υπολογιστική V ορίζεται ως η ελάχιστη διάρκεια όλων των προγραμμάτων ProgV που τυπώνουν την s and σταματούν τη λειτουργία τους. Η πολυπλοκότητα Kolmogorov τη μικρότερη πιθανή περιγραφή για το κάθε αντικείμενο ή φαινόμενο. Ανάδειξη: Δεν υπάρχει ένας σαφής κι ευρέως αποδεκτός ορισμός. Είναι γενικά κατανοητή ως μια ιδιότητα ενός συστήματος που δεν είναι προβλέψιμη από τις ιδιότητες των επιμέρους συστατικών του εν λόγω συστήματος. Εκδηλώσεις ανάδειξης: Φυσικά φαινόμενα που δεν εκδηλώνονται σε μικροσκοπική κλίμακα, αλλά συμβαίνουν σε μακροσκοπική κλίμακα, π.χ., η θερμοκρασία είναι μια εκδήλωση της μικροσκοπικής συμπεριφοράς των μεγάλων συνόλων σωματιδίων.

7 Ανάδειξη Η ανάδειξη ενδέχεται να είναι σημαντική για πολύπλοκα συστήματα όπως τα οικονομικά συστήματα και τα συστήματα υποστήριξης εναέριας κυκλοφορίας. Μία πτώση 600 βαθμών σε μικρό χρονικό διάστημα στον δείκτη Dow Jones είναι μία εκδήλωση ανάδειξης. Αιτία: Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ συστημάτων συναλλαγών που έχουν αναπτυχθεί ανεξάρτητα το ένα από το άλλο και ανήκουν σε οργανισμούς που δουλεύουν μαζί, αλλά οι ενέργειες του κάθε οργανισμού πηγάζουν από τα δικά του ξεχωριστά ενδιαφέροντα.

8 Αυτό-οργάνωση Πληροφοριακά, αυτό-οργάνωση σημαίνει συνεργειακές δραστηριότητες στοιχείων όταν κανένα μεμονωμένο στοιχείο δεν λειτουργεί ως συντονιστής και τα γενικά μοτίβα συμπεριφοράς είναι κατανεμημένα. Η διαισθητική έννοια της αυτό-οργάνωσης γίνεται κατανοητή από την παρατήρηση του Alan Turing: Η παγκόσμια τάξη μπορεί να προκύψει από τις επιμέρους τοπικές αλληλεπιδράσεις. Η αυτό-οργάνωση είναι διαδεδομένη στη φύση: Ο σχηματισμός των λιπιδικών μεμβρανών διπλοστοιβάδας. Η συγκεντρωτική συμπεριφορά των διαφόρων ειδών οργανισμών. Η δημιουργία δομών από ζώα. Η αυτό-οργάνωση προτάθηκε για την οργάνωση των διαφόρων τύπων συστημάτων υπολογιστικής κι επικοινωνιών, συμπεριλαμβανομένων των δικτύων αισθητήρων, συστημάτων για την εξερεύνηση του διαστήματος, ή ακόμη και για οικονομικά συστήματα.

9 Δυνατότητα κλιμάκωσης κι αυτόοργάνωση Η ικανότητα του συστήματος να αυξηθεί χωρίς να επηρεάζεται η παγκόσμια λειτουργία του. Μία μη κλιμακωτή οργάνωση αντικατοπτρίζεται από το δικτυακό μοντέλο ενός συστήματος, όπου αναπαρίσταται από ένα τυχαίο γράφημα με κορυφές που αντιπροσωπεύουν τις οντότητες και συνδέσμους που αντιπροσωπεύουν τις σχέσεις μεταξύ τους. Σε μία μη κλιμακωτή οργάνωση η πιθανότητα P(m) μία κορυφή να αλληλεπιδρά με m άλλες κορυφές αναπαρίσταται ως ένας κανόνας δύναμης, P(m) ~ m-k με όπου k έναν πραγματικό αριθμό, ανεξάρτητα από τον τύπο και τη λειτουργία του συστήματος, την ταυτότητα των συστατικών του και τις μεταξύ τους σχέσεις. Παραδείγματα: Το συνεργατικό γράφημα ηθοποιών, στο οποίο δύο ηθοποιοί συνδέονται, όταν αυτοί εμφανίζονται στην ίδια ταινία: k= 2.5. Ο παγκόσμιος ιστός: k = 2.1. Οι αναφορές μεταξύ επιστημονικών άρθρων: k = 3. Η κλιμάκωση έχει κι άλλες διαστάσεις πέρα από τον αριθμό των συστατικών: Ο χώρος διαδραματίζει έναν σημαντικό ρόλο, η καθυστέρηση επικοινωνίας είναι μικρή όταν τα επιμέρους συστήματα συστατικών είναι συγκεντρωμένα σε μία μικρή περιοχή κι επιτρέπουν την υλοποίηση αποδοτικών αλγορίθμων λήψης αποφάσεων, π.χ. αλγόριθμοι συναίνεσης.

