В век коммуникационных устройств, социальных сетей и прочих сервисов сообщение на расстоянии и мгновенный обмен информацией кажутся чем-то само собой разумеющимися. Однако возможность оставаться на связи именно в те моменты, когда коммуникационная инфраструктура оказывается нарушенной, приобретает особое значение. Например, на Гаити после недавнего катастрофического землетрясения главным средством связи оказались спутниковые телефоны, предоставленные службами помощи. Но парализовать инфраструктуру сотовой связи могут не только масштабные природные катаклизмы — даже банальное отключение электропитания способны превратить наши мобильные устройства в бесполезные игрушки. В подобных случаях все более привлекательным вариантом становится создание беспроводной самоорганизующейся (или динамической, или ad hoc) сети. Такая структура формирует сама себя всякий раз, когда специально запрограммированные мобильные телефоны или иные устройства связи оказываются в пределах прямого доступа. Каждое из них выполняет в динамической сети функции и передатчика, и приемника, а также, что очень важно, служит ретрансляционным пунктом для всех ближайших приспособлений. Устройства, расстояние между которыми превышает дальность прямой связи, могут поддерживать связь между собой, если им готовы помочь другие приспособления, находящиеся между ними, передавая сообщения по цепочке, как ведра при пожаре. Иными словами, каждый узел в сети служит и коммуникатором для собственных сообщений, и элементом инфраструктуры для сообщений других узлов. Помощь при бедствиях — лишь одна из возможных функций самоорганизующихся сетей. Они будут полезны везде, где создание стационарной базы будет слишком долгим, трудным или дорогим. Военные вложили большие деньги в разработку самоорганизующихся систем для применения на поле боя. Динамические сети в вашем доме позволят бытовым приборам находить друг друга и устанавливать связи между собой, избавив от необходимости протягивать провода в спальню или кабинет. Удаленные поселения и малообеспеченные соседи могли бы через беспроводные ad hoc сети получить широкополосный доступ в Интернет. Ученые, исследующие экологические микросреды на верхушках деревьев или гидротермальные источники на дне океана, смогли бы размещать датчики в исследуемых точках, не заботясь о том, будут ли они «слышать» друг друга, или о том, как информация попадет в их компьютер. Разработка таких сетей ведется уже больше трех десятилетий, но лишь в последние годы успехи теории сетей привели к созданию первых рабочих крупномасштабных систем. В Сан-Франциско новая компания Meraki Network подключила 400 тыс. жителей города к Интернету через свою систему Free the Net, созданную на основе технологии беспроводных самоорганизующихся сетей. Компоненты Bluetooth в сотовых телефонах, компьютерные игровые системы и ноутбуки обеспечивают связь между собой без проводных соединений или специального конфигурирования при помощи технологий динамических сетей. Самоорганизующиеся сети развернуты в ряде удаленных или неблагоприятных мест для сбора информации от маломощных беспроводных датчиков. Для того чтобы подобные сети получили широкое распространение, требуется еще ряд технических прорывов, но на нескольких направлениях успехи уже достигнуты.
Сотовая сеть Беспроводные самоорганизующиеся сети пока еще редко встречаются. Чтобы понять причину их медленного внедрения, полезно рассмотреть различия между такими новыми технологиями, как сотовые телефоны и Wi-Fi. Когда вы звоните другу по мобильнику, в беспроводной связи задействован только каждый из соединяемых телефонов и ближайшая к нему вышка сотовой связи (базовая станция). Вышки неподвижны и связаны между собой обширной сетью проводов и кабелей. В беспроводных локальных сетях, в частности Wi-Fi, также используются неподвижные антенны и проводные соединения. Такой подход имеет как достоинства, так и недостатки. Для передачи информации необходима энергия, и в классических беспроводных сетях она запасается в аккумуляторах мобильных устройств (например, телефонов и ноутбуков), а максимально возможная часть коммуникационной нагрузки возлагается на стационарную инфраструктуру, питаемую от электросети. Ширина беспроводной полосы — также фиксированный и ограниченный ресурс. В традиционных беспроводных сетях ширина полосы экономится за счет передачи большей части информации по проводным каналам. Использование стационарной инфраструктуры позволяет создавать большие и наиболее надежные телефонные и WiFi-коммуникационные ресурсы в областях, где потребность в них наиболее велика. Однако использование фиксированной инфраструктуры делает эти сети уязвимыми: их работа нарушается в случае отключения электропитания и других сбоев даже при исправности отдельных телефонов и других мобильных устройств в зоне действия сети. Надежность динамических сетей намного выше. Если один мобильный прибор отключается, остальные видоизменяют сеть таким образом, чтобы в возможно большей степени компенсировать выбывший элемент. С подключением и отключением устройств сеть подстраивается и «вылечивается» сама. Но такая перенастройка не дается даром. Сеть должна передавать информацию таким образом, чтобы сообщение могло быть реконструировано даже в том случае, если в ходе передачи послания какие-то звенья цепи связи между отправителем и адресатом прекратят работу. Система должна определять оптимальный путь доставки сообщения адресату даже при условии, что отправляющее устройство не имеет возможности определить местонахождение адресата. Кроме того, сеть должна справляться с неизбежными шумами от множества устройств, одновременно передающих сообщения. Самоорганизующиеся беспроводные сети (часть 2) Стратегии доставки Трудности при решении проблем эффективной маршрутизации информации через постоянно изменяющуюся сеть возникают по нескольким причинам. В традиционной сотовой или иной беспроводной сети