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如何建立低科技互联网

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原文链接:How to Build a Low-tech Internet
作者:Kris De Decker,授权翻译成中文


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在现代消费社会和飞速发展的世界中,通过无线网络访问互联网的趋势正在逐渐上升。然而对于无线网络而言,不同的国家关注的重点却不同。在比较发达国家中,人们需要的是不中断的网络连接和更快的访问速度。而在贫穷国家,访问互联网却往往需要依靠像异步网络这样的低技术实现。

当高技术使互联网的使用成本和能源的消耗变得越来越高的同时,低技术却能够通过与可再生能源结合,使互联网既能够抵抗中断,而且成本低廉还节约能源。

如果我们希望互联网能在资源短缺时保持工作,那么就需要从可替代网络技术中吸收一些经验。最重要的一点是,这没有必要依靠政府或者企业来推动:如果我们能够相互合作,就可以建立起自己的弹性通信设施。

在现代消费社会和飞速发展的世界中,通过无线网络访问互联网的趋势正在逐渐上升。然而对于无线网络而言,不同的国家关注的重点却不同。在富有的国家中,人们需要的是不中断的网络连接和更快的访问速度。而在贫穷国家,访问互联网却往往需要依靠像异步网络这样的低技术实现。

当高技术使互联网的使用成本和能源的消耗变得越来越高的同时,低技术却能够通过与可再生能源结合,使互联网既能够抵抗中断,而且成本低廉还节约能源。

如果我们希望互联网能在资源短缺时保持工作,那么就需要从可替代网络技术中吸收一些经验。最重要的一点是,这没有必要依靠政府或者企业来推动:如果我们能够相互合作,就可以建立起自己的弹性通信设施。

全世界很多人都不会去访问“世界范围”的互联网。目前来讲,互联网仍然只是一种城市现象,特别是在“发展中”国家。电信公司往往因为基础设施成本过高,人口密度过低,用户支付能力有限以及电力等基础设施不可靠等原因,而不愿意向城市之外延长网络。即使在“发达”国家的偏远地区,人们也不是总能够连接到互联网。

像Facebook和谷歌这样的互联网公司也经常会因为将这些偏远地区连接入互联网的计划而登上头条新闻。为了实现这样的目标,Facebook尝试使用无人机,而谷歌则选择使用高空气球。这些计划中存在重大的技术挑战,但是其商业目的使他们饱受批评。很显然,谷歌和Facebook都希望更多的人能够连接到互联网,因为这样能够增加他们的收入。特别是Facebook,他们因为推广自己的网站却阻塞很多其他网络应用而备受批评。

与此同时,几个研究团队和一些网络爱好者已经开发实现了成本低廉的可替代网络技术。这些低技术互联网已经证明了自己的价值,但是却只得到了极少的关注。

与互联网公司的项目不同,这些项目都是由小型组织或者是用户创建的。这保证了网络的开放性,使得所有用户而不是少数的几个企业受益。与此同时这些低科技互联网都十分节能。


WiFi为基础的远距离互联网

大多数的低科技互联网都是基于WiFi网络的,这种技术可以使大多数的西方家庭移动接入互联网。而共享网络设备能够为人口众多的城市提供免费的移动网络,这项技术在人烟稀少的地区也同样有用。尽管WiFi标准是为了短距离数据通信开发的(通常距离大约30米),但是其覆盖范围却能够通过修改媒体访问控(MAC)层网络协议,或者通过使用范围扩大器和定向天线而得到扩展。

最长的增强WiFi链路是一个几年前建立的,在委内瑞拉的Pico El Águila和Platillón之间的384km无线点对点连接。WiFi为基础的远距离互联网通常是由一些点到点的短连接构成的,每个连接都在几公里到至多一百公里之间。这些连接结合在一起就能够组成更大的,并且能多次反射的网络。远距离WiFi网络其主干的点到点连接方式就是由它和全方向天线(将信号分发给社区中的个人家庭或者公共机构)相结合的形成的。

