應(yīng)用新型Mesh技術(shù)解決WiFi網(wǎng)絡(luò)

1、應(yīng)用新型Mesh技術(shù)解決WiFi網(wǎng)絡(luò)的多跳難題   概述隨著無線mesh網(wǎng)絡(luò)的普及，其規(guī)模和復(fù)雜程度持續(xù)發(fā)展。然而多跳的mesh網(wǎng)絡(luò)遇到越來越多的難題，比如帶寬降低，無線干擾以及網(wǎng)絡(luò)時(shí)延等。譬如，在網(wǎng)絡(luò)中的每一跳吞吐量會下降多達(dá)50%，連續(xù)多跳情況下吞吐量下降得更迅速，其結(jié)果將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能的嚴(yán)重降低。在語音和視頻應(yīng)用大量運(yùn)行的極端情況下，時(shí)延和RF干擾將達(dá)到不可接受的程度，而導(dǎo)致連接完全中斷。傳統(tǒng)的mesh網(wǎng)絡(luò)只能提供有限的擴(kuò)展性，多跳自身的難題使得它對于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)部署還存在諸多疑問。因而需要一種新型結(jié)構(gòu)化的無線mesh，在其網(wǎng)絡(luò)中無論跳數(shù)多少，都能夠提供高性能和高可靠性。

2、 一、       無線mesh介紹無線局域網(wǎng)（WLAN）或者Wi-Fi®已經(jīng)不僅僅局限于小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的解決方案。由于無線所固有的高效性和靈活性，它已經(jīng)成為IT的主流，并被認(rèn)為是企業(yè)級和運(yùn)營級網(wǎng)絡(luò)一種行之有效的解決方案。業(yè)界中的很多企業(yè)都認(rèn)識到，向無線終端提供數(shù)據(jù)和VoIP的移動性服務(wù)將獲得巨大的收益，因此他們在特定區(qū)域進(jìn)行無線覆蓋或“熱區(qū)”（hot zone）來更好地服務(wù)客戶。無線覆蓋也可以擴(kuò)展為大規(guī)模部署，比如城域和區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，甚至實(shí)現(xiàn)覆蓋多城市傳輸應(yīng)用。無線mesh網(wǎng)絡(luò)具有諸多優(yōu)于其它類型無線部署的優(yōu)勢。這些優(yōu)勢

3、主要集中在降低網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的成本安裝、維護(hù)以及運(yùn)行維護(hù)等方面。以某些情況下，由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、缺少有線基礎(chǔ)設(shè)施、或者是在客戶室內(nèi)或室外位置布線成本高等原因，無線mesh網(wǎng)絡(luò)成為部署網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的唯一可行方案。 在發(fā)展歷程上，業(yè)界中有三種Wi-Fi方案： 第一代集中式網(wǎng)絡(luò)模式是一種非智能的網(wǎng)絡(luò)，相互獨(dú)立的多個(gè)接入點(diǎn)（AP）連接到同一個(gè)有線局域網(wǎng)中。   第二代集中式網(wǎng)絡(luò)模式是對已有交換機(jī)最簡單的一種擴(kuò)展方式，大多數(shù)有線交換機(jī)設(shè)備均支持。這種模式傾向于將智能功能從AP剝離出來放到交換機(jī)中。這兩種Wi-Fi方案還存在著一個(gè)共性的問題它們不是真正的無線，只是“更

4、少的”有線。    第三代Wi-Fi mesh網(wǎng)絡(luò)是一種智能網(wǎng)絡(luò)。由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間能夠通過802.11無線鏈路相互連接，因此它們不需要通過有線連接到交換機(jī)上。Mesh網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以擴(kuò)展通信傳輸區(qū)域，也可以同時(shí)為無線用戶和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供接入服務(wù)。如果設(shè)計(jì)的合理，mesh網(wǎng)絡(luò)可以成為高性能、高可靠并具有冗余能力，并且能夠擴(kuò)展到包含成千上萬個(gè)設(shè)備。這種類型的網(wǎng)絡(luò)安裝快捷，并且不要求精細(xì)的規(guī)劃和位置選擇即可獲得可靠的通訊。簡單地移動某個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)或者增加一個(gè)節(jié)點(diǎn)就可以立即完善一個(gè)信號較弱或無信號的區(qū)域。 在無線mesh網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會維持到最鄰近節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路徑。當(dāng)無

