Активное использование цифровых систем требует новых подходов для формирования связи технологий и физической реальности. Ведущий научный сотрудник Научной лаборатории Интернета вещей и киберфизических систем НИУ ВШЭ — Санкт-Петербург Андрей Овчинников рассказал о проводимых исследованиях и профессиональном росте молодых ученых.
Владимир Александров | Пресс-служба НИУ ВШЭ — Санкт-Петербург
— Как связаны киберфизические системы и интернет вещей?
— За последние десятилетия мы привыкли к легкому доступу к информации — через ноутбуки, мобильные телефоны, носимые устройства и так далее. Однако сейчас вычислительным узлом, входящим в информационную сеть, может быть буквально все — от «умного» зеркала или утюга до миниатюрных датчиков.
Такое сращивание физических объектов с вычислительными системами и сетями и приводит к понятию киберфизических систем. Интернет вещей — технология, которая связывает огромное число самых разнообразных устройств в единую сеть. Но это лишь одна составляющая киберфизических систем, к ним также относятся системы искусственного интеллекта, роботизированные системы, системы дополненной и виртуальной реальности, информационная безопасность и многое другое. Проблема в том, что количество устройств в таких системах становится велико, а их миниатюризация приводит к значительному уменьшению ресурса вычислительного узла. В результате обычные, классические методы прошлого века уже не работают. Наша лаборатория как раз занимается исследованиями задач в той части киберфизических систем, которая касается передачи данных и защиты информации.
— Как появилась Научная лаборатория Интернета вещей и киберфизических систем?
— Научная лаборатория Интернета вещей и киберфизических систем Питерской Вышки создана в 2023 году, тогда еще на факультете Санкт-Петербургской школы физико-математических и компьютерных наук — сейчас это Школа информатики, физики и технологий (ШИФТ).
Команда занимается классической научной деятельностью, однако лаборатория — это часть факультета, и она активно вовлечена в учебный процесс. Наши сотрудники участвуют в проведении занятий, а студенты факультета привлекаются к работе лаборатории в качестве стажеров. Такой синтез привел к открытию образовательной программы «Компьютерные технологии, системы и сети», руководителем которой я являюсь. Развитие и реализация этой программы — также одна из задач лаборатории.
Помимо этого, у нас есть более амбициозная цель — развитие на базе факультета тематики, связанной с математическими методами для надежной передачи, обработки, хранения и защиты информации. Это крайне востребованное направление.
— Какие основные направления деятельности у лаборатории?
— В рамках лаборатории есть два главных направления. Во-первых, это вопросы передачи информации, где основным источником возникающих проблем является канал связи, его физические свойства и наличие большого количества «мешающих» друг другу пользователей.
Во-вторых, это проблематика, связанная с защитой информации от злоумышленного воздействия несанкционированных пользователей.
Наряду с этим я бы отметил важные области научных интересов сотрудников лаборатории: системы множественного доступа, в частности, системы интернета вещей (руководитель направления — заведующий лабораторией, доктор технических наук, профессор Андрей Тюрликов), помехоустойчивое кодирование, а также защита информации, в частности, постквантовая криптография. Кроме того, в каждом направлении работают молодые ученые, а также стажеры — студенты нашей образовательной программы «Компьютерные технологии, системы и сети».
— Над какими исследованиями сейчас работает лаборатория?
— В настоящее время наша команда занимается проектом «Исследование и разработка методов повышения защищенности и надежности доставки сообщений с использованием кодовой постквантовой криптографии в системах с множественным доступом». Кроме этого, при участии стажеров ведутся работы по анализу действия нового сетевого протокола QUIC, а также рассматриваются вопросы построения и организации динамических сетей.
В рамках тематики помехоустойчивого кодирования исследуются коды для каналов со специфическими свойствами шума — так называемых каналов с памятью, вопросы вычислительно эффективных алгоритмов кодирования и обработки информации. Например, сотрудник лаборатории — доктор технических наук, профессор Сергей Федоренко является автором методов вычисления специальных преобразований — циклических сверток и преобразования Фурье в конечных полях, где количество операций — наименьшее из известных. Это очень важно в системах с ограниченными ресурсами, например, в системах интернета вещей или умных домов.
— Поделитесь успехами: чего уже получилось достичь?
— Богатый опыт сотрудников лаборатории, в первую очередь заведующего подразделением, доктора технических наук, профессора Андрея Тюрликова и его учеников, позволил разработать новые подходы к созданию систем мониторинга распределенных объектов. Эти подходы могут использоваться как для мониторинга экологической обстановки, так и для мониторинга сетей энергосбережения и ряда других объектов. Работа ведется в содружестве с учеными из Новосибирска и Казахстана, по результатам исследований выйдут публикации в журналах из списка международной базы цитирований WoS Q1.
— Вы упомянули про включенность стажеров. Свежий взгляд на одну и ту же проблематику позволяет увидеть новое?
— Да, мы активно привлекаем к исследованиям студентов нашей образовательной программы. Практически через пару месяцев после старта обучения (первый набор на образовательную программу состоялся в 2024 году) три студента 1-го курса стали стажерами лаборатории и приняли участие в исследовании протокола QUIC. Согласно утверждениям разработчиков (компании Google), он превосходит существующие решения, основанные на протоколе TCP, как по степени защиты, так и по скорости передачи данных. Целью наших исследований стала оценка эффективности QUIC с точки зрения скорости передачи данных и выявление сценариев, в которых QUIC не имеет преимуществ перед ТСР.
Другая задача связана с тем, что в некоторых вариациях кодовой криптосистемы Мак-Элиса (так называемой модификации Нидеррайтера) требуется быстро и компактно представить данные пользователя в специальном виде. В рамках этого направления проводился обзор и сравнение различных методов такого кодирования с учетом специфики кодовых криптосистем.
По итогам всех работ стажеры публично защитили свои научно-исследовательские проекты, предусмотренные учебным планом образовательной программы.
— Какие задачи ставит лаборатория на будущее?
— Наиболее важным вектором для нас является образовательное направление. Для компаний, которые занимаются производством систем хранения и связи, крайне остро стоит проблема нехватки квалифицированных кадров, программистов и инженеров, способных не только воспроизводить известные решения и использовать существующие наработки, но и создавать новые алгоритмы и системы обработки информации для надежной и защищенной передачи и хранения. Мы даем возможность студентам участвовать в реальной научной работе, выполнять технические и научно-исследовательские проекты, чтобы приобретать полезные навыки в своей профессии.