Bölüm 80: Mobil Kablosuz Sensör Ağları

Taşınarak. Hareket, ağın en temel varsayımını, iki uç arasında bir yolun var olduğunu, bozuyor. Ama aynı hareket, veriyi hiçbir radyonun ulaşamayacağı yerlere taşıyabiliyor da. Bu bölümün bütün fikirleri bu iki cümlenin arasında duruyor.

Hareket neyi bozar, neyi onarır?

Önceki üç bölümün protokolleri durağanlık üstüne kuruluydu. 77. bölümdeki RPL, her düğümün bir ebeveyn seçip ona bağlı kalacağını varsayıyor. Bağlantı kalitesi tahminleri, aynı komşuyla zaman içinde biriken ölçümlere dayanıyor. 76. bölümdeki TSCH programı, hangi düğümün hangi komşuyla hangi dilimde konuşacağını önceden yazıyor. Bir düğüm yer değiştirdiğinde bunların hepsi yeniden hesaplanmak zorunda.

Öte yandan hareket, durağan ağın en inatçı sorununu çözebiliyor. 75. bölümde sink’in hemen yanındaki düğümlerin bütün ağın trafiğini taşıdığını ve pillerinin önce bittiğini görmüştün: enerji deliği. Sink yerinde durdukça delik hep aynı yerde açılıyor. Sink hareket ederse “sink’in yanındaki düğümler” de zamanla değişiyor ve yük ağa yayılıyor.

2003’te önerilen veri katırları (data MULEs) bu fikri sonuna kadar götürdü. Ağ üç katmana ayrılıyor. Altta sensörler, üstte internete bağlı erişim noktaları, ortada ise zaten dolaşan şeyler: insanlar, hayvanlar, araçlar. Katır bir sensörün yakınından geçerken onun verisini kısa menzilde topluyor, taşıyor ve bir erişim noktasının yanından geçerken bırakıyor.

Kazanç hesabı basit. Sink’e beş sekmede ulaşan bir ölçüm için ağda beş gönderim ve beş alım harcanıyor ve bunların en ağırı sink’in çevresindeki düğümlerin sırtına biniyor. Katır geçtiğinde ise tek bir kısa gönderim yetiyor. Bedeli gecikme ve bellek: ölçüm, katır gelene kadar düğümde bekliyor. Katırın turu bir saatse verinin yaşı bir saate kadar çıkabiliyor ve düğümün belleği o bir saatlik veriyi tutabilmeli. Çalışmanın başarıyı ölçtüğü üç sayı da bunlar: teslim oranı, gecikme ve gereken tampon.

Zebraların sırtında bir ağ

2002’de Princeton’dan bir ekip, Kenya’daki zebraları izlemek için bir ağ tasarladı. Her tasmada bir GPS alıcısı, flash bellek, radyo ve küçük bir işlemci vardı. Bölgede hücresel kapsama yoktu ve işin en ilginç yanı, verinin gideceği yerin de sabit olmamasıydı. Baz istasyonunu araştırmacılar taşıyordu; arada bir araçla ya da uçakla sürünün yakınından geçip veriyi topluyorlardı.

Tasarımın ilk dersi enerjiydi. Tasmalarda enerjiyi radyodan çok GPS tüketiyordu; 78. bölümde sensör düğümlerine neden GPS takılmadığını sorarken bu gözleme dayanmıştık. Konumun ne sıklıkla ölçüleceği bu yüzden tasmanın ömrünü doğrudan etkileyen bir ayardı.

İkinci ders, verinin nasıl taşınacağıydı. Ekip iki protokolü karşılaştırdı. Taşkın protokolünde iki zebra birbirine yaklaştığında ellerindeki bütün veriyi değiş tokuş ediyordu. Geçmişe dayalı protokolde ise her tasma bir puan tutuyordu: art arda yaptığı taramalarda baz istasyonunu buldukça puanı artıyor, bulamadıkça azalıyordu. Veri, komşular arasında puanı en yüksek olana veriliyordu; o zebranın araştırmacıyla yeniden karşılaşma olasılığı daha yüksekti. Teslim edilen verinin kopyaları da boşuna yer kaplamasın diye, teslim edilenlerin listesi karşılaşmalarda dedikodu gibi yayılıyor ve kopyalar siliniyordu.

