Растригин. С компьютером наедине. 1990

ИНТЕРФЕЙСЫ И ПРОТОКОЛЫ

Взаимодействие ЭВМ и сети связи осуществляется через интерфейс (напомним, что интерфейс - это средство сопряжения оборудования, программ и т.д., т.е. граница, через которую осуществляется взаимодействие между двумя контактирующими подсистемами). Информация, проходящая через интерфейс, должна передаваться в определенной форме - в виде сигналов заданной длительности, уровня, формы, последовательности и т д. Примером использования самого простого интерфейса является подключение к электрической сети бытовых приборов. Здесь интерфейсом является пара вилка-розетка, а требованием интерфейса - необходимость соответствия вилки и розетки. (Вспомним, что интерфейсы, т.е. вилки-розетки электрической, радио- и телефонной сетей различны, чтобы их нельзя было перепутать).

Всякое отклонение от требований интерфейса приводит к нарушению взаимодействия смежных подсистем. Требования интерфейса аналогичны языковым требованиям при общении людей: чтобы понять друг друга, они должны говорить на одном языке, т.е. их интерфейс должен выполнять роль переводчика с одного языка на другой. Эта важная функция интерфейса часто превращает его в самостоятельную подсистему. В качестве интерфейса может выступать, например, ЭВМ, которую в этом случае называют ИНТЕРФЕЙСНОЙ. На нее возлагается функция сопряжения абонентской машины с коммуникационной сетью.

Но для функционирования вычислительной сети одного описания границ ее подсистем недостаточно. Надо еще определить правила взаимодействия удаленных подсистем сети (например, двух ЭВМ, подключенных к разным концам вычислительной сети), не имеющих общего интерфейса. Такие правила не нужны в многопроцессорных и многомашинных вычислительных системах. Все подсистемы этих систем подчинены одной цели, которая достигается выбором соответствующей единой архитектуры и необходимых интерфейсов. Система образуется одинаковыми процессорами или машинами. Вычислительная же сеть состоит из разных ЭВМ, их цели разные, на них решают свои задачи разные пользователи. Именно поэтому должны быть строго определены правила взаимодействия различных подсистем вычислительной сети. Например, как вести диалог через сеть, чья очередь передавать информацию, что нужно делать, если сообщение не принято, и т.д.

Эти правила называют ПРОТОКОЛАМИ. В протоколах вычислительной сети строго регламентированы правила взаимодействия удаленных подсистем сети в различных ситуациях. В соответствии с этими протоколами и производится преобразование информации при ее движении по сети. В процессе этого движения информация проходит различные уровни, функционирование которых определяется соответствующими протоколами. Эти уровни напоминают луковицу - в центре средства связи, а пользователи общаются с ней через "наружную кожуру" (рис.14). Каждый слой такой "луковицы" образует уровень, работа которого регламентируется необходимыми протоколами, а связь между уровнями - соответствующими интерфейсами (точки на рис.14). Информация от одной ЭВМ сети к другой всегда проходит все уровни в том и другом направлении, изменяя свою форму в соответствии с протоколами каждого уровня. Всего по международным рекомендациям установлено семь таких уровней. Это вовсе не означает, что каждая вычислительная сеть обязательно должна иметь все семь уровней. Их может быть и меньше, но тогда все семь функций будут перераспределены между этими уровнями.


Рис. 14

Проиллюстрируем работу протоколов и интерфейсов на примере бюрократического взаимодействия двух организаций, неважно каких (здесь слово "бюрократия" используется в своем изначальном смысле как соблюдение формальных правил). Пусть директор одной организации решил направить сообщение директору другой. Это сообщение должно пройти несколько уровней обработки - директор, его секретарь, канцелярия, почтовое отделение, транспортная система, которая доставит сообщение в почтовое отделение адресата. Далее то же, но в обратном порядке: почтовое отделение, канцелярия, секретарь, директор, которому направлено сообщение. Все эти уровни взаимодействуют между собой по правилам общения непосредственно контактирующих подсистем, т.е. по правилам интерфейса. Нарушение этих правил приводит к нарушению взаимодействия. Если, например, директор, передавая письмо своему секретарю, укажет не официальное имя адресата, а его кличку среди коллег, то секретарь его не поймет и не будет знать, куда отправлять письмо. Аналогичны интерфейсы и других уровней.

Таким образом, каждый уровень имеет два интерфейса - на входе в этот уровень и на выходе из него. Причем каждый интерфейс работает в обе стороны, обеспечивая передачу и получение информации как "сверху", так и "снизу" (рис.15). Как видно, интерфейсы здесь обеспечивают взаимодействие уровней по "вертикали". Кроме этого, каждый уровень обработки информации неизбежно взаимодействует еще и со своим уровнем адресата, т.е. по "горизонтали". Именно эти взаимодействия происходят по протоколам (рис.15).


Рис.15

Так, директор обращается с письмом к директору (а не к его секретарю), и это общение происходит по протоколу корректных деловых взаимоотношений. Если он не будет соблюдать этого протокола, например начнет командовать, чем нарушит установленный протокол общения между директорами, то его коллега попросту не ответит на письмо, и взаимодействия директорских уровней не произойдет. Аналогично секретарь должен позаботиться, чтобы его коллега у адресата подготовил все необходимое для ответа на полученное письмо. По протоколу этого уровня необходимо указать повод, по которому написано это письмо, т.е. сослаться на соответствующие документы и обстоятельства, которые заставили написать это письмо. Получив эти данные, секретарь адресата будет знать, какие именно материалы нужно подготовить для директора к этому письму. Аналогично взаимодействуют и другие уровни.
***

Как видно, разница между интерфейсом и протоколом заключается в том, что интерфейс определяет правила непосредственного взаимодействия подсистем, которые реализуются в виде схем или программ, а протокол определяет правила взаимодействия удаленных подсистем (точнее, их уровней), которые реализуются в виде процедур взаимодействия.

Одной из важнейших функций протокола является обеспечение независимости взаимодействия уровней. Действительно, директора могут договориться изменить протокол своего взаимодействия и обращаться друг к другу, например, не официально, а по-дружески, фамильярно. Изменение этого протокола никак не скажется на протоколах других уровней - они действуют независимо. Это обеспечивает гибкость системы передачи информации, необходимую для всякой сложной системы, которая может изменяться в процессе своего функционирования. Например, адаптируясь к состоянию среды, в которой она действует.

РЕСУРСЫ, РЕСУРСЫ, РЕСУРСЫ...

Рассмотрим их перераспределение с помощью передачи сообщений через сеть от одного компьютера к другому. Такое взаимодействие компьютеров через сеть является универсальным средством передачи ресурсов. Для увеличения производительности своего компьютера достаточно иметь возможность передавать свои программы для выполнения на другом компьютере. Это можно сделать, послав сообщение в виде программы и исходных данных на другой компьютер (ГВМ - главную вычислительную машину), который, решив задачу, т.е. выполнив программу, отправит полученный результат обратно. Вы же при этом можете на своем компьютере решать другие задачи. Это не что иное, как повышение производительности вашего компьютера.

Другой вид ресурса связан с необходимостью получения каких-то сведений или программ из удаленного банка данных. Этот информационный ресурс вы можете получить через сеть, если ваш компьютер подключен к ней. В ответ на ваш запрос (это тоже сообщение) ГВМ, передает вам сообщение, содержащее необходимую информацию. И, наконец, желая разместить в памяти компьютера большой объем информации, например текст книги, но не располагая таким объемом памяти, можно этот объем передать по сети в виде сообщения в ГВМ, имеющую свободную память для хранения. Эта информация будет возвращена вам немедленно при обращении к этой ГВМ. Это и есть расширение ресурса памяти вашего компьютера.

Как видно, перераспределение ресурсов сети происходит только путем передачи сообщений. Правила преобразований и движений сообщений по вычислительной сети регламентируются протоколами взаимодействия ее подсистем.

Коммуникация в нашем мире и благо и... бедствие - вместе с огромной пользой она несет в себе и большие неприятности. На уровне человеческого общения коммуникация приводит к распространению вирусных заболеваний по всему земному шару. Это и грипп, с которым удается справляться, и СПИД, с которым справиться пока не удалось. В системе информационной коммуникации появились компьютерные "вирусы", которые распространяются по каналам связи и причиняют ущерб не меньший, чем пандемии гриппа и СПИДа.

Известно, что самым ценным в любой компьютерной системе является ее программное обеспечение. Оно раз в десять дороже компьютерного "железа". Но именно программное обеспечение наиболее уязвимо. Эта уязвимость и соблазнила некоторых программистов создать программы-вирусы.

Программа-вирус обычно очень компактна и может воспроизводить себя в разных частях памяти компьютера. Вместе с передаваемыми по вычислительной сети сообщениями распространяется и программа-вирус, разрушая содержимое памяти всех компьютеров, взаимодействующих через сеть связи. Ущерб, наносимый одним таким вирусом, исчисляется огромными цифрами, не говоря уже о моральных потерях.

Как же устроена эта программа-вирус? Едва ли стоит об этом говорить подробно, чтобы не соблазнить безответственных программистов. Приведем лишь один пример.

Есть такой язык низкого уровня (символический) - Редкод (Redcod). Он содержит лишь 10 простых команд и используется обычно для составления программ компьютерных игр. Одна из команд этого языка MOV предназначена для перемещения информации в памяти. Она состоит из трех частей - кода команды и двух адресов - и занимает одну ячейку памяти:

MOV A B,

где A и B - эти адреса. Если такая команда расположена в ячейке с номером (адресом) C, то при ее выполнении содержимое ячейки с адресом C+A переместится в ячейку с адресом C+B. Это очень удобная и полезная команда. Но при A=0 и В=1 она становится тем самым вирусом, который начинает размножаться и уничтожать подряд содержимое памяти компьютера. Действительно, обращение к ячейке с адресом C+0=С дает сам оператор MOV 0 1, который в соответствии с его смыслом (семантикой) будет записан в ячейку с адресом C+1, т. е. в соседнюю. А так как команды языка Редкод выполняются последовательно (как в Фортране и Алголе), то компьютер будет выполнять следующую команду, расположенную в ячейке C+1, т.е. запишет MOV 0 1 в ячейку C+2, и т.д. В результате эта команда будет перемещаться от адреса к адресу по всей памяти компьютера, сокрушая все на своем пути и оставляя за собой опустошающий след из команд MOV 0 1.

Это лишь пример простейшего компьютерного вируса, состоящего из одной команды. С ним легко справиться. Но разработчики программ-вирусов обеспечивают им защиту. К сожалению, им это удается. И тогда содержимое памяти всех связанных сетью компьютеров превращается в электронное конфетти. Такая программа-вирус становится логической бомбой. При наличии коммуникационной сети логическая бомба "взрывается" в каждом компьютере этой сети, рушит всю сеть, которая может быть распределена по всей Земле.

Заметим, что оборонные службы всех развитых стран серьезно озабочены реальностью такой компьютерной диверсии, разрушающей сеть системы обороны, и изыскивают все возможные средства, чтобы не допустить попадания логических бомб в оборонные сети.

