211service.com
Netwerken vanaf het dak
Een paar weken geleden annuleerde MIT-student Shan Sinha zijn breedbandinternetservice. Nu komt zijn Netaansluiting door de schoorsteen. Vanaf een computer in de woonkamer van zijn appartement in Cambridge, MA, een paar blokken van de MIT-campus, gaat een kabel de open haard in tot aan het dak, waar het aan een antenne wordt bevestigd. Van daaruit springen datapakketten naar een andere op het dak gemonteerde antenne in het appartement van een nabijgelegen student. Op die manier bereiken Sinha's datapakketten, van dak tot dak in meerdere sprongen, uiteindelijk een gateway - een computer die is verbonden met het vaste internet - in het computerwetenschappelijke gebouw van MIT. We kunnen de open haard niet gebruiken, zegt hij, maar dat zijn de kosten van gratis internet.
Sinha's schoorsteenverbinding maakt deel uit van MIT's Roofnet, een project om een zelforganiserend draadloos netwerk te creëren waarin een amorfe, onbeheerde verzameling goedkope Linux-computers uitgerust met wifi-kaarten samenwerken om datapakketten efficiënt te routeren. Elke computer en op het dak gemonteerde antenne in studentenappartementen en MIT-gebouwen is een knooppunt op het netwerk en de opstelling waarin ze met elkaar zijn verbonden - de topologie van het netwerk - verandert voortdurend. We willen begrijpen hoe een hele reeks computers met korteafstandsradio's zelf een netwerk kunnen configureren en orde in de chaos kunnen scheppen, zegt informaticaprofessor Robert Morris, die het project coördineert. Het netwerk heeft nu meer dan 30 knooppunten in een gebied van 4 vierkante kilometer rond de MIT-campus. We hopen binnen enkele maanden honderd nodes te bereiken, zegt hij.
Onderzoeksgroepen bij universiteiten als Carnegie Mellon, Rice, UCLA en de University of Illinois in Urbana-Champaign, en bij bedrijven als Nokia, Intel en Microsoft ontwikkelen vergelijkbare systemen. In elk geval worden datapakketten gerouteerd via geografisch verspreide en draadloos verbonden knooppunten die in een gebouw kunnen worden vastgezet of met een gebruiker of voertuig kunnen worden verplaatst. Toepassingen van deze zogenaamde multi-hop mesh-netwerken zijn onder meer systemen om mensen met pda's, tanks op een slagveld of een groot aantal sensoren in een fabrieksinstallatie met elkaar te verbinden. En community mesh-netwerken zoals Roofnet, die veel goedkoper in gebruik zijn dan DSL- of kabelaansluitingen, zijn een veelbelovende manier om de laatste mijl-barrière te overwinnen en een groot aantal mensen, vooral degenen die op het platteland wonen, snelle internettoegang te bieden. gebieden of andere plaatsen waar de infrastructuur voor bekabelde breedbandtoegang niet beschikbaar is.
Draadloze netwerken die eigendom zijn van de gemeenschap zijn verschenen op verschillende plaatsen in New York, San Francisco, Seattle, Londen en andere steden. Deze netwerken bestaan meestal uit een paar onderling verbonden basisstations, ook wel draadloze toegangspunten genoemd, die zich in ramen en op daken bevinden en die internetconnectiviteit bieden in openbare ruimtes. De nieuwe generatie mesh-netwerken zoals Roofnet bestrijken grotere gebieden en zijn veel dynamischer in de manier waarop ze gegevens routeren. Hun knooppunten zijn niet permanent verbonden; in plaats daarvan herwaarderen ze voortdurend de bestaande links en vormen ze nieuwe. Als gevolg hiervan volgen gegevens veel meer kronkelige paden om het vaste internet te bereiken. En met tientallen of honderden knooppunten - sommige komen op een willekeurige manier bij het netwerk en verlaten het netwerk en veranderen dus voortdurend de topologie - ontstaat een moeilijk probleem: hoe moeten gegevens in deze multi-hop draadloze netten worden gerouteerd? Welke paden in dit labyrint van dak- en raamantennes optimaliseren de pakketstroom?
Afstand is belangrijk
De meeste routeringsprotocollen die nu door mesh-netwerkonderzoekers worden voorgesteld, lenen de kortste-padstrategie die wordt gebruikt in het vaste internet. Deze protocollen proberen de route te vinden met het minste aantal tussenknooppunten tussen afzender en bestemming. Voor het bekabelde internet - met zijn bijna statische topologie en betrouwbare links - heeft dit schema redelijk goed gewerkt: onze e-mails springen van router naar router en bereiken de andere kant van de wereld in een paar seconden.