базовые станции отслеживают приблизительное местоположение отдельных устройств. Это позволяет им принять сообщение от отправителя и отослать его прямо адресату. Коммуникационным устройствам динамической сети приходится самим определять лучший способ доставки информации. Отдельные приборы имеют ограниченные вычислительные ресурсы, память и возможности связи, поэтому ни одно подобное устройство не способно ни собрать, ни обработать всю информацию. В традиционных беспроводных сетях такие функции выполняет центральный компьютер. Ситуацию можно проиллюстрировать следующим образом: представьте, что вы находитесь в мегаполисе, например в Лондоне, и вам нужно связаться с другом, который находится где-то на другом конце города. Допустим, в этом воображаемом мире элементы коммуникационной инфраструктуры смонтированы на крышах автомобилей-такси. Дальность прямой связи приемника на каждой такой машине не превышает мили (1,6 км), а движутся такси гораздо медленнее, чем передается информация, поэтому для доставки вашего сообщения они должны работать совместно. Пока такси протискиваются через город, приемники на близко расположенных машинах связываются между собой, а затем разъединяются на непредсказуемое время. Ваш вызов должен проскакать через город по этой постоянно изменяющейся сети, найти вашего друга и передать ему информацию. Задача сложна даже для единичного сообщения, передаваемого через небольшую сеть.С увеличением числа устройств и передаваемых сообщений она намного усложняется. Чтобы технологию можно было внедрять, она должна быть эффективной, т.е. работать независимо от того, насколько большой или маленькой становится сеть. Для решения этой задачи разрабатывается ряд методов. В их основе лежит множество направлений передачи запроса. Один приемник связывается со своими соседями, чтобы выяснить, какие из них находятся поблизости. Последние опрашивают своих соседей и т.д., пока сообщение не достигнет адресата. Ответ может следовать обратно по тому же пути, а может изыскать и другой маршрут. Таким образом, каждое промежуточное устройство создает свой перечень возможных путей передачи информации между отправителем и получателем. Эти перечни позволяют вашему сообщению дойти до вашего друга даже в том случае, когда ваше устройство не имеет сведений о его местоположении. Поскольку сеть находится в движении, устройства должны постоянно повторять этот процесс, чтобы перечни возможных путей не устаревали. Полезно также передавать информацию одновременно по нескольким путям, что увеличивает вероятность того, что она дойдет до адресата. Вопрос в том, насколько избыточной должна быть подобная система. С одной стороны, сообщение может передаваться по каждому из возможных путей целиком. Но в таком случае сеть очень скоро окажется перегруженной. Альтернативный вариант — когда информация разбивается на поток блоков данных, каждый из которых отправляется по своему пути. Такой подход позволяет обойтись меньшим количеством сетевых ресурсов, но по дороге некоторые биты могут быть потеряны, и адресат получит лишь часть сообщения. Метод сетевого кодирования имеет промежуточные характеристики. Он также основан на разбиении сообщения на блоки, но каждый блок передается вместе с некой информацией о нем, и вся эта метаинформация отправляется по нескольким путям таким образом, что на финальном этапе сообщение может быть реконструировано получателем даже в случае утери некоторых блоков. Один из аспектов сетевого кодирования — выбор числа путей, по которым передается сообщение. При этом уменьшается влияние отказа каждого из путей, но увеличивается число устройств, участвующих в одном соединении. Эта стратегия распределяет нагрузку соединения по большему числу участников, уменьшая потребление мощности каждым из них, но требует большей координации. С увеличением числа устройств, начинающих передачу — не важно, для обеспечения одного или нескольких разговоров, — растет и вероятность возникновения перекрестных помех. Так же, как трудно что-то понять, когда много людей говорят одновременно, и беспроводному устройству трудно выделить передаваемую информацию, когда поблизости идут другие передачи. В самоорганизующихся беспроводных сетях такие проблемы особенно сложны, поскольку нет центрального контроллера, который координировал бы работу. Есть два пути борьбы с перекрестными помехами в беспроводных сетях. Первый состоит в том, чтобы предотвращать конфликты. Если передачи редки, вероятность взаимных помех между сообщениями мала. При использовании этой стратегии каждое устройство разбивает информацию на короткие части, которые передает небольшими пакетами. Поскольку вероятность того, что некоординируемые ближайшие соседи будут вести передачи в это же время, мала, то меньше и перекрестных помех, чем в случае, если бы пользователи передавали всю информацию медленным непрерывным потоком (на таком подходе основаны большинство стандартов беспроводных сетей, связывающих между собой персональные компьютеры). Вторая стратегия позволяет двум передатчикам посылать информацию приемнику одновременно, но требует, чтобы один из них вел передачу менее «громко», чем другой. Если вы говорите громко, а другой человек шепчет, я обычно легко могу понять, что вы говорите. Если же у меня есть запись «разговора», я могу впоследствии вычесть ваше сообщение, чтобы реконструировать более слабое. Второй подход хорошо себя зарекомендовал для сети с двумя передатчиками, посылающими сообщения, и третьим устройством, которое их принимает. С увеличением числа передатчиков сложности быстро возрастают. Система должна как-то регулировать, кто должен «говорить» громко, а кто тихо. Сам процесс координации требует организации связи, и чем больше усилий уделяется координации, тем меньшей становится ширина полосы для передачи сообщений. Именно поиск наилучшего возможного решения и представляет собой цель продолжающихся исследований.