Если заранее и наверняка знать, что в память вашего компьютера попала логическая бомба, то выявить ее не представляет труда по неадекватной реакции, на те или иные тестовые программы, но только в том случае, если бомба не взорвалась. Именно поэтому иногда ее делают замедленного действия. Она "взрывается" лишь после определенного числа обращений компьютера к программе этой бомбы, чем очень затрудняется ее выявление.

Началось все с простого компьютерного хулиганства. А при отсутствии элементарной этики и при наличии мощных средств коммуникации в современных компьютерных сетях проблема компьютерной чумы, вызванной программой-вирусом, превращается в общечеловеческое бедствие, когда уничтожаются огромные ресурсы информации. Эта проблема, как и проблема СПИДа, ждет своего решения.

В компьютерных системах, даже самых простых, всегда есть защита от несанкционированного доступа. Это значит, что какая-то определенная часть памяти защищена от произвольного вторжения извне и доступ к ней осуществляется по специальному ключу (паролю), известному лишь владельцу этой части памяти. Делается это не только против злоумышленников, но и просто для защиты важной информации от случайных воздействий. Например, от ошибок в программах. Так, например, защищают ту часть программы, где расположена операционная система компьютера, так как нарушение ее работы делает невозможным его функционирование. Стоит ли говорить, что мощная защита преграждает доступ к секретной информации - финансовой, военной, оборонной и т.д.

Эта защита создается так, чтобы никто не смог подобрать ключ к ней - об этом заботятся программисты экстракласса. Но... созданные трудности вызвали желание их преодолеть, и на Западе среди программистов появились так называемые хэккеры - "взломщики" программных защит. Такой хэккер, сидя дома за своим компьютером, подключенным к вычислительной сети, пытается подобрать программную "отмычку" к замкам, расставленным на компьютерах, подключенных к этой сети. Делает он это не всегда бескорыстно. Так, подключившись к файлам, хранящим счета в банках, он может перевести на свой счет любую сумму с других счетов. Причем поймать его "за руку" при однократном подключении почти невозможно, ведь банки хранят счета только в компьютерной памяти. Это, пожалуй, самая "безобидная" пакость такого хэккера. В принципе он может спровоцировать даже атомную войну, если решение о ней принимается или передается компьютером, подключенным к сети. А так как хэккеров много и работают они не жалея времени, то и ущерб, наносимый ими, огромен. Так в юриспруденции появилось новое понятие "компьютерное преступление" - преступление, совершенное с помощью компьютера.

Но хватит о негативных сторонах компьютерных сетей - виноваты в этом не сети, а злая воля компьютерных хулиганов. Поговорим о системе протоколов, позволяющей сети эффективно перераспределять ее ресурсы.

СЕМЬ УРОВНЕЙ ПРОТОКОЛОВ

Прежде всего следует отметить, что все протоколы взаимодействия в сети подразделяются на протоколы высокого (это уровни от 5 до 7) и низкого (от 1 до 4) уровня (рис.14). Отличаются они тем, что верхние уровни учитывают специфику передаваемой информации, а нижние - индифферентны к ней, для них это лишь поток нулей и единиц. Аналогичное подразделение протоколов имеет место в телефонной связи, где верхний уровень протоколов требует соблюдения общепринятого человеческого этикета - говорить вежливо, отвечать на вопросы собеседника, не перебивать его и т.д. Если вы нарушите эти протокольные правила, то ваш собеседник вправе повесить трубку, прервать связь. Нижний же уровень протоколов телефонной сети обеспечивает технически связь между абонентами, т.е. обмен сигналами в определенном интервале частот. Что именно будет передаваться (музыка, речь или "морзянка"), для этого протокола неважно. Протоколы нижних уровней реализуются в сети связи (ее еще называют коммуникационной или транспортной сетью), а протоколы верхних уровней - вне ее. Таким образом, граница сети связи определяется интерфейсом верхних и нижних уровней протоколов.

Итак, сформированное сообщение, пройдя три верхних уровня (прикладной, представительный и сеансовый), необходимые для определения формы взаимодействия (на прикладном уровне), представления и преобразования сообщения в определенную унифицированную для данной сети форму (на представительном уровне) и установления сеанса связи между абонентами (на сеансовом уровне), попадает, наконец, в транспортную сеть (сеть связи).

Транспортная сеть обеспечивает транспортировку вверенных ей "грузов"- информации пользователя. Ее задача быстро и надежно доставлять эти "грузы" адресату. Быстрота доставки обеспечивается электроникой, а надежность - специальными способами защиты передаваемой информации от воздействия внешних и внутренних помех. Так же, как при транспортировке, грузы нуждаются в защите от ударов, передаваемая информация защищается от "ударов" - помех.

Поступившее сообщение, прежде чем быть отправленным по каналу связи, подвергается обработке. Эта обработка нужна, чтобы обеспечить надежную передачу сообщения по сети. Дело в том, что при движении по сети информация подвергается довольно интенсивной "бомбардировке" помех. И достаточно помехе исказить лишь один бит сообщения (т.е. поменять 1 на 0 или 0 на 1) или потерять его, то все сообщение сразу обесценивается. Чем длиннее это сообщение, тем оно более уязвимо для помех. Опыт показывает, что сообщение длиной в 10тыс. бит (это примерно 1000 байт, т.е. 1000 знаков) будет почти всегда передано с ошибкой. А ведь это очень короткое сообщение - меньше одной страницы текста. Нужно же передавать тысячи страниц. Как же быть? Нужна защита от помех. Для этого громоздкое сообщение дробится на мелкие пакеты (так обычно называют самую мелкую долю транспортируемой информации), и эти пакеты "россыпью" запускают в сеть связи. Такова основная идея. А реализуется она следующим образом (рис.16).


Рис. 16

Сначала (на транспортном (4-м) уровне) сообщение дробится на фрагменты одинакового размера (аналог дробления груза для контейнерной перевозки), причем каждому фрагменту добавляется заголовок передачи, где указываются номера сообщения и фрагмента, а также имя получателя. В таком виде фрагмент с заголовком называют обычно блоком. На приемном конце, на том же 4-м уровне, получив этот блок, по заголовку определяют его номер, составляют (восстанавливают) из фрагментов переданное сообщение и отправляют его на верхние уровни, где оно преобразуется к исходному виду, доступному для понимания адресата - пользователя или его компьютера.

Далее (на 3-м уровне) образуется пакет путем добавления к блоку заголовка, где указываются все необходимые сведения о маршруте в сети связи, по которому должен пройти этот пакет.

На канальном (2-м) уровне пакет преобразуется в кадр. Для этого он получает заголовок и концевик. В заголовке передается информация, необходимая для управления каналом связи, по которому предстоит пройти этому кадру. Такой информацией может быть, например, подтверждение правильного приема предыдущего кадра. Концевик кадра предназначен для защиты системы передачи от воздействия помех. Обычно он содержит 2 байта (16 бит) контрольной информации, которая позволяет определить, правильно или неправильно передан этот кадр.

Так трансформируется сообщение, проходящее через транспортную сеть. Все эти "протокольные" преобразования направлены на выполнение одной цели - надежной передачи сообщения. На приемном конце все протокольные операции делаются в обратном порядке, с тем чтобы восстановить переданное сообщение.

ЗАЩИТА ОТ ПОМЕХ

Всякая защита информации от помех начинается с выявления ошибки, появившейся в результате воздействия помех на канал передачи информации. Нет каналов без помех - они неизбежны. И нужно лишь уметь нейтрализовать их разрушительное действие. Именно для этого передаваемая информация сопровождается контрольными битами.

Идея контрольных битов состоит в том, что они определяются однозначно передаваемой информацией. Например, проверка на четность позволяет одним контрольным битом проверять четность или нечетность переданной информации. Для этого достаточно определить, четно или нечетно число единиц в кадре, и в первом случае в контрольный бит поставить нуль, а во втором - единицу. Если в результате помехи исказится один бит, т.е. 1 станет 0 или наоборот, то четность изменится, что легко обнаружить при приеме кадра.

Описанная проверка на четность лишь иллюстрирует идею защиты передаваемой информации (точнее, это еще не защита, а лишь возможность выявления ошибочной передачи). В действительности контрольных битов 16, и они определяются по передаваемой информации с помощью специального устройства. На приемном конце аналогичное устройство проверяет соответствие принятых контрольных битов и полученной информации. При отсутствии такого соответствия фиксируется ошибочность передачи кадра.

Такая возможность определить, правильно или неправильно был передан кадр по каналу связи, гарантирует защиту от помех, если при этом дать возможность принимающему узлу переспрашивать передающий. Так же, как при телефонном разговоре с помехами, мы просим повторить сказанные нашим собеседником отдельные слова и фразы, система связи с переспросом позволяет принимающему узлу "переспрашивать" неправильно принятый кадр. Для этого кадр должен храниться в памяти передающего узла до тех пор, пока приемный узел не подтвердит правильность приема этого пакета. И лишь получив такое подтверждение, передающий узел может начать передачу следующего кадра и "забыть" предыдущий.

Это означает, что приемный узел, получив пакет, в любом случае должен отправить передающему узлу подтверждение в виде так называемой квитанции. Эта квитанция направляется с очередным кадром встречного потока, идущего от приемного узла к передающему. И располагается эта квитанция в заголовке кадра, который служит для передачи служебной информации. Если же встречного потока кадров нет, то для квитанции организуется специальный служебный кадр (точнее, это "кадрик", очень короткий, так как не несет пользовательской информации). Если квитанция положительная, то, получив ее, передающий узел направляет приемному очередной кадр и забывает предыдущий (точнее, его место в ОЗУ сетевого процессора занимает очередной кадр). Если же он получает отрицательную квитанцию, то снова отсылает кадр, хранящийся в его памяти.

Как видно, помехи в такой системе с переспросом не искажают, а лишь несколько задерживают движение кадров по вычислительной сети.
***

Здесь Мегрэ недовольно хмыкнул, вспомнив свое армейское прошлое. Он-то хорошо понимал, как важно знать, что отданные распоряжения правильно поняты подчиненным.

