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Networking desde la azotea
Hace unas semanas, el estudiante graduado del MIT Shan Sinha canceló su servicio de Internet de banda ancha. Ahora su conexión a la Red llega a través de la chimenea. Desde una computadora en la sala de su apartamento de Cambridge, MA, a pocas cuadras del campus del MIT, un cable entra en la chimenea hasta el techo, donde se conecta a una antena. A partir de ahí, los paquetes de datos saltan a otra antena montada en el techo del apartamento de un estudiante cercano. De esa manera, de techo en techo en múltiples saltos, los paquetes de datos de Sinha finalmente llegan a una puerta de enlace (una computadora conectada a Internet fija) en el edificio de ciencias de la computación del MIT. No podemos usar la chimenea, dice, pero ese es el costo de Internet gratis.
La conexión de la chimenea de Sinha es parte de Roofnet del MIT, un proyecto para crear una red inalámbrica autoorganizada en la que una colección amorfa y no administrada de computadoras Linux baratas equipadas con tarjetas Wi-Fi colaboran para enrutar paquetes de datos de manera eficiente. Cada computadora y antena montada en el techo en los apartamentos de los estudiantes y los edificios del MIT es un nodo en la red y la disposición en la que están conectados entre sí (la topología de la red) cambia constantemente. Queremos entender cómo un montón de computadoras con radios de corto alcance pueden autoconfigurar una red, formando un orden a partir del caos, dice el profesor de ciencias de la computación Robert Morris, quien coordina el proyecto. La red tiene ahora más de 30 nodos en un área de 4 kilómetros cuadrados que rodea el campus del MIT. Esperamos llegar a cien nodos en unos meses, dice.
Grupos de investigación en universidades como Carnegie Mellon, Rice, UCLA y la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, y en empresas como Nokia, Intel y Microsoft están desarrollando sistemas similares. En cada caso, los paquetes de datos se enrutan a través de nodos geográficamente dispersos y conectados de forma inalámbrica que pueden fijarse en un edificio o moverse con un usuario o vehículo. Las aplicaciones de estas llamadas redes de malla de múltiples saltos incluyen sistemas para conectar personas que llevan PDA, tanques en un campo de batalla o una gran cantidad de sensores en una planta de fábrica. Y las redes de malla comunitarias como Roofnet, que son mucho más baratas de implementar que las conexiones DSL o por cable, son una forma prometedora de superar la barrera de la última milla y brindar acceso a Internet de alta velocidad a una gran cantidad de personas, especialmente a las que viven en zonas rurales. áreas u otros lugares donde la infraestructura para el acceso de banda ancha por cable no está disponible.
Las redes inalámbricas de propiedad comunitaria han aparecido en varios lugares de Nueva York, San Francisco, Seattle, Londres y otras ciudades. Estas redes generalmente consisten en algunas estaciones base interconectadas, conocidas como puntos de acceso inalámbrico, ubicadas en ventanas y azoteas que brindan conectividad a Internet en espacios públicos. La nueva generación de redes de malla como Roofnet cubre áreas más amplias y son mucho más dinámicas en la forma en que enrutan los datos. Sus nodos no están conectados permanentemente; en cambio, revalúan constantemente los enlaces existentes y forman otros nuevos. Como resultado, los datos siguen caminos mucho más tortuosos para llegar a la Internet fija. Y con decenas o cientos de nodos, algunos de los cuales se unen y abandonan la red de manera aleatoria y, por lo tanto, cambian constantemente su topología, surge un problema difícil: ¿cómo deben enrutarse los datos en estas redes inalámbricas de múltiples saltos? ¿Qué caminos en este laberinto de antenas de ventanas y techos optimizan el flujo de paquetes?
La distancia importa
La mayoría de los protocolos de enrutamiento que proponen ahora los investigadores de redes de malla toman prestada la estrategia de ruta más corta utilizada en la Internet fija. Estos protocolos intentan encontrar la ruta con el menor número de nodos intermedios entre el remitente y el destino. Para Internet por cable, con su topología casi estática y enlaces confiables, este esquema ha funcionado bastante bien: nuestros correos electrónicos saltan de un enrutador a otro y llegan al otro lado del mundo en unos pocos segundos.
