Sieć z dachu

Kilka tygodni temu doktorant MIT Shan Sinha zrezygnował z szerokopasmowego dostępu do Internetu. Teraz jego połączenie z siecią przechodzi przez komin. Z komputera w salonie jego mieszkania w Cambridge, MA, kilka przecznic od kampusu MIT, kabel wchodzi do kominka na dach, gdzie jest przymocowany do anteny. Stamtąd pakiety danych przeskakują do innej anteny zamontowanej na dachu w pobliskim mieszkaniu studenta. W ten sposób, od dachu do dachu w wielu przeskokach, pakiety danych Sinha w końcu docierają do bramy - komputera podłączonego do stałego Internetu - w budynku informatyki MIT. Nie możemy korzystać z kominka, mówi, ale to koszt darmowego internetu.

Połączenie kominowe Sinha jest częścią MIT's Roofnet, projektu mającego na celu stworzenie samoorganizującej się sieci bezprzewodowej, w której amorficzna, niezarządzana kolekcja tanich komputerów z systemem Linux wyposażonych w karty Wi-Fi współpracuje ze sobą, aby wydajnie kierować pakiety danych. Każdy komputer i antena montowana na dachu w mieszkaniach studenckich i budynkach MIT jest węzłem w sieci, a układ, w jakim są ze sobą połączone – topologia sieci – ulega ciągłym zmianom. „Chcemy zrozumieć, w jaki sposób cała masa komputerów z radiotelefonami bliskiego zasięgu może samodzielnie konfigurować sieć, tworząc porządek z chaosu” – mówi profesor informatyki Robert Morris, który koordynuje projekt. Sieć ma obecnie ponad 30 węzłów na obszarze 4 kilometrów kwadratowych otaczającym kampus MIT. Mamy nadzieję, że w ciągu kilku miesięcy dotrzemy do stu węzłów, mówi.

Grupy badawcze na uniwersytetach takich jak Carnegie Mellon, Rice, UCLA i University of Illinois w Urbana-Champaign oraz w firmach takich jak Nokia, Intel i Microsoft opracowują podobne systemy. W każdym przypadku pakiety danych są kierowane przez rozproszone geograficznie i bezprzewodowo połączone węzły, które można zamocować w budynku lub przemieszczać wraz z użytkownikiem lub pojazdem. Zastosowania tych tak zwanych sieci typu multi-hop mesh obejmują systemy łączące ludzi noszących palmtopy, czołgi na polu bitwy czy dużą liczbę czujników w fabryce. Społecznościowe sieci kratowe, takie jak Roofnet, które są znacznie tańsze do wdrożenia niż połączenia DSL lub kablowe, są obiecującym sposobem na pokonanie bariery ostatniej mili i zapewnienie szybkiego dostępu do Internetu dużej liczbie osób, zwłaszcza mieszkających na obszarach wiejskich. obszary lub inne miejsca, w których infrastruktura przewodowego dostępu szerokopasmowego nie jest dostępna.

Sieci bezprzewodowe należące do społeczności pojawiły się w kilku miejscach w Nowym Jorku, San Francisco, Seattle, Londynie i innych miastach. Sieci te zwykle składają się z kilku połączonych ze sobą stacji bazowych, zwanych punktami dostępu bezprzewodowego, zlokalizowanych w oknach i na dachach, zapewniających łączność z Internetem w miejscach publicznych. Nowa generacja sieci kratowych, takich jak Roofnet, obejmuje większe obszary i jest znacznie bardziej dynamiczna w sposobie kierowania danych. Ich węzły nie są na stałe połączone; zamiast tego stale przewartościowują istniejące linki i tworzą nowe. W rezultacie dane podążają znacznie bardziej krętymi ścieżkami, aby dotrzeć do stacjonarnego Internetu. A gdy dziesiątki lub setki węzłów – niektóre z nich dołączają i opuszczają sieć w sposób losowy, a tym samym stale zmieniają jej topologię – powstaje trudny problem: jak należy kierować dane w tych wieloskokowych sieciach bezprzewodowych? Jakie ścieżki w tym labiryncie anten dachowych i okiennych optymalizują przepływ pakietów?

Kwestie odległości

Większość protokołów routingu proponowanych obecnie przez badaczy sieci kratowych zapożycza strategię najkrótszej ścieżki stosowaną w stacjonarnym Internecie. Protokoły te próbują znaleźć trasę z najmniejszą liczbą węzłów pośrednich między nadawcą a miejscem docelowym. W przypadku przewodowego Internetu — z jego niemal statyczną topologią i niezawodnymi łączami — ten schemat sprawdza się całkiem nieźle: nasze e-maile przeskakują od routera do routera i docierają na drugi koniec świata w ciągu kilku sekund.