- Поль! А почему бы и в вычислительных сетях не воспользоваться этим проверенным правилом? Получив сообщение, приемник запоминает его и отправляет обратно в том же виде. А передатчик сравнивает его с хранящимся в памяти (он перед отправкой сообщения приемнику запомнил его) и, если оно совпало, отправляет положительную квитанцию приемнику (это команда "выполняйте"), подтверждающую, что тот понял правильно, и начинает передачу следующего кадра. Если же совпадения нет, то нужно снова повторить передачу того же сообщения, Именно так поступает командир, отдавая свои распоряжения.
- Так сделать можно, но такая система передачи будет хуже, чем описанная в книге.
- Это почему же?- обиделся Мегрэ.
- Да потому, что в этом случае сообщение передается дважды, что вдвое повышает вероятность его искажения Не говоря уже о том, что на такую связь нужно вдвое больше времени. Вот и получается, что "ваш армейский" способ передачи сообщения вдвое и хуже (ошибочней), и дольше.
- Но если есть более эффективный способ, то почему бы его не использовать в армии?
- Нет,- улыбнулся Поль,- это способ общения машин, а не людей. Если все-таки реализовать его в армии, то командир должен сопровождать приказ контрольной фразой, в которой закодирован смысл этого приказа. Подчиненный, получив приказ и контрольную фразу, сравнивает их и, не обнаружив расхождения, говорит "слушаюсь". Если же они противоречат, то переспрашивает начальника.
- А как строится эта контрольная фраза?
- Например, "В приказе число гласных 75, а согласных 87" или как-то иначе, но в таком же роде.
- Да-а-а,- протянул, улыбнувшись Мегрэ,- не хотел бы я оказаться на месте подчиненного..., да и начальника тоже. Общаться им придется с калькуляторами в руках. Этот способ действительно подходит лишь для машин.
- И все-таки он используется людьми,- лукаво заметил Поль.- Но в "очеловеченном" виде. Для этого нужно контрольную фразу построить в виде резюме, в котором перечисляются главные положения сообщения (резюме иногда называют аннотацией или рефератом). В резюме дублируется смысл сообщения, что и позволяет приемнику выявить правильность понимания сообщения (и его резюме) и либо исполнить его, либо переспросить.
- Сержант Поль!- повысил голос Мегрэ, и Поль встал и подтянулся.- Принимайте сообщение. Не морочьте мне голову наукообразными фразами. Ничего по сути нового для повышения надежности общения ваша компьютерная премудрость не придумала. Все то же повторение или переспрос. А контрольные биты в кадре - это по сути его резюме, но составленное компьютерными средствами. Мое резюме: все это по идее было раньше, а при реализации в вычислительной сети используются вычислительные возможности компьютера. Не так ли, Поль?
- Вы абсолютно правы, шеф, но эти самые "возможности" компьютера настолько велики, что позволяют создать систему эффективного общения между огромным числом компьютеров в вычислительной сети. Человеческого аналога такого общения просто не существует. Ведь в самом организованном коллективе людей нет возможности одновременно каждому говорить с каждым. В вычислительной сети это возможно. И эту возможность обеспечила "компьютерность коллектива" ЭВМ.
- Что ж,- заключил Мегрэ,- будем считать, что компьютер внес свой вклад в решение проблемы общения. И этот вклад проявился наиболее рельефно именно в вычислительных сетях.
***

Внимательный читатель наверняка заметил, что при ошибке в служебном кадре, который несет квитанцию, передача остановится - передающий узел так и не узнает судьбу переданного кадра и будет безнадежно ждать "у моря погоды". На этот случай предусмотрен механизм так называемого ТАЙМ-АУТА. Он состоит в том, что передающий узел ждет квитанцию строго определенное время (это и есть время тайм-аута), после чего он снова отправляет кадр, на который не получено квитанции. Легко заметить, что при утере положительной квитанции в сети появится второй дубликат кадра, так как первый уже ушел к адресату. Таких дубликатов может появиться много, если нарушен обратный канал и он не пропускает кадры с квитанциями. Поэтому в вычислительной сети предусмотрена еще служба "отлавливания" и уничтожения всех дубликатов кадра и аварийной сигнализации при появлении подряд нескольких тайм-аутов, что свидетельствует о неисправности канала связи.

И еще один важный механизм управления потоком кадров в канале связи между двумя узлами. Это механизм окна. ОКНОМ называют число кадров, переданных без подтверждения. До сих пор была описана система связи с единичным окном. Но при большой задержке в канале (что бывает при передаче на большие расстояния) передающему узлу приходится долго простаивать в ожидании квитанции. Так, например, бывает при использовании спутникового канала связи, где задержка равна 0.2с. Если действовать по-старому, то по такому каналу можно передавать со скоростью один кадр в 0.4с (0.2с на передачу кадра и столько же на получение квитанции). Именно в этом случае следует иметь большое окно, т.е. передавать подряд кадры без подтверждения, но сохранять их все в памяти. Число таких кадров в спутниковом канале может доходить до 100 и более. При получении положительной квитанции следует продолжать передачу, вводя в память новые кадры на место поврежденных. При отрицательной квитанции можно или повторить передачу начиная с ошибочного кадра, что внесет задержку в несколько кадров (окно), но не нарушит порядка их передачи, или повторить только ошибочный кадр, что приведет к нарушению порядка их передачи при задержке лишь одного кадра.

СНОВА ПРОТОКОЛЫ

Далее защищенный кадр обрамляется флагами, которые имеют вид 01111110 - шесть единиц между двумя нулями. Эти флаги нужны для того, чтобы определить, где начало и конец кадра, так как в канале кадры идут без интервалов. А чтобы комбинация флага не встретилась в теле кадра, после каждой пятой единицы подряд вставляется 0. Эту операцию называют битстаффингом - вставкой бит. На приемном конце в процессе приема идет счет единиц, следующих подряд. Если после пяти единиц стоит 0, то он сбрасывается (это результат битстаффинга), а если 1, то принимается решение, что это флаг, разделяющий кадры.

И, наконец, на 1-м (физическом) уровне происходит передача кадра в физический канал связи (телефонный, оптический, радиорелейный, тропосферный, спутниковый и т.д.) через аппаратуру передачи данных (модем, усилитель и т.д.). Например, при передаче по телефонным каналам модем кодирует 0 одной звуковой частотой, 1 - другой, а сигнал наличия связи - третьей. На приемном конце телефонного канала такой же модем работает в режиме демодуляции и восстанавливает переданные нули и единицы кадра.

Все описанные процедуры и есть пример реализации основных протокольных правил, которые необходимо выполнять при общении пользователей и компьютеров через вычислительную сеть.

Рассмотренная семиуровневая система протоколов нигде обычно не применяется во всей полноте. Да это и не нужно: каждая конкретная сеть имеет свою усеченную систему тех протоколов, которые нужны именно для этой сети.

ТИПЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ

Их много, но основными по конфигурации являются узловые, моноканальные и кольцевые (или циклические) сети. УЗЛОВАЯ СЕТЬ состоит из узлов коммутации и каналов связи (рис.17,а). В узлах стоят быстродействующие компьютеры (их называют коммутационными машинами), которые проверяют правильность передачи кадра с помощью информации, заложенной в его концевик (в соответствии с протоколом 2-го уровня), определяют по заголовку пакета и имеющейся в узле информации о состоянии сети дальнейший маршрут (протокол 3-го уровня) и отправляют кадр дальше, сопроводив его новой служебной информацией для следующего узла в соответствии с протоколом 2-го уровня. Так от узла к узлу передаются кадры (их чаще называют пакетами), пока они не достигнут узла, к которому подключен адресат - компьютер, которому адресовано сообщение. Происходит это очень быстро и надежно, ошибочная передача между узлами исключается. А при выходе из строя одного узла сети кадры направляются в его обход.


Рис.17

Примером такого рода сети является сеть ARPA (США) - первая вычислительная сеть. Она раскинулась на всей территории США и имеет более 60 узлов. В эту сеть входят узлы на Гавайских островах и в Европе, связанные с Америкой через спутниковые каналы. Среднее время передачи пакета в сети между двумя абонентами 0.2с, а между самыми удаленными 0.5с. Вычислительная мощность сети образуется 150 ГВМ, а ее центр управления расположен в Кембридже (шт.Массачусетс).

У нас в Союзе уже давно эксплуатируется специализированная узловая вычислительная сеть для продажи авиабилетов "Сирена". Кто пользовался ее услугами, тот знает, как быстро она позволяет обращаться к банкам данных на ЭВМ, расположенным в других городах, где есть узлы "Сирены". В банках данных "Сирены" хранятся сведения о номерах свободных мест на все самолеты, вылетающие из этого города, на 30 дней вперед. Обращение к такому банку позволяет получать информацию о наличии свободных мест на нужный рейс, забирать и бронировать их.

МОНОКАНАЛЬНЫЕ сети используют лишь один канал связи (рис.17,б), объединяющий всех абонентов сети. Это может быть коаксиальный кабель, тропосферный канал (обычная радиосвязь), спутниковый канал и т.д. Каждый абонент может послать свой пакет в моноканал. Этот пакет принимают все абоненты, убеждаются в его правильности и по адресу определяют, кому он предназначен. Адресат продолжает обрабатывать этот пакет в соответствии с протоколами более высокого уровня, а остальные просто игнорируют его. Основной трудностью при работе вычислительной сети с моноканалом является возможность наложения пакетов, т.е. одновременный выход в сеть двух и более абонентов со своими пакетами. Это всегда возможно, если между абонентами нет предварительной договоренности о времени выхода на моноканал. Указанная трудность преодолевается введением блоков доступа (БД), через который каждый абонент выходит в моноканал. Блок доступа, получив заказ на передачу пакета, "прослушивает" канал и при отсутствии чьей-либо передачи отправляет свой пакет в моноканал, продолжая его прослушивать. Если одновременно начали передачу два и более абонентов, то они, обнаружив это, прекращают передачу и каждый возобновляет ее лишь через случайный интервал времени (и при отсутствии чужой передачи, разумеется). Здесь случайность вводится намеренно, чтобы не допустить синхронизации момента выхода абонентов на моноканал. Такой способ получил название СЛУЧАЙНОГО ДОСТУПА и широко используется ввиду его простоты и надежности.

Однако при случайном доступе неизбежно будут и простои канала связи - они составляют примерно 60% всего времени работы. При регулярном доступе этого можно избежать, если, например, предварительно опрашивать всех абонентов об их потребностях в передаче и указывать им момент их выхода на моноканал. Но это сложнее и требует организации специальной диспетчерской службы на одной из ЭВМ, входящих в сеть.

И наконец, КОЛЬЦЕВЫЕ (циклические) сети. Они являются в определенном смысле гибридом узловых и моноканальных сетей. Канал связи такой сети представляет собой замкнутое кольцо (рис. 17,в) из повторителей (П), связанных коаксиальными или оптическими каналами. Роль повторителя сводится к задержке поступившего пакета на время, необходимое для прочтения его адреса. Если адрес чужой, то пакет свободно уходит по каналу связи к следующему абоненту. А если пакет адресован этому абоненту, то он не повторяется и тем самым изымается адресатом из сети. Легко заметить, что повторитель играет роль простейшего узла коммутации, который или пропускает, или не пропускает пакет. Отправка новых пакетов каждым абонентом происходит через блок доступа в момент "молчания" канала. Доступ к каналу связи при этом облегчается. Приходящий пакет, который может "накрыть" тот, который передается, можно легко "придержать" в памяти повторителя до окончания передачи.

Описанные типы сетей возникли и используются для удовлетворения определенных государственных потребностей промышленности, обороны, управления и т.д. Но некоторые из них создаются для удовлетворения сугубо личных информационных потребностей, возникающих у самого широкого круга людей, совсем чуждых вычислительной технике. Эти потребности связаны, например, с необходимостью получить справку о том, что и когда идет в местном кинотеатре, как сыграла любимая футбольная команда в чемпионате страны, где купить лыжи и сколько они стоят и т.д. и т.п. Возможность быстро получить такого рода информацию и обеспечивают специальные сети. Одну из них называют...