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远距离WiFi连接需要可视通路才能建立——从这个意义上,这种技术就像18世纪的光学电报一样。如果两点之间没有可视通路,就必须要有一个同时在两个点可视范围内的转发器,这样的话,信号将会被首先发送到这个转发器,并且通过转发器进行中转。根据地形和特殊的障碍物的存在,或许会需要更多的转发器。

点对点的连接通常是由两个定向天线构成的,其中一个负责网络中下一个结点,而另一个则负责前一个结点。每个结点可以拥有多个天线,并且每个天线都以点对点的方式固定地连接到每一个相邻结点。这允许网格路由协议能够在可用的路由中进行选择。

分布式结点通常有一个区段天线(就像移动手机天线的缩小版本)或者传统的WiFi路由器,再在社区中加上一定数量的接收器。对于短距离的WiFi通信,并不需要传输端和接收端的可视通路。

为了使世界范围内的用户都能访问互联网,一个远距离的WiFi网络应该通过至少一个“网关结点”连接到互联网的主干。这可能是一个拨号连接或者宽带连接(DSL,光纤或者卫星)。如果没有建立这样的一个连接,用户仍然能够在本地服务器上通过网络设置而实现相互通信,但是他们将不能访问互联网。

远距离WiFi网络的优点

远距离WiFi提供高速带宽(最高54Mbps)并且成本低廉。由于WiFi标准被广泛接受,所以很容易就可以买到现成的天线和无线网卡。另外,也可以从废旧的材料,比如路由器、卫星天线和笔记本电脑中找到各种器件。就算是一台主频266MHz只有128MB的内存的处理器的旧电脑也可以正常运行WiLDNet协议。

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WiFi结点网络是轻量级的,不需要昂贵的信号塔——这将进一步节约成本,并且极大地降低了对将要构建的结构的影响。现在,结合了天线的独立单元器件,无线网卡和处理器都可以很容易找到和安装。建立信号中转器时,可以简单地通过将其与传输信息和提供电力的以太网电缆连接在一起。如果负荷很小,这些元器件甚至可以安装在塔上或者是细桅杆上。远距离WiFi器件的提供商有很多,比如:Ubiquity, Alvarion and MikroTik和simpleWiFi。

因为远距离WiFi网络要求功率低,所以它的运营成本也很低。一般来说安装一个天线只需要消耗大约30瓦特。在某些低科技互联网上,结点完全由太阳能板和电池提供能源。远距离WiFi的另一个重要的优点是它使用了没有授权的频谱(2.4和5GHz),从而避免了与电信运营商以及政府进行谈判。这在增加了成本优势的同时将允许任何人使用WiFi为基础的远距离网络。

贫穷国家的远距离WiFi网络

第一个远距离WiFi网络是在10到15年前建立的。在贫穷国家,目前已经有两种主要类型的远距离WiFi网络得到应用。

第一种网络是为居住在偏远村庄的居民提供网络接入。一个例子是印度的 Akshaya网络, Akshaya网络覆盖了整个喀拉拉邦,并且是世界上最大的无线网络之一。网络基础设施是围绕着大约2500个对当地居民开放的“计算机中心”建设的。

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另一个例子,也是在印度,是为在偏远地区和困难地区的六个州的大约20,000用户提供了互联网接入Air Jaldi网络。这个网络中的大多数结点是使用太阳能的,并且结点间的距离可以达到50km或者更远。在一些非洲国家,当地的WiFi网络可以从卫星网关提供互联网接入。

贫困国家的第二种类型的远距离WiFi网络旨在为偏远的地区提供远程医疗。在偏远地区,医疗是依靠的是当地卫生站提供的简陋的设施和基本上没有受过正规培训的医护人员。远距离WiFi网络能将这些偏远的卫生站与城市的医院连接起来,这样医生便可以通过高分辨率文件传输工具和实时语音视频联络工具提供远程医疗支持。

这样的一个例子是2007年建立在秘鲁的Cabo Pantoja和 Loreto 的 Iquitos之间的连接。这条长达450km的网络是由17个相距16至50公里的传输塔连接成的。这条链路就是用于远程医疗,它将15个偏远乡村的医疗站与位于Iquitos的中心医院连接在了一起。并且这条线路上的所有设备都是由太阳能电池板供电的。其他应用远距离WiFi医疗网络的成功例子还存在于印度,马拉维和加纳。