Okazuje się jednak, że ta strategia najkrótszej ścieżki może nie być odpowiednia do wysyłania pakietów w powietrzu. W sieci bezprzewodowej, według grupy MIT, odległość ma znaczenie: im dłużej sygnał musi przebyć, tym bardziej ulegnie degradacji. Co więcej, jakość łącza między węzłami zmienia się w sposób nieprzewidywalny z powodu takich przejściowych zjawisk, jak przejeżdżające ciężarówki, wilgoć w powietrzu lub gołąb siedzący na antenie. Rezultatem jest znaczna liczba utraconych pakietów, błędów transmisji i połączeń, które po prostu pojawiają się i znikają w ciągu dnia. Protokół routingu, który minimalizuje liczbę przeskoków, ostatecznie wybiera dłuższe odległości dla każdego przeskoku, a zatem wysyła dane przez łącza bezprzewodowe niskiej jakości.

Grupa MIT zdała sobie sprawę, że nowe strategie routingu są konieczne, kiedy wdrożyli pierwszą wersję Roofnetu zeszłej wiosny. Próbowali wdrożyć niektóre z proponowanych protokołów routingu omawianych przez Internet Engineering Task Force, organizację zarządzającą standardami technicznymi Internetu. Ale chociaż te protokoły dobrze sprawdzają się w teorii – i są generalnie testowane w symulacjach komputerowych lub małych sieciach laboratoryjnych – nie biorą pod uwagę wielu nieprzewidywalnych czynników związanych z komunikacją radiową. Protokoły zwykle zakładają na przykład, że gdy jeden węzeł może wykryć jeden w pobliżu, może dobrze komunikować się ze swoim sąsiadem. Ale to nie zawsze jest prawdą. Naukowcy z MIT i inne grupy odkryli, że wiele razy dwa węzły słyszą się nawzajem, wymieniając małe pakiety sondujące, ale gdy próbują wysłać prawdziwe dane, komunikacja załamuje się z powodu niewystarczającej przepustowości. Morris i jego grupa zdecydowali, że najlepszym sposobem opracowania niezawodnych protokołów routingu bezprzewodowego jest przetestowanie ich w rzeczywistej sieci, rzeczywistych użytkownikach i rzeczywistym ruchu.

Inni badacze sieci mesh twierdzą, że prace MIT stanowią ważny postęp w debugowaniu tych schematów routingu. Ich praca opiera się na budowaniu rzeczywistych systemów, mówi Victor Bahl, starszy badacz, który kieruje grupą ds. sieci w Microsoft Research w Redmond w stanie Waszyngton. Wgląd, jaki uzyskasz z budowania rzeczy, jest o wiele większy, niż kiedykolwiek uzyskasz, jeśli będziesz tylko symulować rzeczy. Jego zdaniem wykazanie, że taka sieć jest opłacalna w rzeczywistym wdrożeniu na dużą skalę, jest kluczowym krokiem w kierunku zwrócenia większej uwagi branży na potencjał technologii.

Wdrożenie takiej sieci stało się możliwe, ponieważ technologia Wi-Fi stała się tak tania. Kilka lat temu, mówi Morris, cena kart bezprzewodowych sprawiłaby, że projekt byłby zbyt kosztowny. Każdy węzeł Roofnet korzysta z bezprzewodowej karty sieciowej 802.11b zainstalowanej na tanim komputerze PC z systemem Linux i oprogramowaniem do routingu. Kabel koncentryczny łączy kartę bezprzewodową z anteną dookólną. Następnie użytkownik łączy komputer z węzłem Roofnet. Całkowity koszt sprzętu dla każdego węzła wynosi 685 USD.

Aby szybko wdrożyć sieć, grupa MIT rozdaje bezpłatne zestawy do samodzielnej instalacji studentom, którzy chcą wziąć udział w projekcie. Dla tych uczniów uruchomienie węzła Roofnet jest częścią zabawy. Nasza antena została zamontowana przez mojego przyjaciela, który uprawia wspinaczkę skałkową – mówi doktorant Roshan Baliga, który mieszka w dwupiętrowym budynku bez łatwego dostępu do dachu. Wspiął się po ścianie mieszkania, aby dostać się na dach, zainstalował antenę, a następnie zjechał na dół.

Studenci MIT chętnie biorą udział w projekcie, zwłaszcza że mogą zaoszczędzić trochę pieniędzy. Porównaliśmy szerokopasmowe połączenie kablowe z Roofnet i nie mogliśmy stwierdzić różnicy, więc anulowaliśmy kabel, mówi starszy rangą MIT Walt Lin, który zainstalował antenę na swoim pochyłym dachu.

Droga przed nami

Podczas gdy studenci surfują po Internecie, pobierają pliki muzyczne i pracują nad zestawami problemów na zdalnych serwerach, sieć działa z prawdziwym ruchem. Teraz Morris i czterej absolwenci pracujący z nim w pełnym wymiarze godzin nad projektem mogą testować różne strategie routingu, które lepiej dostosowują się do nieprzyjaznego środowiska bezprzewodowego.