10 Κλιμάκωση Δεν υπάρχει πιο εύστοχο παράδειγμα για το πώς οι κοινωνική κλιμάκωση επηρεάζει την πολυπλοκότητα του συστήματος από την επικοινωνία που υποστηρίζεται από το Διαδίκτυο. Η υποδομή που υποστηρίζει την υπηρεσία πρέπει να εμφανίζει υψηλή διαθεσιμότητα. Μία συνέπεια των μέτρων για τη διατήρηση της συνοχής του συστήματος είναι η αυξημένη πολυπλοκότητα.

11 Μεταβάσεις φάσης Η μετατροπή, συχνά ασυνεχής, ενός συστήματος από τη μία φάση / κατάσταση σε μία άλλη, ως αποτέλεσμα μίας αλλαγής στο περιβάλλον. Πάγωμα: Μετάβαση από υγρό σε στερεό και η αντίστροφή της, η τήξη. Απόθεση: Μετάβαση από αέριο σε στερεό και η αντίστροφή της, η εξάχνωση. Ιονισμός: Μετάβαση από αέριο σε πλάσμα και η αντίστροφή της, ο ανασυνδυασμός.

12 Όρια συνθεσιμότητας Μεταβάσεις φάσης μπορεί να συμβούν σε συστήματα πληροφορικής κι επικοινωνιών λόγω φαινομένων χιονοστιβάδας, όταν η διαδικασία που αποσκοπεί στην εξάλειψη των αιτίων μίας ανεπιθύμητης συμπεριφοράς οδηγεί σε περαιτέρω επιδείνωση της κατάστασης των συστημάτων. Π.χ. οξεία συμφόρηση που μπορεί να προκαλέσει συνολική κατάρρευση του δικτύου: Οι δρομολογητές αρχίζουν να πετούν πακέτα λόγω ύπαρξης συμφόρησης, αλλά το φορτίο αυξάνεται διότι οι αποστολείς αναμεταδίδουν συνεχώς τα χαμένα πακέτα διότι αυτά δεν έφτασαν στον τελικό προορισμό τους, μεταδίδοντας μαζί και νέα πακέτα. Η φύση δημιουργεί πολύπλοκα συστήματα από απλά συστατικά. Για παράδειγμα, μία μεγάλη ποικιλία πρωτεϊνών είναι γραμμικές αλυσίδες συναρμολογούνται από τα 21 βασικά αμινοξέα. Τα όρια της συνθεσιμότητας μπορεί να επιτευχθούν διότι νέα φυσικά φαινόμενα μπορούν να επηρεάσουν το σύστημα όταν ένα φυσικό μέγεθος των επιμέρους συστατικών αλλάζει. Ακόμα και οι πιο σύγχρονες εγκαταστάσεις δεν μπορούν να παράγουν κυκλώματα με απόλυτα σταθερές ιδιότητες. Το ποσοστό των ελαττωματικών ή κατώτερης ποιότητας κυκλωμάτων αυξάνεται συνεχώς όσο τα επιμέρους συστατικά τους γίνονται όλο και μικρότερα.

