Sieć przez pączkowanie

W radiowych sieciach dostępowych MAN i WAN szykuje się rewolucja. Dotychczasowe stałe architektury punkt-wielopunkt będą stopniowo zastępowane przez architektury dynamiczne, w których każdy klient sieci jest jednocześnie przekaźnikiem dla innych klientów.

W radiowych sieciach dostępowych MAN i WAN szykuje się rewolucja. Dotychczasowe stałe architektury punkt-wielopunkt będą stopniowo zastępowane przez architektury dynamiczne, w których każdy klient sieci jest jednocześnie przekaźnikiem dla innych klientów.

Istniejące architektury sieciowe typu punkt-punkt i punkt-wielopunkt będą w najbliższych latach stopniowo zastępowane sieciami dynamicznie zmieniającymi swoją architekturę, w których każde urządzenie jest nie tylko klientem sieci, ale także jej węzłem. Koncepcje określane mianem mesh networks, multi-hop networks czy też ad hoc networks, czyli sieci dynamiczne, znane są od dawna, ale głównie w sieciach przewodowych. Realizacja takiej architektury w sieciach radiowych napotykała dotychczas poważne problemy techniczne, jak również ograniczone zapotrzebowanie po stronie klientów.

Potrzeby operatorów i ich klientów ulegają jednak zmianie. Zwłaszcza w tłocznych centrach dużych miast operatorzy stacjonarnych sieci radiowych działających w trybie punkt-wielopunkt napotkali bariery pojemnościowe, co zmusiło ich do budowy dodatkowych stacji bazowych. Zapotrzebowanie klientów sieci na przepustowość będzie z biegiem czasu tylko rosnąć i to szybciej, niż dokonuje się postęp w dziedzinie efektywnego kodowania sygnału cyfrowego i mechanizmów korekcji błędów. Dotychczasowe architektury mogą okazać się zbyt drogie w utrzymaniu. Takie warunki zawsze sprzyjały popularyzacji nowych technologii.

Zmiana paradygmatu jest tym bardziej prawdopodobna, że już dziś w USA i w Europie wdraża się rozwiązania wykorzystujące sieci dynamiczne. Ich zasięg obejmuje duże obiekty publiczne, dzielnice, całe miasta, a nawet większe regiony. Powodem są relatywnie niskie koszty ich wdrożenia i utrzymania (w sensie kosztu przypadającego na 1 km kw.), znacznie lepsze parametry pojemnościowe i niezawodnościowe, a także możliwość lepszego obsłużenia użytkowników, którzy ciągle się przemieszczają.

Mimo niewątpliwej atrakcyjności sieci dynamicznych pod względem technicznym i użytkowym, ich pojawienie się w codziennym użytku doprowadzi do powstania wielu nowych problemów. Nie tylko technicznych, ale także społecznych i prawnych.

Internet daje przykład

Podwaliny pod rodzące się właśnie dynamiczne sieci radiowe położył Internet. Dzięki dynamicznym protokołom routingu każdy węzeł sieci może nawiązywać łączność z każdym pozostałym. Jeżeli nie ma z nim łączności bezpośredniej, korzysta z pośrednictwa tych, które ją umożliwiają. Tak działa np. BGP (Border Gateway Protocol), dzięki któremu łączność można uzyskać poprzez wiele niezależnych ścieżek, co podnosi ogólną wydajność i niezawodność komunikacji.

Takie funkcje byłyby bardzo pożądane w sieciach radiowych - z natury rzeczy bardziej niż sieci kablowe podatnych na spadek jakości połączeń na poszczególnych odcinkach. Podstawowym problemem były dotychczas zbyt duże odległości między węzłami, które mogłyby spełniać rolę węzłów komunikacyjnych. Przy dużych odległościach problematyczne stawało się opóźnienie w transmisji, korekcja błędów, których przybywało wraz ze wzrostem odległości, oraz spadająca wraz z odległością pojemność przestrzenna mierzona liczbą możliwych do przesłania bitów na 1 Hz wykorzystywanego pasma na 1 m2 zasięgu.

