Fare rete dal tetto

Alcune settimane fa, lo studente laureato del MIT Shan Sinha ha cancellato il suo servizio Internet a banda larga. Ora la sua connessione alla rete passa attraverso il camino. Da un computer nel soggiorno del suo appartamento di Cambridge, MA, a pochi isolati dal campus del MIT, un cavo va nel camino fino al tetto, dove è collegato a un'antenna. Da lì, i pacchetti di dati saltano su un'altra antenna montata sul tetto nell'appartamento di uno studente nelle vicinanze. In questo modo, da un tetto all'altro in più salti, i pacchetti di dati di Sinha raggiungono finalmente un gateway, un computer connesso a Internet fisso, nell'edificio di informatica del MIT. Non possiamo usare il caminetto, dice, ma questo è il costo di Internet gratis.

La connessione al camino di Sinha fa parte di Roofnet del MIT, un progetto per creare una rete wireless auto-organizzata in cui una raccolta amorfa e non gestita di computer Linux economici dotati di schede Wi-Fi collaborano per instradare in modo efficiente i pacchetti di dati. Ogni computer e ogni antenna montata sul tetto negli appartamenti degli studenti e negli edifici del MIT è un nodo della rete e la disposizione in cui sono collegati tra loro, la topologia della rete, è in continua evoluzione. Vogliamo capire come un intero gruppo di computer con radio a corto raggio può autoconfigurare una rete, formando ordine dal caos, afferma il professore di informatica Robert Morris, che coordina il progetto. La rete ha ora più di 30 nodi in un'area di 4 chilometri quadrati che circonda il campus del MIT. Speriamo di raggiungere un centinaio di nodi entro pochi mesi, dice.

Gruppi di ricerca di università come Carnegie Mellon, Rice, UCLA e l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign e di aziende come Nokia, Intel e Microsoft stanno sviluppando sistemi simili. In ogni caso, i pacchetti di dati vengono instradati attraverso nodi geograficamente dispersi e connessi in modalità wireless che possono essere fissati in un edificio o spostati con un utente o un veicolo. Le applicazioni di queste cosiddette reti mesh multi-hop includono sistemi per connettere persone che trasportano PDA, carri armati su un campo di battaglia o un gran numero di sensori in una fabbrica. E le reti mesh comunitarie come Roofnet, che sono molto più economiche da implementare rispetto alla DSL o ai collegamenti via cavo, sono un modo promettente per superare la barriera dell'ultimo miglio e portare l'accesso a Internet ad alta velocità a un gran numero di persone, specialmente a coloro che vivono in zone rurali aree o altri luoghi in cui l'infrastruttura per l'accesso a banda larga cablata non è disponibile.

Le reti wireless di proprietà della comunità sono apparse in diversi luoghi a New York, San Francisco, Seattle, Londra e in altre città. Queste reti di solito sono costituite da poche stazioni base interconnesse, note come punti di accesso wireless, situate nelle finestre e sui tetti che forniscono connettività Internet negli spazi pubblici. La nuova generazione di reti mesh come Roofnet copre aree più ampie e sono molto più dinamiche nel modo in cui instradano i dati. I loro nodi non sono collegati in modo permanente; invece, rivalutano costantemente i collegamenti esistenti e ne formano di nuovi. Di conseguenza, i dati seguono percorsi molto più tortuosi per raggiungere Internet fisso. E con decine o centinaia di nodi, alcuni dei quali si uniscono e lasciano la rete in modo casuale e quindi cambiano costantemente la sua topologia, sorge un problema difficile: come dovrebbero essere instradati i dati in queste reti wireless multi-hop? Quali percorsi in questo labirinto di antenne sui tetti e sulle finestre ottimizzano il flusso dei pacchetti?

Questioni di distanza

La maggior parte dei protocolli di instradamento ora proposti dai ricercatori delle reti mesh prendono in prestito la strategia del percorso più breve utilizzata nell'Internet fisso. Questi protocolli cercano di trovare il percorso con il minor numero di nodi intermedi tra mittente e destinazione. Per l'Internet cablata, con la sua topologia quasi statica e collegamenti affidabili, questo schema ha funzionato abbastanza bene: le nostre e-mail saltano da un router all'altro e raggiungono l'altro capo del mondo in pochi secondi.

