Tīklošana no jumta

Pirms dažām nedēļām MIT absolvents Shan Sinha atcēla savu platjoslas interneta pakalpojumu. Tagad viņa tīkla pieslēgums nāk caur skursteni. No datora viņa Kembridžas, MA, dzīvokļa viesistabā, dažus kvartālus no MIT pilsētiņas, kabelis nonāk kamīnā līdz pat jumtam, kur tas ir piestiprināts pie antenas. No turienes datu paketes pāriet uz citu jumta antenu tuvējā studenta dzīvoklī. Tādā veidā Sinha datu paketes no jumta līdz jumtam ar vairākiem apiņiem beidzot sasniedz vārteju — datoru, kas savienots ar fiksēto internetu — MIT datorzinātņu ēkā. Viņš saka, ka mēs nevaram izmantot kamīnu, taču tā ir bezmaksas interneta cena.

Sinha skursteņa savienojums ir daļa no MIT Roofnet — projekta, kura mērķis ir izveidot pašorganizējošu bezvadu tīklu, kurā sadarbojas amorfa, nepārvaldīta lētu Linux datoru kolekcija, kas aprīkota ar Wi-Fi kartēm, lai efektīvi maršrutētu datu paketes. Katrs dators un jumta antena studentu dzīvokļos un MIT ēkās ir tīkla mezgls, un izkārtojums, kādā tie ir savienoti viens ar otru - tīkla topoloģija - pastāvīgi mainās. Mēs vēlamies saprast, kā vesela virkne datoru ar maza darbības attāluma radio spēj paši konfigurēt tīklu, veidojot kārtību no haosa, saka datorzinātņu profesors Roberts Moriss, kurš koordinē projektu. Tīklā tagad ir vairāk nekā 30 mezglu 4 kvadrātkilometru platībā, kas ieskauj MIT pilsētiņu. Mēs ceram sasniegt simts mezglus dažu mēnešu laikā, viņš saka.

Pētniecības grupas universitātēs, piemēram, Kārnegija Melona, ​​Raisa, UCLA un Ilinoisas Universitātē Urbana-Champaign, un tādos uzņēmumos kā Nokia, Intel un Microsoft izstrādā līdzīgas sistēmas. Katrā gadījumā datu paketes tiek maršrutētas caur ģeogrāfiski izkliedētiem un bezvadu savienojumu mezgliem, kurus var fiksēt ēkā vai pārvietot kopā ar lietotāju vai transportlīdzekli. Šo tā saukto vairāku apiņu tīklu lietojumprogrammas ietver sistēmas, kas savieno cilvēkus, kuri nēsā plaukstdatorus, tankus kaujas laukā vai lielu skaitu sensoru rūpnīcas rūpnīcā. Un kopienas tīkla tīkli, piemēram, Roofnet, kurus ir daudz lētāk izvietot nekā DSL vai kabeļu savienojumus, ir daudzsološs veids, kā pārvarēt pēdējās jūdzes barjeru un nodrošināt ātrgaitas interneta piekļuvi lielam skaitam cilvēku, īpaši tiem, kas dzīvo laukos. apgabalos vai citās vietās, kur nav pieejama vadu platjoslas piekļuves infrastruktūra.

Sabiedrībai piederoši bezvadu tīkli ir parādījušies vairākās vietās Ņujorkā, Sanfrancisko, Sietlā, Londonā un citās pilsētās. Šie tīkli parasti sastāv no dažām savstarpēji savienotām bāzes stacijām, kas pazīstamas kā bezvadu piekļuves punkti, kas atrodas logos un jumtos un nodrošina interneta savienojumu publiskās vietās. Jaunās paaudzes tīkla tīkli, piemēram, Roofnet, aptver plašākas zonas un ir daudz dinamiskāki datu maršrutēšanas veidā. To mezgli nav pastāvīgi savienoti; tā vietā viņi pastāvīgi pārvērtē esošās saites un veido jaunas. Rezultātā dati, lai sasniegtu fiksēto internetu, iet daudz līkumotākus ceļus. Un ar desmitiem vai simtiem mezglu — daži no tiem nejauši pievienojas tīklam un atstāj to un tādējādi pastāvīgi maina tā topoloģiju — rodas sarežģīta problēma: kā būtu jāmaršrutē dati šajos vairāku apgriezienu bezvadu tīklos? Kādi ceļi šajā jumta un logu antenu labirintā optimizē pakešu plūsmu?

Attālumam ir nozīme

Lielākā daļa maršrutēšanas protokolu, ko tagad ierosina tīkla tīklu pētnieki, aizņem īsākā ceļa stratēģiju, ko izmanto fiksētajā internetā. Šie protokoli mēģina atrast maršrutu ar vismazāko starpmezglu skaitu starp sūtītāju un galamērķi. Vadu internetam — ar tā gandrīz statisko topoloģiju un uzticamajām saitēm — šī shēma darbojas diezgan labi: mūsu e-pasta ziņojumi pāriet no maršrutētāja uz maršrutētāju un dažu sekunžu laikā sasniedz otru pasaules malu.

