Nätverk från taket

För några veckor sedan avbröt MIT-studenten Shan Sinha sin bredbandstjänst för Internet. Nu kommer hans nätanslutning genom skorstenen. Från en dator i vardagsrummet i hans lägenhet i Cambridge, MA, några kvarter från MIT-campus, går en kabel in i den öppna spisen upp till taket, där den är ansluten till en antenn. Därifrån hoppar datapaket till en annan takmonterad antenn i en närliggande studentlägenhet. På så sätt, från tak till tak i flera hopp, når Sinhas datapaket äntligen en gateway - en dator som är ansluten till det fasta internet - vid MIT:s datavetenskapsbyggnad. Vi kan inte använda den öppna spisen, säger han, men det är kostnaden för gratis internet.

Sinhas skorstensanslutning är en del av MITs Roofnet, ett projekt för att skapa ett självorganiserande trådlöst nätverk där en amorf, ohanterad samling billiga Linux-datorer utrustade med Wi-Fi-kort samarbetar för att effektivt dirigera datapaket. Varje dator och takmonterad antenn i studentlägenheter och MIT-byggnader är en nod på nätverket och arrangemanget där de är anslutna till varandra - nätverkets topologi - förändras ständigt. Vi vill förstå hur ett helt gäng datorer med kortdistansradio kan självkonfigurera ett nätverk, skapa ordning ur kaos, säger datavetenskapsprofessor Robert Morris, som koordinerar projektet. Nätverket har nu mer än 30 noder i ett 4 kvadratkilometer stort område som omger MIT campus. Vi hoppas kunna nå hundra noder inom några månader, säger han.

Forskargrupper vid universitet som Carnegie Mellon, Rice, UCLA och University of Illinois i Urbana-Champaign och på företag som Nokia, Intel och Microsoft utvecklar liknande system. I varje fall dirigeras datapaket genom geografiskt spridda och trådlöst anslutna noder som kan fixeras i en byggnad eller flyttas med en användare eller ett fordon. Tillämpningar av dessa så kallade multi-hop mesh-nätverk inkluderar system för att koppla ihop personer som bär handdatorer, stridsvagnar på ett slagfält eller ett stort antal sensorer i en fabriksanläggning. Och community mesh-nätverk som Roofnet, som är mycket billigare att installera än DSL eller kabelanslutningar, är ett lovande sätt att övervinna den sista milen och ge tillgång till höghastighetsinternet till ett stort antal människor, särskilt de som bor på landsbygden områden eller andra platser där infrastrukturen för trådbunden bredbandsaccess inte är tillgänglig.

Gemenskapsägda trådlösa nätverk har dykt upp på flera platser i New York, San Francisco, Seattle, London och andra städer. Dessa nätverk består vanligtvis av ett fåtal sammankopplade basstationer, så kallade trådlösa åtkomstpunkter, placerade i fönster och hustak som tillhandahåller Internetanslutning i offentliga utrymmen. Den nya generationen mesh-nätverk som Roofnet täcker bredare områden och är mycket mer dynamiska i sättet de dirigerar data. Deras noder är inte permanent anslutna; istället omvärderar de ständigt de befintliga länkarna och bildar nya. Som ett resultat följer data mycket mer slingrande vägar för att nå det fasta internet. Och med tiotals eller hundratals noder - några av dem går med och lämnar nätverket på ett slumpmässigt sätt och därmed ständigt ändrar dess topologi - uppstår ett svårt problem: hur ska data i dessa trådlösa multi-hop nät dirigeras? Vilka vägar i denna labyrint av tak- och fönsterantenner optimerar flödet av paket?

Avstånd är viktigt

De flesta av de routingprotokoll som nu föreslås av mesh-nätverksforskare lånar den kortaste vägstrategin som används i det fasta Internet. Dessa protokoll försöker hitta vägen med minst antal mellannoder mellan avsändare och destination. För det trådbundna internet - med dess nästan statiska topologi och pålitliga länkar - har det här schemat fungerat ganska bra: våra e-postmeddelanden hoppar från router till router och når andra sidan jorden på några sekunder.

