Tinklas nuo stogo

Prieš kelias savaites MIT absolventas Shan Sinha atšaukė plačiajuosčio interneto paslaugą. Dabar jo tinklo jungtis ateina per kaminą. Iš kompiuterio, esančio jo Kembridže, MA, buto, esančio už kelių kvartalų nuo MIT miestelio, svetainėje, kabelis eina į židinį iki stogo, kur yra pritvirtintas prie antenos. Iš ten duomenų paketai perkeliami į kitą ant stogo sumontuotą anteną šalia esančio studento bute. Tokiu būdu, nuo stogo iki stogo keliais šuoliais, Sinha duomenų paketai galiausiai pasiekia šliuzą – kompiuterį, prijungtą prie fiksuoto interneto – MIT kompiuterių mokslo pastate. Jis sako, kad negalime naudotis židiniu, bet tai yra nemokamo interneto kaina.

Sinha kamino jungtis yra MIT Roofnet projekto, skirto sukurti savaime besitvarkantį belaidį tinklą, kuriame amorfiška, nevaldoma pigių Linux kompiuterių su Wi-Fi kortelėmis bendradarbiauja, kad efektyviai nukreiptų duomenų paketus, dalis. Kiekvienas kompiuteris ir ant stogo montuojama antena studentų butuose ir MIT pastatuose yra tinklo mazgas, o jų tarpusavio sujungimo išdėstymas – tinklo topologija – nuolat kinta. Norime suprasti, kaip visa krūva kompiuterių su mažojo nuotolio radijo imtuvais gali savarankiškai sukonfigūruoti tinklą, sudarydami tvarką iš chaoso, sako projektą koordinuojantis informatikos profesorius Robertas Morrisas. Dabar tinkle yra daugiau nei 30 mazgų 4 kvadratinių kilometrų teritorijoje, supančioje MIT miestelį. Tikimės per kelis mėnesius pasiekti šimtą mazgų, sako jis.

Tyrimų grupės universitetuose, tokiuose kaip Carnegie Mellon, Rice, UCLA ir Ilinojaus universitetas Urbana-Champaign, ir tokiose įmonėse kaip Nokia, Intel ir Microsoft kuria panašias sistemas. Kiekvienu atveju duomenų paketai nukreipiami per geografiškai išsklaidytus ir belaidžiu ryšiu sujungtus mazgus, kurie gali būti pritvirtinti pastate arba judėti kartu su vartotoju ar transporto priemone. Šių vadinamųjų multi-hop tinklinių tinklų taikymas apima sistemas, skirtas sujungti žmones, nešiojančius PDA, tankus mūšio lauke arba daugybę jutiklių gamykloje. O bendruomeniniai tinkliniai tinklai, tokie kaip „Roofnet“, kuriuos diegti yra daug pigiau nei DSL ar kabelių jungtis, yra daug žadantis būdas įveikti paskutinės mylios barjerą ir suteikti didelės spartos interneto prieigą daugeliui žmonių, ypač gyvenančių kaimo vietovėse. vietovėse ar kitose vietose, kur nėra laidinės plačiajuosčio ryšio infrastruktūros.

Bendruomenei priklausantys belaidžiai tinklai atsirado keliose vietose Niujorke, San Franciske, Sietle, Londone ir kituose miestuose. Šiuos tinklus paprastai sudaro kelios tarpusavyje sujungtos bazinės stotys, vadinamos belaidžiais prieigos taškais, esančiomis languose ir stoguose, užtikrinančių interneto ryšį viešose erdvėse. Naujos kartos tinkliniai tinklai, tokie kaip Roofnet, apima platesnes sritis ir yra daug dinamiškesni duomenų nukreipimo būdu. Jų mazgai nėra nuolat sujungti; vietoj to jie nuolat perkaino esamas nuorodas ir formuoja naujas. Dėl to duomenys, norėdami pasiekti fiksuotąjį internetą, eina daug sudėtingesniais keliais. Dešimtys ar šimtai mazgų – kai kurie iš jų prisijungia ir palieka tinklą atsitiktinai ir taip nuolat keičia jo topologiją – iškyla sudėtinga problema: kaip turėtų būti nukreipiami duomenys šiuose belaidžiuose tinkluose? Kokie takai šiame stogo ir langų antenų labirinte optimizuoja paketų srautą?

Atstumas yra svarbus

Dauguma tinklinio tinklo tyrinėtojų dabar siūlomų maršruto parinkimo protokolų skolinasi trumpiausio kelio strategiją, naudojamą fiksuotame internete. Šie protokolai bando rasti maršrutą su mažiausiu tarpinių mazgų skaičiumi tarp siuntėjo ir paskirties vietos. Laidiniam internetui su beveik statine topologija ir patikimomis nuorodomis ši schema veikia gana gerai: mūsų el. laiškai šokinėja nuo maršrutizatoriaus prie maršrutizatoriaus ir per kelias sekundes pasiekia kitą pasaulio kraštą.