Sonuç koşullara bağlıydı. İdeal koşullarda taşkın en yüksek teslim oranını verdi. Bant genişliği kısıtlıyken geçmişe dayalı protokol öne geçti ve enerji hesabı da seçici protokollerden yanaydı. Sistem 2004’te Kenya’daki Mpala Araştırma Merkezi’nde sahaya çıktı. Hiç araştırmacıyla karşılaşmayan bir zebranın geçmişi bile, onunla karşılaşan başka bir zebranın sırtında eve dönebiliyordu.

Yol yoksa: gecikmeye dayanıklı ağlar

67. bölümdeki ve 68. bölümdeki TCP üç şeyi sessizce varsayıyor: bağlantı boyunca iki uç arasında bir yol var, gidiş-dönüş süresi en fazla birkaç saniye ve kayıp oranı düşük. Zebra ağında üçü de yok. Kevin Fall 2003’te bu tür ağlara zorlu ağlar dedi ve onlar için ayrı bir mimari önerdi. Sıradan bir paket ağında bir paketin kuyrukta beklediği süre nadiren bir saniyeyi aşarken, bu ağlarda saatler, belki günler sürebiliyordu.

Mimarinin adı gecikmeye dayanıklı ağ (Delay-Tolerant Networking, DTN) ve temel işlemi sakla, taşı, ilet. Uygulama verisi bundle denen birimlere konuyor. Her düğüm bundle’ı bir sonraki fırsat doğana kadar kalıcı bellekte saklıyor. Nisan 2007’de yayımlanan RFC 4838, bu mimariyi yazıya döktü; yazarlarından biri TCP/IP’nin tasarımcılarından Vint Cerf’tü. Protokolün bugünkü sürümü BPv7, Ocak 2022’de RFC 9171 olarak yayımlandı.

RFC 4838’in en ilginç fikri emanet aktarımı (custody transfer). TCP’de teslimin sorumluluğu gönderende kalıyor: kaybolan bir segmenti yalnızca o yeniden gönderebiliyor. DTN’de ise bir düğüm bundle’ın emanetini kabul ettiğinde teslimin sorumluluğu ona geçiyor. Gönderen, ilk durağın gidiş-dönüş süresi kadar sonra belleğini boşaltabiliyor. Güvenilirlik uçtan uca değil, emanetçiden emanetçiye taşınıyor. Fikrin bir bedeli de çıktı: her emanetçi kaybı bir zamanlayıcıyla sezmek zorunda ve gecikmesi bu kadar belirsiz bir ağda o zamanlayıcının değerini kestirmek zor. BPv7 bu yüzden emanet aktarımını çekirdek protokolden çıkardı; mekanizma artık ayrı uzantılarla tanımlanıyor.

Bu farkın ne kadar büyük olduğunu en iyi Mars gösteriyor. Radyo sinyali Dünya ile Mars arasını gezegenlerin konumuna göre 3 ila 22 dakikada geçiyor. TCP ile Mars’taki bir araca bağlanmaya çalışsan SYN en az 3 dakikada gidiyor, SYN-ACK en az 3 dakikada dönüyor. Oysa 71. bölümde gördüğün gibi Linux varsayılan ayarıyla yaklaşık iki dakika sonra pes ediyor. Bağlantı, cevap daha yoldayken iptal ediliyor. DTN’de ise bundle yola çıkıyor ve 3 ila 22 dakika sonra varıyor; arada kimse kimseyi beklemiyor.

Kopyalayarak yönlendirmek

Yol yoksa yönlendirme tablosu da yok. Mesajın hedefe ulaşması, onu taşıyan düğümlerin hedefle bir gün karşılaşmasına bağlı. İki uç strateji var.