ТЕЛЕТЕКСТ

Вычислительная сеть - очень сложное образование компьютерной техники. И основной трудностью здесь является организация двусторонней системы связи между компьютерами. Для этого прежде всего нужно иметь канал двусторонней связи, например телефонный.

А нельзя ли для этого воспользоваться еще более простой односторонней связью? Например, существующей системой телевидения, более массовой, чем телефонная сеть. Оказывается, можно. При этом задачи, решаемые с помощью такой вычислительной сети, ограничены, но тем не менее очень полезны в повседневной жизни. Речь идет о передаче по стандартному телевизионному (ТВ) каналу на стандартный телевизор информации в виде текстов, интересующих пользователя. Ввиду отсутствия обратной связи ТВ-станция должна передавать все, что может заинтересовать различных пользователей.

Как видно, это вычислительная сеть с моноканалом, где каждый ее абонент только принимает информацию. Так как нет канала обратной связи, то передача должна содержать все, что нужно или может понадобиться ее абонентам. А так как их много и потребности их разнообразны, то следует передавать все время и с большим запасом, чтобы в любой момент абонент мог получить нужные ему сведения.

Что это за информация? Она ориентирована на широкого пользователя: местные и международные новости, расписание передач радио и телевидения, расписание движения транспорта (автобусов, поездов, самолетов), что, где и когда идет в кинотеатрах, концертных залах и театрах, реклама и многое другое, что может понадобиться абоненту в его беспокойной жизни.

Эта информация поступает по ТВ-каналу связи непрерывно, точнее после передачи каждого кадра, когда проходят так называемые неактивные строки, которые гасятся и не попадают на экран - их четыре на каждый кадр. Именно эти строки используются для передачи текста в системе Телетекст. Каждая ТВ-строка в системе содержит 40 символов (букв, цифр, значков и т.д.); 24 строки образуют одну страницу телетекста, которая полностью умещается на экране. Полная передача включает до 800стр., которые передаются в течение 3мин. 20с и непрерывно повторяются (это данные о Британской системе телетекста Prestel, которая вступила в строй в 1979г.).

Чтобы стать абонентом этой системы, достаточно приобрести небольшую приставку к своему телевизору. Она представляет собой несложное электронное устройство для "выуживания" нужных текстовых строк из ТВ-передачи по заказу абонента, что осуществляется с помощью простой клавиатуры, расположенной на этой приставке. В результате нужные страницы передаваемого телетекста при появлении лягут в память приставки и смогут быть выведены на ТВ-экран по желанию абонента. На всю процедуру приема и заполнения памяти уйдет не больше одного цикла передачи (в системе Prestel не более 3.5мин). Полученная информация хранится приставкой сколь угодно долго и может быть в любой момент визуализирована на ТВ-экране или заменена на новую по другому запросу абонента.

Отсутствие обратной связи в системе Телетекст исключает применение переспроса для устранения ошибок (об этом мы говорили в разделе о протоколах). Как же здесь устранить ошибки, вызванные помехами, которые неизбежны при передаче по ТВ-каналу - их часто прямо видно на экране?

Борьба с помехами ведется и здесь. Делается это так. Каждый символ передается одним байтом, т.е. восемью битами. Из них семь информационные, что позволяет закодировать 2**7 - 128 знаков. Этого вполне достаточно для передачи текстовой алфавитно-цифровой информации. А восьмой бит контрольный - он проверяет семь предыдущих на четность. Если их сумма четна, то на восьмом месте ставится нуль, например 01101010, а при четной сумме - единица, например 10110111. При приеме несложная схема проверяет соответствие первых семи символов восьмому. И при несоответствии делает пропуск в тексте. Если это была буква, то она, как правило, легко восстанавливается по смыслу, так как буквенный текст всегда избыточен. Например, получив на экране РЕП РТУАР, нетрудно понять, что пропущена буква Е. Если же это сделать не удается (например, при приеме цифровой информации), то следует просто повторить прием нужной страницы.

Описанная система применима лишь для абонентов, чьи информационные потребности легко прогнозируются. Но при необходимости получить что-то выходящее за рамки передач телетекста следует воспользоваться другой массовой системой, которую называют...

ВИДЕОТЕКС (БЕЗ Т)

Эта система имеет обратную связь, для чего используется обычный телефон, позволяющий осуществить двусторонний обмен данными. Абонент здесь должен иметь уже три элемента: телевизор, телефон и приставку видеотекса. Телевизор используется только как монитор, с помощью которого отображается на экран принятая по телефону информация. Приставка позволяет осуществить заказ нужной страницы текста и получить эту страницу с помощью телефона.

Делается это так. Вы соединяетесь по телефону с компьютером, в памяти которого имеется интересующая вас информация, и кладете трубку на приставку видеотекса (для этого на ней есть удобное углубление). Набираете номер нужной вам страницы, и ваш запрос поступает в компьютер, который находит эту страницу и тут же отправляет ее в память вашей приставки. Так как связь по телефону медленная (75бит/с), то вы получите свою страницу лишь через 1.5мин. Но это все же вдвое быстрее, чем при работе с системой Телетекст. Номер же нужной вам страницы легко узнать, запросив предварительно каталог того, что есть в памяти этого компьютера.

Обе системы (телетекст и видеотекс) легко совместимы в одной приставке и хорошо дополняют друг друга, как оперативная и внешняя памяти компьютера. Здесь вся изменяющаяся ежедневно и ежечасно оперативная информация идет по телетексту, т.е. по ТВ-каналу связи, и обращение к большим массивам информации происходит через видеотекс, т.е. по телефонному каналу связи. Объем же получаемой при этом информации одинаков - одна или несколько страниц текста (такова, например, Британская служба Prestel).

ИЕРАРХИЯ СЕТЕЙ

Вычислительные сети, как всякая сложная система, имеют иерархический характер, т.е. устроены так, что малые сети входят составной частью в большие вычислительные сети. Иерархия сетей такова.

ГЛОБАЛЬНАЯ вычислительная СЕТЬ объединяет абонентов, расположенных в различных странах или даже на разных континентах. Строится глобальная сеть обычно на спутниковых каналах связи, позволяющих связывать узлы сети и ее абонентов, расположенных на расстояниях до 10-15тыс.км.

К глобальным сетям подключаются РЕГИОНАЛЬНЫЕ СЕТИ, которые связывают абонентов, расположенных на расстоянии 10-1000км, т.е. работающих на территории города, района, области или даже небольшой страны.

Глобальные и региональные сети имеют узловую структуру с мощными узлами и каналами связи с высокой пропускной способностью.

К региональным сетям подключаются ЛОКАЛЬНЫЕ СЕТИ, абоненты которых находятся на небольшом расстоянии друг от друга. Обычно локальные сети связывают пользователей, расположенных в одном или нескольких близко расположенных зданиях. Однако при использовании радиоканалов связи локальные сети могут связывать абонентов, удаленных на расстояние до 20км (например, таксистов). Локальные вычислительные сети получили в последнее время бурное развитие. Они широко используются на предприятиях, в учреждениях, конторах. Объясняется это тем, что 80-90% всей появляющейся информации (в науке, управлении, на производстве) циркулирует и обрабатывается поблизости от мест ее появления - в институтах, учреждениях, на предприятиях. И только 10-20% этой информации связано с внешними взаимодействиями этих организаций. Локальные сети могут иметь любую структуру, но чаще всего используется моноканальная и кольцевая. В отличие от региональных и глобальных сетей локальные вычислительные сети могут иметь в качестве абонентов не только ЭВМ, но и их отдельные компоненты: процессоры, терминалы, устройства внешней памяти и т.д.

Примером наиболее распространенной локальной вычислительной сети является Ethernet (США) с моноканалом на коаксиальном кабеле, который обеспечивает передачу информации со скоростью 10Мбит/с (1Мбит=1e6бит). Длина сегмента кабеля без промежуточных усилителей - 500м, а общая длина - до 2500м. Сеть имеет 1024 станции, через которые к кабелю подключаются ее компоненты, и 100 приемопередатчиков. Максимальная длина пакета в сети 1522 байт.

И, наконец, очень перспективными являются ИНТЕГРАЛЬНЫЕ вычислительные СЕТИ, позволяющие абонентам не только обмениваться вычислительными ресурсами, но и передавать по сети речь и изображения. Трудность здесь заключается в том, чтобы для передачи речи и изображений использовать те же информационные пакеты, которые применяются для передачи сообщений. С решением этой задачи (а она будет решена, так как и речь и изображение всегда можно представить в виде сообщений) отпадает необходимость в самостоятельных сетях для телефонной, телеграфной, а может быть, и телевизионной связи. Их функции возьмут на себя интегральные вычислительные сети. Заметим, что любая вычислительная сеть уже может выполнять функции телеграфа: текст телеграммы ничем не отличается от сообщения, которое передается по вычислительной сети с целью ее выдачи на дисплей или принтер адресата. Эту службу вычислительной сети называют электронной почтой.

Вычислительные сети - наиболее сложные и наиболее удобные образования века вычислительной техники. Этот сервис получен дорогой ценой сложности. Но других путей пока нет.
***