Pero resulta que esta estrategia de ruta más corta podría no ser adecuada para enviar paquetes por el aire. En una red inalámbrica, según el grupo MIT, la distancia importa: cuanto más tiempo tenga que viajar la señal, más se degradará. Además, la calidad del enlace entre los nodos varía de manera impredecible debido a fenómenos transitorios como el paso de camiones, la humedad en el aire o una paloma sentada en la antena. El resultado es una cantidad considerable de pérdida de paquetes, errores de transmisión y conexiones que simplemente aparecen y desaparecen a lo largo del día. Un protocolo de enrutamiento que minimiza la cantidad de saltos termina eligiendo distancias más largas para cada salto y, por lo tanto, envía datos a través de enlaces inalámbricos de baja calidad.
El grupo del MIT se dio cuenta de que eran necesarias nuevas estrategias de enrutamiento cuando implementaron una versión inicial de Roofnet la primavera pasada. Intentaron implementar algunos de los protocolos de enrutamiento propuestos discutidos por el Grupo de trabajo de ingeniería de Internet, la organización que rige los estándares técnicos de Internet. Pero si bien estos protocolos funcionan bien en teoría, y generalmente se prueban en simulaciones por computadora o en redes de laboratorio a pequeña escala, no toman en cuenta muchos factores impredecibles involucrados en la comunicación por radio. Los protocolos generalmente asumen, por ejemplo, que cuando un nodo puede detectar uno cercano, puede comunicarse bien con su vecino. Pero eso no siempre es cierto. Los investigadores del MIT y otros grupos han descubierto que muchas veces dos nodos pueden escucharse intercambiando pequeños paquetes de sondas, pero cuando intentan enviar datos reales, la comunicación colapsa debido a un ancho de banda inadecuado. Morris y su grupo decidieron que la mejor manera de desarrollar protocolos de enrutamiento inalámbricos robustos era probarlos con una red real, usuarios reales y tráfico real.
Otros investigadores de redes de malla dicen que el trabajo del MIT representa un avance importante para depurar estos esquemas de enrutamiento. Su trabajo se basa en la construcción de sistemas reales, dice Victor Bahl, investigador senior que dirige el grupo de redes en Microsoft Research en Redmond, WA. La información que obtienes al construir cosas es mucho más de la que obtendrás si solo simulas cosas. Demostrar que tales redes son viables en una implementación real a gran escala, dice, es un paso crucial para atraer más atención de la industria al potencial de la tecnología.
La implementación de una red de este tipo se hizo posible porque la tecnología Wi-Fi se ha vuelto muy barata. Hace unos años, dice Morris, el precio de las tarjetas inalámbricas habría hecho que el proyecto fuera prohibitivamente caro. Cada nodo de Roofnet utiliza una tarjeta de red inalámbrica 802.11b instalada en una PC barata que ejecuta Linux y el software de enrutamiento. Un cable coaxial conecta la tarjeta inalámbrica a una antena omnidireccional. Luego, el usuario conecta la PC al nodo Roofnet. El costo total del equipo para cada nodo es de $ 685.
Para implementar la red rápidamente, el grupo MIT distribuye kits de autoinstalación gratuitos a los estudiantes que desean participar en el proyecto. Para estos estudiantes, hacer que el nodo Roofnet se ejecute es parte de la diversión. Nuestra antena fue instalada por un amigo mío que practica escalada en roca, dice la estudiante graduada Roshan Baliga, que vive en un edificio de dos pisos sin fácil acceso al techo. Subió por un costado del apartamento para llegar al techo, instaló la antena y luego descendió en rápel.
Los estudiantes del MIT están felices de participar en el proyecto, especialmente porque pueden ahorrar algo de dinero. Comparamos una conexión de cable de banda ancha con Roofnet y no pudimos notar la diferencia, así que cancelamos el cable, dice Walt Lin, estudiante de último año del MIT, quien instaló la antena en su techo inclinado.
El camino por delante
Con los estudiantes navegando por la Web, descargando archivos de música y trabajando en conjuntos de problemas en servidores remotos, la red funciona con tráfico real. Ahora Morris y los cuatro estudiantes graduados que trabajan con él a tiempo completo en el proyecto pueden probar diferentes estrategias de enrutamiento que se adaptan mejor al entorno inalámbrico hostil.