欧洲基于WiFi的社区网络

贫穷地区的低技术网络是由非政府组织,政府,大学或者企业建立的。与此不同的是,大多数富有国家的偏远地区的远距离网络是所谓的“社区网络”:即由用户自己创建和维护的远距离网络。与城市中共享的无线网络相似,资源共享机制形成了这些网络的基础(免费),只要他们的结点允许其他的成员进行数据交互。每个结点都充当了提供IP转发服务和面向所有用户的数据连接以及结点接入的WiFi路由设备。

社区网络往往没有预先的总体规划,其规模往往会随着用户数量的增加而扩大。一个社区网络的发展是自下而上的,是由用户的需求驱动的,通过结点和连接被不断添加或者升级来满足需求。唯一需要考虑的就是如何将一个新加入的结点与已经存在的结点进行连接。只要一个结点启动了,它就会搜索它的相连结点,并且分配得到一个唯一的IP地址,之后在考虑到连接的质量的前提下与网络中其余的部分建立最合适路由连接。社区网络是为每一个成员开放的,当然有些时候要取决于开放对等协议。

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虽然缺乏可靠的数据统计,但是社区网络已经相当成功了,位于欧洲已经有多个大型的社区网络比如Guifi.net(西班牙),Athens Wireless Metropolitan Network (希腊),FunkFeuer(奥地利)和Freifunk(德国)。西班牙的网络是世界上最大的基于WiFi的网络,虽然只有一小部分是使用的光纤,但是其连接还是长达50,000公里。其大部分位于Catalan Pyrenees——西班牙人口最密集的地区之一。自从2004年建立以来,该网络的结点数到2012年已经达到了17,000个,而现在已经接近了30,000个。

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Guifi.net为个人、公司、政府和大学提供互联网服务。虽然有志愿者团队以及商业安装方会提供帮助,但是原则上,这样的网络是由用户进行安装,管理和维护的。一些结点和主干网络已经成功地通过网络的受益者们以众筹的方式得到了升级。

低科技网络性能

低科技网络的性能又怎么样呢?你能使用它们做什么呢?每个用户的可用带宽可能因为网关结点的带宽和用户的数量,以及其他影响因素而相差很大。针对贫困国家的远程医疗的用户数量少和传输质量良好的远距离WiFi网络能拥有高速带宽(大于40Mbps)。这使得它们与发展中国家的光纤通信拥有差不多的性能。而对拥有数十个网关结点和成千上万的用户的Guifi.net社区网络的研究显示,这样的网络平均数据收发量为2Mbps,这却堪比缓慢的DSL连接。

在将网络资源分配给发展中国家的用户群体时,低科技互联网将会遇到更多的带宽限制。比如,位于喀拉拉邦(印度)的一个大学校园中,750kbps的网络需要为被3,000名师生使用的400台机器提供服务,特别是在高峰时刻,每台机器都会占用网络资源。因此,最坏的情况是每台机器可用带宽是仅仅大约1.9kbps,其缓慢程度甚至可以与拨号连接相当。但是与设置在贫穷国家的典型乡村网络相比,这却可以看成为很好的连接。更糟糕的是,即便是这样的网络还需要面对时断时续的电力供应。

在这种情况下,即使是最寻常的网络应用程序的性能也会非常糟糕,甚至根本就无法工作。互联网的通信模型是基于一组称为TCP/IP协议族的网络假设。这些网络假设包括了资源(比方说网络服务器)和目标(用户电脑)之间的双向的端到端的路径,短的往返延迟,和低错误率。但是许多贫困国家的低科技互联网却不能保证上述条件。这些国家的互联网的连接往往断断续续,不仅缺乏资源和目的地之间端到端的连接,还存在长时间延迟以及非常高的错误率。

可容忍延迟的网络

其实,即使在上述的情况下,互联网仍然可以完美工作。这些技术问题能够通过远离传统的网络不中断的模型而得到解决,并且也不是通过基于异步通信和间断连接的网络设计。这些被称为“可容忍延迟的网络”(DTNs)拥有自己独有的覆盖了低层协议的一些协议,并且不需要实现TCP协议。它们解决了网络连接的中断问题和使用存储转发机制传输信息的较长延迟问题。