Ma si scopre che questa strategia del percorso più breve potrebbe non essere adeguata per l'invio di pacchetti attraverso l'aria. In una rete wireless, secondo il gruppo del MIT, la distanza conta: più a lungo deve viaggiare il segnale, più si degraderà. Inoltre, la qualità del collegamento tra i nodi varia in modo imprevedibile a causa di fenomeni transitori come camion che passano, umidità nell'aria o un piccione seduto sull'antenna. Il risultato è una notevole quantità di perdite di pacchetti, errori di trasmissione e connessioni che semplicemente appaiono e scompaiono nel corso della giornata. Un protocollo di routing che riduce al minimo il numero di hop finisce per scegliere distanze maggiori per ogni hop e quindi inviare dati su collegamenti wireless di bassa qualità.

Il gruppo del MIT si è reso conto che erano necessarie nuove strategie di routing quando ha distribuito una versione iniziale di Roofnet la scorsa primavera. Hanno cercato di implementare alcuni dei protocolli di routing proposti discussi dalla Internet Engineering Task Force, l'organizzazione che governa gli standard tecnici di Internet. Ma mentre questi protocolli funzionano bene in teoria e sono generalmente testati in simulazioni al computer o reti di laboratorio su piccola scala, non tengono conto di molti fattori imprevedibili coinvolti nella comunicazione radio. I protocolli di solito presuppongono, ad esempio, che quando un nodo può rilevarne uno vicino, possa comunicare bene con il suo vicino. Ma questo non è sempre vero. I ricercatori del MIT e altri gruppi hanno scoperto che molte volte due nodi possono ascoltarsi scambiandosi piccoli pacchetti di sonde, ma quando cercano di inviare dati reali, la comunicazione crolla a causa della larghezza di banda inadeguata. Morris e il suo gruppo hanno deciso che il modo migliore per sviluppare protocolli di routing wireless robusti era testarli con una rete reale, utenti reali e traffico reale.

Altri ricercatori di reti mesh affermano che il lavoro del MIT rappresenta un importante progresso per il debug di questi schemi di routing. Il loro lavoro è basato sulla costruzione di sistemi reali, afferma Victor Bahl, un ricercatore senior che guida il gruppo di networking presso Microsoft Research a Redmond, WA. L'intuizione che ottieni dalla costruzione delle cose è molto più di quella che otterrai mai se simuli solo le cose. Dimostrare che tale rete è praticabile in un'implementazione reale e su larga scala, afferma, è un passo cruciale per attirare maggiore attenzione del settore sul potenziale della tecnologia.

L'implementazione di tale rete è diventata possibile perché la tecnologia Wi-Fi è diventata così economica. Qualche anno fa, dice Morris, il prezzo delle schede wireless avrebbe reso il progetto proibitivo. Ciascun nodo Roofnet utilizza una scheda di rete wireless 802.11b installata su un PC economico con Linux e il software di routing. Un cavo coassiale collega la scheda wireless ad un'antenna omnidirezionale. L'utente quindi connette il PC al nodo Roofnet. Il costo totale dell'attrezzatura per ogni nodo è di $ 685.

Per implementare rapidamente la rete, il gruppo del MIT distribuisce kit di autoinstallazione gratuiti agli studenti che desiderano partecipare al progetto. Per questi studenti, far funzionare il nodo Roofnet fa parte del divertimento. La nostra antenna è stata montata da un mio amico che pratica arrampicata su roccia, dice lo studente laureato Roshan Baliga, che vive in un edificio a due piani senza un facile accesso al tetto. Ha scalato il lato dell'appartamento per raggiungere il tetto, ha installato l'antenna e poi si è calato in corda doppia.

Gli studenti del MIT sono felici di partecipare al progetto, soprattutto perché possono risparmiare un po' di soldi. Abbiamo confrontato una connessione via cavo a banda larga con Roofnet e non abbiamo potuto notare la differenza, quindi abbiamo annullato il cavo, afferma Walt Lin, senior del MIT, che ha installato l'antenna sul suo tetto inclinato.

La strada davanti

Con gli studenti che navigano sul Web, scaricano file musicali e lavorano su serie di problemi su server remoti, la rete funziona con traffico reale. Ora Morris ei quattro studenti laureati che lavorano con lui a tempo pieno al progetto possono testare diverse strategie di routing che si adattano meglio all'ambiente wireless ostile.

