Sítě snášející zpoždění i výpadky

Dnešní sítě se musí často vypořádávat s neblahým dopadem zpoždění paketů a zajistit jejich průchod sítí bez nežádoucího dopadu na kvalitu vnímání uživatele především interaktivních aplikací jako VoIP nebo IPTV. Pokud se ke zpoždění přidají ještě výpadky v síti, pak je potřeba tzv. delay tolerant network.

Koncept DTN (Delay / Disruption Tolerant Network), sítě snášející zpoždění, obecněji výpadky spojů a uzlů, nevznikl včera; jeho stopy nalezneme již na konci druhého tisíciletí. Nicméně je to síťový princip, o němž se mnoho neví – je stále ve fázi zkoumání a vývoje -, ale může znamenat poměrně značný průlom do síťování vskutku budoucí generace, v senzorových i vesmírných sítích.

Zpoždění v sítích

Každá síť se méně nebo více musí vypořádávat se zpožděním, spojeným nejen s vlastním fyzickým přenosem signálu. Nejmodernější optické sítě se sice chlubí minimálním zpožděním na multigigabitových spojích se zpracováním signálu rychlostí blesku („téměř“ rychlostí světla), jenže ty nejenže zatím nejsou pro každého, ale především se nehodí do všech prostředí a na všechny aplikace. Jejich do značné míry protikladem jsou sítě bezdrátové, přátelské nejen k mobilitě, ale celkově jednodušší instalaci.

Právě bezdrátové sítě jsou mnohem náchylnější ke zpoždění (problém typický nejen pro satelitní sítě), protože vyjma optických bezdrátových spojů jsou u nich gigabitové rychlosti zatím v nedohlednu a navíc se potýkají mnohem častěji s výpadky způsobenými kolísáním kvality signálu v závislosti na prostředí a dalších faktorech, což s sebou nese výrazně vyšší chybovost a ztráty paketů.

V běžných bezdrátových komunikačních sítích se klade důraz na dobré pokrytí ve slibovaném dosahu silným signálem a na maximální zamezení výpadků. Nicméně bezdrátové sítě mají své kouzlo nejen v pohodlí uživatelů, ale také v tom, že je lze ve formě senzorových sítí nasadit do velice různorodých podmínek. Tato prostředí jsou mnohdy jak nevhodná pro pohodlný život, tak také nepříznivá pro dlouhou životnost a spolehlivost malých bezdrátových uzlů a pro kvalitní přenosy signálu. Přitom se může jednat o sítě, na něž je z hlediska spolehlivosti kladen nejvyšší požadavek (např. snímače teploty, obsahu nebezpečných částic, požární čidla). Pak je třeba něco udělat pro to, aby se vypořádaly s výpadky i se souvisejícím zpožděním paketů.

Pryč s požadavkem koncové konektivity

Tradiční IP sítě spoléhají na cesty od zdroje k cíli pro (obecně nezávislé) přepojování paketů. Pokud se nalezne přenosová cesta, lze předpokládat stabilitu topologie („eventual stability”), tedy existenci této cesty i nadále. Navíc mnoho aplikací vyžaduje skutečně spolehlivý přenos, s využitím protokolu TCP založeného na potvrzování paketů, takže existence cesty mezi zdrojem a cílem je klíčová (pro další informace viz tutoriál [PDF, 638 kB] podrobněji porovnávající klasickou architekturu TCP/IP s návrhem DTN z roku 2003).

V bezdrátových sítích ale z důvodů počasí, terénu, změn provozu, pohybu uzlů či jejich výpadku není zrovna snadné zajistit (stejnou) koncovou cestu sítí, což může zastavit přenos signálu k cíli. Právě DTN umožňuje poslat data směrem k cíli, i když neexistuje kompletní cesta k němu, v dynamicky se měnícím prostředí.

Základním prvkem DTN je schopnost využít pro komunikaci třeba jen občas dostupné spoje. Heslem je „eventual connectivity” a realizace se odehrává v překryvné síti (i nad Internetem) propojující regionální sítě. DTN se stará o zvládnutí zpoždění nejen mezi různorodými regionálními sítěmi, ale i o zpoždění vzniklé v rámci jednotlivých sítí. Prostředkem je organizování přenášených aplikačních dat do shluků (bundle) namísto tradičních paketů. Shluky jsou proměnné délky a jejich jmenná struktura je obecnější než IP adresa, protože je založená na URI (Universal Resource Identifier). Shluková vrstva představuje překryvnou vrstvu umístěnou mezi transportní a aplikační vrstvou TCP/IP (viz obrázek).

DTN bundle arch

Obrázek: Překryvná architektura (zdroj: When TCP Breaks: Delay- and Disruption-Tolerant Networking)

Přenos probíhá prostřednictvím inteligentních kustodů (custodians), doplňujících tradiční směrovače (v rámci regionálních sítí) a brány (mezi regionálními sítěmi) a zodpovědných za předávání shluků po cestě k cíli. Základem komunikace je starý dobrý střadačový systém (store-and-forward), který se uplatní i pro uložení dat pro momentálně nedostupný uzel.

Pro přenos se mohou (někdy musí) volit netradiční způsoby, jako např. prostřednictvím nepilotovaného vzdušného stroje v případě jinak nepřekonatelné překážky nebo při nepřátelské hrozbě (typicky v případě vojenských operací). Ve výsledku taková síť plní svoje funkce i za rychle se měnících a nepředvídatelných okolností, v nichž je velmi obtížné zajistit komunikaci, která je ovšem kriticky důležitá.