Wiele w dziedzinie dynamicznego routingu zmieniło pojawienie się systemów łączności komórkowej - to dzięki nim właśnie dynamiczny routing w sieciach radiowych zyskał impuls do rozwoju. Ta dynamiczność ograniczała się jednak wyłącznie do szkieletu - telefony komórkowe pierwszych generacji nie nadawały się do spełniania roli węzła sieci. Rzeczywistość jest dziś jednak inna niż jeszcze parę lat temu.

Telefony i inne urządzenia zyskały dużą moc obliczeniową, co jest zasługą postępu w dziedzinie miniaturyzacji elektroniki oraz w obróbce sygnału. Ponadto urządzenia klienckie działają dziś na wielu zakresach pasma radiowego jednocześnie, np. 0,9, 1,8 i 1,9 GHz (GSM), a także 2,4 GHz (802.11b, Bluetooth). Na tym zapewne się nie skończy. Znacznie wzrosła też pojemność baterii, a ogniwa paliwowe na alkohol wkrótce trafią na półki sklepowe. W takich warunkach dynamiczny routing w sieciach dostępowych nabiera szans na realizację.

Dynamiczna awangarda

Nortel Networks i Strix Systems opierają swoje rozwiązania na dynamicznym routingu między stacjami bazowymi i przekaźnikami - bez włączania w routing klientów sieci. W szkielecie stosowany jest standard 802.11 a (pasmo 5 GHz), zaś w dostępie 802.11b (pasmo 2,4 GHz).

Nortel Networks i Strix Systems opierają swoje rozwiązania na dynamicznym routingu między stacjami bazowymi i przekaźnikami - bez włączania w routing klientów sieci. W szkielecie stosowany jest standard 802.11 a (pasmo 5 GHz), zaś w dostępie 802.11b (pasmo 2,4 GHz).

Pionierem przecierającym szlaki sieci dynamicznych było oczywiście wojsko. Mniej więcej dziesięć lat temu za pośrednictwem agencji DARPA Pentagon rozpoczął pracę nad technologią umożliwiającą komunikację pomiędzy żołnierzami na polu walki bez konieczności kontaktowania się z "centralą". Rozwiązanie to było ponoć wykorzystywane przez komandosów podczas amerykańskiej interwencji w Afganistanie oraz podczas ostatniej wojny w Iraku.

Producent systemu - ITT Industries - wydzielił spółkę o nazwie MeshNetworks, której zadaniem jest wypromowanie cywilnej wersji tej technologii. Firma ta oferuje dwie linie produktowe. Pierwsza z nich to MEA - stacje bazowe, routery i karty klienckie działające w standardach 802.11 z możliwością dynamicznego routingu. Urządzenia MeshNetworks są dość zaawansowane - zawierają m.in. sprzętowy firewall, oraz rozwiązania uniemożliwiające lokalnemu użytkownikowi podsłuchiwanie sesji innych użytkowników. Są też zabezpieczenie programowe, np. przesyłanie tą samą ścieżką tylko co drugiego czy co trzeciego pakietu, co dodatkowo utrudnia podsłuch.

Opracowany przez MeshNetworks protokół dynamicznego routingu MSR (MeshNetworks Scalable Routing) jest niezależny od warstwy radiowej. MeshNetworks deklaruje, że działa on ze wszystkimi technologiami radiowymi z rodziny 802.xx. MSR aktywnie bada warunki panujące na wszystkich dostępnych łączach, sterując transmisją w zależności od ich jakości (potrzebna moc, interferencje, straty pakietów itd.). Cisco Systems wprowadziło właśnie do systemu IOS funkcje Optimized Edge Routing, które sterują parametrami tablic BGP w innych routerach na podstawie raportowanych przez nie parametrów łączy. Dynamicznego routingu na potrzeby radiowych sieci ad hoc raczej z tego nie będzie.

