Ячеистая топология. Построение беспроводных локальных сетей на основе ячеистой топологии. Домашняя Mesh сеть: плюсы и минусы

Что такое mesh сеть (ячеистая сеть)? Для лучшего понимания можно представить конструкцию набором взаимосвязанных маршрутизаторов, составляющих сетевые узлы (точки). Эти сетевые узлы взаимосвязаны между собой с целью обеспечения покрытия Интернет на более обширной территории, нежели только в границах одного частного дома. Ячеистая сеть характерна тем, что обеспечивает доступ в Интернет практически в любой точке зоны покрытия узлов. К примеру, по всей площади многоэтажного дома или на территории, охватывающей несколько городских кварталов.

Домашняя mesh — это не единственная конфигурация, которая относится к ячеистой топологии. Одни mesh сети, являясь беспроводными, объединяют намного больше устройств, чем просто домашние устройства.

Другие mesh сети являются полностью проводными. Беспроводная ячеистая сеть наиболее применима к среднестатистическому потребителю. В целом существует несколько типичных исполнений mesh сетей:

Узкоспециализированная (ad-hoc) mesh сеть

Непрерывные конструкции часто создаются как способ взаимодействия устройств, когда соответствующая инфраструктура отсутствует непосредственно на местах.

FireChat — один из примеров мобильного приложения, которым используется Bluetooth, чтобы пользователи могли получить возможность общаться друг с другом без доступа в сеть Интернет.

Связь для доступа к другим пользователям осуществляется путём передачи данных через соседние устройства.

Типичная конфигурация, предоставляющая услуги для самых разных пользователей: 1 – Интернет; 2 – Базовая станция; 3 – Беспроводная сенсорная конструкция; 4 – Поисково-спасательный робот; 5 – Беспроводная «Ad-Hoc»; 6 – Конструкция Wi-Fi; 7 – Беспроводная домашняя mesh

Некоторые интеллектуальные домашние продукты, подобные «SmartThings» от Samsung, способны взаимодействовать с другими компонентами всей mesh системы (датчиками, сигнализациями и др.).

Всё это используется для выполнения определенных задач без необходимости установки связи с основным центром.

Домашняя ячеистая структура

Mesh сеть, предназначенная для домашних пользователей, обеспечивает по всей жилой площади в доме или небольшом офисе.

Для обеспечения полного покрытия используются нескольких маршрутизаторов. Существует ряд mesh систем, таких как «Google Wi-Fi» или «Orbi» от NETGEAR.

Муниципальная ячеистая структура

Сообщества или муниципальные mesh сети очень похожи на структуры, что создаются для домашних условий. Исключения отмечаются только в одном.

Вместо устройства внутри одного здания, структура охватывает район или целый город. Продукт «FabFi» — показательный пример устройства ячеистой (mesh) сети в масштабах города.

Как работает mesh сеть Wi-Fi

Условно домашнюю ячеистую сеть можно представить как цепочку ссылок. Каждая ссылка (узел mesh) открывает подключение к другим ссылкам.

Очевидно – созданная таким образом цепочка (сеть) способна покрывать дальние расстояния. Значительно более дальние, чем любая единичная ссылка (узел).

Обеспечивается дальность привязкой узлов друг к другу независимо от того, какое количество узлов присутствуют.

Для того чтобы трансформировать стандартный Wi-Fi в mesh сеть, необходима соответствующая настройка, при помощи которой устанавливается конфигурация под несколько узлов.

Затем организуется основной узел на модеме, которому отводится роль обычного маршрутизатора. Далее осуществляется подключение дополнительного узла к первому.

Новые разработки миниатюрных маршрутизаторов обещают сделать ячеистые сети ещё более универсальными в плане возможного применения на благо социума

Аналогичным образом подключается третий, четвертый и т.д. узел, взаимодействующий с другими соседними узлами, чтобы обеспечить сервис Wi-Fi как можно дальше от основного узла, где находится модем.

Mesh сетевые системы созданы специально под цели организации трафика маршрутизаторов. Устройства работают в тандеме по умолчанию. Поэтому пользователю нет необходимости владеть какими-то специальными знаниями относительно настройки.