Su idea para hacer frente a las interrupciones ambientales impredecibles es averiguar no solo si dos nodos pueden escucharse entre sí, sino también medir qué tan bien pueden comunicarse. En lugar de encontrar la ruta más corta entre dos nodos, sus protocolos intentan encontrar la mejor ruta, aquella en la que los paquetes de datos no se atasquen ni se corrompan en el camino. Esto requiere un seguimiento constante de los enlaces. Aproximadamente una vez por segundo, cada nodo envía un pequeño paquete de difusión de saludo. Todos los demás nodos registran si reciben esta sonda y mantienen un historial de las últimas 10 sondas. Entonces, si, digamos, el nodo A ha enviado 10 sondas y el nodo B recibió 8 y el nodo C recibió 4, entonces el software de enrutamiento sabe que la ruta A-B es mejor que la ruta A-C. Además, cada 15 segundos, cada nodo envía un mensaje de difusión que enumera los nodos que sabe cómo llegar y la calidad del enlace para cada ruta asociada. De esa manera, todos los nodos tienen un mapa de enrutamiento completo y continuamente actualizado de toda la red y conocen las rutas óptimas para comunicarse entre sí.
Al construir Roofnet, los investigadores del MIT encontraron muchas cosas que no esperaban. Por ejemplo, el rango de las antenas y tarjetas 802.11by varía considerablemente. Ahora somos escépticos sobre lo que dicen los fabricantes, dice John Bicket, uno de los estudiantes de posgrado que trabaja en el proyecto. Encontramos nodos que no podían hablar al otro lado de la calle, pero otros podían hablar a medio kilómetro de distancia. La causa puede ser condiciones ambientales locales o incluso múltiples reflejos de la misma señal que se cancelan. Otro fenómeno sorprendente es la falta de simetría en la calidad de transmisión del enlace: no es raro que el nodo A pueda enviar datos al nodo B fácilmente, mientras que el nodo B no puede corresponder. Tales anomalías complican el desarrollo de esquemas de enrutamiento.
Al depurar y ajustar sus esquemas de enrutamiento, los investigadores del MIT esperan poder usarlos en sistemas aún más complicados. Una de esas situaciones sería cuando los nodos no son estáticos en los tejados, sino que se mueven a diferentes velocidades en todas las direcciones, un escenario no muy lejano en el futuro, ya que cada vez más personas llevan asistentes digitales personales y los automóviles comienzan a equiparse con computadoras. Es cuestión de ajustar el protocolo para que pueda manejar la movilidad, dice Sanjit Biswas, otro estudiante involucrado en el proyecto.
En última instancia, Morris dice que el grupo planea lanzar el software de enrutamiento Roofnet como un programa de código abierto de descarga gratuita. Eso significa que cualquier persona con una computadora y una tarjeta Wi-Fi podría instalar el software de enrutamiento y convertirse en un nodo de la red. Otras personas en otras áreas también podrían descargar el software y crear sus propias redes comunitarias en la azotea.
Por supuesto, aún quedan muchos problemas por resolver. Primero, el MIT no puede proporcionar acceso a Internet a afiliados que no pertenecen al MIT; por lo tanto, la red tendría que encontrar otras puertas de enlace a la Internet fija. Pero eso plantea otro problema complicado: la mayoría de los proveedores de servicios de Internet no quieren que sus usuarios compartan su ancho de banda. Además, la tecnología de redes comunitarias debe garantizar un cierto nivel de seguridad y privacidad. Dado que los usuarios literalmente envían sus datos a través del aire, a través de los nodos de otras personas, probablemente será necesario algún tipo de cifrado para evitar escuchas. También es necesario garantizar un uso justo y equilibrado del sistema, para evitar que un solo usuario absorba todo el ancho de banda y atasque la red. Finalmente, el sistema debe ser lo suficientemente robusto para resistir algunos problemas más pragmáticos, como cuando se forma nieve en las antenas.
Cuando llegue el día, ¿qué pasará? Una vez más, el grupo del MIT quiere aprender haciendo. Ya veremos, dice Morris.