13 Όρια συνθεσιμότητας Υπάρχουν φυσικά όρια για τη σύνθεση των αναλογικών συστημάτων: Συσσώρευση θορύβου, απαγωγή της θερμότητας, παρεμβολή σημάτων σε πολλαπλά κανάλια επικοινωνίας κι άλλοι παράγοντες περιορίζουν τον αριθμό των εξαρτημάτων ενός αναλογικού συστήματος. Τα ψηφιακά συστήματα έχουν πιο ευρεία όρια, αλλά η συνθεσιμότητα εξακολουθεί να περιορίζεται από τους φυσικούς νόμους.

14 Ο ρόλος του λογισμικού Δεν υπάρχουν σχεδόν καθόλου όρια για τη σύνθεση των ψηφιακών συστημάτων πληροφορικής και επικοινωνιών που ελέγχονται από λογισμικό. Το λογισμικό είναι το συστατικό που ωθεί στα όρια συνθεσιμότητας κι ελευθερώνει τα υπολογιστικά κι επικοινωνιακά συστήματα από τα όρια που επιβάλλονται από τους φυσικούς νόμους. Το Διαδίκτυο είναι ένα δίκτυο από δίκτυα κι ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα συνθεσιμότητας με μακρινά όρια. Τα υπολογιστικά νέφη είναι ένα άλλο παράδειγμα. Ένα νέφος συντίθεται από έναν μεγάλο αριθμό από servers και διασυνδέσεων, κάθε server συντίθεται από πολλούς επεξεργαστές και κάθε επεξεργαστής συντίθεται από πολλαπλούς πυρήνες.

15 Επεκτασιμότητα Εφαρμοζόταν εκτενώς πριν η βιομηχανία παράξει προϊόντα αρκετά υψηλών επιδόσεων. Μπορεί να μειώσει το κόστος για τον κατασκευαστή αλλά και για τον πελάτη. Η ίδια μονάδα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πολλαπλά προϊόντα. Για να επισκευάσει ένα ελαττωματικό προϊόν ο καταναλωτής μπορεί να αντικαταστήσει μόνο το επιμέρους στοιχείο που προκαλεί τη δυσλειτουργία κι όχι ολόκληρο το προϊόν. Ενθαρρύνει την εξειδίκευση, διότι τα επιμέρους συστατικά μπορούν να αναπτυχθούν από ειδικούς με βαθιά κατανόηση ενός συγκεκριμένου πεδίου. Υποστηρίζει επίσης την καινοτομία, επιτρέποντας ένα επιμέρους συστατικό να αντικατασταθεί με ένα καλύτερο, χωρίς να επηρεάζονται τα υπόλοιπα συστατικά του συστήματος.

16 Διαστρωμάτωση και ιεραρχία Στη διαστρωμάτωση κάθε στρώμα επιτελεί καλά καθορισμένες λειτουργίες, αλλά τα πρότυπα επικοινωνίας σε περίπτωση διαστρωμάτωσης είναι πιο περιοριστικά. Ενα στρώμα αναμένεται να επικοινωνεί μόνο με τα γειτονικά στρώματα. O περιορισμός των προτύπων επικοινωνίας, μειώνει την πολυπλοκότητα του συστήματος και καθιστά ευκολότερο να κατανοήσουμε τη συμπεριφορά του.

17 Διαστρωμάτωση και ιεραρχία Η διαστρωμάτωση μας βοηθά να ασχολούμαστε με περίπλοκα προβλήματα, διαχωρίζοντας τα σε μικρότερα και απλούστερα προβλήματα. Για να γίνει αυτό, ορίζουμε τα στρώματα που εξειδικεύονται σε συγκεκριμένα ζητήματα και σχεδιάζουμε με σαφήνεια τις μεταξύ τους διασυνδέσεις. Η διαστρωμάτωση θα μπορούσε να αποτρέψει κάποιες βελτιστοποιήσεις. Για παράδειγμα, η cross-layer επικοινωνία θα μπορούσε να επιτρέψει σε ασύρματες εφαρμογές να επωφεληθούν από τις πληροφορίες του υποστρώματος MAC, για την αποτελεσματικότερη επίτευξη λειτουργιών του στρώματος ζεύξης δεδομένων.