Tačiau paaiškėja, kad ši trumpiausio kelio strategija gali būti netinkama paketams siųsti oru. Belaidžiame tinkle, anot MIT grupės, svarbus atstumas: kuo ilgiau turi keliauti signalas, tuo labiau jis blogės. Be to, ryšio kokybė tarp mazgų nenuspėjamai skiriasi dėl tokių laikinų reiškinių, kaip sunkvežimiai, važiuojantys pro šalį, drėgmė ore ar balandis, sėdintis ant antenos. Rezultatas yra didelis paketų praradimas, perdavimo klaidos ir ryšiai, kurie tiesiog atsiranda ir išnyksta per dieną. Maršruto parinkimo protokolas, kuris sumažina apynių skaičių, galiausiai pasirenka ilgesnį atstumą kiekvienam šuoliui ir dėl to siunčia duomenis žemos kokybės belaidžiu ryšiu.

MIT grupė suprato, kad būtinos naujos maršruto parinkimo strategijos, kai praėjusį pavasarį jie įdiegė pradinę Roofnet versiją. Jie bandė įgyvendinti kai kuriuos siūlomus maršruto parinkimo protokolus, kuriuos aptarė Interneto techninius standartus valdanti organizacija „Internet Engineering Task Force“. Tačiau nors šie protokolai teoriškai veikia gerai ir paprastai yra išbandomi atliekant kompiuterinį modeliavimą arba nedidelio masto laboratorijų tinklus, jie neatsižvelgia į daugelį nenuspėjamų veiksnių, susijusių su radijo ryšiu. Protokoluose paprastai daroma prielaida, kad, pavyzdžiui, vienas mazgas gali aptikti esantį netoliese, jis gali gerai bendrauti su savo kaimynu. Tačiau pasirodo, kad tai ne visada tiesa. MIT tyrėjai ir kitos grupės nustatė, kad dažnai du mazgai gali girdėti vienas kitą keisdamiesi mažais zondo paketais, tačiau bandant siųsti tikrus duomenis ryšys nutrūksta dėl nepakankamo pralaidumo. Morrisas ir jo grupė nusprendė, kad geriausias būdas sukurti patikimus belaidžius maršruto parinkimo protokolus yra išbandyti juos su tikru tinklu, tikrais vartotojais ir tikru srautu.

Kiti tinklinio tinklo tyrinėtojai teigia, kad MIT darbas yra svarbus žingsnis derinant šias maršruto schemas. Jų darbas pagrįstas realiu sistemos kūrimu, sako Viktoras Bahlas, vyresnysis tyrėjas, vadovaujantis „Microsoft Research“ tinklo grupei Redmonde, Vašingtone. Įžvalga, kurią pasieksite kurdami daiktus, yra daug daugiau nei kada nors gausite, jei tik imituosite dalykus. Pasak jo, parodymas, kad toks tinklų kūrimas yra gyvybingas įgyvendinant realų ir didelio masto įgyvendinimą, yra esminis žingsnis siekiant pritraukti daugiau pramonės dėmesio į technologijos potencialą.

Diegti tokį tinklą tapo įmanoma, nes „Wi-Fi“ technologija tapo tokia pigi. Prieš kelerius metus Morrisas sako, kad dėl belaidžių kortelių kainos projektas būtų nepaprastai brangus. Kiekvienas „Roofnet“ mazgas naudoja 802.11b belaidžio tinklo kortelę, įdiegtą pigiame kompiuteryje, kuriame veikia „Linux“ ir maršruto parinkimo programinė įranga. Koaksialinis kabelis sujungia belaidę kortelę su įvairiakrypte antena. Tada vartotojas prijungia kompiuterį prie Roofnet mazgo. Bendra kiekvieno mazgo įrangos kaina yra 685 USD.

Norėdami greitai įdiegti tinklą, MIT grupė dalija nemokamus savarankiško diegimo rinkinius studentams, norintiems dalyvauti projekte. Šiems studentams Roofnet mazgo paleidimas yra smagumo dalis. Mūsų anteną pastatė mano draugas, užsiimantis laipiojimu uolomis, sako abiturientas Roshanas Baliga, gyvenantis dviejų aukštų pastate, kurio stogas nėra lengvas. Jis aplenkė buto šoną, kad pasiektų stogą, sumontavo anteną, o paskui nusileido žemyn.

MIT studentai džiaugiasi galėdami dalyvauti projekte, ypač todėl, kad gali sutaupyti pinigų. Palyginome plačiajuosčio ryšio kabelio ryšį su „Roofnet“ ir negalėjome atskirti skirtumo, todėl atšaukėme laidą, sako MIT vyresnysis Walt Lin, kuris įrengė anteną ant savo šlaito stogo.

Kelias priekyje

Mokiniams naršant internete, atsisiunčiant muzikos failus ir dirbant su problemų rinkiniais nuotoliniuose serveriuose, tinklas veikia tikru srautu. Dabar Morrisas ir keturi absolventai, dirbantys su juo visą darbo dieną projekte, gali išbandyti įvairias maršruto parinkimo strategijas, kurios geriau prisitaiko prie priešiškos belaidžio aplinkos.