Epidemic yönlendirme. 2000’de Duke Üniversitesi’nden Vahdat ve Becker’in önerdiği yöntem, adını salgından alıyor. İki düğüm karşılaştığında önce ellerindeki mesajların listesini değiş tokuş ediyor, sonra karşı tarafta olmayanları aktarıyor. Mesaj ağa bir salgın gibi yayılıyor. Bellek ve zaman sınırsızsa teslim kesin. Radyo da boşsa teslim mümkün olan en kısa sürede oluyor, çünkü bütün yollar aynı anda deneniyor. Bedeli de bu: 100 düğümlük bir ağda tek bir mesajın 99 kopyası çıkabiliyor, bellekler doluyor ve düğümler birbirinin radyo zamanını tüketiyor.

Spray and wait. 2005’te Güney Kaliforniya Üniversitesi’nden Spyropoulos, Psounis ve Raghavendra kopya sayısına bir tavan koydu. Kaynak mesajın L kopyasını ağa serpiyor, sonra kopyayı taşıyanlar hedefle doğrudan karşılaşana kadar bekliyor. İkili sürümde kopyaları elinde tutan düğüm, kopyası olmayan biriyle karşılaşınca elindekilerin yarısını ona veriyor:

L = 8     kaynak: 8
1. adım   kaynak: 4      A: 4
2. adım   kaynak: 2      A: 2      B: 2      C: 2
3. adım   sekiz düğüm, her birinde 1 kopya
          artık her biri yalnızca hedefle karşılaşırsa teslim eder

Kopyalar üç adımda sekiz taşıyıcıya dağılıyor ve toplam aktarım sayısı L civarında kalıyor. Yazarlar bu yöntemin, kıyasladıkları yöntemleri hem ortalama teslim gecikmesinde hem de teslim edilen mesaj başına aktarım sayısında geçtiğini gösterdi. Salgını sınırlamak onu yavaşlatmadı; çünkü sınırsız salgında düğümler birbirinin radyo zamanını tüketiyordu.

Altyapısız ağ: MANET

Bir deprem bölgesinde, bir tatbikatta ya da bir araç konvoyunda ne baz istasyonu ne access point olabilir. Bu tür ağlarda her cihaz aynı zamanda bir router. Adı mobil ad hoc ağ (MANET).

42. bölümdeki protokoller burada iki yerden zorlanıyor. Periyodik güncellemeler hem pil hem bant genişliği yiyor. Daha kötüsü, topoloji protokolün yakınsamasından hızlı değişebiliyor: yol hesaplandığında artık yok. IETF’in MANET çalışma grubu iki felsefeyi de deneysel RFC olarak yayımladı.

AODV (Temmuz 2003, RFC 3561) yolu yalnızca gerektiğinde arıyor. Kaynak ağa bir yol isteği taşkını yapıyor ve isteği ileten her düğüm, isteğin nereden geldiğini not ediyor. Hedef ya da hedefe taze bir yolu olan bir düğüm, bu notları geri izleyerek cevap veriyor. Bir bağlantı koptuğunda, o bağlantıyı kullanan düğümlere hata mesajı gidiyor. 42. bölümdeki uzaklık vektörüne benziyor ama onun ünlü kusurunu, sayarak sonsuza gitmeyi, bir sıra numarasıyla önlüyor. Her hedefin yolu, o hedefin ürettiği bir sıra numarası taşıyor ve düğümler daha yeni numaralı yolu her zaman eskisine tercih ediyor. Eski ve yanlış bir haber, yeni bir haberin yerini alamıyor.

DSR (Şubat 2007, RFC 4728) yolu tamamen kaynağa bırakıyor: paketin başlığına geçeceği bütün düğümlerin listesi yazılıyor. Hiçbir katmanda periyodik paket göndermiyor; ne merhaba mesajı ne yol duyurusu. Yaklaşık iki yüz düğüme kadar ve çok yüksek hareketlilikte bile çalışacak biçimde tasarlandı. Bedeli, yol uzadıkça büyüyen başlık.

OLSR (Ekim 2003, RFC 3626) ters yoldan gidiyor ve bütün hedeflere giden yolları sürekli hazır tutuyor. 42. bölümdeki link state yaklaşımının kablosuz ağa uyarlanmış hâli. Link state bilgisini ağa taşkınla yaymak pahalı, çünkü kablosuzda bir düğümün gönderdiği her şeyi bütün komşuları duyuyor ve her biri yeniden yayınlıyor. OLSR’nin cevabı çok noktalı röleler (MPR): her düğüm, komşuları arasından iki sekme uzaktaki bütün düğümlere ulaşmaya yetecek olabildiğince küçük bir grup seçiyor. Taşkın mesajlarını yalnızca bu seçilmiş komşular yeniden yayınlıyor. Sekiz komşusu olan bir düğümün iki sekmelik çevresini üç komşu kapsıyorsa, sekiz yayın yerine üç yayın yetiyor.