18 Πολυπλοκότητα υπολογιστικών κι επικοινωνιακών συστημάτων Η συμπεριφορά των συστημάτων ελέγχεται από φαινόμενα που συμβαίνουν σε πολλαπλές κλίμακες/επίπεδα. Καθώς σχηματίζονται ή διασπόνται τα επίπεδα, μπορούν να προκύψουν μεταβάσεις φάσης ή/και χαοτικά φαινόμενα. Αφαιρετικότητα που μπορεί να είναι χρήσιμη σε ένα στρώμα του συστήματός, ενδέχεται να προκαλέσει ανεπιθύμητες καταστάσεις σε ένα άλλο στρώμα. Υπάρχουν συστήματα που επηρεάζονται από το περιβάλλον τους. Ένα σύστημα που η σταθερότητά του εξαρτάται από το περιβάλλον του, απέχει από την κατάσταση ισορροπίας. Το περιβάλλον ενός συστήματος ενδέχεται να είναι τεχνητό και η επιλογή που επιβάλλει η εξέλιξη μπορεί είτε να οδηγήσει σε καινοτομία, ή να δημιουργήσει απρόβλεπτες συνέπειες, ή και τα δύο. Υπάρχουν συστήματα που αναμένεται να λειτουργήσουν ταυτόχρονα ως μεμονωμένα συστήματα, καθώς και ως ομάδες συστημάτων (συστήματα από συστήματα). Τυπικά, υπολογιστικά συστήματα και συστήματα τηλεπικοινωνιών μπορούν να αναπτύσσονται και να χρησιμοποιούνται ταυτόχρονα.

19 Παράγοντες που επηρεάζουν την πολυπλοκότητα των συστημάτων Ο ταχύς ρυθμός των τεχνολογικών εξελίξεων και η διαθεσιμότητα σχετικά φθηνών κι αποτελεσματικών νέων συστατικών συστήματος, όπως πολυπύρινοι επεξεργαστές, αισθητήρες και συσκευές αποθήκευσης υψηλής πυκνότητας. Η ανάπτυξη νέων εφαρμογών που εκμεταλλεύονται την τεχνολογική εξέλιξη του υλικού. Η αδιάκοπη χρήση των συστημάτων σχεδόν σε κάθε τομέα της ανθρώπινης προσπάθειας η οποία, με τη σειρά της, απαιτεί έναν ακόμα ταχύτερο ρυθμό εξέλιξης για το υλικό και το λογισμικό. Η ανάγκη για διασυνδεσιμότητα μεταξύ των συστημάτων και για υποστήριξη τη κινητικότητας των χρηστών. Η ανάγκη για βελτιστοποίηση της κατανάλωσης των πόρων. Οι περιορισμοί που πηγάσουν από τους φυσικούς νόμους, όπως η απαγωγή της θερμότητας και η ταχύτητα του φωτός.

20 Σύστημα από συστήματα System of systems (SoS). Συλλογή από ανεξάρτητα συστήματα με περιορισμένες αλληλεπιδράσεις. Τα μεμονωμένα συστατικά ενός SoS είναι ανεξάρτητα και μπορούν να λειτουργήσουν μόνα τους, αποσυνδεμένα από τις υπόλοιπες συνιστώσες του SoS. Τα συστατικά απολαμβάνουν διοικητική ανεξαρτησία και στην πραγματικότητα, λειτουργούν ανεξάρτητα για ορισμένες χρονικές περιόδους. Το σύστημα των συστημάτων εξελίσσεται συνεχώς στο χρόνο, καθώς προστίθενται νέες λειτουργίες, ενώ άλλες αφαιρούνται. Το σύστημα είναι σε θέση να εκτελέσει λειτουργίες που δεν θα μπορούσαν να εκτελέσουν τα συστατικά του αν λειτουργούσαν μεμονωμένα. Τα συστατικά ανταλλάσσουν μόνο πληροφορίες. Έτσι, μπορούν να είναι γεωγραφικά κατανεμημένα σε μία μεγάλη περιοχή. Καθώς η απόδοση των δικτύων διασύνδεσης βελτιώνεται, η γεωγραφική εξάπλωση γίνεται όλο και λιγότερο αισθητή και δεν επηρεάζει τη λειτουργία ή την απόδοση του SoS.

21 Αναφορές Το παρών υλικό βασίστηκε πάνω στην δράση «Ανοικτά Ψηφιακά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Δυτικής Μακεδονίας»