המטרה: רשת נטולת שגיאות

סוגיות בנושא החישוב המבוזר הולכות והופכות אקוטיות ככל שאנחנו מתקדמים לעולם ממוחשב יותר. ד"ר רן גלס (36) עוסק בשילוב של תורת הקודים וחישוב מבוזר, וחוקר ביצוע חישובים על גבי רשתות תקשורת כאשר התקשורת משתבשת. "כיום בעיות מסוג זה עולות כאשר כמה מחשבים רוצים לתקשר ביניהם, למשל כאשר מבצעים חישובים ב״ענן״ – שהינו למעשה רשת מבוזרת. כמעט כל חברה גדולה הנותנת שירותים לכמות גדולה של משתמשים בכל העולם (פייסבוק, גוגל, וכו׳) מנהלת רשת מבוזרת של מחשבים ושרתים. בעתיד, סוגיות דומות עשויות להופיע למשל במקרה של מכוניות אוטונומיות, כאשר כל מכונית נוסעת בצורה עצמאית, אבל הן צריכות לשדר זו לזו כדי שיוכלו להשתלב בתנועה ולהימנע תאונות" מסביר גלס. "הבעיה היא שאם רשת התקשורת תשבש חלק מהמידע שהמחשבים מחליפים ביניהם – החישוב כולו יהפוך חסר תועלת. התחום שעוזר לחישוב כנ״ל להתבצע, ומנסה להבין איך גורמים לכל המשתתפים להגיע לתוצאה הנכונה למרות שגיאות התקשורת, נקרא קידוד שגיאות לפרוטוקולים אינטראקטיביים."

גלס החל את דרכו המקצועית בלימודי הנדסת מחשבים בטכניון, במסגרת העתודה האקדמית. במהלך שירותו הצבאי, גם הוא בתחום, השלים תואר שני במדעי המחשב בטכניון, ולאחר מכן המשיך לדוקטורט באוניברסיטת UCLA ולפוסט דוקטורט בפרינסטון. אל הפקולטה להנדסה של בר אילן הגיע בשנה שעברה. "בחרתי בפקולטה להנדסה בבר אילן כי זו פקולטה צעירה, רעננה, עם המון פוטנציאל ויכולת לבנות ולהיבנות בה. אני מאד שמח מהבחירה שעשיתי", הוא אומר. במסגרת עבודתו חקר בין היתר נושאים בקריפטוגרפיה ואבטחת מידע, ובקריפטוגרפיה קוונטית. כעת הוא מתמקד בתחום קידוד השגיאות לפרוטוקולים אינטראקטיביים ומנסה להרחיב את הידע וההבנה עבור מתארים שונים של רשתות מרובות שחקנים. "מתאר נפוץ ברשתות מבוזרות הוא שכל מחשב רואה רק את עצמו ואת השכנים הקרובים אליו ביותר, אבל לא את שאר המחשבים ברשת. אחד האלגוריתמים הבסיסיים ביותר ברשתות מבוזרות, שקיים כבר משנות השבעים, יוצר ״עץ״ של מסלולי תקשורת. על ידי המבנה של העץ כל מחשב יודע איך לתקשר עם שאר חברי הרשת אפילו אם הוא לא רואה אותם בעצמו: כמו עלה על עץ, שרואה את הענף אליו הוא מחובר, והענף רואה את הגזע וכך הלאה. אבל כשיש שגיאות ברשת – אפילו הבניה הבסיסית של עץ כזה לא מתבצעת בצורה נכונה, וזה עלול ליצור בעיות של ניתוב שגוי של מידע או אפילו אובדן של מידע עבור אפליקציות שמשתמשות בעץ התקשורת. מאוד לא קל לתקן את הבנייה במתאר הנוכחי של חישוב מבוזר, מכיוון שאין אף גורם ברשת שרואה את התמונה המלאה ומפקח על בניית העץ״.

הפתרון המתבקש לבעיה הזו היא לגרום למחשבים ללמוד את מבנה הרשת כולה, ואז כל אחד מהם רואה למעשה את התמונה כולה, ויכול לבנות את עץ המסלולים עצמאית. "זה פתרון יחסית קל – אבל בזבזני, כי הוא דורש המון משאבי תקשורת מהרשת, שלא לדבר על מה שקורה כשהרשת שלנו מכילה מאות מיליוני צמתים, כמו רשת האינטרנט למשל, וברור שלא יכול להיות גורם שלומד את כולה", אומר גלס. "הפתרון שלנו מתמודד עם הקשיים האלה מבלי שאף מחשב לומד את מבנה כל הרשת, ומבלי לשדר כמות מידע גדולה בין המחשבים. הפתרון הוא מבוזר, ולמרות שאין גורם מרכזי שרואה את התמונה הגדולה, כל מחשב לומד בדיוק את המידע הרלוונטי עבורו בבניית העץ.״

את הפתרון לבעיה פיתח ד״ר גלס בשיתוף ד״ר קרן צנזור-הלל מהטכניון וד״ר ברנהרד הופלר מאוניברסיטת קרנגי-מלון. ״הדרך שמצאנו להתמודד עם בניית העץ למרות שגיאות התקשורת, למעשה עוקפת את הבעיה על-ידי שליחת הודעות ריקות מתוכן. כלומר, את העץ אנחנו מפיקים רק מעצם שליחת וקבלת הודעות, לפי הסדר שבו הן מתקבלות וזהות השולח. במצב כזה, גם אם הודעה מסוימת מכילה מידע שגוי – זה חסר משמעות, כי ממילא מתעלמים מתוכן ההודעה. הדבר היחיד שרלוונטי זה עצם העובדה שנשלחה והתקבלה הודעה בזמן הנכון ובמקום הנכון. מרגע שהצלחנו ליצור עץ, אנחנו נעזרים בו ובטכניקות קידוד שמניחות שהרשת בנויה בצורת עץ על-מנת להשלים כל חישוב מבוזר שהוא באופן עמיד לשגיאות, ובעלות קטנה יחסית של תקשורת.״

תיקון שגיאות לפרוטוקולים אינטראקטיביים הוא תחום מחקר חדש יחסית – בן 4-5 שנים – ועדיין תיאורטי ברובו. "אבל בעתיד אני מאמין שזה יעזור לפיתוח מערכות תקשורת טובות יותר, שמתגברות על רעש בצורה יעילה יותר, ויגרום לחישובים שמבוצעים על גבי רשתות תקשורת, כמו האינטרנט למשל, להיות עמידים יותר" אומר גלס. "טכניקות הקידוד שפותחו בתחום המחקר של קידוד שגיאות אינטראקטיבי משפיעות גם על תחומים נוספים והובילו לפיתוח מערכות אחרות עמידות לרעש – דוגמת מעגלים אלקטרוניים החסינים לקצרים במעגל – כמו גם על נושאים של אבטחה והגנת מידע.״  מאמר פרי עטו של ד״ר גלס הסוקר בהרחבה את העקרונות המרכזיים של התחום כמו גם את ההתפתחויות של השנים האחרונות, התקבל לאחרונה לכתב-העת Foundations and Trends® in Theoretical Computer Science.