【科普】無綫 Mesh 網絡 和 IEEE802.11s 網絡協議 (2)

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【科普】無綫 Mesh 網絡 和 IEEE802.11s 網絡協議 （1）

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專有名詞

  • Wireless Personal Ad-hoc Network (WPAN) 個人無綫網
  • Mobile Ad Hoc Network (MANET) 移動網絡
  • Wireless Mesh Network (WMN) 無綫 Mesh 網絡
  • Hybrid Wireless Mesh Protocol HWMP 混合無綫 Mesh 協議

目錄

  1. 引言
  2. WMN的特徵
    • 優勢
  3. 生活應用場景
    • 家用寬帶網路
    • 城市區域網路
    • 交通系統 （鐵路）
  4. IEEE802.11s 協議
    • HWMP 混合無綫 Mesh 協議

介紹

在上一篇文章中，我們大致瞭解了網狀網路的定義，網狀網路中常用的節點，以及一些無線網狀網路的分類。 今天，我們要討論的是WMNs的現實應用和專門針對WMNs的新的IEEE802.11s協定。 在IEEE802.11s中，討論的重點是: 混合無線網狀網路協定（HWMP）。

WMN的特徵

WMN 不需要集中式 AP 來調解無線連接。多跳功能以低傳輸功率擴展了覆蓋範圍。提供NLOS （non line of sight, 不可直視，代表傳輸和接收端中間有障礙物） 連接。自整形、自愈、自組織的能力極大簡化了WMN的部署，提高了網路容錯能力。 但是 WMN不是一個節能網路，因為大多數Mesh路由器通常是交流供電的，因此在協議設計的時候沒有將能源效率作爲問題納入考量。

優勢

  1. WMN無需布線，布線的價格較昂貴，并且耗時，架設的結構並不靈活。因此，它具有非常低的安裝和維護成本。
  2. WMN 易於在戶外和難以接線的區域提供覆蓋 ， 比如新建的機場或者地震災區等。
  3. 部署速度快
  4. 網路具有自我修復、彈性、可擴展、可擴展的特性

應用場景

1. 家用寬帶網路

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Mesh網路可以解決傳統的家庭網路可能面臨以下問題：
1.家庭有許多被擋住的區域，在這些特定區域無法聯網
2.做現場勘測的費用很高，
3. 部署多個 AP 的成本高昂
4. 2 個不同 AP 下的節點之間的通信必須一直回溯才能訪問集線器

2. 城市區域網路

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WMNs中的節點之間的通信並不依賴有線骨幹網。與有線網路（如電纜或光網路）相比，WMN-MAN是一種經濟的寬頻網路選擇，特別是在不發達地區。WMN-MAN覆蓋的區域可能比家庭、企業、建築或社區網路大得多，所以，WMN-MAN對網路可擴充性的要求要高得多。

3. 交通系統 （鐵路）

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如圖所示，基於Mesh無綫網絡的交通系統一般只包含一個gateway，該gateway與列車某一端的 Mesh gateway相連，并且連接到互聯網。然後，網狀gateway將與列車上所有其他Mesh Router/Mesh Client 端進行通信。

IEEE 802.11s 協議

IEEE 802.11s 協議是基於用於網狀網路的 IEEE 802.11 協議更新產生的，它定義了無線設備之間如何互連以創建WMN網路，可用於靜態拓撲結構和ad hoc 網路。IEEE802.11s 協議擴展了IEEE 802.11 MAC標準，定義了一個同時支援：

  • 廣播/多播，和
  • 單播傳輸

的架構和協定，並將其命名為Hybrid Wireless Mesh Protocol 混合無線網狀結構協定（HWMP）。

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HWMP 混合無線網狀結構協定

HWMP 在Mesh網路中結合了靈活性較高的 on-demand 路徑發現步驟，以及高效的主動路由步驟。下面分別來介紹兩者的區別：

- On-Demand Routing

通俗地說, On Demand Routing 就是在有需要時才建立路由，它是一種經常被使用在無綫網路中的路由協定。因此，它通常是被動路由。在IEEE802.11協定中比較出名的On Demand Routing 就是AODV。然而，HWMP是基於更先進的 Radio Metric AODV（RM-AODV）：使用AODV（RFC 3561）的功能;用任意的路徑度量來識別最佳度量路徑的擴展;目的地可以在網格中按需發現。

為了避免所有繁瑣的細節，這裡的圖顯示了從S（源節點）到D（目的節點）的正向路徑和反向路徑的形成過程。

圖像
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- Proactive Routing

HWMP的主動路由是基於樹形路由的。如果有一個Root節點（=MPP）存在，就會建立一棵距離向量路由樹。
向量路由的方法對分層網路來說是有效的，它可以有效避免在路由路徑的發現過程中產生的不必要的 packet flooding。

下圖顯示了基於樹的拓撲結構，並結識了如何從根節點開始逐步向下形成樹狀的網路（藍色路徑）：

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小結

本文中盡量避免了HWMP中使用的數學公式和度量分析的細節。像AODV, On Demand Routing, Pro-active/Re-active Routing 之類的底層概念也沒有具體解釋。主要是爲了讓讀者們只關注Mesh無綫網路並對它產生一個基本的概念。也許在未來，會繼續深挖IEEE802.11網絡協定中經常用到的一些路由協定，並借此來介紹無綫路由與有綫路由的區別。