В качестве примера рассмотрим домашний вариант, где соединение провайдера Интернет заведено в помещение подвала.

Линия интернет-провайдера подключается к модему, как и один из узлов mesh системы. Другие узлы подключаются в разных комнатах дома, тем самым усиливая сигнал Wi-Fi для уверенного прохождения по всей площади строения.

Плюсы и минусы домашней mesh сети

Отмечаются как преимущества, так и недостатки. Однако в любом случае, если есть нужда в обеспечении Wi-Fi, ячеистая сеть вполне разумная идея.

Плюсы технологии

доступ устойчивого Wi-Fi в границах любой комнаты дома;
обеспечение доступа в Интернет в отсутствии Ethernet-соединений или удаления от основного маршрутизатора;
если узел завершает работу или блокируется помехой, mesh сеть остаётся активной, пока функционирует соседний узел;
обеспечивается стабильность и плавность работы, учитывая взаимодействие узлов без непосредственного обращения к центральному маршрутизатору;
простота установки и управления в большинстве случаев, так как контроль осуществляется мобильным приложением под мобильные устройства;
расширение ячеек и обновление приложения выполняется так же просто, как подключение одного стандартного узла к розетке;
цена установки зачастую ниже, чем для традиционного варианта, учитывая простоту добавления узлов и необходимость протягивания кабелей;
большинство узлов mesh конструкции малогабаритные, компактные, не имеют внешних антенн.

Минусы технологии

mesh система обычно по стоимости превосходит традиционный маршрутизатор;
большое число ячеек требуется разносить по территории всего дома;
установка mesh конфигурации нецелесообразна, если площадь дома составляет менее 450 м 2 .

Некоторые особенности работы Wi-Fi

Рост популярности интеллектуальных домашних устройств и бесчисленных потоковых медиа-сервисов, таких как Hulu, Netflix и Spotify, обеспечит покрытие Wi-Fi в любом месте

Очевидный момент — если устанавливаются несколько узлов в жилом доме, каждая из этих рабочих точек способна работать на полной скорости.

Другими словами, когда интернет-провайдер предоставляет трафик на скорости 30 Мбит/с, и в доме задействованы три рабочих точки, все они допускают работу на той же скорости — 30 Мбит/с.

Однако такая работа не поддерживается mesh конфигурацией. Все три ячейки в примере выше, если они используются на максимальной мощности, равномерно разделят 30 Мбит/с, выделенные на домашнее потребление. То есть реально на каждую отдельно взятую ячейку придётся по 10 Мбит/с.

Полоса пропускания, установленная для домашнего варианта, поддерживает определённую скорость независимо от особенностей работы локальной сети.

Пользователь может иметь один маршрутизатор, ячеистую сеть, допустим, состоящую из 4 или 15 ячеек, на которые распространяется поддерживаемая пропускная способность.

Ячеистые сети - это распределенная система передачи данных. Все узлы в этой сети соединяются, обмениваются сигналами и совместно усиливают его, не используя центральный сервер. Узлом в этом случае становится любое устройство, которое одновременно может получать и передавать данные, - например мобильный телефон.

Ячеистые сети существуют давно: например, в 1980-е годы они использовались в военных целях - для налаживания связи между бойцами, которые находятся друг от друга на большом расстоянии. На рынок эти сети вышли в 1990-е, но не пользовались популярностью из-за примитивности технологии, которая позволяет делиться данными напрямую. Однако после того как стартап Eero представил свою ячеистую технологию в 2015 году, похожие системы покупателям предложили и крупные компании - Google и D-Link.

Как это работает?

Представьте множество устройств, которые связаны между собой беспроводной связью, - все они взаимодействуют друг с другом для приема и передачи данных. К примеру, если это сотовый телефон, то при подключении он становится и роутером. При этом каждый новый пользователь расширяет зону покрытия сети.