Men det visar sig att den här kortaste vägen kanske inte är tillräcklig för att skicka paket genom luften. I ett trådlöst nätverk, enligt MIT-gruppen, är avståndet avgörande: ju längre signalen måste färdas, desto mer försämras den. Dessutom varierar länkkvaliteten mellan noder oförutsägbart på grund av sådana övergående fenomen som lastbilar som kör förbi, fukt i luften eller en duva som sitter på antennen. Resultatet är en avsevärd mängd paketförluster, överföringsfel och anslutningar som helt enkelt dyker upp och försvinner under dagen. Ett routingprotokoll som minimerar antalet hopp slutar med att välja längre avstånd för varje hopp och därför skicka data över trådlösa länkar av låg kvalitet.

MIT-gruppen insåg att nya routingstrategier var nödvändiga när de implementerade en första version av Roofnet förra våren. De försökte implementera några av de föreslagna routingprotokollen som diskuterades av Internet Engineering Task Force, organisationen som styr Internets tekniska standarder. Men även om dessa protokoll fungerar bra i teorin - och i allmänhet testas i datorsimuleringar eller småskaliga laboratorienätverk - tar de inte hänsyn till många oförutsägbara faktorer som är involverade i radiokommunikation. Protokollen brukar till exempel anta att när en nod kan upptäcka en i närheten kan den kommunicera bra med sin granne. Men det visar sig inte alltid vara sant. MIT-forskarna och andra grupper har funnit att två noder många gånger kan höra varandra genom att utbyta små sondpaket, men när de försöker skicka riktig data kollapsar kommunikationen på grund av otillräcklig bandbredd. Morris och hans grupp beslutade att det bästa sättet att utveckla robusta trådlösa routingprotokoll var att testa dem med ett riktigt nätverk, riktiga användare och verklig trafik.

Andra mesh-nätverksforskare säger att MIT-arbetet representerar ett viktigt framsteg för att felsöka dessa routingscheman. Deras arbete är grundat i verklig systembyggnad, säger Victor Bahl, en senior forskare som leder nätverksgruppen på Microsoft Research i Redmond, WA. Insikten som du får ut av att bygga saker är mycket mer än du någonsin kommer att få om du bara simulerar saker. Att demonstrera att ett sådant nätverk är genomförbart i en verklig, storskalig implementering, säger han, är ett avgörande steg mot att locka mer uppmärksamhet från industrin till teknikens potential.

Att distribuera ett sådant nätverk blev möjligt eftersom Wi-Fi-tekniken har blivit så billig. För några år sedan, säger Morris, skulle priset på de trådlösa korten ha gjort projektet oöverkomligt dyrt. Varje Roofnet-nod använder ett 802.11b trådlöst nätverkskort installerat på en billig dator som kör Linux och routingmjukvaran. En koaxialkabel ansluter det trådlösa kortet till en rundstrålande antenn. Användaren ansluter sedan datorn till taknoden. Den totala kostnaden för utrustningen för varje nod är $685.

För att distribuera nätverket snabbt distribuerar MIT-gruppen gratis självinstallationssatser till studenter som vill delta i projektet. För dessa elever är det roliga att få taknoden igång. Vår antenn sattes upp av en vän till mig som håller på med bergsklättring, säger doktoranden Roshan Baliga, som bor i en tvåvåningsbyggnad utan enkel åtkomst till taket. Han skalade på sidan av lägenheten för att komma till taket, installerade antennen och rappellerade sedan ner.

MIT-studenter deltar gärna i projektet, särskilt för att de kan spara lite pengar. Vi jämförde en bredbandskabelanslutning med Roofnet och kunde inte se skillnad, så vi avbröt kabeln, säger MIT senior Walt Lin, som installerade antennen på sitt sluttande tak.

