Bezprzewodowo w strukturze MESH

Sieci kratowe umożliwiają stworzenie niezawodnej, bezpiecznej i samonaprawiającej się struktury. Pozwalają też na wprowadzanie nowych, zaawansowanych usług.

Sieci kratowe umożliwiają stworzenie niezawodnej, bezpiecznej i samonaprawiającej się struktury. Pozwalają też na wprowadzanie nowych, zaawansowanych usług.

MESH jest strukturą, która wykorzystuje jedno lub więcej połączeń w celu stworzenia pełnej lub częściowej topologii kratowej. W topologii pełnej kraty każdy węzeł jest przyłączony do pozostałych bezpośrednio. W topologii częściowej sieci kratowej węzeł jest połączony z wybranymi, ale nie wszystkimi węzłami.

Kiedy mówimy o bezprzewodowej strukturze MESH, mamy na myśli sieć, która tworzy wiele połączeń pomiędzy uczestnikami oraz jest w stanie dynamicznie aktualizować i optymalizować te połączenia. Może to być sieć mobilna, w której każdy węzeł zmienia lokalizację. Największym wyzwaniem jest w MESH dynamiczne zarządzanie informacjami o trasowaniu. Jest wiele protokołów i implementacji tej struktury, charakteryzujących się różnymi zaletami i kryteriami wdrożenia.

Cztery generacje sieci MESH

Sieci kratowe przebyły długą drogę rozwoju przez ostatnich kilka lat, ale technologia nadal ewoluuje. W tej ewolucji można wyróżnić cztery generacje.

.

Zalety i wady sieci MESH

Zalety i wady sieci MESH

Pierwsza zakłada użycie pojedynczego radia 802.11 zarówno dla sieci szkieletowej (backhaul), jak i dostępowej (access) w paśmie 2,4 GHz. W sieci MESH pierwszej generacji węzły i klienci dzielą ten sam radiowy zakres częstotliwości i mogą ze sobą interferować. System nie może być skalowalny powyżej 3 do 5 węzłów bez pojawienia się interferencji. W ten sposób ta struktura staje się bezużyteczna dla aplikacji wideo lub głosowych. Architektura pierwszej generacji zakłada wprowadzenie trybu dual-radio, który rozwiązuje problemy z przepustowością poprzez odseparowanie sieci dostępowej i szkieletowej. Nadal pozostają jednak problemy z częstotliwością.

Większe możliwości można uzyskać poprzez separację dostępu i sieci szkieletowej w różnych zakresach częstotliwości. W ten sposób narodziła się druga generacja sieci kratowych z radiem pracującym w nielicencjonowanych pasmach 2,4 GHz i 5,8 GHz. Zazwyczaj urządzenie radiowe przeznaczone dla sieci dostępowej pracuje w technologii 2,4 GHz (802.11b/g), a urządzenie dedykowane do pracy w szkielecie wykorzystuje technologię 5 GHz (802.11a).

Dość statyczna natura MESH pierwszej i drugiej generacji wymusiła zmiany w architekturze sieci kratowych. Pojawiła się więc modularna architektura z wieloma radiami obsługującymi różne konfiguracje sieciowe. Trzecia generacja systemów ma elastyczną architekturę opartą na otwartym standardzie, który będzie skalowalny i umożliwia łatwość rozbudowy.

Ewolucja sieciowych systemów Wi-Fi MESH

Ewolucja sieciowych systemów Wi-Fi MESH

Systemy multiradio zwiększają wydajność i skalowalność. Urządzenia radiowe są dedykowane do konkretnych zastosowań, a każde spełnia określoną funkcję (element sieci kratowej, klient dostępowy, szkielet wchodzący, szkielet wychodzący). Modularna architektura zapewnia elastyczność w tworzeniu systemu oraz łatwiejsze przejście do przyszłych technologii, włączając w to WiMAX. Nowe moduły mogą zostać dołączane wraz z rozwojem technologii.

Czwarta generacja zakłada wykorzystanie sieci pre-WiMAX/WiMAX oraz protokołów routingu optymalizowanych dla głosu i QoS. Wydanie numer 4 dostarcza zaawansowanych opcji autowykrywania, optymalizacji i QoS. Ruchowi wieloplatformowemu mogą być przyznawane różne priorytety na podstawie klas użytkowników lub typów ruchu.

Czym różni się tryb WDS od sieci kratowej MESH?

Tryby WDS (Wireless Distribution System) oraz MESH często uważa się za tożsame. Standard 802.11 WDS umożliwia konfigurację przekazywania ruchu od jednego punktu dostępowego do innego. Funkcjonalność rozwiązania jest rzeczywiście taka sama jak routera MESH.