Остальное проще объяснить на примере: после урагана Сэнди, когда интернет был недоступен, людям помогала обмениваться сообщениями ячеистая сеть - они подключались к ней с помощью Bluetooth. Протестующие использовали ячеистую сеть в Гонконге с помощью приложения FireChat; узлами в этом случае выступали телефоны, которые образовывали сеть из равноправных участников. Сотовые операторы или провайдеры не могут отключить ее. Даже если отобрать у активистов часть телефонов, то оставшиеся устройства все равно смогут передавать друг другу информацию и сигнал. Но это выход не в глобальный интернет, а прототип мини-интернета между этими устройствами.

Погодите, то есть в «Фейсбук» с помощью этой технологии не зайти?

Позволяет, просто это другой виток развития ячеистых сетей. Если хотя бы одно устройство в ней имеет доступ к «большому интернету», то ее получат и другие участники сети. Если упростить, это несколько передатчиков, которые связаны между собой и Wi-Fi роутером с измененной технологией. Все эти устройства равномерно распределяют интернет по территории, на которой они располагаются, - например по большому дому или даже городу.

Например, в Нью-Йорке существует сеть NYC Mesh, которая устанавливает на крыше большие антенны для раздачи интернета, которые подключаются к роутерам жителей этих домов. Сеть живет на добровольные пожертвования.

В чем отличие от обычного доступа к интернету?

Представьте, что вам нужно отправить электронное письмо. Для этого вам нужен компьютер, ноутбук или телефон, который подключен к проводному или беспроводному интернету, чтобы запросить доступ в интернет у локального оператора. После этого устройство присоединяется к центральному хабу - точке Wi-Fi, сетевому коммутатору или сотовой станции.

Но в некоторых случаях такое средство общения неудобно. Представим, что вам нужно отправить один файл ста людям. Ваш файл должен пройти через длинный путь нескольких хабов, пока он не достигнет сервера электронной почты. Чтобы получить его, людям нужно сто раз загрузить этот файл к себе с помощью подключения к интернету. Чтобы упростить этот процесс, появились ячеистые сети, где обмен информацией происходит между устройствами напрямую, без центрального хаба.

И для чего это нужно?

Ячеистые сети называют следующим шагом в развитии беспроводных сетей, потому что они решают проблему «мертвых зон» в больших помещениях, - интернет будет распределен по всему помещению равномерно. Обычно небольшая сеть состоит из двух или трех узлов и роутера, который обеспечивает соединение с интернетом. К этой сети вы можете добавить еще несколько узлов, если они требуются, их количество не ограничено. Активисты свободного доступа к интернету стараются популяризировать идею бесплатной сети во всем мире - причем чем больше людей в этом будет участвовать, тем быстрее это произойдет.

Стоит ли покупать домой ячеистую сеть?

Зависит от того, что вам нужно. В случае, если вы хотите использовать ее дома для получения более стабильного сигнала, даже производители советуют устанавливать такую систему в помещениях, если они больше 230 квадратных метров. Они также могут пригодиться в домах, которые построены из кирпича, со стенами из гипса или другого материала, который блокирует сигнал Wi-Fi. В других случаях хороший Wi-Fi роутер, который будет правильно установлен в помещении - в центре, далеко от стен, - сможет справиться с нагрузками.

Большое пространство - не единственный критерий. Ячеистые сети стали актуальны и из-за количества устройств, которые требуют подключения к интернету, - если вы пользуетесь умной камерой на двери, то сигнал вашего роутера может до него попросту не дотянуться. Особенно если в другой комнате у вас стоит Alexa, а на кухне - умный чайник.

А минусы у него есть?

Да. В первую очередь, если вы подключены не к роутеру, а к более мелким узлам - скорость интернета будет ниже. Например, ваш роутер стоит в гостиной, а в спальне и коридоре - узлы. Если вы будете смотреть видео в спальне, то скорость замедлится, потому что роутер будет передавать данные сначала узлу, а он, в свою очередь - на ваш ноутбук. Во-вторых, ячеистая система для дома стоит дорого.

Я решил, что мне нужна такая сеть, к чему стоит присмотреться?