- Я хорошо пониманию,- сказал Мегрэ,- что вычислительные сети - сверхсложные системы. Если суперкомпьютер - очень сложная машина, то их объединение в сеть неизбежно создает сверхсложность. И именно это мне кажется угрожающим. Действительно, грандиозность этих систем должна неизбежно приводить к их ненадежности. У меня нет уверенности, что такого рода система реагирует всегда адекватно.
- Вы и правы, и не правы, шеф. Ведь ненадежность бывает разная. Одна связана со случайными сбоями и отказами, неизбежными во всякой действующей системе. Чем больше и сложнее системы, тем значительнее влияние таких случайных помех. Это самый простой вид ненадежности, и ее легко выявить по разной реакции системы на одинаковые сигналы в одинаковых условиях. Введение избыточности и переспроса решает проблему ненадежности такого рода.
- Вы что хотите сказать, что любую сколь угодно большую и ненадежную систему можно сделать надежной, только дублируя ее элементы и организуя переспрос в коммуникации?- изумился Мегрэ.
- Да, но устранить так можно только ненадежность, вызванную лишь случайными помехами,- ответил Поль.
- А разве есть еще какая-то ненадежность?
- Есть, и она, к сожалению, устраняется не столь просто. Это функциональная ненадежность. Грубо говоря, система на определенные воздействия реагирует одинаково, т.е. не случайно, но не так, как следует. Эта ненадежность свойственна только очень сложной системе.
- Но почему же такую неправильую реакцию не устранить в самом начале, на этапе отладки системы?- спросил Мегрэ.- Что может быть проще: проверить все реакции на все возможные воздействия и убедиться, что система работает правильно или исправить ее при неправильной реакции.
- Все это хорошо лишь для простой системы. А для сложной число всех реакций так велико, что не поддается проверке. Например, при 100 двоичных входах (они принимают лишь два значения 0 или 1) число возможных различных ситуаций на входе 2**100. Чтобы убедиться, что эта система (а это не очень-то и сложная система, процессор любого компьютера значительно сложнее) работает правильно, нужно проделать с ней 2**100 экспериментов. Много это или мало? Если делать один эксперимент в секунду, то для того, чтобы выполнить все 2**100=1e30 экспериментов, нужно потратить более 1e12 лет - тысячу миллиардов лет! А наша Вселенная существует всего 20млрд. лет.
- Не пугайте меня этими трудностями, Поль,- усмехнулся Мегрэ,- ведь всего-то проверять не нужно. Так что ваши миллиарды лет пойдут впустую.
- Вы не правы, шеф,- обиженно сказал Поль.- Все зависит от того, кто использует результат, полученный из-за ошибочной реакции системы. Если она иногда выдает вам неправильный результат, то все зависит от того, насколько он неожидан для вас. При грубой ошибке вы легко обнаружите это и не воспользуетесь полученным решением. Если же ошибка невелика, то она не принесет большого вреда. Вот и получается, что функциональная ненадежность не страшна, если ее последствия проходят через фильтр здравого смысла, т.е. через человека. Именно так, например, используется почти вся компьютерная техника.
- Ну и бог с ней, с этой ненадежностью. Стоит ли об этом много говорить!- махнул рукой Мегрэ.
- Действительно, о ней можно было бы не беспокоиться, если бы не очень распространенный случай - сложная система управляет реальным объектом, минуя человека. При этом ошибочное решение будет сразу реализовано в объекте и... все зависит от этого объекта. Если управляемый объект может быть опасен, как, например, ядерный реактор, то управляющая система должна быть очень надежна.
- Ну, ну! Я уверен, что ядерным реактором управляет очень надежный компьютер, решения которого к тому же находятся под контролем людей.
- Да, здесь система управления достаточно проста, в конечном счете все сводится к решению: вводить или не вводить в реактор графитовые стержни, которые поглощают нейтроны и тем самым гасят ядерную реакцию. Но есть системы управления гораздо более сложные. Например, СОИ.
- Это, что, Стратегическая Оборонная Инициатива США?- оживился Мегрэ.- О ней сейчас много говорят как о щите, который будет надежно защищать США от стратегических ракет.
- Вот именно надежность ее и подвергается серьезному сомнению. Речь идет о функциональной надежности, разумеется. Дело в том, что СОИ будет управляться сложнейшей вычислительной сетью, разбросанной по всей территории США. Число возможных ситуаций, которые могут сложиться в этой системе, громадно и не поддается учету. А решения этой сложнейшей системы реализуются в виде взрывов ядерных бомб для "накачки* лазеров, лучи которых должны поражать летящие цели. Человека здесь нет и не может быть, решение должно быть принято в доли секунды, автоматически. Источником функциональной ненадежности такой системы управления является невозможность даже представить все возможные варианты ситуаций, которые сложатся в СОИ. А поэтому нет гарантии, что на какую-то "нештатную" ситуацию СОИ из оружия защиты не превратится в оружие нападения (случайного в данном случае). Именно так сложные системы автоматического управления становятся причиной тяжких катастроф.
- Выходит, что нужно избегать создания сложных систем автоматического управления реальными объектами,- удивился Мегрэ.- А как насчет столбовой дороги прогресса, который требует 100%-ной автоматизации технологии, управления, решений...?
- Здесь,- улыбнулся Поль,- мы (человечество) подошли к некой границе, пересекать которую нельзя. Автоматизация решений - это, пожалуй, самая опасная область компьютерного мира. Не все решения нужно автоматизировать. Это может быть опасным для человечества.

II. ДИАЛОГ
8. ПОГОВОРИ-КА ТЫ СО МНОЙ... (ДИАЛОГ КАК ОБЩЕНИЕ)

Несомненно, диалог с компьютером должен быть подобен беседе двух людей. В такой беседе очень часто бывают важны даже самые тонкие нюансы - жест, взгляд, интонация, вздохи, подмигивания и т.д. Иногда они несут значительно больше информации, чем сказанные при этом слова, или сильно искажают их смысл. Однако не это интересует нас сейчас - вряд ли в ближайшее время у нас появится возможность в диалоге с компьютером использовать подобные средства общения (а жаль - это в самом деле позволило бы при общении с машиной достичь понимания с полуслова).

ДИАЛОГ. ЧТО ЭТО ТАКОЕ?

Здесь мы несколько отвлечемся от диалога с машиной и будем говорить в основном о диалоге между людьми. Заглянем немного и в психологию - именно эта наука больше всего занимается вопросами общения (коммуникации) между людьми. А диалог - одна из форм такого общения. Автор не психолог и понимает, насколько рискован такой экскурс в не свою отрасль знаний, к тому же в науку, связанную с работой мозга, где еще так много нераскрытых тайн. Однако очевидно, что нельзя создать сколь-нибудь удовлетворительную систему диалога человека и машины, не используя хотя бы некоторые представления о мышлении человека, работе мозга, которые накоплены в психологии.

Для начала заглянем в Большую советскую энциклопедию и познакомимся со статьей "Диалог". Там указано, что в переводе с греческого это слово означает "разговор, беседа" и употребляется для определения такого вида речи, для которого характерно:
- ситуативность - зависимость от обстановки, в которой протекает диалог;
- контекстуальность - обусловленность предыдущими высказываниями;
- заранее не запланированный характер.

А теперь посмотрим, что под диалогом понимают представители различных наук.

МНЕНИЕ ПСИХОЛОГА

Психологи называют диалогом такое речевое общение двух партнеров (разумеется, людей), когда они попеременно говорят, слушают и, разумеется, осмысливают как услышанное, так и сказанное ими. Считается, что активность партнеров диалога приблизительно одинакова, и если один из них отказывается от своей очереди взять слово, то диалог превращается в монолог. Если отказываются оба, то разговор исчерпывается. Поведение каждого человека в диалоге удобно разбить на такты: один такт - речь, другой - молчание. Соотношение времен между тактами называют ритмом диалога.

Уже в 1939г. американский ученый Э.Чаппл с помощью экспериментов установил, что ритм диалога для каждого человека - относительно устойчивая характеристика. Этот ритм индивидуален, а различие в ритмах между людьми весьма велико. Так были определены ритмы диалога у 154 продавцов большого универмага. С каждым из них по одной и той же методике около часа беседовал экспериментатор. По результатам эксперимента его участники были разбиты на три группы. Интересно, что в первую группу (с наибольшим преобладанием разговора над молчанием) вошли лучшие продавцы.

Сказанное не означает, что ритм диалога нельзя изменять. Обычно в диалоге в отличие от интервью партнеры стараются подстраиваться друг к другу, и, так-как ритм диалога достаточно гибок, это им вполне удается. Однако бывает, что продолжать разговор можно только ценой "отказа" от своего ритма, в результате усилия над собой. Все такие "отказы" за какой-то период времени, например за сутки, настолько накапливаются, что начинают "взывать к компенсации". Поэтому, если человеку на работе необходимо много разговаривать, то после работы ему приятнее отмалчиваться (или участвовать в разговоре формально) и наоборот.

Однако не только одним ритмом характеризуется диалог. Американский психиатр Дж.Джаффе исследовал диалог с точки зрения смены состояний. Он выделил четыре состояния диалога:
1) оба партнера говорят;
2) оба партнера молчат;
3) первый партнер говорит, второй молчит;
4) второй партнер говорит, первый молчит.

Очевидно, что в каждый момент возможно только одно из этих состояний. В эксперименте перед каждым партнером диалога был микрофон, а специальное устройство, регистрируя звуковые колебания, фиксировало то или иное состояние. Результаты экспериментов были проанализированы с помощью ЭВМ, и когда определили, как часто (или с какой вероятностью) одни состояния следуют за другими, то оказалось, что смена состояний в диалоге описывается цепью Маркова. Это значит, что вероятность появления каждого из четырех состояний зависит только от того, в каком из этих состояний находился диалог непосредственно перед данным моментом, и не зависит от всех предыдущих состояний. Эксперименты подтвердили, что подобная закономерность справедлива не только для взрослых, но и для детей. Можно считать, что это свойство диалога и сделало его наиболее устойчивой первичной формой общения между людьми.

Оказывается, что между диалогом и монологом существует четкая связь. Советский психолог Л.С.Выготский поставил простой и изящный эксперимент. Он поместил ребенка в общество детей, которые не могли его понять,- глухонемых или говорящих на другом языке. Казалось бы, ребенок начнет говорить только "для себя", т.е. в монологе. Но этого не произошло. В привычных ситуациях он вел диалог с детьми, которые его не понимали. Речь "для себя" возникала, лишь когда у ребенка возникали затруднения. Отсюда следует важный вывод: сначала ребенок овладевает диалогом, связывающим его с внешним миром, а уж только потом эта речь "расщепляется" на речь для себя и речь для других. По мере взросления речь для себя сменяется внутренней речью. У взрослых также внутреннее проговаривание часто сопровождает усиление мысли. Л.С.Выготский считал, что эгоцентрическая, направленная на себя, речь ребенка очень легко становится мышлением в собственном смысле этого слова: с ее помощью ребенок учится планировать свои действия и решать задачи. Позднее человек обретает навыки монолога. И лишь немногие взрослые владеют монологом столь совершенно, что могут без подготовки выступить на собрании, комментировать событие, "с ходу" написать заметку в стенгазету, составить документ и т.д. Диалогом же мы все владеем в совершенстве.

Первичность диалога по сравнению с монологом фактически вытекает из социального бытия человека, из необходимости его эффективного общения с другими людьми, без которого человек не только не может быть человеком, но и не может существовать вообще.

Известный рассказ Р.Киплинга о Маугли - лишь прелестная выдумка писателя, которую жизненный опыт опровергает. Дети, которые в начале жизни лишены возможности учиться диалогу (а таких случаев было много), никогда не становятся полноценными людьми. Может быть, поэтому Киплинг и закончил свой рассказ именно в тот момент, когда Маугли предстояло стать человеком - влиться в человеческое общество. Мудрый писатель наверняка чувствовал, что это невозможно.

Некоторые психологи считают самой характерной особенностью диалога возможность собеседников прерывать друг друга. Именно этим обусловлен быстрый темп речи: говорящий торопится досказать мысль, пока его не прервали. Поэтому он не "шлифует" высказанные мысли, иначе возникнут паузы, которыми сможет воспользоваться партнер. А раз паузы сокращаются, некогда тщательно подбирать слова. Реплики короткие, незавершенные, но партнеры понимают друг друга потому, что они взаимообусловлены, связаны с контекстом, с ситуацией разговора. Установлена еще одна интересная зависимость диалога: чем длиннее реплика одного партнера, тем короче ответ, и наоборот.