WDS jest jednak inicjowany przez ręczną konfigurację każdego punktu dostępowego, polegającą na tworzeniu statycznych wpisów w tablicy przekazywania pakietów. WDS nie wyznacza najlepszej ścieżki, a w przypadku niedostępnego łącza do wyznaczonego miejsca przeznaczenia, pakiety są odrzucane. Nie istnieje dynamiczna rekonfiguracja tras.

Routery MESH natomiast automatycznie odkrywają sąsiadów i uczą się najlepszej ścieżki do każdego miejsca przeznaczenia. Jeżeli któryś z routerów nie odpowiada, pakiety przekazywane są przez nową, możliwie najlepszą trasę. Podstawową różnicą pomiędzy MESH a WDS jest więc redundancja.

Typy i topologie sieci MESH

W najprostszej formie bezprzewodowa architektura MESH jest zbiorem urządzeń radiowych, używających połączenia RF w celu stworzenia ścieżek, przez które podróżują pakiety danych. W wielu przypadkach bezprzewodowa sieć MESH odwzorowuje idealną wersję szkieletu, w którym fizyczna lokalizacja jest mniej istotna niż przepustowość i topologia sieciowa. W takiej topologii jedno z bezprzewodowych urządzeń jest przyłączone bezpośrednio do Internetu. Każdy pakiet danych jest przesłany do tego samego miejsca przeznaczenia, ale niekoniecznie tą samą ścieżką.

Infrastruktura w sieci MESH

Infrastruktura w sieci MESH

Podstawową architekturą sieci jest struktura punkt-punkt lub punkt-wielopunkt. MESH natomiast wprowadza zbiór bezprzewodowych urządzeń, które komunikują się w trybie "każdy z każdym". Każdy punkt końcowy może wysyłać i odbierać wiadomości, więc dane będą szukały drogi przeznaczenia przez najbardziej dostępny element sieci.

Można dokonać następującego podziału sieci MESH:

  • Stałe instalacje bezprzewodowe łączące wiele lokalizacji przy użyciu trybu ad-hoc;
  • Sieci mobilne ad-hoc, punkt-punkt o zmiennej dostępności i potencjalnie zmiennym rozmieszczeniu;
  • Infrastruktura węzeł-węzeł, łącząca wiele lokalizacji.

Stałe bezprzewodowe sieci MESH są budowane przy założeniu, że wiele węzłów nie ma bezpośredniego dostępu do zdalnej sieci lub Internetu. W rzeczywistości jeżeli każda lokalizacja posiada dostęp do szkieletu, rozszerzenie usług przez sieć bezprzewodową okazuje się najczęściej niezbędne. W stałych instalacjach lokalizacje dla węzłów są wybierane z uwzględnieniem przepustowości kilku punktów. Stałe sieci MESH oferują także opcję komunikacji przy braku bezpośredniej widoczności.

Inaczej jest w przypadku mobilnej MESH, która jest siecią "każdy z każdym" i zależy od indywidualnych połączeń urządzeń z dostępem radiowym. Każde urządzenie zna optymalna ścieżkę do każdego punktu sieci, którą może się zmieniać w czasie.

W przypadku sieci węzeł-węzeł używa się stałej sieci kratowej pracującej w trybie infrastruktury. Każdy węzeł w trybie infrastruktury dostarcza połączenia sieciowe klientom 802.11b, potrafiącym przełączać się między węzłami. Klienty mogą przełączać się pomiędzy punktami dostępowymi na zasadzie roamingu w sieciach komórkowych. Istnieją dwie metody konfiguracji przełączania się między węzłami: przełączanie ścieżek oraz przełączanie mobilne.

Architektura sieci MESH składa się z dwóch typów węzłów: routerów MESH oraz klientów MESH. Bezprzewodowy router ma dodatkowe funkcje routingu, obsługujące sieć kratową. Elastyczność sieci zapewnia najczęściej wyposażenie routera w wiele interfejsów radiowych, zbudowanych w tych samych lub różnych technologiach dostępu radiowego.

Jak wygląda warstwa MAC w przypadku sieci MESH? Większość istniejących bezprzewodowych urządzeń radiowych umożliwia obsługę wielu przepływów przez kombinację różnych modulacji i kodów. Przykładem modulacji używanej w MESH jest OFDM (Orthogonal Frequency Multiple Access), która zwiększa prędkość z 11 Mb/s, możliwą do uzyskania w standardzie IEEE 802.11, do 54Mb/s.