Ich pomysł na radzenie sobie z nieprzewidywalnymi zakłóceniami środowiska polega nie tylko na ustaleniu, czy dwa węzły mogą się nawzajem słyszeć, ale także zmierzeniu, jak dobrze mogą się komunikować. Zamiast szukać najkrótszej ścieżki między dwoma węzłami, ich protokoły próbują znaleźć najlepszą ścieżkę — taką, w której pakiety danych nie utkną ani nie zostaną uszkodzone po drodze. Wymaga to stałego monitorowania linków. Mniej więcej raz na sekundę każdy węzeł wysyła mały pakiet transmisji powitalnej. Wszystkie inne węzły rejestrują, czy otrzymują tę sondę, zachowując historię ostatnich 10 sond. Więc jeśli, powiedzmy, węzeł A wysłał 10 sond, węzeł B odebrał 8, a węzeł C odebrał 4, to oprogramowanie trasujące wie, że ścieżka A-B jest lepsza niż ścieżka A-C. Ponadto co 15 sekund każdy węzeł wysyła komunikat rozgłoszeniowy, który zawiera listę węzłów, do których wie, jak dotrzeć, oraz jakość łącza dla każdej skojarzonej ścieżki. W ten sposób wszystkie węzły mają kompletną, stale aktualizowaną mapę routingu całej sieci i znają optymalne trasy do wzajemnego dotarcia.

Budując Roofnet, badacze z MIT znaleźli wiele rzeczy, których się nie spodziewali. Na przykład zasięg kart i anten 802.11b znacznie się różni. Jesteśmy teraz sceptycznie nastawieni do tego, co mówią producenci, mówi John Bicket, jeden z absolwentów pracujących nad projektem. Znaleźliśmy węzły, które nie mogły rozmawiać po drugiej stronie ulicy, ale inne mogły rozmawiać w odległości pół kilometra. Przyczyną mogą być lokalne warunki środowiskowe lub nawet wielokrotne odbicia tego samego sygnału, które same się znoszą. Innym zaskakującym zjawiskiem jest brak symetrii w jakości transmisji łącza: często zdarza się, że węzeł A może łatwo przesyłać dane do węzła B, podczas gdy węzeł B nie może się odwzajemnić. Takie anomalie komplikują rozwój schematów routingu.

Badając i dostrajając swoje schematy routingu, naukowcy z MIT mają nadzieję, że będą w stanie wykorzystać je w jeszcze bardziej skomplikowanych systemach. Jedną z takich sytuacji jest sytuacja, w której węzły nie są statyczne na dachach, ale poruszają się z różnymi prędkościami we wszystkich kierunkach – scenariusz niedalekiej przyszłości, ponieważ coraz więcej osób nosi cyfrowe asystenty osobiste, a samochody zaczynają być wyposażane w komputery. To kwestia dostrojenia protokołu, aby mógł obsługiwać mobilność, mówi Sanjit Biswas, inny student zaangażowany w projekt.

Ostatecznie Morris mówi, że grupa planuje wydać oprogramowanie do routingu Roofnet jako darmowy program open source do pobrania. Oznacza to, że każdy, kto ma komputer i kartę Wi-Fi, będzie mógł zainstalować oprogramowanie routingu i stać się węzłem w sieci. Inne osoby z innych obszarów mogą również pobrać oprogramowanie i stworzyć własne sieci społecznościowe na dachach.

Oczywiście wiele problemów wciąż wymaga rozwiązania. Po pierwsze, MIT nie może zapewnić dostępu do Internetu podmiotom stowarzyszonym spoza MIT; w związku z tym sieć musiałaby w końcu znaleźć inne bramy do stacjonarnego Internetu. Ale to rodzi kolejny skomplikowany problem: większość dostawców usług internetowych nie chce, aby ich użytkownicy dzielili swoje pasmo. Ponadto technologia sieci społecznościowych musi gwarantować określony poziom bezpieczeństwa i prywatności. Ponieważ użytkownicy dosłownie wysyłają swoje dane drogą powietrzną, przez węzły innych osób, prawdopodobnie konieczne będzie pewne szyfrowanie, aby uniknąć podsłuchiwania. Niezbędne jest również zagwarantowanie sprawiedliwego, zrównoważonego użytkowania systemu, aby uniknąć sytuacji, w której pojedynczy użytkownik wysysa całą przepustowość i blokuje sieć. Wreszcie, system musi być wystarczająco solidny, aby wytrzymać niektóre bardziej pragmatyczne problemy, takie jak śnieg tworzący się w antenach.

Co się stanie, kiedy nadejdzie ten dzień? Ponownie, grupa z MIT chce uczyć się przez działanie. Zobaczymy, mówi Morris.

ukryć