Типичным монологом является доклад, все вопросы задаются после его окончания. К слушанию монолога можно отнести и чтение книги. Однако и здесь проявляется диалог: если доклад или книга вызывают интерес, у слушающего или читающего возникает желание включиться в диалог. Слушая доклад, он обычно стремится включиться в диалог, т.е. высказывает реплики (вслух или про себя) или набрасывает план для выступления по теме доклада, а при чтении книги ведет мысленный диалог или делает заметки на полях. Так что монолог чужд человеческой натуре, и при первой возможности человек переходит на диалог.

Возвращаясь к диалогу с ЭВМ, можно добавить, что процесс выполнения программы на компьютере можно рассматривать как монолог, а процесс программирования с активным взаимодействием пользователя и машины, в ходе которого пользователь исправляет указанные машиной ошибки и... допускает новые, естественно назвать диалогом.

МНЕНИЕ ИНЖЕНЕРА

Инженер относится к диалогу иначе, чем психолог. Для него основной категорией является информация, процессы ее возникновения и переработки. Поэтому для инженера важно построить формальную модель диалога. Это нужно прежде всего для понимания явления, для его моделирования и для использования полученной модели при создании диалоговых систем самого разнообразного назначения: для управления, обработки информации, проектирования, моделирования и т.п.

С формальной точки зрения диалог - это прежде всего процесс обмена информацией между двумя системами (собеседниками) в режиме реального времени. Основным является то, что диалог ведется о предметах, относительно которых у участников есть некоторые модели - представления об этих предметах. Слово "информация" здесь употребляется в обычном, обыденном смысле - "новые сведения или знания об окружающем мире".

Следует подчеркнуть, что в диалоге обмен информацией осуществляется не вообще (как в светской болтовне), а относительно строго определенного предмета (объекта). При этом предполагается, что в ходе диалога оба собеседника (или хотя бы один из них) преследуют относительно предмета беседы определенные цели, которые их (его) волнуют, или во всяком случае собеседники не безразличны к предмету обсуждения. Такое представление о диалоге лучше позволит раскрыть очень условная схема (рис.18 ). Знания двух собеседников (A и B) о предмете диалога здесь отображены в виде эллипсов EA и EB, причем под словом "знания" будем понимать сведения самого широкого круга: закономерности, факты, гипотезы, цели и т.д. (точнее, отражение всего этого в мозгу человека в виде модели-представления) . Некоторые знания о предмете беседы как у одного (А), так и у другого (В) собеседника должны совпадать (эти общие знания представлены на рис. 18 в виде заштрихованной области Е), иначе они не поймут друг друга.


Рис.18

Мы знаем, что разные лица, получив одно и то же сообщение, извлекают из него разную информацию. Например, известие о том, что найдены новые элементарные частицы - кварки, будет по-разному воспринято физиком и историком. Поэтому предположим, что у каждого собеседника могут быть свои интересы относительно информации, имеющейся у другого. Тогда каждый из собеседников извлекает из получаемых в процессе диалога сведений ту информацию, которая его интересует, расширяет свой запас знаний о предмете диалога (на рис.18 штриховой линией).

Теперь посмотрим, какие же должны быть формальные условия для успешного диалога. Можно констатировать по крайней мере три условия, выполнение которых необходимо, чтобы диалог был результативным.

Условие первое, с которым читатель, наверное, сразу согласится: диалог имеет смысл вести тогда, когда знания обоих собеседников по обсуждаемому вопросу различны, не совпадают полностью: EA<>EB, иначе обмен информацией терял бы смысл. Но понятие смысла достаточно широко. Психологам известен такой тип общения, связанный с самовыражением, когда собеседников интересует не чужая новая информация, а лишь передача своей, независимо от того, нова она для собеседника или нет. Эта модель разговора, в ходе которого почти не слушают, а лишь говорят. Трудно возражать против такого "диалога", который по сути своей близок к монологу. Он иногда играет важную роль для поддержания психологически нормального климата, когда одному или обоим собеседникам хотя бы ради самоутверждения нужно выговориться. Но к рассматриваемому нами диалогу такой "диалог" никакого отношения не имеет - обмена информацией здесь не происходит.

Условие второе также интуитивно ясно: предметом диалога могут быть лишь такие объекты, о которых каждый собеседник хоть что-нибудь знает, т.е. EA<>0 и EB<>0. Причем обязательно должно существовать общее знание E (см. рис.18 ). В противном случае собеседники попросту могут не узнать, что говорили об одном и том же предмете. Это условие может быть записано в следующем виде: EA*EB<>0. Эта формула означает, что пересечение двух множеств (знаний) EA и EB о предмете диалога не должно быть пустым. Символ 0 обозначает пустое множество, которое не содержит ни одного элемента.

Любопытно, что язык Линкос, разработанный для связи с внеземными цивилизациями по радиоканалу, опирается на то общее знание, которое есть у всех цивилизаций,- это устройство космоса, который мы наблюдаем.

В качестве третьего условия к диалогу естественно выдвинуть требование, чтобы объем знаний, который в процессе диалога получают партнеры, был бы максимальным. Только такой диалог может быть живым и активным. Это естественно, так как конечной целью диалога является получение информации. Поэтому эффективность диалога следует оценивать по приросту знаний, полученных собеседниками в процессе диалога. Таким образом, в процессе диалога должно происходить максимальное расширение объема знаний по обсуждаемому вопросу хотя бы у одного из партнеров диалога, т. е. должна решаться задача максимизации: DE->max, где DE=E1-E0; E0 - объем исходного знания по обсуждаемому вопросу; Е1 - объем знания после диалога.

Легко заметить, что для выполнения этого требования в процессе обучения часто пользуются монологом, т.е. лекцией, когда преподаватель "обрушивает" непрерывный поток информации на головы своих учеников. Но обильность такого потока вовсе не означает его интенсивного усвоения всеми слушателями. Именно поэтому такая устаревшая лекционная форма преподавания сейчас заменяется индивидуальной, где решающим фактором является диалог с преподавателем или компьютером, в процессе которого ученик может задавать вопросы. Именно при этом будет максимизирован прирост знаний ученика.

СПОР КАК ДИАЛОГ

Еще древние считали, что "в спорах рождается истина". Спор - одна из форм диалога, и поэтому будет интересно и уместно проанализировать этот тезис, тем более, что он не бесспорен. В самом деле, кто задумывался о споре и участвовал в нем, тот наверняка заметил, что истина в спорах рождается крайне редко. Значительно больше при этом тратится времени. Если говорить точнее, то следует сказать так: "В спорах, вообще говоря, может иногда родиться какая-то истина" (здесь трудно не вспомнить очень язвительное определение спора в "Словаре сатаны" Алоиза: "Спор - это способ утвердить своего оппонента в его заблуждениях").

Зачем тогда нужды споры? Неужели это лишь атавизм древних боевых поединков и турниров, принявших интеллектуальную форму? Нет! Споры нужны и даже необходимы. Но не для поиска истины - при этом за крохи истины приходится платить слишком дорого и самой ценной монетой - временем и хорошими взаимоотношениями. Споры нужны для другого.

В процессе спора рождается взаимопонимание и определяются точки зрения. Спорщики обычно спорят до тех пор, пока не поймут точку зрения своего противника, изменить которую, как правило, не удается. А если удается, то немедленно провозглашается рождение "истины". В действительности же это лишь другая точка зрения, к которой присоединился "обращенный".

Нас в споре будет интересовать не процесс "обращения", а процесс рождения взаимопонимания. Начнем с вопроса: а что значит "понимать друг друга"?

Простейшая модель понимания сводится к тому, что собеседники, употребляя в споре какие-то слова, используют их в одном и том же смысле. Это значит, что для обоих собеседников эти слова выражают одинаковые понятия. Если это не так, то взаимопонимания не будет. Например, слово "лук" определяет два понятия - растение и орудие стрельбы. И если собеседники, пользуясь этим словом, имеют в виду его различные понятия, то взаимопонимания не может быть в принципе. Вспомним скороговорку "Запер замок на замок, чтобы замок не замок", где двусмысленность, точнее трехсмысленность, слова "замок" и создает забавную ситуацию.

Каждый из нас прошел свой, индивидуальный путь развития, имеет свои собственные ассоциации и представления о мире. Именно поэтому мы используем свои собственные связи и отношения между словами и понятиями. Грубо говоря, смысл многих употребляемых слов у нас разный и очень индивидуальный, так как известно, что смысл слова задается только его употреблением. А оно для каждого индивидуально. Эта индивидуальность может быть настолько значительной, что воспринимаемый смысл текста полностью искажается. Например, известно, что 10% слушателей понимают своего собеседника "наоборот", т.е. вкладывают совершенно противоположный смысл в его сообщение. Стоит ли еще говорить об оттенках смысла, от восприятия которых, как известно, сильно зависит взаимопонимание?

Однако нельзя сказать, что мы плохо понимаем друг друга. Как это объяснить? Дело в том, что одна из важнейших функций спора состоит в том, чтобы выяснить, в каком же смысле применяет ваш оппонент слова, используемые в разговоре. Процесс такого выяснения и происходит в споре, что образует процедуру взаимопонимания. После этого вы можете изъясняться с собеседником на его "языке", понимать его и быть уверенным, что он понимает вас правильно.

Опыт показывает, что большинство споров возникает из-за непрерывного непонимания друг друга и немедленно прекращается по достижении взаимопонимания. Действительно, о чем спорить, если весь сыр-бор разгорелся относительно разных сторон одного и того же обсуждаемого предмета. Типичный пример: хорош или плох данный субъект? Одна сторона может приводить сколько угодно его хороших поступков, а другая - плохих, но спор от этого не разрешится - объект спора рассматривается с разных позиций. Совсем другой результат получится при обсуждении причин, почему этот субъект был плох в одной ситуации и хорош в другой.

Нужно ли говорить, как важно взаимопонимание в диалоге с машиной. (Заметим, что на неправильном понимании человека машиной построено много захватывающих сюжетов научной фантастики и... анекдотов). Что же в действительности? Здесь не может возникнуть спор, так как машине пока нечего делить с нами - у нее еще нет собственных целей (не исключено, что вскоре появятся, и тогда вопрос усложнится). Однако понимать человека машина должна в любом случае. Именно поэтому при проектировании диалога человека с компьютером необходимо предусмотреть "обсуждение" различных тем, в процессе которого налаживалось бы необходимое взаимопонимание.

Происходит это по-разному. Получив какую-то информацию, например задание от человека, машина проверяет, правильно ли она его "поняла". Для этого ей достаточно задать человеку один или несколько вопросов, в которых используется полученная информация. Например, получив распоряжение построить график, машина может понять это по-разному. Свое "понимание" она выразит вопросом "какого типа график?" или "где график?". В первом случае смысл распоряжения понят скорее всего правильно, а во втором - ошибочно.