Architektura mobilna w sieci MESH

Architektura mobilna w sieci MESH

Znacznie większe prędkości można uzyskać stosując UWB (Ultra Wide Band). Niestety technologię tę bardzo ogranicza zasięg, co sprowadza jej wykorzystanie do sieci osobistych (WPAN). Jeżeli w przyszłości prędkość transmisji dostępna w UWB będzie możliwa do uzyskania na większych odległościach, odpowiadających WLAN lub WMAN, to konieczne będzie zdefiniowanie nowej warstwy fizycznej. Otwarta natura standardów warstwy fizycznej daje możliwość wprowadzenia coraz większych szybkości transmisji.

Architekturę systemów MESH można sklasyfikować w trzech grupach, opierając się na funkcjonalności węzłów:

  • Infrastruktura/szkielet - MESH tworzą infrastrukturę dla przyłączających się klientów. Może być ona zbudowana przy użyciu powszechnie stosowanych technologii radiowych. Sieć staje się automatycznie konfigurowalna oraz samodzielnie naprawialna. Routery MESH mogą łączyć się z Internetem i integrować się z istniejącymi sieciami bezprzewodowymi, wykorzystując swoje funkcje bramy. Infrastruktura MESH tworzy szkielet dla konwencjonalnych klientów bezprzewodowych (desktopów, laptopów, PDA, telefonów) oraz przewodowych - przez porty Ethernet. Klienty wykorzystujące technologię radiową zgodną z MESH komunikują się bezpośrednio z infrastrukturą. Działające w innych technologiach łączą się z infrastrukturą przez stacje bazowe dołączone przez Ethernet do sieci MESH.

  • Mobilny MESH - sieć peer-to-peer utworzona pomiędzy urządzeniami klienckimi. Węzły klienckie ustanawiają strukturę sieci, tworząc reguły trasowania i dostarczając aplikacji dla klientów. Router MESH nie jest wymagany w tego typu architekturze. Mobilna sieć MESH jest przeważnie formowana przez urządzenia pracujące w tej samej technologii.

  • Hybrydowy MESH - ta architektura jest kombinacją trybu mobilnego i infrastruktury. Klienci mogą łączyć się z siecią kratową zarówno przez router lub łącząc się z innymi klientami. Infrastruktura umożliwia połączenie z innymi sieciami, np. WiFi, WiMAX, komórkowymi. Architektura hybrydowa jest najlepszym rozwiązaniem dla skalowalnych sieci MESH.

Bezprzewodową topologię sieci kratowych można podzielić na pełny oraz częściowy MESH. Z full MESH mamy do czynienia, gdy każdy węzeł w sieci jest połączony ze wszystkimi pozostałymi. Topologia ta jest bezkonkurencyjna, gdy chodzi o redundancję - jeżeli jeden węzeł ulegnie awarii, ruch sieciowy może zostać przekierowany przez inny. Pełny bezprzewodowy MESH jest jednak trudny w realizacji przy dużej liczbie punktów dostępowych; jakkolwiek na małej przestrzeni - w biurze lub małym kampusie - może być idealnym rozwiązaniem.

Topologia częściowego MESH zapewnia mniejszą redundancję niż topologia typu full. Niektóre węzły są zorganizowane w pełny MESH, a pozostałe przyłączone tylko do jednego węzła w sieci. Topologia partial MESH jest stosowana w małych i dużych sieciach lub w przypadku połączenia ostatniej mili do szkieletu realizującego topologię full MESH.

<hr>Błażej Marciniak

Dział Systemów Sieciowych, Veracomp SA

Topologia sieci typu MESH - koncepcja znana od dość dawna, choćby z sieci ATM - zaczyna się pojawiać w sieciach bezprzewodowych.

Sieć posiadająca wiele węzłów nie ma stałej drogi przełączania pakietów, nie może zostać wyłączona z działania poprzez awarię pojedynczego punktu (single point of failure) oraz może wykorzystywać alternatywne połączenia do równoważenia obciążenia punktów sieci. W sieci radiowej topologia MESH ma dodatkowe zalety: znacznie wyższą odporność na zakłócenia, szczelniejsze pokrycie zasięgiem terenu oraz większą przepustowość sieci dzięki zastosowaniu osobnych interfejsów radiowych realizujących dostęp dla użytkowników oraz połączenia szkieletowe.

Zdecydowana większość sieci radiowych jest budowana w topologii łańcucha (daisy chain) i awaria jednej stacji wyłącza z użytku wszystkie stacje i użytkowników za nią. Urządzenia obsługujące protokół MESH mogą samoczynnie nawiązywać dodatkowe połączenia, inteligentnie równoważąc obciążenie i zachowując priorytety dla odpowiednich usług, np. przełączając pakiety VoIP na najszybszych trasach, a pakiety www - na najmniej obciążonych.

Wadą topologii MESH jest wyższy koszt infrastruktury: potrzeba więcej urządzeń niż w topologii łańcucha, muszą być one inteligentne oraz posiadać minimum dwa interfejsy radiowe.<hr>