La loro idea per far fronte alle imprevedibili interruzioni ambientali è capire non solo se due nodi possono ascoltarsi a vicenda, ma anche misurare quanto bene possono comunicare. Invece di trovare il percorso più breve tra due nodi, i loro protocolli cercano di trovare il percorso migliore, quello in cui i pacchetti di dati non si bloccheranno o si danneggeranno lungo il percorso. Ciò richiede un monitoraggio costante dei collegamenti. All'incirca una volta al secondo, ogni nodo invia un piccolo pacchetto di trasmissione di ciao. Tutti gli altri nodi registrano se ricevono questa sonda, mantenendo una cronologia delle ultime 10 sonde. Quindi, se, diciamo, il nodo A ha inviato 10 sonde e il nodo B ne ha ricevuti 8 e il nodo C ne ha ricevuti 4, allora il software di routing sa che il percorso A-B è migliore del percorso A-C. Inoltre, ogni 15 secondi, ogni nodo invia un messaggio broadcast che elenca i nodi che sa come raggiungere e la qualità del collegamento per ogni percorso associato. In questo modo, tutti i nodi dispongono di una mappa di routing completa e continuamente aggiornata dell'intera rete e conoscono i percorsi ottimali per raggiungersi l'un l'altro.

Nella costruzione di Roofnet, i ricercatori del MIT hanno scoperto molte cose che non si aspettavano. Ad esempio, la portata delle schede e delle antenne 802.11b varia considerevolmente. Ora siamo scettici su ciò che dicono i produttori, afferma John Bicket, uno degli studenti universitari che lavorano al progetto. Abbiamo trovato nodi che non potevano parlare dall'altra parte della strada, ma altri potevano parlare a mezzo chilometro di distanza. La causa potrebbe essere condizioni ambientali locali o anche riflessioni multiple dello stesso segnale che si annullano. Un altro fenomeno sorprendente è la mancanza di simmetria nella qualità della trasmissione del collegamento: non è raro che il nodo A sia in grado di inviare facilmente dati al nodo B, mentre il nodo B non può ricambiare. Tali anomalie complicano lo sviluppo di schemi di routing.

Eseguendo il debug e mettendo a punto i loro schemi di routing, i ricercatori del MIT sperano di poterli utilizzare in sistemi ancora più complicati. Una di queste situazioni sarebbe quando i nodi non sono statici sui tetti, ma si muovono a velocità diverse in tutte le direzioni, uno scenario non lontano nel futuro, poiché sempre più persone portano con sé assistenti digitali personali e le auto iniziano ad essere dotate di computer. Si tratta di mettere a punto il protocollo in modo che possa gestire la mobilità, afferma Sanjit Biswas, un altro studente coinvolto nel progetto.

Alla fine, Morris afferma che il gruppo prevede di rilasciare il software di routing Roofnet come programma open source scaricabile gratuitamente. Ciò significa che chiunque disponga di un computer e di una scheda Wi-Fi sarebbe in grado di installare il software di routing e diventare un nodo della rete. Anche altre persone in altre aree potrebbero scaricare il software e creare le proprie reti comunitarie sul tetto.

Certo, molti problemi devono ancora essere affrontati. Innanzitutto, il MIT non può fornire l'accesso a Internet ad affiliati non MIT; la rete dovrebbe quindi eventualmente trovare altri gateway per Internet fisso. Ma ciò solleva un altro problema complicato: la maggior parte dei fornitori di servizi Internet non vuole che i propri utenti condividano la propria larghezza di banda. Inoltre, la tecnologia di rete della comunità deve garantire un certo livello di sicurezza e privacy. Con gli utenti che inviano letteralmente i propri dati via etere, tramite i nodi di altre persone, sarà probabilmente necessaria una sorta di crittografia per evitare le intercettazioni. È inoltre necessario garantire un utilizzo equo ed equilibrato del sistema, per evitare che un singolo utente risucchi tutta la banda e intasi la rete. Infine, il sistema deve essere abbastanza robusto da resistere ad alcuni problemi più pragmatici, come quando si forma la neve nelle antenne.

Quando verrà il giorno, cosa accadrà? Ancora una volta, il gruppo del MIT vuole imparare facendo. Vedremo, dice Morris.

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