Maar het blijkt dat deze strategie met de kortste weg mogelijk niet geschikt is voor het verzenden van pakketten door de lucht. In een draadloos netwerk is volgens de MIT-groep afstand van belang: hoe langer het signaal moet reizen, hoe meer het degradeert. Bovendien varieert de kwaliteit van de verbinding tussen knooppunten onvoorspelbaar door voorbijgaande verschijnselen als voorbijrijdende vrachtwagens, vocht in de lucht of een duif die op de antenne zit. Het resultaat is een aanzienlijke hoeveelheid pakketverlies, transmissiefouten en verbindingen die de hele dag door verschijnen en verdwijnen. Een routeringsprotocol dat het aantal hops minimaliseert, kiest uiteindelijk grotere afstanden voor elke hop en verzendt daarom gegevens via draadloze verbindingen van lage kwaliteit.
De MIT-groep realiseerde zich dat nieuwe routeringsstrategieën nodig waren toen ze afgelopen voorjaar een eerste versie van Roofnet implementeerden. Ze probeerden enkele van de voorgestelde routeringsprotocollen te implementeren die werden besproken door de Internet Engineering Task Force, de organisatie die de technische standaarden van internet beheert. Maar hoewel deze protocollen in theorie goed werken - en over het algemeen worden getest in computersimulaties of kleinschalige laboratoriumnetwerken - houden ze geen rekening met veel onvoorspelbare factoren die betrokken zijn bij radiocommunicatie. De protocollen gaan er bijvoorbeeld gewoonlijk van uit dat wanneer een knooppunt er een in de buurt kan detecteren, het goed kan communiceren met zijn buur. Maar dat blijkt niet altijd waar te zijn. De MIT-onderzoekers en andere groepen hebben ontdekt dat twee knooppunten elkaar vaak kunnen horen door kleine sondepakketten uit te wisselen, maar wanneer ze echte gegevens proberen te verzenden, bezwijkt de communicatie vanwege onvoldoende bandbreedte. Morris en zijn groep kwamen tot de conclusie dat de beste manier om robuuste draadloze routeringsprotocollen te ontwikkelen, was ze te testen met een echt netwerk, echte gebruikers en echt verkeer.
Andere mesh-netwerkonderzoekers zeggen dat het MIT-werk een belangrijke vooruitgang betekent voor het debuggen van deze routeringsschema's. Hun werk is gebaseerd op het bouwen van echte systemen, zegt Victor Bahl, een senior onderzoeker die de netwerkgroep leidt bij Microsoft Research in Redmond, WA. Het inzicht dat je krijgt door dingen te bouwen, is veel meer dan je ooit zult krijgen als je dingen gewoon simuleert. Aantonen dat dergelijke netwerken levensvatbaar zijn in een echte, grootschalige implementatie, zegt hij, is een cruciale stap in de richting van meer aandacht van de industrie voor het potentieel van de technologie.
Het inzetten van zo'n netwerk werd mogelijk omdat wifi-technologie zo goedkoop is geworden. Een paar jaar geleden, zegt Morris, zou de prijs van de draadloze kaarten het project onbetaalbaar hebben gemaakt. Elk Roofnet-knooppunt gebruikt een 802.11b draadloze netwerkkaart die is geïnstalleerd op een goedkope pc met Linux en de routeringssoftware. Een coaxkabel verbindt de draadloze kaart met een omnidirectionele antenne. De gebruiker verbindt vervolgens de pc met de Roofnet-node. De totale kosten van de apparatuur voor elk knooppunt bedragen $ 685.
Om het netwerk snel uit te rollen, deelt de MIT-groep gratis zelfinstallatiekits uit aan studenten die aan het project willen deelnemen. Voor deze studenten is het draaien van de Roofnet-node een deel van het plezier. Onze antenne is opgezet door een vriend van mij die aan rotsklimmen doet, zegt afgestudeerde student Roshan Baliga, die in een gebouw van twee verdiepingen woont zonder gemakkelijke toegang tot het dak. Hij klom langs de zijkant van het appartement om op het dak te komen, installeerde de antenne en daalde toen naar beneden.
MIT-studenten doen graag mee aan het project, vooral omdat ze wat geld kunnen besparen. We vergeleken een breedbandkabelverbinding met Roofnet en konden het verschil niet zien, dus hebben we de kabel geannuleerd, zegt MIT-senior Walt Lin, die de antenne op zijn schuine dak installeerde.
De weg voor ons
Met studenten die op het web surfen, muziekbestanden downloaden en werken aan probleemsets op externe servers, draait het netwerk met echt verkeer. Nu kunnen Morris en de vier afgestudeerde studenten die fulltime met hem aan het project werken, verschillende routeringsstrategieën testen die zich beter aanpassen aan de vijandige draadloze omgeving.