Если стоимость не отпугивает вас, то присмотритесь к крупным производителям. Например, первая компания, которая занялась продажей ячеистых сетей для дома, - Eero - предлагает роутер и два узла за $300. Примерно такое же количество устройств, с чуть измененными параметрами, от Google Wifi стоят $179, а у Linksys такую систему можно купить за $300. Перед покупкой лучше поискать рецензии СМИ, зачастую зарубежные издания тестировали их у себя в редакциях.

Удалось ли построить какую-то большую ячеистую сеть?

Да, одна из самых больших крупных сетей - Guifi - сейчас находится в Каталонии и Валенсии, состоит из 33 тыс. узлов. Она появилась еще в начале нулевых, когда местные жители устали ждать появления в регионе нормального интернет-провайдера. Они настроили несколько роутерев, договорились с администрацией и установили оборудование в стратегических точках города. Сеть стартовала с одной Wi-Fi ячейки и расширялась постепенно. Сейчас Guifi развивается на общественных началах и подключение к ней доступно совершенно бесплатно через мобильную сеть. Другой пример - похожий проект AWMN в Греции, где сеть появилась в 2003 году, его цель также была в том, чтобы выстроить большую сеть. К тому времени, как услуги по широкополосному подключению перестали быть редкостью в Афинах, успел добраться до более удаленных регионов Греции и даже соединиться с узлом в Словении.

Производители постоянно работают над улучшением характеристик своих WLAN-роутеров. Появляются новые функциональные возможности, увеличивается пропускная способность, но при этом устройства становятся все дешевле и дешевле.

Проблема: большие расстояния и такие массивные препятствия, как стены, зачастую оставляют от теоретически возможной скорости передачи данных лишь небольшую её долю. Связь между роутером и компьютером в жилой комнате может быть великолепной, но смогут ли воспользоваться ей ваши дети в спальне, расположенной на верхнем этаже или, например, достанет ли сигнал до умной морозилки в подвале - вот в чем вопрос.

Ответ на него есть обычно такой: надо использовать повторитель WLAN-сигнала, так называемый WLAN-репитер. Он создает более широкий радиус действия роутера и, как правило, работает безупречно. Альтернативным решением для увеличения радиуса действия роутера является . Но они не везде могут быть применимы и иногда им не хватает надежности.

Многие расширители зоны покрытия WLAN-сети довольно компактны и могут быть с легкостью размещены повсюду в квартире, как приведенные здесь станции TP-Link Deco

Неприхотливые WLAN-расширители

Еще больший успех в этом деле обещают так называемые Mesh-WLAN-системы. Они могут состоять в принципе из сколь угодно большого количества «радиостанций», которые вы стратегически размещаете по дому или квартире.

Все WLAN-системы могут быть - при необходимости - очень просто настроены через приложение. Там же находятся советы по оптимизации, как у приведенной на иллюстрации Asus Lyra

Станции соединяются друг с другом через собственную сеть и каждая служит точкой доступа к общей, домашней WLAN-сети. При этом важно, что система управляет сама собой и передачей данных между отдельными точками и оконечными устройствами практически самостоятельно.

От пользователя не требуется вмешательств в конфигурацию при начале работы, нужны лишь минимальные действия в Andoid- или iOS-приложении. Лишь при выборе местоположения точек нужно будет немного подумать.

Наш совет, исходя из практического опыта: чем выше, тем лучше . На верхней стороне шкафа или на самом верху книжных полок система получает возможность обеспечить наиболее высокую скорость передачи данных.

Google Wifi: трендсеттер

Самый известный представитель этого нового семейства устройств - система . Кроме того, она принадлежит к числу самых недорогих систем: примерно 130 евро стоит «радиостанция», которая быстро настраивается, хотя при этом и не предлагает практически никаких возможностей для конфигурирования, причем делается все только через приложение.

От номинальной пропускной способности на 300 Мбит в диапазоне 2,4 ГГц при практических измерениях на планшете в хороших условиях остаются все-таки еще хорошие 165 Мбит/с. За толстой стеной и на удалении 19 метров этот показатель опускается до 72 Мбит/с, но обычная WLAN-связь при таких же условиях вряд ли была бы способна на большее. В сравнении с другими системами это в любом случае средне-хорошая производительность.