Pomiędzy MSR a warstwą radiową działa dodatkowa warstwa logiki zwana ATP - Adaptive Transmission Protocol. Jej zadaniem jest dostosowywanie działania MSR do możliwości i ograniczeń konkretnej technologii radiowej. Inaczej będzie działać z wykorzystującym zamiennie 3 kanały radiem 802.11b, inaczej z opartym na 10 kanałach i modulacji OFDM radiem 802.11a, a jeszcze inaczej z opracowanym przez MeshNetworks systemem QDMA.

Rozwiązanie jest na tyle dojrzałe, że elementy architektury MEA licencjonują od MeshNetworks Motorola, a ostatnio także 3Com.

Radio przyszłości

Rozwiązania przeznaczone dla biznesu, działającego w "zwykłych warunkach". Dla klientów o specyficznych wymaganiach, jak policja, straż pożarna, czy inne służby, MeshNetworks oferuje rozwiązania oparte na technologii radiowej QDMA (Quadrature Division Multiple Access). Nazwa wzięła się stąd, że w QDMA zastosowano nie jedną, ale aż cztery równolegle działające warstwy MAC wykorzystujące cztery niezależne od siebie przedziały częstotliwości. Trzy z nich kontrolują transmisję danych, czwarta zaś służy do kontroli pozostałych.

Możliwość równoległego sterowania czterema transmisjami odbywającymi się według czterech niezależnych od siebie kolejek, przypisanych do czterech niezależnych kanałów fizycznych. Posługują się one czterema różnymi kontami polaryzacji fal, co czyni technologię QDMA odporną na interferencje oraz odbicia sygnału - o które tak łatwo w warunkach miejskich. Co ważniejsze, transmisja może odbywać się, podczas gdy nadajnik i odbiornik znajdują się w ruchu. Według MeshNetworks system działa bez zarzutu przy prędkości sięgającej 250 km/h!

Na tym zalety QDMA się nie kończą. Poprawa podstawowych parametrów radiowych pozwala urządzeniom QDMA uzyskiwać zasięg ok. 1,5 km w warunkach miejskich (przy założeniu odbić i braku bezpośredniej widoczności między nadajnikiem a odbiornikiem). Na otwartej przestrzeni zasięg zwiększa się do 4-5 km i to przy złożeniu zastosowania anten dookólnych! Przy tych odległościach QDMA daje możliwość osiągania szczytowej przepustowości ok. 6 Mb/s i stałym transferem na poziomie od 1,5 do 2,5 Mb/s. To nie to samo co Wi-Fi, jednak znacznie większy zasięg i odporność oznacza zupełnie inne zastosowania.

QDMA daje możliwość ustalenia priorytetów ruchu o różnej ważności i wrażliwości, nadaje się więc nie tylko do prostej transmisji, ale również do przekazywania obrazu ruchomego i głosu. QDMA oferuje także usługi triangulacji. Jeśli w pobliżu znajduje się urządzenie o znanej pozycji, np. nadajnik na latarni ulicznej, możliwa jest lokalizacja w przestrzeni pozostałych "widzących" się nadajników.

Siatka na ulicy

Firm, które opracowują analogicznie działające rozwiązania wciąż przybywa. Produkty sieciowe tworzące dynamiczną siatkę dostosowującą routing do bieżących warunków oferuje Nortel Networks. W rozwiązaniu Nortela dynamiczny routing odbywa się jedynie na stałych węzłach sieci - routerach dostępowych Nortel Wireless Access Point 7220 i przekaźnikach Nortel Wireless Gateway 7250, które komunikują się za pośrednictwem 802.11a (54 Mb/s). Urządzenia klienckie łączą się z routerami za pośrednictwem 802.11b.

Podobne systemy dla sieci miejskich oferuje z powodzeniem od dłuższego czasu firma Tropos Networks. Różnica polega na tym, że zarówno łączność urządzeń dostępowych z klientami, jak i szkielet oparte są na technologii 802.11b. Routery będące jednocześnie przekaźnikami komunikują się ze sobą za pomocą protokołu konfiguracyjnego LCP (Lightweight Control Protocol), który według producenta nie zajmuje więcej niż 5 procent dostępnego pasma.