Hun idee om de onvoorspelbare verstoringen van de omgeving het hoofd te bieden, is om niet alleen uit te zoeken of twee knooppunten elkaar kunnen horen, maar ook om te meten hoe goed ze kunnen communiceren. In plaats van het kortste pad tussen twee knooppunten te vinden, proberen hun protocollen het beste pad te vinden - het pad waarin datapakketten onderweg niet vast komen te zitten of beschadigd raken. Dit vereist een constante monitoring van de links. Ongeveer één keer per seconde verzendt elk knooppunt een klein hallo-uitzendpakket. Alle andere knooppunten registreren of ze deze sonde ontvangen en houden een geschiedenis bij van de laatste 10 sondes. Dus als bijvoorbeeld knooppunt A 10 sondes heeft verzonden en knooppunt B 8 heeft ontvangen en knooppunt C 4 heeft ontvangen, dan weet de routeringssoftware dat het pad A-B beter is dan pad A-C. Elke 15 seconden verzendt elk knooppunt ook een broadcastbericht met de knooppunten die het weet te bereiken en de verbindingskwaliteit voor elk gekoppeld pad. Op die manier hebben alle knooppunten een complete, voortdurend bijgewerkte routekaart van het hele netwerk en kennen ze de optimale routes om elkaar te bereiken.
Bij het bouwen van Roofnet vonden de MIT-onderzoekers veel dingen die ze niet hadden verwacht. Zo varieert het bereik van de 802.11b kaarten en antennes flink. We zijn nu sceptisch over wat fabrikanten zeggen, zegt John Bicket, een van de afstudeerders die aan het project werken. We vonden knooppunten die aan de overkant van de straat niet konden praten, maar andere konden wel een halve kilometer uit elkaar praten. De oorzaak kan lokale omgevingsomstandigheden zijn of zelfs meerdere reflecties van hetzelfde signaal die zichzelf opheffen. Een ander verrassend fenomeen is het gebrek aan symmetrie in de overdrachtskwaliteit van de link: het is niet ongebruikelijk dat knooppunt A gemakkelijk gegevens naar knooppunt B kan verzenden, terwijl knooppunt B dat niet kan. Dergelijke anomalieën bemoeilijken de ontwikkeling van routeschema's.
Door hun routeringsschema's te debuggen en te verfijnen, hopen de MIT-onderzoekers ze in nog ingewikkelder systemen te kunnen gebruiken. Een dergelijke situatie zou zijn wanneer knooppunten niet statisch zijn op daken, maar met verschillende snelheden in alle richtingen bewegen - een scenario niet ver in de toekomst, aangezien steeds meer mensen persoonlijke digitale assistenten dragen en auto's beginnen te worden uitgerust met computers. Het is een kwestie van het protocol afstemmen zodat het mobiliteit aankan, zegt Sanjit Biswas, een andere student die bij het project betrokken is.
Uiteindelijk zegt Morris dat de groep van plan is om de Roofnet-routeringssoftware uit te brengen als een vrij te downloaden open source-programma. Dat betekent dat iedereen met een computer en een Wi-Fi-kaart de routeringssoftware kan installeren en een knooppunt in het netwerk kan worden. Andere mensen in andere gebieden kunnen de software ook downloaden en hun eigen gemeenschapsnetwerken op het dak creëren.
Natuurlijk moeten er nog veel problemen worden aangepakt. Ten eerste kan MIT geen internettoegang bieden aan niet-MIT-filialen; het netwerk zou dus op den duur andere gateways naar het vaste internet moeten vinden. Maar dat roept een ander ingewikkeld probleem op: de meeste internetserviceproviders willen niet dat hun gebruikers hun bandbreedte delen. Ook moet de community-netwerktechnologie een bepaald niveau van beveiliging en privacy garanderen. Met gebruikers die hun gegevens letterlijk door de lucht sturen, via de knooppunten van andere mensen, zal waarschijnlijk een soort van codering nodig zijn om afluisteren te voorkomen. Het is ook noodzakelijk om een eerlijk en evenwichtig gebruik van het systeem te garanderen, om te voorkomen dat een enkele gebruiker alle bandbreedte opzuigt en het netwerk verstopt. Ten slotte moet het systeem robuust genoeg zijn om enkele meer pragmatische problemen te weerstaan, zoals wanneer zich sneeuw vormt in de antennes.
Als de dag komt, wat zal er dan gebeuren? Nogmaals, de MIT-groep wil leren door te doen. We zullen zien, zegt Morris.