Несколько раздражающим здесь является принуждение к использованию облачного сервиса. Чтобы задействовать Google Wifi, вам обязательно понадобится аккаунт в Google Cloud, что будет обходиться вам в несколько евро в месяц, а также сделает открытыми вопросы безопасности личных данных.

Netgear Orbi: задает темп

Из всех систем, которые мы протестировали, больше всего нам понравилась , и прежде всего из-за производительности в области скорости передачи данных: даже при сложных условиях она достигала по меньшей мере 124 Мбит/с. Во время тестовых испытаний ни один из конкурентов и близко не подобрался к таким показателям. В самом лучшем случае мы намерили рекордные 191 Мбит/с.

Кроме того, настройка системы является действительно простой, у пользователя есть выбор между управлением через приложение или веб-интерфейс. А еще Netgear предлагает дополнительные функциональные возможности, которых нет у других решений. В частности, вы можете организовать дополнительную домашнюю сеть или интегрировать Orbi в качестве точки доступа в уже существующую сеть. Более того, никакие облачные сервисы здесь не нужны. Зато само по себе решение является действительно дорогостоящим: базовое оснащение с роутером и одним сателлитом обойдется приблизительно в 27 000 рублей.

WLAN-Mesh-системы: обзор всех протестированных моделей

Обзор показывает все «чистые» Mesh-системы, которые мы рассмотрели во время практического тестирования и содержит в себе сравнение измеренной скорости передачи данных с номинальной, а также данные о стоимости и протестированной конфигурации.

Модель	Тестовая конфигурация	Стоимость (примерно)	Номинальная скорость (2,4/5 GHz)	Максимальная скорость десктоп/планшет
Asus Lyra	3 x Lyra	30 000 руб.	400/867 MBit/s	165/74 MBit/s
Google Wifi	3 x Wifi	25 000 руб.	300/867 MBit/s	197/165 MBit/s
Linksys Velop	3 x Velop	34 000 руб.	400/867 MBit/s	196/138 MBit/s
Netgear Orbi	1 x роутер/2 адаптера	40 000 руб.	400/1.733 MBit/s	191/124 MBit/s
TP-Link Deco	3 x Deco	20 000 руб.	400/867 MBit/s	186/150 MBit/s

Фото: компании-производители

Полносвязная.

Каждая рабочая станция подключена ко всем остальным.

Этот вариант является громоздким и неэффективным, несмотря на свою логическую простоту.

Для каждой пары должна быть выделена независимая линия, каждый компьютер должен иметь столько коммуникационных портов сколько компьютеров в сети.

По этим причинам сеть может иметь только сравнительно небольшие физические размеры.

Чаще всего эта топология используется в многомашинных комплексах или при малом количестве рабочих станций.

Недостатки

Сложное расширение сети (при добавлении одного узла необходимо соединить его со всеми остальными).

Огромное количество соединений при большом количестве узлов.

6 компов(6тиугольник), все соединены.

Ячеистая топология

каждая рабочая станция сети соединяется с несколькими другими рабочими станциями этой же сети (чаще всего с рядом стоящими компьютерами).

Характеризуется высокой отказоустойчивостью, сложностью настройки и переизбыточным расходом кабеля.

Каждый компьютер имеет множество возможных путей соединения с другими компьютерами.

Обрыв кабеля не приведёт к потере соединения между двумя компьютерами. (7 компов, 3 соединеты 3гольником, 3 внизу тоже. 1 по центру с 2мя компами)

55. Методы доступа к среде передачи данных (методы доступа к каналам связи)‏: случайный доступ; детерминированный доступ.

Методы доступа к среде передачи данных (методы доступа к каналам связи)‏

Случайный доступ;

Детерминированный доступ.

Методы случайного доступа

В локальных сетях, использующих разделяемую среду передачи данных (например, локальные сети с топологией шина и физическая звезда), актуальным является доступ рабочих станций к этой среде. Причина: если два ПК начинают одновременно передавать данные, то в сети происходит столкновение.