Таким образом, только в диалоге может быть выяснен смысл используемых слов, а следовательно, достигнуто понимание, что является основной проблемой при взаимодействии человека и компьютера. Диалог является самым эффективным средством налаживания взаимпонимания собеседников в любой области человеческой деятельности - политике (переговоры), экономике (рыночные взаимодействия), искусстве (выставки, концерты, читательские конференции и т.д.), спорте (соревнования) и т.д. Но это все взаимодействие людей, для которых диалог с подобными себе - привычное дело. Диалог же с компьютером - это новый вид налаживания взаимопонимания столь различных собеседников, какими являются человек и вычислительная машина.
***

- Из всех возможных диалогов,- заметил Мегрэ,- мне профессионально интересен лишь один - допрос. Диалог же с компьютером - это что-то уж очень новое, и пока мне не ясно, зачем мне вступать с ним в диалог. Ведь не допрашивать же мне компьютер!
- А почему бы и нет!- улыбнулся Поль.- Что такое допрос?
- Это,- менторски начал Мегрэ,- получение нужной и достоверной информации у человека. Допрашиваемый может не располагать этой информацией или не хотеть ею поделиться. И отличить эти два случая очень трудно. В этом и трудность допроса. Все искусство допроса и заключается в том, чтобы разобраться, какой случай имеет место, и в первом случае отстать от бедняги, а во втором убедить его не упираться и сообщить нужное (или "расколоть", как говорят на преступном жаргоне). Не так ли, дружище? Или вас нынче учат по-другому?
- Но, шеф, все, о чем вы сказали, относится и к диалогу с компьютером. Действительно, желая получить какую-то информацию, вы прежде всего должны быть уверены, что эта информация имеется в памяти компьютера. Как обрести эту уверенность? Да просто пытаться найти то, что нужно. Именно для этого нужен диалог, в процессе которого область поиска сужается до той, где ожидается интересующая вас информация. Не так ли и вы, комиссар, ведете допрос?
- Ну как вам сказать...- задумчиво сказал Мегрэ.- Я никогда не анализировал, как я допрашиваю. Просто ставлю вопрос так, чтобы ответ на него максимально приближал меня к цели, исключал бы все, что не имеет отношения к делу.
- А это и есть стратегия сужения области поиска.
- Вот уж не знал, что действую столь хитрым образом,- улыбнулся Мегрэ.- Но между человеком и компьютером большая разница. Человек может отказаться от ответа, и это его право, защищенное законом. Он всегда пытается предвидеть последствия, к которым приведет его ответ. Другое дело, что это предвидение может быть не самым точным. Но это его предвидение. В соответствии с этим он и отвечает, часто нарушая клятву говорить только правду. Именно для этого и предусмотрено в законе право не отвечать, чтобы не говорить неправду. А может компьютер солгать или отказаться от ответа?
- Да как вам сказать,- задумался Поль,- ложь как таковая не свойственна компьютеру. Ведь у него нет собственных целей, во имя которых ему пришлось бы лгать. Но эта ложь может быть заложена в его программу программистом. Вот типичная ситуация. Вы обращаетесь к компьютеру коллективного пользования за информацией, которая, как вам кажется, имеется в его памяти. Эта информация действительно там есть, но она засекречена ее хозяином, точнее, находится в его личном файле, доступ к которому происходит по "ключу" - кодовому слову, известному только хозяину файла. В ответ на ваш запрос компьютер отвечает, что такой информации у него нет. Солгав ли он? Вам кажется, что да, а по сути - нет. Действительно, содержимое засекреченного файла может быть доступно только при наличии "ключа". И если этот ключ не введен в компьютер, содержимое файла неизвестно, точнее, непонятно компьютеру. Так что он не лжет, когда отвечает, что не располагает нужной вам информацией, хотя для другого она находится. И никаким допросом "с пристрастием" вы не вытрясете из него эту информацию.
- Ну, это понятно,- кивнул Мегрэ,- ведь он только автомат и относиться к нему нужно, как к автомату.
- Компьютер, действительно, автомат,- улыбнулся Поль,- но общение с ним иногда очень напоминает общение с человеком. Вам, например, хорошо известно, что для того, чтобы "расколоть" иного беднягу, нужно подобрать к нему "ключик", т.е. такие аргументы, которые убедили бы его. При диалоге с компьютером такая ситуация складывается довольно часто. Вы должны знать "этикет" общения с компьютером и не нарушать его, в противном случае общение прекратится - компьютер просто не поймет вас.
- "Не понимать" или "не хотеть понимать"- это разные вещи,- заметил Мегрэ.- Ваш пример неудачен. Это равносильно тому, что я буду вести допрос на языке, не понятном подследственному. Естественно, что никакого разговора не получится. Меня здесь волнует другое. Может ли компьютер действовать на основе соображений, не понятных мне. Именно в этом случае я буду понимать его плохо.
- Вы можете быть спокойны, шеф,- улыбнулся Поль,- компьютер не является личностью (пока!). Его цели заложены в него программистом и направлены на эффективное взаимодействие человека с компьютером. Так что можете считать его вполне дружественным собеседником, который не имеет "задних мыслей" и "камней за пазухой", о которых любят говорить фантасты, описывая компьютеры будущего. Наш сегодняшни компьютер - симпатичный простак, который всегда рад услужить вам, если ему растолковать все достаточно подробно и понятно.

9. ПОЙМИ ХОТЬ САМОЕ ПРОСТОЕ! (ПРОБЛЕМА ПОНИМАНИЯ ЕСТЕСТВЕННОГО ЯЗЫКА)
УРОВНИ ПОНИМАНИЯ

Рассматривая диалог "человек-компьютер", мы не должны забывать, что фактически речь идет о системе общения или, как сейчас принято говорить, о системе коммуникации. Поэтому необходимо ясно представлять себе, что общение может происходить на различных уровнях понимания между собеседниками.
Попробуем дать классификацию уровней понимания, чтобы иметь возможность каким-то образом оценить достигнутый уровень общения и понимания (в том числе и при конструировании и исследовании диалоговых систем "человек-компьютер").

Слово "понимание" мы применяем к самым различным ситуациям, в которых это слово имеет совершенно различные значения. Едва ли стоит говорить о том, что возможны различные степени понимания одного и того же сообщения. Достаточно напомнить хотя бы как зависит понимание такого сообщения, как, например, книга или кинофильм, от возраста "приемника". Как известно, "смотреть" не значит "видеть", и это различие зависит от очень многих факторов.

Прежде всего ограничим значение слова "понимание". Будем применять его только к таким ситуациям, когда участники диалога (их называют иногда коммуникантами) обмениваются ОПРЕДЕЛЕННО выраженными сообщениями в виде более или менее общепринятых знаков (слов, жестов, рисунков и т.д.), которые образуют "текст" сообщения. Тем самым исключаются такие ситуации, как "телепатическое общение" - прямой и непосредственный обмен мыслями между сознаниями коммуникантов, без какого-либо текста-посредника, а также общение путем изменения выражения лица или глаз человека. В этом случае мы не можем определенно указать наличие текста, к которому относится наше понимание, так как здесь трудно определить наличие каких-то знаков.

Несмотря на такое ограничение ситуаций общения, в значении слова "понимание" остаются еще широкие градации.

ПЕРВЫЙ УРОВЕНЬ ПОНИМАНИЯ

Для этого уровня понимания - назовем его СИНТАКСИЧЕСКИМ - характерно, что "приемник" (тот, кто должен понимать) способен воспринять лишь структуру текста, т.е. вынести суждение о правильности его построения. Понимание здесь совсем не относится к содержанию этого текста. Понимающий имеет некоторую исходную информацию о правилах грамматики текстов, и не более. Связь текста с реальностью его совсем не "интересует". Знания "приемника" на этом уровне ограничиваются некоторой начальной информацией, позволяющей ему отличить только грамматически правильное предложение от неправильного. Единственным критерием истинности для такого коммуниканта будет грамматика (точнее, синтаксис), а не явления окружающего мира. Например, тексты "Волк ест козу" и "Коза ест волка" для него одинаково правильны. Этот уровень понимания вполне достаточен для проверки правильности способа выражения. Именно на этом уровне происходит понимание знаменитой фразы академика Щербы "Глоклая куздра штеко бурдланула бокра и курдречит бокренка", которая иллюстрирует важность знания синтаксиса для понимания текста.

Общение между любыми собеседниками на синтаксическом уровне означает, что они умеют соблюдать некий речевой ритуал: произносить приветствия, задавать вопросы типа "как поживаете?" и т.д. Кстати, если кто-то в ответ на последний вопрос всерьез станет рассказывать о своих делах, это вызовет только недоумение. В английском языке этот вопрос (How do you do?) давно уже стал стандартным приветствием, на которое принято отвечать тем же приветствием. Говоря по-русски, мы еще не можем на вопрос "Как поживаете?" отвечать теми же словами, но, быть может, к этому все идет.

ВТОРОЙ УРОВЕНЬ ПОНИМАНИЯ

Для этого уровня понимания - назовем его ПЕРВИЧНО-СЕМАНТИЧЕСКИМ - характерно, что воспринимающий способен не только расчленить данный текст на грамматические элементы и проверить их соответствие правилам грамматики, но и сопоставить им четкие элементы реальности.

На этом уровне "приемник" воспринимает жестко закрепленный за текстом смысл, но без учета окружающего контекста. Такое буквальное понимание свойственно ЭВМ, когда она получает текст программы на каком-либо алгоритмическом языке, например Алголе или Фортране, и сопоставляет каждому законченному фрагменту этого текста (знаку) некоторую машинную подпрограмму (модуль). Например, выражение A*B означает, что следует перемножить числа A и B, и ничего другого!

Это уровень понимания имеет место при поиске документальной информации, когда по тексту запроса информационно-поисковая система выдает потребителю все соответствующие этому запросу документы (такие документы называют релевантными, т.е. формально соответствующими запросу). Как видно, смысл сообщения на этом первично-семантическом уровне воспринимается вне контекста. Пример с запросом в информационно-поисковой системе наглядно показывает недостаточность первично-семантического уровня понимания для организации удовлетворяющего нас диалога. Действительно, совокупность релевантных документов обычно не совпадает с совокупностью документов фактически нужных, их называют пертинентными. К тому же некоторые пертинентные документы могут совсем не оказаться среди релевантных. Это будут потери информационно-поисковой системы, и их количество характеризует неполноту ответа. А с другой стороны, многие релевантные документы окажутся ненужными пользователю (потребителю). Это так называемый шум, который создается поисковой системой. Потери и шум в информационно-поисковой системе являются результатом того, что эта система в отличие от хорошего библиографа работает на первично-семантическом уровне, пренебрегающем контекстом запроса.

Так, на уровне семантики стихи Пушкина "Я вас любил: любовь еще, быть может, в душе моей угасла не совсем..." могут быть поняты как выражение легкой грусти о прошедшей любви. Однако содержание их гораздо глубже. Это стихи о неувядающей Любви.

ТРЕТИЙ УРОВЕНЬ ПОНИМАНИЯ

Итак, мы пришли к необходимости следующего уровня понимания - уровня ГЛУБИННОЙ СЕМАНТИКИ. Понимание текста на уровне глубинной семантики означает, что текст воспринимается как своеобразный наказ или "притча". Адресат видит в тексте некую даль, некий глубинный смысл, контекст, ради которого и появился данный текст. Понимание информационного запроса на глубинно-семантическом уровне означало бы понимание того, что на самом деле хочет получить потребитель информации. Очевидно, что такое понимание может быть достигнуто только в результате диалога, уточняющего цель запроса.

