• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Układ nerwowy muszki owocowej pomoże usprawnić sieci bezprzewodowe?

    25.01.2011. 13:38
    opublikowane przez: Szymon Pitek

    Mechanizm tworzenia narządu odbierającego fale (również dźwiękowe) u muszki owocowej jest tak nowatorski (z ludzkiego punktu widzenia), iż grupa naukowców z Izraela i z amerykańskiego Carnegie Mellon University (CMU) sądzi, że znajdzie on zastosowanie przy projektowaniu nowoczesnych sieci bezprzewodowych.

    Komórki muszki owocowej samorzutnie organizują się w układy, w których niewielka ich liczba działa jako "liderzy grup", łącząc się ze wszystkimi pozostałymi. W analogiczny sposób funkcjonują podzespoły elektroniczne przeznaczone do działań typu: wyszukiwanie dostępnych sieci lub kontrola samolotu w trakcie lotu. Lecz metoda "stosowana" przez układ nerwowy muszek owocowych jest znacznie prostsza i wydajniejsza.

    Badacze wykorzystując model zaczerpnięty z owada byli w stanie opracować nowy algorytm. Okazało się, że jego właściwości predestynują go jako świetne narzędzie do tworzenia sieci, w których liczba i pozycja węzłów nie jest do końca sprecyzowana, np. sensorów sieci bezprzewodowych (choćby w monitoringu środowiskowym), gdzie czujniki są rozproszone po dużym obszarze (jeziora, lasy).

    Jako że dzisiejsze systemy obliczeniowe (tak samo, jak i układ nerwowy muszki) składają się z milionów elementów, najwydajniejsze jest rozproszone podejście do wykonywanych zadań. Choć elementy współpracują razem dla wypracowania jednego efektu, poszczególne podzespoły nie muszą mieć dostępu do całości informacji, a system musi skutecznie działać, nawet w przypadku awarii pojedynczych elementów.
    Pierwszym informatycznym krokiem do stworzenia tak rozproszonej sieci jest odnalezienie małej liczby procesorów, mogących swobodnie komunikować się z pozostałymi procesorami w układzie - teoria grafów nazywa je maksymalnym zbiorem niezależnym (maximal independent set (MIS)). Każdy procesor takiego układu jest albo liderem (wierzchołkiem), albo jest połączony z liderem, przy czym ci ostatni nie łączą się ze sobą bezpośrednio.

    Analogiczny układ wydaje się występować u muszki owocowej, która wykorzystuje maleńkie włoski do odbierania bodźców zewnętrznych. Każdy z nich wyrasta z komórki nerwowej zwanej prekursorem narządu zmysłu (sensory organ precursor (SOP)), która łączy się z komórkami przylegającymi, lecz nie z innymi SOP.

    Przez trzy dekady informatycy głowili się jak stworzyć mechanizm wybierania MIS w sieciach. Pospolite rozwiązanie stosuje metody probabilistyczne - jak w rzucie monetą lub kostką - w których procesory określają się jako liderzy, według klucza liczby połączeń z innymi procesorami. Procesory połączone z samowyłonionymi liderami wyłączają się z kolejnego losowania, a w kolejnym podejściu wybierane są następni liderzy. Jest to szybki proces, wymaga jednak sporego przesyłu informacji pomiędzy jednostkami. Największe trudności sprawiają sieci rozproszone, w których procesory mogą znajdować się poza swoim wzajemnym zasięgiem.


    Neurony muszki owocowej (autor: CMU)
    Komórki oznaczone strzałką wybierają siebie liderami i inhibitują taką decyzję u pobliskich neuronów.

    Muszki w formie larwy również wykorzystują metody probabilistyczne w celu zdeterminowania, które z komórek zostaną SOP. Jednak w stadium poczwarki neurony nie mają informacji nt. swoich wzajemnych połączeń. Część komórek samorzutnie przekształca się w SOP i wydziela inhibitor blokujący podobną przemianę u sąsiednich komórek. Proces ten trwa przez kilka godzin - do czasu podziału funkcji wszystkich neuronów.
    Prawdopodobieństwo, iż dana komórka określi siebie mianem lidera, nie zależy od liczby jej połączeń z innymi komórkami (tak, jak ma to miejsce w sieciach MIS), lecz jest to funkcja czasu. Nie wymaga to skomplikowanych informacji o tym, jak wzajemnie wobec siebie zorientowane są poszczególne elementy sieci.