Для того чтобы избежать этих столкновений необходим специальный механизм, способный решить эту проблему.

Шинный арбитраж - это механизм призванный решить проблему столкновений.

Он устанавливает правила, по которым рабочие станции определяют, когда среда свободна, и можно передавать данные.
Существуют два метода шинного арбитража в локальных сетях:

Обнаружение столкновений

Передача маркера

Методы шинного арбитража в локальных сетях: обнаружение столкновений; передача маркера.

Обнаружение столкновений
Когда в локальных сетях работает метод обнаружения столкновений, компьютер сначала слушает (зондирует канал на наличие в нем несущей), а потом передает.

Если компьютер слышит, что передачу ведет кто-то другой, он должен подождать окончания передачи данных и затем предпринять повторную попытку.

Система обнаружения столкновений требует, чтобы передающий компьютер продолжал прослушивать канал и, обнаружив на нем чужие данные, прекращал передачу, пытаясь возобновить ее через небольшой (случайный) промежуток времени.

Прослушивание канала до передачи называется “прослушивание несущей” (carrier sense), а прослушивание во время передачи - обнаружение столкновений (collision detection).

Этот метод получил название «обнаружение столкновений с прослушиванием несущей», сокращенно CSCD.

Метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий (столкновений) (CSMA/CD).

Рассмотрим наиболее часто применяющийся метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий (столкновений) (CSMA/CD).

Суть метода:
1) узел, желающий передавать информацию, следит за состоянием сети, и как только она освободится, то начинает передачу;

2) узел передает данные и одновременно контролирует состояние сети (контролем несущей и обнаружением коллизий). Если столкновений не обнаружилось, передача доводится до конца;
3) если столкновение обнаружено, то узел усиливает его (передает еще некоторое время) для гарантии обнаружения всеми передающими узлами, а затем прекращает передачу. Также поступают и другие передававшие узлы;

4) после прекращения неудачной попытки узел выдерживает случайно выбираемый промежуток времени tзад, а затем повторяет свою попытку передать, при этом контролируя столкновения.

При повторном столкновении tзад увеличивается. В конечном счете, один из узлов опережает другие узлы и успешно передает данные. Метод CSMA/CD часто называют методом состязаний.

Этот метод для сетей с шиной топологией реализуется протоколом Ethernet.

Беспроводные сети являются одним из самых перспективных направлений развития современных телекоммуникационных технологий. Перспективы их использования связаны, во-первых, с заменой кабельной инфраструктуры на радиоэфир; во-вторых, с новыми возможностями коммуникаций между различными устройствами. При этом наряду с построением централизованных сетей, интерес представляет использование элементов децентрализации, которые присутствуют в ячеистых (mesh) сетях.

Особенности ячеистой топологии

Беспроводная ячеистая сеть (Wireless Mesh Network - WMN) образуется на основе множества соединений «точка–точка» узлов, находящихся в области радиопокрытия друг друга (mesh peertopeer, multi-hop). Ключевое свойство самоорганизации ячеистых сетей заключается в том, что, во-первых, соединения между узлами устанавливаются автоматически; во-вторых, любой узел может выполнять функции транзитной передачи пакетов (маршрутизации) для других участников сети.

Сеть на основе ячеистой топологии характеризуется высокой надежностью, большой пропускной способностью и сниженным энергопотреблением. Высокая надежность обеспечивается избыточностью узлов (при отказе одного узла данные будут передаваться в обход, по другому пути). Использование нескольких альтернативных маршрутов повышает пропускную способность сети. Снижение энергопотребления достигается снижением мощности сигналов посредством передачи данных через большее количество узлов, разделенных меньшими расстояниями.

Рис. 1. Ячеистая (mesh) топология

Одноранговые mesh-сети способны стихийно возникать в тех местах, где необходимо взаимодействие между пользователями, и исчезать, когда эта потребность отпадает. Такие сети могут быть построены на основе только клиентского беспроводного оборудования. Однако большинство существующих mesh-технологий в беспроводных сетях используются на уровне устройств доступа к сети (инфраструктурные сети).