Taču izrādās, ka šī īsākā ceļa stratēģija var nebūt piemērota pakešu sūtīšanai pa gaisu. Bezvadu tīklā, saskaņā ar MIT grupu, attālumam ir nozīme: jo ilgāk signālam jāpārvietojas, jo vairāk tas pasliktināsies. Turklāt savienojuma kvalitāte starp mezgliem ir neparedzami atšķirīga tādu pārejošu parādību dēļ kā garām braucošas kravas automašīnas, mitrums gaisā vai balodis, kas sēž uz antenas. Rezultāts ir ievērojams pakešu zudums, pārsūtīšanas kļūdas un savienojumi, kas vienkārši parādās un pazūd visas dienas garumā. Maršrutēšanas protokols, kas samazina apiņu skaitu, galu galā izvēlas garākus attālumus katram lēcienam un tādējādi nosūta datus, izmantojot zemas kvalitātes bezvadu saites.

MIT grupa saprata, ka ir nepieciešamas jaunas maršrutēšanas stratēģijas, kad viņi pagājušā gada pavasarī izvietoja sākotnējo Roofnet versiju. Viņi mēģināja ieviest dažus no piedāvātajiem maršrutēšanas protokoliem, kurus apsprieda Internet Engineering Task Force, organizācija, kas pārvalda interneta tehniskos standartus. Bet, lai gan šie protokoli darbojas labi teorētiski un parasti tiek pārbaudīti datorsimulācijās vai maza mēroga laboratorijas tīklos, tie neņem vērā daudzus neparedzamus faktorus, kas saistīti ar radiosakariem. Protokolos parasti tiek pieņemts, ka, piemēram, ja viens mezgls var noteikt tuvumā esošu mezglu, tas var labi sazināties ar savu kaimiņu. Bet izrādās, ka tā ne vienmēr ir taisnība. MIT pētnieki un citas grupas ir noskaidrojušas, ka daudzas reizes divi mezgli var dzirdēt viens otru, apmainoties ar nelielām zondes paketēm, taču, mēģinot nosūtīt reālus datus, komunikācija sabrūk nepietiekama joslas platuma dēļ. Moriss un viņa grupa nolēma, ka labākais veids, kā izstrādāt spēcīgus bezvadu maršrutēšanas protokolus, ir pārbaudīt tos ar reālu tīklu, reāliem lietotājiem un reālu trafiku.

Citi tīkla tīkla pētnieki saka, ka MIT darbs ir nozīmīgs sasniegums šo maršrutēšanas shēmu atkļūdošanā. Viņu darbs ir balstīts uz reālu sistēmu veidošanu, saka Viktors Bāls, vecākais pētnieks, kurš vada Microsoft Research tīkla grupu Redmondā, Vašingtonā. Ieskats, ko iegūstat, veidojot lietas, ir daudz plašāks, nekā jūs jebkad iegūsit, vienkārši simulējot lietas. Viņš saka, ka pierādot, ka šāda tīkla izveide ir dzīvotspējīga reālā, liela mēroga ieviešanā, ir būtisks solis, lai pievērstu vairāk nozares uzmanības tehnoloģijas potenciālam.

Šāda tīkla izvietošana kļuva iespējama, jo Wi-Fi tehnoloģija ir kļuvusi tik lēta. Pirms dažiem gadiem Moriss saka, ka bezvadu karšu cena būtu padarījusi projektu pārmērīgi dārgu. Katrs Roofnet mezgls izmanto 802.11b bezvadu tīkla karti, kas instalēta lētā datorā, kurā darbojas Linux un maršrutēšanas programmatūra. Koaksiālais kabelis savieno bezvadu karti ar daudzvirzienu antenu. Pēc tam lietotājs savieno datoru ar Roofnet mezglu. Kopējās aprīkojuma izmaksas katram mezglam ir 685 USD.

Lai tīklu ātri izvietotu, MIT grupa izplata bezmaksas pašinstalācijas komplektus studentiem, kuri vēlas piedalīties projektā. Šiem studentiem Roofnet mezgla palaišana ir daļa no jautrības. Mūsu antenu uzstādīja mans draugs, kurš nodarbojas ar klinšu kāpšanu, saka maģistrants Rošans Baliga, kurš dzīvo divstāvu ēkā, kurai nav viegli piekļūt jumtam. Viņš pārlaida dzīvokļa malu, lai nokļūtu uz jumta, uzstādīja antenu un pēc tam nogāzās.

MIT studenti labprāt piedalās projektā, jo īpaši tāpēc, ka viņi var ietaupīt naudu. Mēs salīdzinājām platjoslas kabeļa savienojumu ar Roofnet un nevarējām atšķirt atšķirību, tāpēc mēs atcēlām kabeli, saka MIT vecākais Volts Lins, kurš uzstādīja antenu uz sava slīpā jumta.