信息将会被存储在结点的存储区内,之后沿着一条路径转发到另一个结点的存储区,最后到达目的地。与只能在芯片中存储几毫秒数据包的传统网络路由器相比,可容忍延迟的结点网络拥有可以无限期保存信息的持久性存储设备 (比如硬盘)。

可容忍延迟的网络不需要资源和目的地址的端到端的连接。数据就是简单地从一个结点传输到另一个结点。如果下一个结点因为较长的延迟或者断电而不可用,数据将会存储在硬盘上直到下一个结点再一次变得可用。即使可能会花费很长时间将数据从资源处传送到目的处,但是一个可容忍延迟的网络能够保证数据最终将会到达。

可容忍延迟的网络将进一步降低资本成本和能源消耗,从而最有效地利用稀缺资源。它们在间断性的能源供应下能够保持工作,并与可再生能源结合很好地进行结合:太阳能板风力和涡轮机只要在太阳照耀或者有风时就能为网络结点提供电力,这样储存能源就不再必要了。

数据“骡子”

可容忍延迟网络的形式往往很奇特,尤其是当其利用一些非传统的通信手段,比如“数据骡子”。在这样的网络中,传统的交通技术——公共汽车,汽车,摩托车,火车,船,飞机,将用于将信息通过存储转发机制从一个位置运送到另一个位置。

一个例子是:使用公共汽车作为数据骡子的DakNet和KioskNet。在许多不发达地区,农村公交线路往往能够延伸至一些没有网络连接的乡镇。而通过为每辆公共汽车配备一台电脑,一个存储设备和一个移动的WiFi结点,并且在每个村庄安装固定的WiFi结点这样的方式,就可以用当地的交通基础设施充当无线网络。

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在公共汽车进入范围内之前,发送的数据(如发送电子邮件或网页请求)将存储在村庄里的本地计算机中。当公共汽车进入范围内,本地计算机通过固定的WiFi结点向其上的移动的WiFi结点发送数据。之后,当公共汽车到达能够连接到互联网的结点时,发送的数据将会从移动WiFi结点传输到网关结点,之后进入互联网。类似的,发送到村庄的数据将沿相反路线。公共汽车的司机不需要任何特殊的技能,并且完全不需要关心数据传输。司机除了驾驶汽车到达结点的范围内不需要做任何其他事情。
数据骡子的使用为“复杂的”可容忍延迟的网络增加了优点。一个“移动”的WiFi网络可以依靠小型的,低成本并且低功耗的无线电设备,而不需要可视化线路和信号传播塔,这与其他的互联网技术相比进一步降低了成本和能源消耗。

使用短距离WiFi连接与使用远距离WiFi连接相比,前者具有高速的带宽,这使得数据骡子更适合传输大文件。当公共汽车通过固定WiFi结点时,每个方向的数据传输速率可以达到平均20MB。当然在另一方面,延迟(发送端到接收端之间的时间间隔)通常高于远距离WiFi连接。如果公共汽车一天之内只通过村庄一次,那么延迟就为24小时。

可容忍延迟的软件

显然,无论可容忍延迟的网络(DTN)的形式是什么样的,它都需要新的软件:不需要端到端的数据连接可运行的应用。这样的用户应用也适用于同步低带宽的的网络。电子邮件比较容易适应间断性连接,因为它本身就是一个异步通信方式。一个可容忍延迟的网络可以使用的邮件客户端将存储发送信息直到能够获取到网络连接。虽然电子邮件可能需要更长的时间到达目的地,但是用户体验并不改变。

而浏览和搜索网页需要更多的改变。比如,大多数搜索引擎会优化搜索速度,假设一个用户能快速浏览返回的网页链接,并且如果第一个搜索结果不能满足用户需要的话立即执行下一个搜索。然而,在间断性网络中,多次交互搜索将是不切实际的。异步搜索引擎优化的是网络带宽而不是响应时间。比如,RuralCafe将以离线方式运行多个搜索任务,其基于相似搜索数据库技术细化搜索请求。实际上,使用网络的信息检索只是在绝对必要时进行。