Понимание на глубинно-семантическом уровне упомянутого стихотворения А.С.Пушкина раскрывает в нем совсем иное, в некотором смысле противоположное тому, что замечено на уровне первичной семантики. Становится ясно, что это стихи о любви, не ослабевающей от разлуки, любви предельной, бескорыстной. Таким образом, этот уровень понимания основан на погружении общения в контекст. Общение строится на контексте и целиком опирается на него.

Вообще говоря, уровней понимания существует много (мы привели лишь основные), и зависят они от средств, которыми располагает компьютер. Очевидно, что переход с одного уровня понимания на другой связан с решением компьютером очень сложных задач (о них мы поговорим ниже). Но не следует думать, что в понимании можно ограничиться глубинно-семантическим уровнем, который отвечает разумным требованиям, предъявляемым к "понятливому" компьютеру. Можно пойти дальше и обнаружить...

ЧЕТВЕРТЫЙ УРОВЕНЬ ПОНИМАНИЯ

Говоря о рассматриваемых трех уровнях понимания, мы до сих пор считали, что слово "понимание" означает некоторое состояние, достигаемое субъектом, конечную цель процесса общения. Но почему бы не рассматривать понимание как открытый процесс, принципиально не имеющий завершения? На этом основании можно ввести и четвертый уровень понимания - ДИАЛОГИЧЕСКИЙ. На пример такого вида понимания обратил внимание М.М.Бахтин, который увидел особенность поэтики Ф.М.Достоевского как раз в диалогичности, открытости повествования, которое не завершается четкой авторской точкой зрения. Этим художественный мир Достоевского принципиально отличался от мира Л.Н.Толстого. У Толстого четкое деление героев на хороших, обладающих полнотой ощущения жизни, и дурных (точнее, неполноценных), живущих по искусственным правилам. Тем самым даже формально дурные поступки хороших героев оказываются оправданными, а хорошие поступки неполноценных ничего не стоят. У Достоевского принципиальное отсутствие завершенного понимания героя: они раскрываются в нескончаемом диалоге, и разделения на "овец и козлищ" так и не происходит. В самом дурном герое Достоевского в какой-то момент разворачивающегося диалога видится личность.

В диалогах Платона истина открывается в самом ходе диалога, и здесь также отсутствует завершенная философская система. Система знаний дается только в становлении, в процессе уточнения понятий. Это не дидактический прием, а принципиальный подход для выявления истины. В основе диалогического понимания всегда имеется какое-то противоречие, парадокс, действительный или кажущийся. Осознание противоречивости ситуации служит пружиной, разворачивающей диалог дальше. Таким образом, диалог устраняет имеющиеся противоречия и одновременно выявляет новые.

На диалогическом уровне участники общения сами формируют контекст, необходимый для углубления понимания. Разумеется, диалог в системе "человек-машина" нельзя по содержанию уподобить диалогам Достоевского или Платона. Но полезно иметь в виду, что высший уровень понимания возможен только в диалоге, именно этим он существенно отличается от более низких уровней понимания. Кроме того, диалогический уровень понимания не требует, чтобы оба собеседника находились на одном и том же уровне развития. Сократ в диалогах Платона ведет беседу с людьми скорее посредственными, но тексты этого диалога оказываются весьма поучительными и для нас, читателей.

Можно предположить, что человек все же сумеет достичь диалогического уровня понимания в диалоге с машиной, которая сама не выходит за рамки первичной семантики, но может обладать гигантским запасом фактических сведений. В процессе диалога человек сумеет эти факты осмыслить, и процесс общения перейдет на самый высокий уровень диалогического понимания. Во всяком случае эту возможность не следует заранее исключить из рассмотрения.

А теперь обратимся к проблеме понимания компьютером речи и предложений на естественном языке. Начнем с довольно забавной программы, имитирующей понимание.

ПРОГРАММА ЭЛИЗА

Эту программу создал американский ученый Дж.Вейценбаум и назвал ее так, вероятно, в честь Элизы Дулитл (героини известной пьесы Б.Шоу "Пигмалион", которую профессор фонетики Хиггинс из уличной торговки превратил в леди, обучив только правильному произношению). Программа ЭЛИЗА ведет диалог с собеседником - человеком, не понимая по сути дела ничего из сказанного им. Причем делает это она так хорошо, что неискушенный собеседник уверен, что ведет диалог с человеком,- настолько хорошо ЭЛИЗА имитирует диалоговое поведение людей. Заметим, что диалог ведется с помощью телетайпа - электрической пишущей машинки, подключенной к компьютеру с программой ЭЛИЗА.

Как же работает программа, которая так ловко водит за нос собеседника? Очень просто, так же, как человек, которому приходится поддерживать вежливую беседу со скучным собеседником на скучную тему. Он отделывается ничего не значащими репликами типа "А почему вы думаете, что ...?", или "Расскажите мне подробнее о ...", или "Доставляет ли вам удовольствие считать, что ...?" и т.д. Таких разговорных клише много. Они производят впечатление активности и заинтересованности. Но для использования таких клише необходимо заполнить многоточия, что-то поставить на их место. Выбор заполняющих слов и является самой сложной частью программы. Эти слова заимствуются из предыдущей реплики собеседника. Например:

С (собеседник): Не правда ли, сегодня хорошая погода?
Э (ЭЛИЗА): А почему вы спрашиваете?
С: Я не спрашиваю, а интересуюсь вашим мнением о сегодняшней погоде.
Э: Расскажите мне подробнее о сегодняшней погоде.
С: Нет дождя, светит солнце и можно гулять.
Э: А почему вы думаете, что можно гулять?

Читатель, наверное, заметил, как действует программа - она отыскивает ключевые слова в предложении и включает их в свою реплику-клише. Вот и все! Причем иногда это может быть невпопад, например "А почему вы думаете, что светит солнце?" Но собеседник, уверенный, что ведет диалог с человеком, а не с программой, думает, что тот рассеян и отвечает не слишком логично - с кем не бывает! Более того, некоторая нелогичность многими воспринимается как подтверждение, что диалог ведется с человеком, а не с машиной, которая славится своей "железной" логикой.

Особый успех ЭЛИЗА имела у одиноких людей, которым хочется пообщаться с кем-либо. Им не так важно, что именно говорит ЭЛИЗА, им важно, нужно самим высказываться. В одной из неврологических клиник США подключили ЭЛИЗУ к телефону и с ней мог соединиться каждый желающий, но при условии, что диалог велся с помощью электрической машинки. Оказалось, что очень многие, "поговорившие" с ЭЛИЗОЙ были уверены, что общаются с внимательным и отзывчивым психотерапевтом - "Ведь он так хорошо понял меня!" И отказывались верить, что общались с компьютером.

Такая имитация понимания компьютером, естественно, понадобилась лишь для решения чисто научных задач, хотя и нашла свое применение в психотерапевтических целях. Но такой подход, конечно, не может быть использован для решения конкретных практических задач, возникающих при общении человека с компьютером. Здесь сразу возникает много трудностей, о которых стоит поговорить подробнее.

ТРУДНОСТИ ПОНИМАНИЯ СМЫСЛА ТЕКСТА

Все трудности понимания компьютером пользователя связаны с тем, что они "говорят" на разных языках. Компьютер понимает лишь язык машинных команд (о них мы говорили в гл.3) или с помощью транслятора алгоритмические языки высокого уровня. Но в обоих случаях текст программы однозначно должен переводиться в машинные команды, исполнение которых приводит к решению поставленной задачи. Если же этого не происходит, то значит программа написана неправильно, если, разумеется, транслятор работал без ошибок.

Совсем иное происходит при общении с компьютером на естественном языке. В этом случае задача, поставленная пользователем, не решается именно потому, что нет правил построения "правильных" фраз естественного языка. Такими "правильными" для компьютера фразами следует считать фразы, которые понимаются им однозначно и не допускают нескольких толкований. Ведь компьютер не более чем автомат и его действия детерминируются его программой и поступающими данными, которые должны быть правильными.

Рассмотрим трудности понимания естественного языка, именно они препятствуют ЭВМ быть очень понятливым собеседником в диалоге с человеком.

ТРУДНОСТЬ ПЕРВАЯ

Она связана с многозначностью слов естественного языка. Например, русские слова "лук" и "коса" имеют больше одного значения. А английское очень распространенное слово set имеет более 1800 значений! Возникает очень трудная проблема - выбрать одно из нескольких значений. Для этого следует учитывать контекст. Например, чтобы выбрать одно из двух значений слова "лук", надо просмотреть его окружение и, если речь идет о еде, овощах, огороде и т.д., то его следует понимать одним образом, а если о спорте, оружии, стрелах и т.д.- другим образом. Хотя при этом вполне возможны ошибки. Так, легко ошибиться в понимании сцены свидания при косьбе двух молодых людей, среди которых одна девушка с косой.

Как видно, для правильного разрешения этих трудностей требуется вмешательство человека. Сделать это можно по-разному. Например, при компьютерном переводе с одного языка на другой многозначность может быть разрешена сразу - путем прямого обращения компьютера к человеку с требованием указать значение слова. Можно поступить иначе: в переводе компьютер приводит все значения многозначного слова из своей памяти, чтобы позже, на стадии редактирования этого текста, человек мог выбрать то, которое соответствует контексту. Этот последний способ широко используется в практике компьютерного перевода. Без человека преодолеть эту трудность нельзя.

ТРУДНОСТЬ ВТОРАЯ

Эта трудность связана со структурной неоднозначностью фраз естественного языка. Например, фразу "Он видел их семью своими глазами" компьютер может понять, что "он" имел семь глаз и видел "их". Здесь в самой фразе нет информации, является ли слово "семью" существительным (от слова "семья") или числительным (от слова "семь"). Для правильного понимания этой фразы компьютер должен знать, что "он" (если это человек) имеет не более двух глаз.

Здесь мы вплотную подходим к очень важной мысли: для правильного понимания человека компьютер должен иметь в своей памяти знания о том мире, в котором живут люди.

ТРУДНОСТЬ ТРЕТЬЯ

Это неоднозначность "глубинной структуры" предложения. Видимая грамматическая структура однозначна, но допускает различные толкования смысла предложения. Например, фраза "Цыплята готовы к обеду" подразумевает, что кто-то кого-то скоро съест на обед. Но кто кого? Цыплята пообедают или их кто-то съест на обед? Здесь возможны оба варианта понимания. И только контекст поможет разобраться, кто кого съест.

ТРУДНОСТЬ ЧЕТВЕРТАЯ

Она связана с так называемой семантической неоднозначностью, вызванной разной ролью одних и тех же слов в предложении. Например, в команде "Подать на пятый участок желтый контейнер" непонятно, любой ли желтый контейнер или один из тех, о которых шла речь ранее, причем его "желтизна" лишь один из определяющих признаков этого контейнера (кроме этого, есть его номер, положение и т.д.).