Ponieważ rozwiązanie Tropos nie różnicuje częstotliwości dla warstwy dostępowej i szkieletowej, kluczową rolę w utrzymaniu sieci w możliwie najlepszym stanie jest scentralizowane sterowanie parametrami radiowymi, takimi jak kanały i moc nadawania. Służy do tego dostarczane przez Tropos oprogramowanie zarządzające. Powstaje jednak pytanie, czy sieć o takiej architekturze nie będzie przypadkiem tracić parametrów wraz ze wzrostem liczby użytkowników.

Na dłuższą metę szkielet powinien wykorzystywać inną technologię niż ta, która działa w warstwie dostępowej. Taką drogę przyjęła amerykańska firma Strix Systems, która właśnie zaczęła poszukiwać partnerów w Europie.

Optymalizacja w siatce

Przekształcenie odbiorników w routery zasadniczo powiększa zasięg sieci. Każde nowe urządzenie staje się bramką dostępową dla kolejnych - w tym również tych, które same nie działają w trybie mesh. Rezygnacja z architektury "jeden do wielu" na rzecz "wiele do wielu" zmniejsza średnie odległości pomiędzy węzłami. W rezultacie komunikujące się strony mogą wykorzystywać bardziej zaawansowane algorytmy kodujące, co przekłada się na większe przepustowości. Zwiększanie odległości zwiększa liczbę błędów i wymusza stosowanie algorytmów prostszych, mniej wydajnych pod względem pasma, ale bardziej odpornych na zakłócenia.

Zmniejszenie odległości między węzłami pozwala też zmniejszyć moc sygnału, co z kolei obniża ryzyko interferencji między urządzeniami nadającymi jednocześnie w tym samym paśmie. W ten sposób zwiększa się pojemność przestrzenna sieci. Dzięki temu w tej samej przestrzeni można "zmieścić" większą liczbę urządzeń. Więcej urządzeń i większe przepustowości pomiędzy nimi rekompensują użytkownikowi narzut wynikający z obsługiwania sesji innych użytkowników. Możliwości sieci o architekturach dynamicznych będą ponadto zwiększać się wraz z obsługiwaniem przez urządzenia coraz większej liczby technologii radiowych.

Koleżeńska przysługa

Dzięki sieciom z dynamicznym routingiem możliwy stał się fenomen wolnych od opłat, koleżeńskich sieci ad hoc, których prekursorami są założyciele brytyjskiej firmy Locust Technologies oraz utworzona przez nich organizacja Community Wireless. Locust Technologies opracował i dystrybuuje na zasadach open source oprogramowanie, dzięki któremu każdy komputer wyposażony w kartę WLAN może w kilka minut zamienić się w bezprzewodowy router. Firma oferuje także gotowe urządzenia. Podobną, mieszaną strategię sprzętowo-programową przyjęła kanadyjska firma Ultrawideband.ca.

Sieci koleżeńskie, czy też społeczne jakkolwiek możliwe technicznie, prowadzą do powstania zasadniczych kwestii prawnych, które będą wymagać lokalnych rozwiązań. Przykładowo, czy użytkownik łącza szerokopasmowego może je współdzielić z innymi użytkownikami, a jeśli tak, to z iloma? Czy sieci typu community networks mogą korzystać z łączy szerokopasmowych instytucji publicznych, np. uniwersytetów, ograniczając w ten sposób popyt na usługi komercyjne? Jak mogą wyglądać rozliczenia?

Dopóki popyt na usługi szerokopasmowe znacznie przewyższa podaż, a na wielu obszarach prawdopodobnie nie pojawi się nigdy, dopóty można sądzić, że będzie on mieć rację bytu. Są jednak i sceptycy, którzy uważają, że darmowe sieci społeczne nie wytrzymają próby czasu i jakaś forma zachęty/rekompensaty dla dostarczających wyjście do innych sieci prędzej czy później będzie musiała się pojawić. Listę i zasięg takich społecznych sieci można znaleźć w Internecie, np. pod adresem: http://wirelessanarchy.com oraz: http://www.communitywireless.org


Zobacz również