Область применения ячеистой топологии

Общепринята классификация беспроводных сетей по функционально-территориальному признаку (по аналогии с проводными сетями) на персональные (Wireless Personal Area Network - WPAN), локальные (Wireless Local Area Network - WLAN), городские (Wireless Metropolitan Area Network - WMAN) и глобальные (Wireless Wide Area Network - WWAN). При этом сопоставление беспроводных технологий соответствующим классам сетей достаточно условно, так как современные разработки в сфере беспроводных коммуникаций имеют широкие возможности использования. Область применения каждой конкретной технологии определяется множеством связанных друг с другом параметров, таких как пропускная способность, энергопотребление, стоимость оборудования, дальность передачи, диапазон частот, возможные топологии, качество обслуживания, безопасность и т. д.

Ячеистая топология для экономичных низкоскоростных сетей успешно реализована в технологии ZigBee. Низкое энергопотребление позволяет использовать эту технологию в беспроводных сетях датчиков (Wireless Sensor Network) и различных бытовых устройств в рамках концепции цифрового дома (Digital Home), в компьютерных устройствах беспроводных персональных сетей WPAN, не предъявляющих высоких требований к скорости каналов связи (пульты управления, джойстики, мыши и т. д.). Низкая пропускная способность (до 250 кбит/c) ограничивает применение ZigBee для передачи больших объемов данных и мультимедиа-трафика.

С беспроводными локальными сетями WLAN традиционно связывают технологию Wi-Fi, построенную на основе семейства стандартов IEEE 802.11. В настоящее время для данной технологии стандартизирована пропускная способность 54 Мбит/c (IEEE 802.11a/g), которая приемлема для решения многих задач, не требующих сверхскоростных каналов связи. Использование 802.11 не ограничивается только локальными сетями. Технологии семейства IEEE 802.11 успешно применяются как в персональных сетях для соединения устройств в рамках личного пространства пользователя, так и для соединения разделенных многими километрами сетей. Ячеистая топология реализована в исследовательских проектах по организации сетей MANET (Mobile Ad Hoc Network), использующих режим Ad hoc IEEE 802.11b.

Вопросы использования ячеистой топологии в беспроводных глобальных (WWAN) и городских (WMAN) сетях также активно изучаются. Например, в рамках рабочей группы IEEE 802.16, которая занимается стандартизацией технологии WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), ведутся исследования mesh-технологий.

Ячеистая топология в беспроводных локальных сетях

Ячеистая топология в WLAN используется для объединения точек доступа в беспроводную систему распределения сообщений (Wireless Distribution System - WDS). WDS предназначена для замены проводных каналов взаимодействия устройств доступа к сети на беспроводные.

Очевидно, что для представленной организации сети необходимы изменения в протоколах физического, канального уровней и маршрутизации. Беспроводные ячеистые сети имеют определенные особенности, связанные с применением как беспроводной среды передачи, так и ячеистой топологии.

Использование беспроводной системы распределения увеличивает трафик, передаваемый по каналам, что повышает требования к физическому уровню. Одним из путей решения данной проблемы для существующих протоколов радиопередачи является разделение взаимодействия точек доступа между собой (5 ГГц IEEE 802.11a) и точек доступа с клиентами (2,4 МГц IEEE 802.11g/b), что и сделано в большинстве реализаций. Альтернативный подход заключается в использовании одного частотного диапазона для всех коммуникаций, что требует от разработчиков протоколов физического уровня усовершенствования и оптимизации технологий модуляции, кодирования и передачи (Multiple Input Multiple Output - MIMO, многоканальные и многоантенные системы и т. д.).

Классический протокол 802.11 MAC также имеет ограничения для применения в mesh-сети. Во-пер вых, данный протокол ориентирован на одно соединение, а ячеистая топология подразумевает множество одновременных соединений с соседними узлами. Во-вторых, 802.11 MAC описывает только передачу данных между двумя узлами (onehope), и транзитная доставка сторонним узлам (multi-hop) выходит за рамки его применения.

