Муравьиный протокол: Интернет миллион лет назад
Когда стэнфордские биологи из группы Деборы Гордон (Deborah Gordon) обнаружили некоторые особенности взаимодействия муравьев в процессе поиска пищи, им пришлось обратиться за помощью к компьютерщикам: уж очень интересными показались эти особенности. Так, при поддержке специалиста по компьютерным сетям Баладжи Прабхакара (Balaji Prabhakar), удалось показать существование удивительного «антернета» (от англ. Ant, муравей). Схем взаимодействий, поразительно напоминающих интернет-протоколы.
Поначалу Прабхакар не увидел между муравьями и своей работой ничего общего. «Однако на следующий день я подумал: "Стоп, да это же работает почти так, как интернет-протоколы". Для оценки мест и количества имеющейся в них пищи муравьи используют те же схемы, что и мы для оценки пропускной способности сети при передаче файла».
Речь идет о протоколе TCP, одном из основных для управления передачей данных по сетям. Именно его эффективность позволила когда-то Интернету из сети, насчитывавшей несколько десятков компьютеров, вырасти до миллиардов участников. Упрощенно его работу можно представить так. Допустим, мы имеем передающий информацию узел А и принимающий ее Б. Для передачи А устанавливает связь с Б, затем разбивает информацию на пронумерованные пакеты, которые Б снова собирает воедино после получения. При этом получение каждого пакета Б подтверждает, и если передача прошла с ошибкой или потерей какого-то из них, она повторяется. Это гарантирует надежность и целостность передачи данных.
Чтобы передатчик А не отправлял данные интенсивнее, чем их может обработать приемник Б, в протоколе используются средства управления потоком. Скорость получения подтверждения о приеме пакета позволяет А уточнять пропускающую способность (или, как говорят, «толщину») канала и получать скорректированные оценки времени, необходимого для передачи всего массива информации. Так же действуют и красные муравьи-жнецы (Pogonomyrmex barbatus).
Как показали наблюдения Деборы Гордон и ее коллег, активность, с которой рабочий муравей отправляется на место сбора пищи, определяется количеством доступных запасов. Разведчик не вернется в муравейник, пока не найдет хотя бы малую крошку питания. Однако чем больше ему удалось найти и набрать, тем быстрее будет он двигаться. Это заметят и его товарищи, которые с тем большей готовностью ринутся по его следам. И наоборот, если муравей почти ничего не нашел, он будет двигаться медленно, почти не привлекая ничьего внимания. Поиски в этом направлении замедляются, а со временем могут и вовсе прекратиться.
Продемонстрировать аналогичность этого механизма интернет-протоколу помог алгоритм, написанный профессором Прабхакаром для предсказания поискового и собирательного поведения муравьев в зависимости от количества доступной пищи. Точность полученных таким путем была блестяще подтверждена в ходе экспериментов, поставленных командой Деборы Гордон. «Муравьи используют прекрасно знакомый нам подход, — удивляется Прабхакар, — И делают это уже много миллионов лет».
Сходство с ТСР этим не исчерпывается. При установлении связи этот протокол сперва проверяет «толщину канала» в ходе передачи длинного набора пакетов данных. Аналогичным образом и муравьи, начиная сбор пищи, рассылают в стороны максимальное количество работников, и лишь оценив доступные запасы «подгоняют» их число к ситуации. Еще один пример. Если в ходе передачи данных по сети связь нарушена, источник А прекращает пересылку пакетов. Если муравьи-жнецы по каким-то причинам гибнут и не возвращаются домой более 20 минут, высылка новых работников из муравейника полностью прекращается. Как говорится, до выяснения причин.
Профессор Прабхакар расстраивается: он считает, что если б такое открытие было сделано годах в 1970-х, оно бы оказало серьезное влияние на построение архитектуры Интернета и наверняка облегчило бы его разработку. Впрочем, не все еще потеряно: внимательный взгляд на муравьев наверняка подарит еще массу интересного и полезного.
По пресс-релизу Stanford University