5、線環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，比如加入新節(jié)點(diǎn)或者發(fā)生擁塞，數(shù)據(jù)路徑會根據(jù)時(shí)延、吞吐量、噪聲等因素進(jìn)行重新評估，并且mesh網(wǎng)絡(luò)會自動地進(jìn)行自我調(diào)節(jié)將性能維持在最佳性能。如果某個(gè)數(shù)據(jù)路徑丟失，或者RF干擾影響了性能，網(wǎng)絡(luò)會通過重路由流量實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)，這樣節(jié)點(diǎn)既可以保持連接，而且數(shù)據(jù)路徑也始終是最優(yōu)的。所有的自我調(diào)節(jié)和自我修復(fù)過程都是動態(tài)的，在后臺執(zhí)行并且是實(shí)時(shí)的對用戶而言是透明的，不需要人為干預(yù)。 在室外環(huán)境中部署網(wǎng)絡(luò)時(shí)，mesh體系架構(gòu)允許無線網(wǎng)絡(luò)繞過大的物體（比如建筑物和樹木）進(jìn)行流量交換。無線mesh網(wǎng)絡(luò)能夠很容易地通過中間中繼節(jié)點(diǎn)繞過障礙物轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，而不是試圖直接穿過障礙物。尤其在有很多

6、障礙物的城市環(huán)境或者有丘陵或山區(qū)等傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋有困難的鄉(xiāng)村區(qū)域，該方案都非常有效。 二、       實(shí)現(xiàn)無線Mesh的幾種方案無線Mesh的方案有很多種，但是大部分的方案都來源于最初的無線分布式系統(tǒng)（Wireless Distribution System, WDS）概念。WDS是一種使用無線橋接和無線repeating的無線AP模式，無線橋接也就是只能在AP之間進(jìn)行通訊，AP不接受無線客戶端的訪問；而無線repeating既允許AP之間互相通訊，也允許AP與無線客戶端進(jìn)行通訊。 1、單頻方案所有信息都在同一

7、信道上單頻模式是無線mesh最脆弱的方案。接入點(diǎn)僅使用一個(gè)信道，此信道由無線客戶端和回程流量（在AP之間轉(zhuǎn)發(fā)）共享。當(dāng)更多的AP加入到網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)候，用于回程流量的帶寬將會占據(jù)越來越高的比例，僅僅留很少一部分容量給無線客戶端。此現(xiàn)象的原因是由于無線是一個(gè)共享的媒質(zhì)。 本方案的AP不能同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。而且在其覆蓋范圍內(nèi)另一個(gè)AP正在傳輸?shù)臅r(shí)候，該AP也不能發(fā)送數(shù)據(jù)。這種對可用共享帶寬的競爭是基于類似以太網(wǎng)的無線沖突避免原則(CSMA/CA)。簡單計(jì)算一下就會發(fā)現(xiàn)，在單頻方案中每個(gè)無線客戶端只能獲得很有限的吞吐量。舉例來說，假設(shè)你有5個(gè)AP，每個(gè)AP有20個(gè)無線客戶端與之相連，所有的A

8、P和客戶端共享同一個(gè)802.11b信道（5Mbps），這樣等價(jià)于每個(gè)用戶只能獲得少于50Kbps的吞吐量比撥號連接還要慢。而且由于所有的無線客戶端和AP必須工作在同一個(gè)信道上，無線資源的競爭和RF干擾還會導(dǎo)致不可預(yù)期的時(shí)延。 2、雙頻方案回程共享在雙頻方案中，一個(gè)頻道專門用來連接無線客戶端，而另一個(gè)頻道專門用來進(jìn)行無線回程傳輸回程信道同時(shí)由ingress和egress流量共享。這意味著什么呢？無線客戶端流量將得到一些的改善，但是全網(wǎng)的性能仍然由于回程的瓶頸問題而不理想。 3、多頻方案結(jié)構(gòu)化的無線mesh在多頻（或者稱作結(jié)構(gòu)化mesh）方案中，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)至少使用三個(gè)頻道的專