Новые инструменты Хотя динамические сети могут найти применение во многих областях, точно оценить, насколько полезными они могут быть, трудно. Даже на простые вопросы о пределах их возможностей ответить нелегко. Какова будет скорость передачи информации? Как она зависит от числа устройств в сети и, соответственно, от масштаба перекрестных помех? Что будет в случае, когда все устройства сети находятся в движении? И какими могут быть компромиссы между скоростью передачи информации, задержками ее доставки и надежностью системы? Выявление предельных характеристик для самоорганизующихся сетей — первоочередная задача. Такие знания позволят разработчикам применить новые методы в создаваемых проектах, а исследователям — определить, как наилучшим образом модифицировать существующие сети. Кроме того, разработчики смогут решать, какой из показателей — скорость передачи, задержки или вероятность потерь — считать наиболее важным в каждом случае. Например, для телефонных разговоров и телеконференций очень важно минимизировать задержки. Большие промедления или несогласованное прибытие пакетов могут вызывать паузы или остановки в передаче аудиои видеоинформации, что очень затруднит разговор. Поняв структуру конкретной создаваемой сети, разработчики смогут запрограммировать каждое устройство на приоритизацию его потребностей — малые задержки в телефонных разговорах и малый процент потерь пакетов при пересылке важных документов. В случае постоянно изменяющихся самоорганизующихся сетей такого понимания добиться трудно. Чтобы понять пределы их возможностей, недостаточно определить показатели работы сети в данный момент: нужно определить, как она будет работать в каждой возможной конфигурации. Для решения этой проблемы мы применили новый подход: «проецирование» сетей ad hoc на нечто, известное нам гораздо лучше, т.е. на обычные проводные сети. Специалисты в области информационных технологий более чем за шесть десятилетий сумели накопить солидный багаж в этой области. В таких сетях перекрестные помехи отсутствуют, а узлы не движутся. Чтобы изучить некую беспроводную сеть, прежде всего необходимо создать ее модель на базе проводной сети, обладающей некоторыми общими с ней важными характеристиками поведения. Это позволит найти пределы рабочих характеристик сети ad hoc. Такой подход позволит создавать более совершенные сети, поскольку мы можем понять последствия выбора того или иного решения, а также определить, где наши сегодняшние подходы работают хорошо, а где нужно изыскивать альтернативные пути. Даже располагая соответствующим инструментарием, мы не ожидаем, что динамические беспроводные сети заменят существующую сотовую инфраструктуру. Однако в уникальных ситуациях этот инструментарий позволит нам понять, насколько эффективной может быть сеть, причем именно тогда, когда она нужнее всего.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ■ Динамические (или самоорганизующиеся, или ad hoc) беспроводные сети не требуют стационарной инфраструктуры. Информация в них передается непосредственно от устройства к устройству, при этом образуется паутина соединений. ■ Такие сети можно использовать в местах, где создание технической базы традиционных беспроводных сетей слишком затруднено или дорого, например в отдаленных районах или зонах боевых действий. ■ Поскольку любая такая сеть постоянно изменяется, для предотвращения потери данных и уменьшения перекрестных помех необходимо применять новаторские стратегии.
ОБ АВТОРАХ Андреа Голдсмит (Andrea Goldsmith), Мюриел Медар (Muriel Medard) и Мишель Эффрос (Michelle Effros) — давние друзья и сотрудники. Голдсмит — профессор электротехники в Стэнфордском университете и соучредитель компании Quantenna Сommunications, разрабатывающей технологии беспроводных сетей, Медар — преподаватель факультета электротехники и информатики Массачусетсского технологического института, Эффрос — профессор электротехники в Калифорнийском технологическом университете.