Рис. 2. Инфраструктурная mesh-сеть

Решение последней задачи (схожей с маршрутизацией в обычных сетях) возможно как на сетевом, так и на канальном уровнях. При этом протокол транзитной доставки должен эффективно использовать множество возможных маршрутов, иметь интеллектуальный механизм выбора оптимального пути, быть надежным и отказоустойчивым, в то же время быть масштабируемым и совместимым с различными технологиями радиопередачи.

Маршрутизация на сетевом уровне обладает высокой совместимостью и расширяемостью в силу независимости от нижележащих протоколов. На сетевом уровне работает протокол PWRP (Predictive Wireless Routing Protocol), разработанный компанией Tropos Networks. PWRP во многом аналогичен известному протоколу маршрутизации для проводных сетей OSPF (Open Shortest Path First). Другими протоколами маршрутизации для mesh-сетей являются TBRPF (Topology Broadcast Reverse Path Forwarding) компании Firetide Networks, LQSR (Link Quality Source Routing) от Microsoft, AODV (Ad hoc On-demand Distance Vector) и др.

Однако максимальная эффективность достижима при тесном взаимодействии с используемыми технологиями радиопередачи, что возможно на канальном уровне. Примером может служить AWPP (Adaptive Wireless Path Protocol) компании Cisco Systems.

В настоящее время решения разных производителей несовместимы друг с другом. Однако работы по стандартизации ведутся в рамках рабочей группы IEEE 802.11s (ESS Mesh Networking Task Group). Областью исследования этой группы является разработка расширенного набора служб (Extended Service Set - ESS) для mesh-топологии в беспроводной системе распределения сообщений на базе протоколов IEEE 802.11 для физического и канального уровней.

Очевидно, что функциональность, связанная с реализацией ячеистой топологии, породит новые уязвимости и возможности для атак. Поэтому защищенность протоколов транзитной доставки пакетов является актуальной темой для исследований.

В то же время для централизованно управляемых, корпоративных mesh-сетей применимы концепции надежно защищенной сети (Robust Security Network - RSN), описываемые в стандарте IEEE 802.11i. Концепция RSN основана на существовании только надежно защищенных сетевых соединений (RSN Association - RSNA) между всеми участ никами сетевых взаимодействий в беспроводной среде на уровне доступа к сети.

RSNA использует защищенную аутентификацию, принцип контроля доступа по порту и управление криптографическими ключами (протокол аутентификации IEEE 802.1X). Конфиденциальность и целостность передаваемой информации обеспечивают протоколы TKIP (Temporal Key Integrity Protocol) или CCMP (Counter Mode with CBC-MAC).

Вместо заключения

Дальнейшее развитие беспроводных ячеистых технологий независимо от типа и архитектуры сети определяется следующими факторами:

совершенствованием технологий радиопередачи;
адаптацией существующих и разработкой новых беспроводных протоколов MAC-уровня для многоточечных мобильных соединений;
повышением надежности и преодолением ограничений к расширяемости и мобильности протоколов маршрутизации для mesh-сетей;
обеспечением качества обслуживания (Quality of Service - QoS), чувствительного к задержкам трафика;
обеспечением безопасности mesh-технологий.

Именно эти вопросы должны решить разработчики стандарта IEEE 802.11s, издание которого может стать отправной точкой повсеместного внедрения mesh-технологий в компьютерных сетях.

Литература

Akyildiz I. Wang X. Wang W. Wireless Mesh Networks: a survey // ScienceDirect. 2004. http:// www.sciencedirect.com.
http://www.zigbee.org.
http://www.wi-fi .org.
http://www.wimaxforum.org.
Построение беспроводных сетей будущего. Intel. http://www.intel.com.
Cisco Wireless Mesh Networking Solution. http://www.cisco.com.
Nortel - Wireless Mesh Network Solution. Nortel. http://www.nortel.com.
Self-Organizing Neighborhood Wireless Mesh Networks - Microsoft Networking Research Group. 2005. http://research.microsoft.com/mesh/.
http://www.fi retide.com/.
http://tropos.com.
http://strixsystems.com.
http://belairnetworks.com.
IEEE Std 802.11i – 2004