77. bölümdeki RPL de bu tabloda bir yere oturuyor: köke doğru yolu önceden hesaplayan, ama yalnızca köke doğru. Çoğu trafiğin tek bir toplayıcıya aktığı, düğümlerin yerinde durduğu bir ağ için tasarlandı.

Yolda: araçlar arası iletişim

Araçların birbirine “fren yapıyorum” diyebilmesi fikri eski. ABD’de Federal İletişim Komisyonu (FCC) Ekim 1999’da 5,850 ile 5,925 GHz arasındaki 75 MHz’i bu iş için ayırdı. Radyo tarafı Wi-Fi’dan uyarlandı: Temmuz 2010’da yayımlanan 802.11p.

Uyarlamanın iki ayrıntısı, araç ortamının ne kadar farklı olduğunu gösteriyor. Birincisi, 30. bölümde bir cihazın access point’e bağlanmadan önce keşif, kimlik doğrulama ve ilişkilendirme adımlarından geçtiğini görmüştün. Otoyolda karşılıklı geçen iki araç birbirinin menzilinde birkaç saniye kalıyor; bu adımlara vakit yok. 802.11p bu yüzden bir BSS’nin dışında çalışan bir kip getirdi: kimlik doğrulama yok, ilişkilendirme yok, access point yok. Menzildeki her cihaz ötekiyle doğrudan konuşuyor.

İkincisi, kanal genişliği. 31. bölümdeki OFDM, yankıların bir sembolden ötekine taşmaması için her sembolün başına bir koruma aralığı koyuyordu. 802.11p, 802.11a’nın 20 MHz’lik kanalı yerine 10 MHz kullanıyor. Kanal yarıya inince her şey iki kat yavaşlıyor: sembol 4 yerine 8 mikrosaniye, koruma aralığı 0,8 yerine 1,6 mikrosaniye. 1,6 mikrosaniyede ışık 480 metre yol alıyor. Yani uzaktaki bir kamyondan ya da köprüden yansıyıp yaklaşık 480 metre fazla yol kat eden bir yankı bile bir sonraki sembolü bozmuyor.

Ama teknoloji yaygınlaşamadan dünya değişti. FCC, Kasım 2020’deki kararıyla bandın alt 45 MHz’ini lisanssız kullanıma, yani Wi-Fi’a açtı; üst 30 MHz’i hücresel standarttan gelen ve araçların baz istasyonu olmadan da doğrudan konuşabildiği C-V2X’e ayırdı. 802.11p’ye dayanan eski sistem ABD’de bu banttan çıkarıldı ve nihai kurallar Kasım 2024’te yayımlandı. Yirmi yıl boyunca ayrılmış duran bir bandın kaderini, kimin hangi teknolojide anlaştığı belirledi.

Cepteki sensör

Dünyadaki en büyük sensör ağını kimse kurmadı: telefonlar. Her birinde ivmeölçer, GPS ve mikrofon var. Daha önemlisi, zaten ağa bağlılar ve pilleri her gün şarj ediliyor. Bu bölüme kadar gördüğün zorlukların birçoğu burada ortadan kalkıyor; yerlerine başkaları geliyor.

Bunun en çarpıcı örneği deprem uyarısı. Deprem, yer kabuğunda farklı hızlarla ilerleyen dalgalar üretiyor. Önce daha hızlı ve genellikle daha zararsız P dalgası geliyor, ardından asıl yıkıcı sarsıntıyı taşıyan S dalgası. Yer kabuğunda P dalgası kabaca saniyede 6, S dalgası 3,5 kilometreyle ilerliyor. Oysa 2. bölümde gördüğün gibi fiberdeki bir sinyal saniyede iki yüz bin kilometre yol alıyor. Merkez üssünün yakınındaki telefonlar P dalgasını hissedip bunu sunucuya bildirdiğinde, uyarı 100 kilometre ötedeki bir şehre S dalgasından önce ulaşabiliyor:

Algılama, büyüklüğü tahmin etme ve uyarıyı dağıtma birkaç saniye sürüyor; merkez üssüne çok yakın yerlerde uyarı sarsıntıdan önce yetişemiyor.