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一些能够容忍网络延迟的浏览器不止下载请求的页面,也会下载与请求页面关联的页面。其他的浏览器则通过过滤、分析和压缩服务器上的网站优化搜索来返回占用低带宽的结果。与此类似的效果也能通过使用像Loband将网页与图片、视频、广告、社交媒体按钮等等分离,而只呈现文本内容的服务实现。

间断性网络的浏览和搜索也可以通过本地缓存(储存已经下载的页面)和预先取得(下载将来可能检索的页面)得到改善。还有许多其他网络应用程序也能适应间断性网络,比如电子表格,社交媒体等等。虽然运行速度会很低,但是所有的这些应用都是可能实现的。

人工传递

显然,即时应用,比如网络电话、流媒体、即时聊天或者视频会议等应用不可能依赖仅提供异步通信的间断性网络。这些应用程序也很难在带宽有限的网络上同步运行。因为这些应用程序在很大程度上与互联网能源的消耗增加具有很大关系,有一种观点说这些应用的确应该与不适用于低科技网络。

此外,许多类似这样的应用更够以不同的方式实现。虽然有可能发送和接受语音和视频信息,但是实时的语音或者视频对话肯定不能正常工作,不过不通过流媒体技术下载音乐和视频仍然是可能的。此外,这些文件能够通过最简单的低科技网络被“传输”:那就是人工传递。在人工传递中,数据是通过使用像硬盘,U盘和闪存或者CD和DVD之类的存储介质进行“无线”传输的。在互联网到来之前,所有的电脑文件都是通过使用磁带或者软盘作为存储介质来进行人工传递的。

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与数据骡子网络类似,人工传递涉及汽车,人或者动物(比如信鸽)。但是人工传递网络却不能使移动结点间和静止结点(发送方和接收方)的数据自动传播(例如,一个汽车)。相反,这些数据首先从发送方的电脑中传输进便携式的存储介质中。人工传递抵达目的后,数据必须从便携式存储介质传输到接收者的电脑上。因为人工传递需要人为干预,于是对于许多互联网应用程序而言就不方便了。

不过,也有例外。例如,仅仅为了看电影的话,则不需要将电影传输到你的电脑的硬盘上。你可以直接在便携式硬盘或者光盘上播放它。此外,人工传递还有一个重要的优点:在全部低科技互联网中,它具有最可用的带宽。这使得它非常适合存储比如电影或者电脑游戏这样的大文件。事实上,当涉及到非常的大的文件时,人工传递甚至比光纤网络连接快。而以较低的网速,人工传递便于传输小得多的文件。

技术的进步不会降低人工传递的优势。对于提高数据传输性能而言,数字存储介质的发展至少与互联网一样快。

弹性网络

虽然大多数低科技互联网是为了那些可能根本没有网络连接的地区提供网络,但是我们仍然希望这样的连接能有好的通信质量。在工业化世界中,我们所认识的互联网是需要丰富能源供应的产品。这种“高科技”网络可以在低科技网络之上提供一些比较花哨的优点,但是当环境改变时,高科技网络将无法生存。

正是因为两者的韧性等级不同,低科技的互联网可以在化石燃料的供应中断、电力基础设施恶化、经济戛然而止,或者其他灾害发生时继续工作。这样的低科技互联网允许我们网上冲浪,收发电子邮件,网上购物,分享内容等等。与此同时,数据骡子和人工传递可以传送像视频这样的大文件。满载数字存储媒体的轮船或者火车将在速度、成本和能源效率上击败任何数字网络。即便这样的交通基础设施不能使用,我们依然可以依靠步行者,自行车和帆船。

这样的一个线上线下的混合系统将是非常强大的通信系统——不像我们在20世纪末曾经拥有的任何东西。即使我们设想世界末日的场景,在这样的场景下,范围广泛的互联网基础设施将会瓦解,孤立的低科技网络对于区域的通信技术仍将非常有用。此外,它们能够通过交换可移动的存储设备从其他的远程网络处获得内容信息。

互联网,无论是高技术还是低技术,都是依我们所想而改变。


翻译:CSDN极客头条核心新闻组,Frank贾子甲

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