Зарегистрируйтесь и оплатите любой тариф на год
Получите в подарок бонусы на 9 470 руб.

Загадки природы: вы что-нибудь слышали про муравьиный интернет?

Загадки природы: вы что-нибудь слышали про муравьиный интернет

Что общего имеют интернет и колония муравьев? На самом деле намного больше, чем вы можете представить. Но лишь в том случае, если речь идет именно о колонии, а не об отдельном представителе этого вида насекомых. Как говорит муравьед в книге Дугласа Хофстедера «Гёдель, Эшер, Бах: эта бесконечная гирлянда» (Douglas Robert Hofstadter: Gödel, Escher, Bach: An Eternal Golden Braid): «Вы же никогда не примeте отдельное дерево за целый лес?».

В этой причудливой книге герой-муравьед стремится стать близким другом остроумному муравью по имени Хиллари, несмотря на то, что его пугает предельно простое устройство этих самых муравьев. Но автор использует муравья как метафору человеческому мозгу и его нейронам и компьютерным программам с их нулями и единицами.

Со времен публикации этой книги прошло много времени, но это сравнение оказалось невероятно полезным. Муравейники — это чудеса природы, созданные ордой маленьких насекомых, и их изучение позволило исследователям создать такие выдающиеся программы, как алгоритм маршрутизации потоков, и сделать ряд других не менее важных открытий.

К слову, Баладжи Прабхакар (Balaji Prabhakar), профессор кафедры электротехники и компьютерных наук, зовет открытый учеными муравьиный алгоритм не иначе, как «the anternet». Он подчеркивает, что «муравьи живут по алгоритму, который мы все очень хорошо знаем и который шлифовался миллионы лет».

муравьиный алгоритм

Сумма всех частей

Биолог из Стэнфорда Дебра Гордон (Debra Gordon) после нескольких лет наблюдений за муравьиными колониями в аризонской пустыне пришла к выводу, что так называемые harvester ants (с англ. — степные муравьи), тот вид, который она изучала, обладает незаурядной техникой поиска пищи. Дело в том, что муравьи, которые покидали муравейник в поисках пропитания, не возвращались в него до тех пор, пока не находили что-нибудь съестное. Как вы можете представить, далеко не всем муравьям суждено вернуться: кто-то погибнет до того, как найдет пищу, кто-то — на пути в муравейник. Еще больше муравьев погибает в жаркие и засушливые дни.

Дебра отмечает, что муравейник все же отлично приспособлен под такие экстремальные внешние условия: в особо жаркие дни муравьев, отправляющихся на «охоту», значительно меньше, чем в прохладные. Таким образом муравьиная колония как бы предохраняет себя от вымирания, продолжая существовать в эти дни за счет тех запасов, которые хранятся внутри муравейника. Однако остается непонятным, каким образом происходит координация этих процессов. Ведь не существует же среди муравьев неких специальных муравьев-«менеджеров», отслеживающих динамику погоды и бдительно следящих за тем, чтобы каждый муравей имел при себе памятку о том, когда стоит выходить на сбор корма, а когда безопаснее остаться дома. (Известно, что в муравейнике есть «королева», которую все муравьи тщательно оберегают. Однако «королева» обладает несущественной властью и вся ее роль ограничивается размножением).

муравейник

После ряда экспериментов Гордон выяснила, что муравьи-добытчики скапливаются в узком канале муравейника, ведущим на поверхность. Когда очередной муравей возвращается с пищей, он касается своими усиками-антеннами других муравьев. Дальнейшее поведение муравьев зависит от этих простых взаимодействий: от количества касаний и длительности промежутка времени между касаниями.

«Охотник» не возвращается в муравейник, пока не найдет что-либо съедобное» — рассказывает Гордон в студии National Geographic. — Чем меньше еды в пределах досягаемости, тем больше времени затрачивается на ее поиск и транспортировку в муравейник. Соответственно, чем больше еды, тем они быстрее несут ее обратно и тем больше муравьев отправится на ее сбор. Никто не решает, хорош ли день для поисков пищи или нет. Это решается коллективно, путем простых касаний».

The Anternet

The Anternet

Надпись: «Что это? Протокол передачи данных для муравьев?»

Вы можете подумать, что это открытие не оказалось таким важным, но ошибетесь. Как только Гордон показала свои данные Баладжи Прабхакару в числовом выражении, тот очень удивился, поскольку тот алгоритм, который муравьи использовали для поиска пропитания, был идентичным TCP (от англ. Transmission Control Protocol — протокол управления передачей) — один из основных протоколов передачи данных Интернета, предназначенный для управления передачей данных в сетях и подсетях TCP/IP).