    Algorytm opracowany na podstawie mechanizmów zaobserwowanych u owada pozwolił na tworzenie bardziej stabilnych i wydajnych połączeń, choć utworzenie sieci było nieco dłuższe. Mimo to prostota rozwiązania prawdopodobnie zdecyduje o upowszechnieniu tej metody w krótkim czasie.

    Za: CMU

    Literatura: Yehuda Afek, Noga Alon, Omer Barad, Eran Hornstein, Naama Barkai, and Ziv Bar-Joseph. A Biological Solution to a Fundamental Distributed Computing Problem. Science, 2011; 331 (6014): 183-185 DOI: 10.1126/science.1193210

    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)

    IEEE 802.1Q – standard opisujący działanie wirtualnych sieci LAN (VLAN) budowanych w środowisku transportującym ramki. Został utworzony w ramach standardu IEEE 802 i ma na celu opracowanie rozwiązań umożliwiających wielokrotne wykorzystanie jednego fizycznego łącza do przezroczystego przesyłania informacji pochodzących z różnych sieci. Podczas przesyłania danych z jednej sieci nie następuje ich wyciek do pozostałych, wykorzystujących to samo fizyczne łącze. Nazwa IEEE 802.1Q jest również używana do określenia protokołu enkapsulacji, który używany jest w implementacji tego mechanizmu w sieci Ethernet.

    IEEE 802.1Q – standard opisujący działanie wirtualnych sieci LAN (VLAN) budowanych w środowisku transportującym ramki. Został utworzony w ramach standardu IEEE 802 i ma na celu opracowanie rozwiązań umożliwiających wielokrotne wykorzystanie jednego fizycznego łącza do przezroczystego przesyłania informacji pochodzących z różnych sieci. Podczas przesyłania danych z jednej sieci nie następuje ich wyciek do pozostałych, wykorzystujących to samo fizyczne łącze. Nazwa IEEE 802.1Q jest również używana do określenia protokołu enkapsulacji, który używany jest w implementacji tego mechanizmu w sieci Ethernet.

    IEEE 802.1Q – standard opisujący działanie wirtualnych sieci LAN (VLAN) budowanych w środowisku transportującym ramki. Został utworzony w ramach standardu IEEE 802 i ma na celu opracowanie rozwiązań umożliwiających wielokrotne wykorzystanie jednego fizycznego łącza do przezroczystego przesyłania informacji pochodzących z różnych sieci. Podczas przesyłania danych z jednej sieci nie następuje ich wyciek do pozostałych, wykorzystujących to samo fizyczne łącze. Nazwa IEEE 802.1Q jest również używana do określenia protokołu enkapsulacji, który używany jest w implementacji tego mechanizmu w sieci Ethernet.

    Topologia sieci komputerowej – model układu połączeń różnych elementów (linki, węzły itd.) sieci komputerowej. Określenie topologia sieci może odnosić się do konstrukcji fizycznej albo logicznej sieci.

    Topologia sieci komputerowej – model układu połączeń różnych elementów (linki, węzły itd.) sieci komputerowej. Określenie topologia sieci może odnosić się do konstrukcji fizycznej albo logicznej sieci.

    Struktura sieci elektroenergetycznej - jest to jednoznacznie określony układ sieci wraz z parametrami poszczególnych urządzeń. Określenie to zastępuje stosowane kiedyś pojęcie wariant sieci. Używane może być zarówno do określenia sieci istniejącej, jak i do określenia projektu nowej sieci. Struktura sieci zawiera wszystkie elementy, z których sieć jest zbudowana. W skład struktury wchodzą między innymi:

    Optimal Brain Damage – algorytm służący do optymalizacji liczby wag sieci neuronowej. W algorytmie redukuje się wagi neuronów, następnie szacuje się jej wpływ na działanie sieci. Redukcji wag dokonuje się kiedy sieć jest już nauczona. Jeśli waga ma mały wpływ na wartość błędu oraz właściwości klasyfikacyjne sieci, dana waga może być bezpiecznie usunięta z sieci.

    Dodano: 25.01.2011. 13:38  


    Najnowsze