基于WiFi的無線網狀(Mesh)組網技術

摘要：目前，無線局域網由于相對有線網絡的眾多優點受到廣泛應用，其中WiFi因為高效的工作能力而受到熱捧，但是WiFi由于支持范圍有限，使得它的發展受到一定程度的限制，這里對該問題進行了研究。在不添加有線基礎設施、擴大成本的情況下，考慮將網上的無線設備作為路由器使用，對數據進行不斷轉發，通過多個無線跳來進行組網，即利用無線網狀(Mesh)組網技術，在低成本的條件下，大大的擴展無線信號的覆蓋范圍。考慮到無線網狀組網技術在當前市場上的應用，其業務支持能力和性能方面的優勢，證明了想法提出的合理性及可行性。基于WiFi的無線網狀(Mesh)組網技術不僅具有WiFi本身的優勢，還解決了WiFi的覆蓋范圍小的問題，因此會有廣泛的應用空間和很好的發展前景。
關鍵詞：無線網狀網絡；無線局域網；WiFi；無線跳

1 無線Mesh組網技術
無線網狀網絡(Wireless Mesh Network，WMN)作為一種新興的組網技術，在近兩年迅速引起業界的關注。與很多新技術出現的背景類似，WMN的出現是應用需求直接推動的結果。
首先，無線局域網(WLAN)的快速發展為企業和公眾帶來了極大的通信自由。WiFi(Wireless fidelity)作為第一個被廣泛推廣的高速WLAN技術，包括已經批準的IEEE 802．11a，b，g和n等規范，由于其提高工作效率的能力而受到追捧，并在全球得到廣泛部署。然而，WiFi能夠支持的范圍非常有限：用戶只有保持在距離無線接入點設備(AP)300英尺的范圍內才能實現高速連接。因此，如果想把WiFi的服務模式變成無所不在的覆蓋，其成本將高得可怕。那么，能不能將網上的無線設備作為路由器使用，對數據進行不斷轉發，直至把它們送至目的地，從而把接入點的覆蓋服務延伸到幾英里甚至更遠，這就是提出無線Mesh組網技術的基本思路，即通過多個無線跳來進行組網(WiFi只使用一跳)，從而能在不添加有線基礎設施的情況下，大大延展無線信號的覆蓋范圍。因此，無線Mesh網絡是一種非常適合于覆蓋大面積開放區域(包括室外和室內)的無線區域網絡解決方案，其特點在于：由包括一組呈網狀分布的無線AP構成，AP均采用點對點方式通過無線中繼鏈路互聯，將WiFi中的無線“熱點”擴展為真正大面積覆蓋的無線“熱區”。這種結構帶來的好處包括：
自配置：即WMN中AP具備自動配置和集中管理能力，簡化了網絡的管理維護；
自愈合：即AP能夠自動發現和動態路由連接，消除單點故障對業務的影響，提供冗余路徑；
兼容性：即如果采用標準的IEEE802．11b／g制式，則可廣泛地兼容無線客戶終端；
連通性：即采用Mesh結構的系統，信號能夠避開障礙物的干擾，使信號傳送暢通無阻，消除盲區。
所以，最適合部署無線Mesh網絡的環境為：大學園區、體育場館、臨時應急通信(如大型災難的救災現場)等。

2 基于WiFi的無線網狀網絡
無線局域網(WLAN)的基本結構是兩個無線設備之間點對點或者點對多點的通信。在點對點模式中，無線連接取代了通信電纜，而且在兩個終端距離較近時可以進行可靠的數據傳輸。在點對多點模式下，系統有一個中央管理單元AP，所有的信號都被匯聚到該接入點中，因此無線網絡的可靠性依賴于AP和終端之間射頻連接的質量。無線Mesh網絡的通信模式與上述點對點或者點對多點通信模式是完全不同的。如前所述，WMN是一種基于多跳路由、對等網絡等技術的高速率、高容量的新型網絡結構，其本身是可以動態地不斷擴展、自組網、自配置、自動修復、自我平衡的。針對以上特點，工業界標準化組織已經開始著手為其制定新的標準，以滿足各種覆蓋與網絡業務方面的需要。其中，IEEE 802．11，IEEE 802．15以及IEEE 802．16等都建立了為WMN制定新標準的工作組。下面將就802．11標準對WMN結構的支持進行簡要介紹。最初的IEEE 802．1l業務主要限于數據傳輸，速率最高只能達到2 Mb／s，但是，IEEE802．11b和802．11a／g的峰值速度可以分別達到11Mb／s和54 Mb／s，而IEEE802．11n則期望可以達到100 Mb／s，這就使得現有的電纜和DSL連接限制了家庭和辦公網絡的連接速度。倘若能夠跳過這些有線部分，則可以克服這一問題，同時減少鋪設和維護以太網電纜的開銷。至此，WMN的思想被引入。雖然可以用802．11點對點模式來構建無線Mesh網絡，但是其MAC協議的不可伸縮性使得網絡的性能很差，不適合多跳的WMN。為了將其商用，IEEE新成立了一個IEEE802.11s子工作組，制定標準化的擴展服務集(ESS)，即IEEE 802．11s專門為WMN定義了MAC和PHY層協議。在這樣的網絡中，WLAN接入點可以像路由器那樣轉發消息。
在IEEE 802．11s工作組中，Mesh網絡可以是2種基本結構：基礎設施的網絡結構和終端設備的網絡結構。IEEE 802．11s工作組為支持這兩種結構制定了新的規范。在基礎設施的網絡結構中，IEEE 802．11s工作組定義了一個基于IEEE 802．11 MAC層的結構和協議，來建立一個同時支持在MAC層廣播／多播和單播的IEEE802．11無線分布式系統(WDS)；而在終端設備的網絡結構中，所有設備工作在點對點模式下的同一平面結構上，使用IP路由協議。客戶端之間形成無線的點到點的網絡，而不需任何網絡基礎設施來支持。