TCP во многом обеспечивает возможность существования такой сети, как Интернет. Ведь что есть интернет? Это множество машин, связанных друг с другом и пересылающих друг другу файлы. Вся сложность существования этой системы в том, что нередко некоторые части могут просто-напросто отказать, оказаться перегруженными и перестать отвечать на запросы.

Если ресурс, располагающий нужным вам файлом, использует технологию TCP, то он разбивает файл на несколько частей, которые именуются «пакетами». Ресурс отправляет эти пакеты по адресу, с которого поступил запрос, и контролирует их поступление на нужный адрес через систему подтверждений, калибрует, с какой скоростью нужно отправлять оставшиеся «пакеты».

Если мы примем за главную цель муравьиной колонии — собрать больше еды, расходуя меньше муравьев, а целью сервера — отправить и получить файл, избежав перегрузки, то сходство между этими системами очевидно. Отправление пакета аналогично выходу муравья из своего гнезда во внешний мир. Получение сервером сигнала, подтверждающего о получении адресатом пакета, аналогично муравью, вернувшемуся в муравейник с пищей. Если такие сигналы возвращаются быстро, то канал обладает высокой пропускной способностью.

То же самое и с муравьями: если они возвращаются слишком быстро, значит в пределах досягаемости много еды. А раз много еды и пропускная способность хорошая, то можно отправлять больше «пакетов» и задействовать больше муравьев. Напротив, если подтверждающие сигналы не поступают на сервер, то отправка пакетов может прекратиться полностью. Коннект пропадает. То же мы наблюдаем и в муравьиной колонии: если муравьи-добытчики не возвращаются или возвращаются через продолжительный промежуток времени, то вскоре другие вообще перестанут выходить на поверхность.

(Стоит отметить, что приведенное выше объяснение — это сильное упрощение работы TCP, поскольку этот алгоритм также имеет и другие важные функции, например, обнаружение ошибок. Но обработка заторов имеет непосредственное отношение к нашей метафоре с муравьями).

При помощи подобного алгоритма колония муравьев имеет возможность собирать пищу с минимальными потерями, а глобальная сеть позволяет осуществлять передачу файлов между машинами с минимальным числом заторов — и все это без наличия какого-либо высшего, надзирающего органа. Гордон также отметила, что поскольку каждый муравей ограничен в своих способностях, «муравьиные алгоритмы просты, распределены и масштабируемы — то есть обладают теми качествами, которые должны быть в инженерных распределенных системах». Собственно, благодаря этим особенностям интернет и смог вырасти из нескольких десятков машин до нескольких миллиардов.

Баладжи Прабхакар отметил, что если бы данный алгоритм был найден еще в 70-х, на заре появления глобальной паутины, до того, как Винт Церф и Боб Канн изобрели TCP (Vint Cerf, Bob Kahn), сегодня мы использовали бы интернет совсем с другой архитектурой и дизайном.

интернет

К счастью для нас, люди оказались в состоянии додуматься до подобного алгоритма без наглядного примера. Однако Гордон уверена в том, что еще немало полезных находок откроется миру после дальнейшего изучения поведения муравьев. «Я думаю, что как только мы начнем понимать больше о том, как муравьи регулируют свое поведение, мы получим еще множество полезных приложений».

Природные архитекторы строят наше будущее

Природные архитекторы строят наше будущее

Плесень, воспроизводящая географию железных дорог Токио

Гордон и Баладжи не одиноки в своей вере. В самом последнем номере Communications of the Association for Computing Machinery (ведущий ежемесячный журнал Ассоциации вычислительной техники (ACM) напечатана статья под названием «Распределенная обработка информации в биологических и вычислительных системах». В дополнение к anternet и муравьиному планированию маршрута в нем перечислены другие биологические аналоги в вычислительных системах, в том числе плесень, которая воспроизводит географию железнодорожной системы в Токио.

Самые последние исследования Гордон указывают на то, что такой аспект муравьиного алгоритма, как коллективность, является наследственным. Это означает, что в ходе естественного отбора муравьи продолжают оттачивать свой алгоритм, и вполне возможно, что нечто новое создается прямо сейчас.

Поэтому дважды подумайте перед тем, как начинать войну с муравьями на вашей кухне. Муравьи-одиночки не причинят вам вред, а вот целая колония, обладающая коллективным разумом и действующая по алгоритмам, отработанным в течение тысячелетий, легко может вас перехитрить.

Высоких вам конверсий!

По материалам priceonomics.comImage source Achim Pfennig 

blog comments powered by Disqus

Премиум Поддержка лендинга от LPgenerator

Полное сопровождение вашего бизнеса

man
support-bg
copyright © 2011–2021 by LPgenerator LLC. Все права защищены
Запрещено любое копирование материалов ресурса без письменного согласия владельца — ООО "ЛПгенератор".