Vägen framför

Med studenter som surfar på webben, laddar ner musikfiler och arbetar med problemuppsättningar på fjärrservrar, kör nätverket med verklig trafik. Nu kan Morris och de fyra doktoranderna som arbetar med honom på heltid i projektet testa olika routingstrategier som bättre anpassar sig till den fientliga trådlösa miljön.

Deras idé för att hantera de oförutsägbara miljöstörningarna är att ta reda på inte bara om två noder kan höra varandra, utan också mäta hur väl de kan kommunicera. Istället för att hitta den kortaste vägen mellan två noder försöker deras protokoll hitta den bästa vägen - den där datapaket inte kommer att fastna eller skadas på vägen. Detta kräver en konstant övervakning av länkarna. Ungefär en gång per sekund skickar varje nod ut ett litet hej-sändningspaket. Alla de andra noderna registrerar om de tar emot den här sonden och håller en historik över de senaste 10 sonderna. Så om, säg, nod A har skickat ut 10 sonder och nod B fått 8 och nod C fått 4, då vet routingmjukvaran att vägen A-B är bättre än väg A-C. Dessutom skickar varje nod var 15:e sekund ett broadcast-meddelande som listar de noder som den vet hur man når - och länkkvaliteten för varje associerad väg. På så sätt har alla noder en komplett, kontinuerligt uppdaterad, ruttkarta över hela nätverket - och känner till de optimala vägarna för att nå varandra.

När MIT-forskarna byggde Roofnet hittade de många saker de inte förväntade sig. Till exempel varierar räckvidden för 802.11b-korten och antennerna avsevärt. Vi är nu skeptiska till vad tillverkarna säger, säger John Bicket, en av studenterna som arbetar med projektet. Vi hittade noder som inte kunde prata tvärs över gatan, men andra kunde prata en halv kilometer från varandra. Orsaken kan vara lokala miljöförhållanden eller till och med flera reflektioner av samma signal som tar ut sig själva. Ett annat överraskande fenomen är bristen på symmetri i länköverföringskvaliteten: det är inte ovanligt att nod A enkelt kan skicka data till nod B, medan nod B inte kan återgå. Sådana anomalier komplicerar utvecklingen av routingscheman.

Genom att felsöka och finjustera sina routingscheman hoppas MIT-forskarna att de kommer att kunna använda dem i ännu mer komplicerade system. En sådan situation skulle vara när noder inte är statiska på hustak, utan rör sig i olika hastigheter i alla riktningar - ett scenario inte långt fram i tiden, eftersom fler och fler människor bär personliga digitala assistenter och bilar börjar utrustas med datorer. Det handlar om att trimma protokollet så att det kan hantera mobilitet, säger Sanjit Biswas, en annan student som är involverad i projektet.

I slutändan säger Morris att gruppen planerar att släppa Roofnet-routingmjukvaran som ett fritt nedladdningsbart program med öppen källkod. Det betyder att vem som helst med en dator och ett Wi-Fi-kort skulle kunna installera routingprogramvaran och bli en nod i nätverket. Andra människor i andra områden kan också ladda ner programvaran och skapa sina egna nätverk på taket.

Naturligtvis måste många problem fortfarande åtgärdas. För det första kan MIT inte tillhandahålla internetåtkomst till icke-MIT-anslutna företag; nätverket skulle därför så småningom behöva hitta andra gateways till det fasta Internet. Men det väcker en annan komplicerad fråga: de flesta internetleverantörer vill inte att deras användare delar sin bandbredd. Dessutom måste nätverkstekniken garantera en viss nivå av säkerhet och integritet. Med användare som bokstavligen skickar sin data genom luften, via andras noder, kommer någon form av kryptering förmodligen att behövas för att undvika avlyssning. Det är också nödvändigt att garantera en rättvis, balanserad användning av systemet, för att undvika att en enda användare suger all bandbredd och täpper till nätverket. Slutligen måste systemet vara tillräckligt robust för att motstå några mer pragmatiska problem, som när det bildas snö i antennerna.

När dagen kommer, vad kommer att hända? Återigen vill MIT-gruppen lära sig genom att göra. Vi får se, säger Morris.

Dölj