Jų idėja susidoroti su nenuspėjamais aplinkos sutrikimais yra ne tik išsiaiškinti, ar du mazgai girdi vienas kitą, bet ir įvertinti, kaip gerai jie gali bendrauti. Užuot ieškoję trumpiausio kelio tarp dviejų mazgų, jų protokolai bando rasti geriausią kelią – tą, kuriame duomenų paketai neužstrigtų ar nesugadintų. Tam reikia nuolat stebėti nuorodas. Maždaug kartą per sekundę kiekvienas mazgas išsiunčia mažą sveikinimo transliacijos paketą. Visi kiti mazgai registruoja, ar jie gauna šį zondą, saugodami paskutinių 10 zondų istoriją. Taigi, jei, tarkime, mazgas A išsiuntė 10 zondų, o mazgas B gavo 8, o mazgas C gavo 4, tada maršruto parinkimo programinė įranga žino, kad kelias A-B yra geresnis nei kelias A-C. Be to, kas 15 sekundžių kiekvienas mazgas siunčia transliacijos pranešimą, kuriame nurodomi mazgai, kuriuos jis žino, kaip pasiekti, ir kiekvieno susieto kelio ryšio kokybė. Tokiu būdu visi mazgai turi pilną, nuolat atnaujinamą viso tinklo maršruto žemėlapį ir žino optimalius maršrutus, kaip pasiekti vienas kitą.

Kurdami Roofnet MIT tyrėjai rado daug dalykų, kurių jie nesitikėjo. Pavyzdžiui, 802.11b kortelių ir antenų diapazonas labai skiriasi. Dabar skeptiškai žiūrime į tai, ką sako gamintojai, sako Johnas Bicketas, vienas iš absolventų, dirbančių su projektu. Radome mazgų, kurie negalėjo kalbėti kitoje gatvės pusėje, bet kiti galėjo kalbėti pusės kilometro atstumu. Priežastis gali būti vietinės aplinkos sąlygos arba net keli to paties signalo atspindžiai, kurie savaime išnyksta. Kitas stebinantis reiškinys yra simetrijos trūkumas ryšio perdavimo kokybei: nėra neįprasta, kad mazgas A gali lengvai siųsti duomenis į mazgą B, o mazgas B negali atlikti abipusio ryšio. Tokios anomalijos apsunkina maršruto parinkimo schemų kūrimą.

Derindami ir patikslindami savo maršruto schemas, MIT mokslininkai tikisi, kad galės jas panaudoti dar sudėtingesnėse sistemose. Viena iš tokių situacijų būtų, kai mazgai ant stogų nestovi, o visomis kryptimis juda skirtingu greičiu – scenarijus visai netolimas, nes vis daugiau žmonių nešiojasi asmeninius skaitmeninius asistentus, o automobiliuose pradedama komplektuoti kompiuterius. Svarbu suderinti protokolą, kad jis galėtų valdyti mobilumą, sako Sanjit Biswas, kitas projekte dalyvaujantis studentas.

Galiausiai Morrisas sako, kad grupė planuoja išleisti Roofnet maršruto parinkimo programinę įrangą kaip laisvai atsisiunčiamą atvirojo kodo programą. Tai reiškia, kad kiekvienas, turintis kompiuterį ir „Wi-Fi“ kortelę, galės įdiegti maršruto parinkimo programinę įrangą ir tapti tinklo mazgu. Kiti žmonės kitose srityse taip pat galėtų atsisiųsti programinę įrangą ir sukurti savo bendruomenės tinklus ant stogo.

Žinoma, dar reikia išspręsti daugybę problemų. Pirma, MIT negali suteikti interneto prieigos ne MIT filialams; todėl tinklas galiausiai turės rasti kitų vartų į fiksuotąjį internetą. Tačiau tai iškelia kitą sudėtingą problemą: dauguma interneto paslaugų teikėjų nenori, kad jų vartotojai dalytųsi savo pralaidumu. Be to, bendruomenės tinklų technologija turi garantuoti tam tikrą saugumo ir privatumo lygį. Kai vartotojai tiesiogine prasme siunčia savo duomenis oru, per kitų žmonių mazgus, tikriausiai reikės tam tikro šifravimo, kad būtų išvengta pasiklausymo. Taip pat būtina užtikrinti teisingą, subalansuotą sistemos naudojimą, kad vienas vartotojas neišsiurbtų viso pralaidumo ir neužkimštų tinklo. Galiausiai, sistema turi būti pakankamai tvirta, kad atsispirtų kai kurioms pragmatiškesnėms problemoms, pavyzdžiui, kai antenose susidaro sniegas.

Kai ateis diena, kas bus? Vėlgi, MIT grupė nori mokytis dirbdama. Pamatysime, sako Morrisas.

paslėpti