9、用無線鏈路接口，其中一個(gè)頻道用于客戶端的流量，第二個(gè)頻道用于ingress無線回程流量，第三個(gè)頻道用于egress無線回程流量。這個(gè)無線mesh網(wǎng)絡(luò)的方案與單頻或雙頻方案相比提供了很好的性能。因?yàn)槊總€(gè)鏈路都工作在獨(dú)立的信道上，專用的回程鏈路可以同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。分離的Ingress/Egress回程鏈路 三、無線mesh網(wǎng)絡(luò)中多跳的難題多跳的難題包括帶寬降低、無線干擾和網(wǎng)絡(luò)時(shí)延問題，這些問題是由于流量需要在無線mesh網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行多次“跳躍”所引起的。 1、帶寬降低當(dāng)回程被共享的時(shí)候，多跳帶來的帶寬降低的問題尤為嚴(yán)重，比如單頻和雙頻方案。在這些情況下，每個(gè)從AP到AP“跳越

10、”的流量，其吞吐量都幾乎會被削減了一半。對于這類帶寬降低模式主要有兩個(gè)原理。 下圖說明了802.11a/g和802.11b采用單頻方案在最佳情況的場景下吞吐量降低的情況。在802.11b情況下，此表的起始吞吐量為5 Mbps因?yàn)?02.11b任何信道的毛數(shù)據(jù)速率為11 Mbps，其有效吞吐量接近于5 Mbps。類似地，802.11a/g的有效吞吐量接近于24 Mbps。正像前表中所顯示的一樣，即使在最佳情景的時(shí)候，對于中等規(guī)模和大規(guī)模環(huán)境，帶寬的損失也是不可接受的。 2、無線干擾無線干擾是一個(gè)十分重要的問題，它將影響到無線網(wǎng)絡(luò)的性能。簡單地說，無線干擾可以定義為非期望的信號

11、干擾了其他無線通信設(shè)備的正常操作。在當(dāng)今的無線網(wǎng)絡(luò)中，802.11b和802.11g是企業(yè)和服務(wù)提供商向用戶提供無線覆蓋最常用的技術(shù)。而大部分無線mesh部署都是使用802.11b作為無線回程的基礎(chǔ)架構(gòu)，這些網(wǎng)絡(luò)回程帶寬很容易受到來自于相同頻段內(nèi)工作的鄰近設(shè)備無線干擾的影響。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中任何部分受到了干擾的影響，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能將會降低。 3、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延VoIP的應(yīng)用是Wi-Fi的一個(gè)關(guān)鍵驅(qū)動力。建立和部署Wi-Fi和IP電話融合的解決方案可同時(shí)支持語音和數(shù)據(jù)服務(wù)，該解決方案可能會使得WLAN在企業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。為了支持這些語音和視頻應(yīng)用，就要求網(wǎng)絡(luò)具有很小的時(shí)延和抖動。當(dāng)分組包在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

12、之間轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)候，一定會存在處理時(shí)延。在大規(guī)模廣域mesh網(wǎng)絡(luò)中，通常需要很多到有線網(wǎng)絡(luò)的終止點(diǎn)來避免過多的時(shí)延但是這樣就不能充分發(fā)揮無線mesh網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢。而且，隨著時(shí)延的增加，語音和視頻應(yīng)用將受到嚴(yán)重的影響（尤其當(dāng)無線客戶端漫游的時(shí)候），甚至可能會導(dǎo)致連接完全中斷。 四、新型結(jié)構(gòu)化的無線Mesh對于大規(guī)模無線網(wǎng)絡(luò)部署，尤其在語音、視頻和數(shù)據(jù)漫游應(yīng)用很關(guān)鍵的時(shí)候，將需要新型的無線mesh技術(shù)提供專用的無線鏈路、802.11a用于回程流量、低時(shí)延交換、蜂窩狀的客戶端覆蓋。要想在任何時(shí)候都提供最佳的性能，這樣的網(wǎng)絡(luò)必須是模塊化的、多頻、多信道、多RF 的mesh。同時(shí)具有以下特點(diǎn)：非常靈