Kdo za DTN stojí

Vývoj technického řešení sítí, které snese jak zpoždění, tak výpadky, podporuje řada projektů. Asi nevýznamnější z nich je Disruption Tolerant Networking Program americké agentury Ministerstva obrany DARPA (Department of Defense's Defense Advanced Research Projects Agency) ve spolupráci s BBN Technologies, tedy organizací významných pro zrod stávajícího Internetu. Program nevznikl sám o sobě, má svůj základ v práci skupiny IRTF (Internet Engineering Task Force), dříve věnované interplanetárnímu Internetu (Interplanetary Internet Research Group), dnes známé pod označením Delay Tolerant Networking Research Group. Ryze vesmírným účelům se nadále věnuje InterPlaNet SIG.

Koncept DTN tedy primárně vznikl pro účely vojenské, vesmírné (interplanetární síť) a podvodní (akustická síť – sonarová nebo ultrazvuková), a také pohotovostní (v případě katastrof), nicméně mnohé senzorové sítě v nejrůznějších prostředích koncept mohou uplatnit stejně dobře i pro veskrze civilní účely. Prazákladem DTN v bezdrátových sítích (před rokem 2000) byla senzorová technologie WiNE [DOC, 159 kB] (Wireless Network Environment), vzniklá ve vojenském akademickém prostředí. WiNE v případě hrozícího výpadku spoje v síti WiFi (IEEE 802.11) spojení převede na jiný funkční spoj. Tenkrát ovšem ještě nebylo z čeho vybírat pro přepojení komunikace: dnes je k dispozici celá plejáda alternativních moderních bezdrátových technologií jako Bluetooth či ZigBee.

Práce na specifikacích DTN pokračuje pod záštitou IETF, kde vzniklo již několik Internet drafts: Delay-Tolerant Network Architecture; Delay-Tolerant Networking Security Overview; Bundle Protocol Specification; Bundle Security Protocol Specification; Delay-Tolerant Networking Custodial Multicast Extensions; Delay-Tolerant Networking Bundle-in-Bundle Encapsulation; Delay-Tolerant Networking Previous Hop Insertion Block. Kromě shlukového protokolu vznikly i další možnosti řešení DTN, především LTP (Licklider Transmission Protocol).

Zatím DTN nedospělo do stádia ani informačních, ani experimentálních RFC (Request for Comments), natož de facto normy, ale základ je již celkem prověřen nejen širší shodou nad řešením, ale i výsledky experimentů. Zůstává vyřešit otázky kolem provozní režie na shlukové vrstvě a objemu paměti potřebné pro uložení shluku dat, což může být problém u miniaturních senzorů.

Na březnovém zasedání IETF se DTN věnovala patřičná pozornost, kde se BBN pochlubilo svými výsledky DTN shlukového protokolu (prezentace projektu SPINDLE): v sítích s pouhopouhou 20procentní dostupností (připomeňme, že dnes chceme od klasických sítí 99,999procentní a takových 99,9 procenta se pak může zdát za normálních okolností jako katastrofa) se podařilo přenést stoprocentně celkem 264 shluků během 40 minut (i bez existence koncové cesty, s využitím sítě stanoveným na maximum 80 procent). Nevypadá to možná jako závratná rychlost, ale spolehlivost v tomto případě vyhrává na celé čáře. Základní koncová síťová topologie není totiž schopna data přenést ani po jedné hodině.

Výše zmíněná společnost BBN se vývoji DTN věnuje nejen pro vojenské, ale i pro komerční účely, takže nitky se pěkně spojují a může vzniknout něco opravdu zajímavého, ne-li revolučního. Pracuje se na hybridních směrovacích protokolech, schopných pracovat jak v prostředí koncové stability (klasické IP sítě), tak v prostředí DTN, podle potřeb. Mezi příklady využití DTN nalezneme tzv. Zebranet [PPT, 239 kB], sítě pro sledování zeber v přírodě vzniklé na půdě Bernské univerzity, nebo senzorovou síť pro monitorování kvality vody zkoumané pro změnu na Trinity College Dublin.

EBF16

DTN jako základ budoucího Internetu?

Předznamenává DTN řešení Internetu nové generace? Ne tak docela, alespoň ne sám o sobě. Kromě DTN se zkoumá a vyvíjí celá řada dalších technologických novinek pro rychlejší, spolehlivější a celkově robustnější internetovou architekturu, která by měla plně vyhovovat potřebám síťových uživatelů v budoucnu (i když hodila by se již dnes). DTN tedy nemá ambice nahradit starou dobrou architekturu TCP/IP.

I když bychom se mohli (zatím) pousmát nad významem aplikace DTN pro interplanetární Internet, vážnější bychom měli být při sledování slibně rostoucího významu senzorových (ad hoc) sítí a uplatnění miniaturních bezdrátových uzlů v tzv. Internetu věcí. Právě pro ně je DTN ušité vskutku na míru, a pokud půjde vývoj stejným tempem a směrem kupředu, bude princip síťování tolerantního ke zpoždění a k výpadkům komunikace mezi uzly opravdu základem Internetu, jak jej ještě neznáme, schopného čelit neobvyklým, opravdovým komunikačním výzvám.

Anketa

Už jste slyšeli o DTN?

7 názorů Vstoupit do diskuse
poslední názor přidán 26. 8. 2006 0:24

Školení: Jak na firemní Facebook prakticky

  •  
    Jak efektivně propojit Facebook s webem.
  • Jak vše měřit a vyhodnocovat.
  • Jak řešit krizové situace.

Detailní informace o školení Facebooku »