Google’ın Android telefonlarla kurduğu sistem Nisan 2021’de Yeni Zelanda ve Yunanistan’da başladı ve 2023 sonunda 98 ülkeye yayıldı. Temmuz 2025’te Science dergisinde yayımlanan değerlendirmeye göre sistem, erken uyarıya erişimi on kat artırarak 2,5 milyar kişiye çıkardı ve ayda ortalama 312 deprem algıladı. 4,5 ve üstündeki depremler için ayda yaklaşık 60 olayda 18 milyon uyarı gönderildi. Uyarı alanların %85’i sarsıntıyı hissetti; %36’sı uyarıyı sarsıntıdan önce, %28’i sırasında, %23’ü sonra aldı.

Aynı değerlendirme, sistemin en ağır hatasını da açıkça yazdı. 6 Şubat 2023’te saat 04.17’de Kahramanmaraş’ta meydana gelen 7,8 büyüklüğündeki depremi sistem 4,5 ile 4,9 arasında tahmin etti. En güçlü uyarı olan “harekete geç” (Take Action) uyarısı yalnızca 469 kişiye gitti; yaklaşık 500 bin kişi daha hafif “dikkatli ol” (Be Aware) uyarısı aldı. Merkez üssünün 158 kilometre çevresinde yaşayan yaklaşık 10 milyon kişi 35 saniyeye varan bir uyarı alabilirdi. Aynı gün yaşanan ikinci depremde yaklaşık 8 bin “harekete geç” ve 4 milyon “dikkatli ol” uyarısı gönderildi. Düzeltilmiş algoritmanın benzetiminde ilk deprem için 10 milyon “harekete geç” ve 67 milyon “dikkatli ol” uyarısı çıkıyor. Büyük bir depremin kırılması onlarca saniye sürüyor ve ilk saniyelerde ölçülen sinyal, gerçek büyüklüğün yalnızca bir kısmını gösteriyor. Nisan 2025’te İstanbul açıklarındaki 6,2 büyüklüğündeki depremde ise ilk uyarı deprem başladıktan 8,0 saniye sonra çıktı ve 11 milyondan fazla uyarı gönderildi.

Özet

• Hareket yolu bozar, yükü dağıtır: durağan ağın protokolleri yer değiştiren düğümle yeniden hesaplanır; hareketli sink ve veri katırları ise enerji deliğini dağıtır ve bunun bedelini gecikme ile bellek olarak öder.
• Yol yoksa sakla, taşı, ilet: DTN veriyi bundle’lara koyar, emanet aktarımıyla güvenilirliği düğümden düğüme taşır. Mars’a kadar uzanan gecikmelerde TCP’nin bağlantısı hiç kurulamaz.
• Kopya sayısı bir ayardır: epidemic yönlendirme her yolu dener ama belleği ve radyoyu tüketir; spray and wait kopyayı L ile sınırlar.
• MANET’te iki felsefe var: OLSR yolu sürekli hazır tutar ve taşkını MPR ile azaltır; AODV ve DSR yolu gerektiğinde arar. AODV sayarak sonsuza gitmeyi sıra numarasıyla önler.
• Ölçüm yöntemi de yanılabilir: rastgele ara nokta modelinde alt hız sınırı sıfırsa ortalama hız zamanla düşer ve sonuç benzetimin süresine bağlı kalır.
• Araç ve telefon ağları başka kurallarla yaşar: 802.11p ilişkilendirmeyi atlar ve uzun yankılara dayanır; deprem uyarısı, ağdaki sinyalin sismik dalgadan hızlı gitmesinden yararlanır.

Yolculuk da, yolun kenarındaki ağlar da bitti. Geriye tek bir soru kalıyor: bunca durak, bunca zarf ve bunca tur neden böyle kurulmuş?