13、活，完全可擴(kuò)展的，而且是面向未來技術(shù)的，比如WiMAX、802.11n (MIMO)或者 Ultra-Wideband (UWB)。 1、專用無線鏈路在建立一個(gè)高級的mesh網(wǎng)絡(luò)時(shí)，使用方法一定是與其它類型解決方案所不同的。它將應(yīng)用模塊化的方案，使用專用的帶寬鏈路來完成AP的功能（客戶端連接）或回程功能（網(wǎng)絡(luò)級連）。 客戶端連接無線模塊必須設(shè)計(jì)為或者與無線客戶端連接（用戶接入）關(guān)聯(lián)，或者使用分離的模塊與其他mesh節(jié)點(diǎn)（回程）關(guān)聯(lián)。網(wǎng)絡(luò)級無線模塊必須根據(jù)到網(wǎng)絡(luò)egress（有線網(wǎng)絡(luò)）的最佳可能路徑為中繼回程流量（ingress和egress）建立與另一個(gè)mesh節(jié)點(diǎn)的鏈路。

14、對于repeater或者用來擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)范圍的節(jié)點(diǎn)，需要包含3個(gè)或更多的無線模塊一個(gè)用于ingress流量（回程），一個(gè)用于egress流量（回程），還有一個(gè)用于無線終端（用戶接入）。下圖闡明了這一概念。終端連接與網(wǎng)絡(luò)連接 2、802.11a無線回程這個(gè)新型結(jié)構(gòu)化的無線mesh需要支持不同類型的無線技術(shù)。正如前面所提到的，802.11b和802.11g僅有三個(gè)可能的非重疊信道。802.11a與802.11b或802.11g相比較的一個(gè)優(yōu)勢是其所有可獲得的信道都是非重疊的。因此你可以讓無線節(jié)點(diǎn)工作在臨近信道而會不產(chǎn)生相互干擾。并且該頻段無線干擾更小，頻譜更寬。鑒于以上原因，802.11a非

15、常適合用于回程mesh架構(gòu)。 3、低時(shí)延交換理想的mesh網(wǎng)絡(luò)必須支持語音應(yīng)用和快速漫游切換，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該設(shè)計(jì)要求保持時(shí)延和開銷最小，并提高多跳的性能，從而保證網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性。高速應(yīng)用下的低時(shí)延交換 4、蜂窩狀覆蓋mesh網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)該允許使用多個(gè)、分離的扇區(qū)狀天線（非常類似蜂窩網(wǎng)絡(luò)中無線小區(qū)站點(diǎn)天線）同時(shí)向不同的方向發(fā)射信號，每個(gè)方向都使用不同的信道。蜂窩狀覆蓋可以支持向所有相連的客戶端同時(shí)進(jìn)行無沖突的傳輸意味著在更大范圍內(nèi)，更多的用戶可以與同一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，由此使用戶之間發(fā)生更少的沖撞，從而使網(wǎng)絡(luò)獲得更高的吞吐量。 5、新型無線mesh網(wǎng)絡(luò)的驗(yàn)證這種新型無線mesh

16、網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境（無噪聲）和真實(shí)環(huán)境（有噪聲）中進(jìn)行了測試。測試跳數(shù)逐步從1跳增加到10跳，結(jié)果表明即使達(dá)到10跳，無噪聲情況下網(wǎng)絡(luò)回程吞吐量只有4%的丟失，而實(shí)際噪聲環(huán)境也僅丟失了40%。時(shí)延測試結(jié)果也同樣令人滿意完全在語音（VoIP）和視頻應(yīng)用可接受的范圍內(nèi)。帶寬下降測試結(jié)果是與為回程流量使用單頻的mesh網(wǎng)絡(luò)的最佳情況進(jìn)行比較的。而單頻mesh網(wǎng)絡(luò)在無噪聲情況下經(jīng)過5跳后帶寬就會令人吃驚地丟失了80%。  五、結(jié)論多跳大規(guī)模無線mesh網(wǎng)絡(luò)對帶寬降低，無線干擾和網(wǎng)絡(luò)時(shí)延等問題十分敏感。如果沒有使用多頻結(jié)構(gòu)化的無線mesh，每一跳的吞吐量可能會下降多達(dá)50%。特別是在更大規(guī)模部署情況下，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和漫游也是需要著重考慮