Ceļš priekšā

Studentiem sērfojot tīmeklī, lejupielādējot mūzikas failus un strādājot ar problēmu kopām attālos serveros, tīkls darbojas ar reālu trafiku. Tagad Moriss un četri absolventi, kas kopā ar viņu strādā pilnu slodzi projektā, var pārbaudīt dažādas maršrutēšanas stratēģijas, kas labāk pielāgojas naidīgajai bezvadu videi.

Viņu ideja, lai tiktu galā ar neparedzamiem vides traucējumiem, ir ne tikai noskaidrot, vai divi mezgli dzird viens otru, bet arī noteikt, cik labi tie var sazināties. Tā vietā, lai atrastu īsāko ceļu starp diviem mezgliem, viņu protokoli mēģina atrast labāko ceļu — to, kurā datu paketes netiks iestrēgušas vai sabojātas. Tas prasa pastāvīgu saišu uzraudzību. Aptuveni reizi sekundē katrs mezgls izsūta nelielu sveikšanas apraides paketi. Visi pārējie mezgli reģistrē, vai viņi saņem šo zondi, saglabājot pēdējo 10 zondu vēsturi. Tātad, ja, teiksim, mezgls A ir izsūtījis 10 zondes un mezgls B saņēmis 8, bet mezgls C saņēmis 4, tad maršrutēšanas programmatūra zina, ka ceļš A-B ir labāks par ceļu A-C. Turklāt ik pēc 15 sekundēm katrs mezgls nosūta apraides ziņojumu, kurā ir uzskaitīti mezgli, kurus tas zina, kā sasniegt, un katra saistītā ceļa saites kvalitāte. Tādā veidā visiem mezgliem ir pilnīga, pastāvīgi atjaunināta visa tīkla maršrutēšanas karte, un tie zina optimālos maršrutus, lai sasniegtu viens otru.

Veidojot Roofnet, MIT pētnieki atklāja daudzas lietas, ko viņi nebija gaidījuši. Piemēram, 802.11b karšu un antenu diapazons ievērojami atšķiras. Mēs tagad esam skeptiski par ražotāju teikto, saka Džons Bikets, viens no studentiem, kas strādā pie projekta. Mēs atradām mezglus, kas nevarēja runāt pāri ielai, bet citi varēja runāt puskilometra attālumā viens no otra. Iemesls var būt vietējie vides apstākļi vai pat vairāki viena un tā paša signāla atspīdumi, kas izzūd. Vēl viena pārsteidzoša parādība ir simetrijas trūkums saites pārraides kvalitātē: nav nekas neparasts, ka mezgls A var viegli nosūtīt datus uz mezglu B, savukārt mezgls B nevar veikt savstarpēju darbību. Šādas anomālijas apgrūtina maršrutēšanas shēmu izstrādi.

Atkļūdojot un precizējot maršrutēšanas shēmas, MIT pētnieki cer, ka varēs tās izmantot vēl sarežģītākās sistēmās. Viena no šādām situācijām būtu, kad mezgli jumtos nav statiski, bet gan pārvietojas dažādos ātrumos visos virzienos – tas ir tuvāks scenārijs, jo arvien vairāk cilvēku nēsā līdzi personālos ciparasistentus un automašīnas sāk aprīkot ar datoriem. Tas ir jautājums par protokola noregulēšanu tā, lai tas varētu izturēt mobilitāti, saka Sanjit Biswas, cits projektā iesaistītais students.

Galu galā Moriss saka, ka grupa plāno izlaist Roofnet maršrutēšanas programmatūru kā brīvi lejupielādējamu atvērtā pirmkoda programmu. Tas nozīmē, ka ikviens, kam ir dators un Wi-Fi karte, varēs instalēt maršrutēšanas programmatūru un kļūt par tīkla mezglu. Arī citi cilvēki citās vietās varētu lejupielādēt programmatūru un izveidot savus jumta kopienas tīklus.

Protams, vēl ir jārisina daudzas problēmas. Pirmkārt, MIT nevar nodrošināt piekļuvi internetam uzņēmumiem, kas nav MIT saistītie uzņēmumi; tāpēc tīklam galu galā būtu jāatrod citi vārti uz fiksēto internetu. Taču tas rada vēl vienu sarežģītu problēmu: vairums interneta pakalpojumu sniedzēju nevēlas, lai lietotāji koplietotu savu joslas platumu. Turklāt kopienas tīkla tehnoloģijai ir jāgarantē noteikts drošības un privātuma līmenis. Tā kā lietotāji burtiski sūta savus datus pa gaisu, izmantojot citu cilvēku mezglus, iespējams, būs nepieciešama sava veida šifrēšana, lai izvairītos no noklausīšanās. Tāpat ir jāgarantē godīga, līdzsvarota sistēmas izmantošana, lai izvairītos no tā, ka viens lietotājs izsūc visu joslas platumu un aizsprosto tīklu. Visbeidzot, sistēmai ir jābūt pietiekami izturīgai, lai pretotos dažām pragmatiskākām problēmām, piemēram, kad antenās veidojas sniegs.

Kad pienāks diena, kas notiks? Atkal MIT grupa vēlas mācīties darot. Redzēsim, saka Moriss.

paslēpties