Ячеистая сеть Википедия

Схема ячеистой топологии

Ячеистая топология (mesh-сеть) — сетевая топология компьютерной сети, построенная на принципе ячеек, в которой рабочие станции сети соединяются друг с другом и способны принимать на себя роль коммутатора для остальных участников. Данная организация сети является достаточно сложной в настройке, однако при такой топологии реализуется высокая отказоустойчивость. Как правило, узлы соединяются по принципу «каждый с каждым». Таким образом, большое количество связей обеспечивает широкий выбор маршрута трафика внутри сети — следовательно, обрыв одного соединения не нарушит функционирования сети в целом.

Сетевая топология

Сетевая тополо́гия — это конфигурация графа, вершинам которого соответствуют конечные узлы сети (компьютеры) и коммуникационное оборудование (маршрутизаторы), а рёбрам — физические или информационные связи между вершинами.

Сетевая топология может быть:

• физической — описывает реальное расположение и связи между узлами сети;
• логической — описывает хождение сигнала в рамках физической топологии;
• информационной — описывает направление потоков информации, передаваемых по сети;
• управления обменом — это принцип передачи права на пользование сетью.

Беспроводные ячеистые сети

Сеть беспроводных устройств, функционирующая по принципам ячеистой топологии, называется беспроводной ячеистой сетью.

Ячеистые сети изначально разрабатывались в военных целях и, как правило, являются беспроводными. За последнее время размер устройств, стоимость, а также их энергопотребление снизились, и стало возможным добавление нескольких радиомодулей на один узел. Вследствие чего каждая ячейка получила возможность одновременно выполнять несколько полезных функций, таких как клиентский доступ, сканирование, требуемое для высокоскоростных передач в мобильных приложениях и прочие.

Для разработки такого типа сетей полезными оказываются знания методов теории игр, которые помогают анализировать стратегии выделения ресурсов и построения маршрутов в ячеистой топологии.

Узлы первых беспроводных ячеистых сетей представляли из себя устройства, способные работать только в режиме полудуплекс.

Позднее, с развитием радиомодулей, стало естественным осуществление приема и передачи одновременно на разных частотах или CDMA-каналах, что резко подтолкнуло развитие сетей с ячеистой топологией.

Общие особенности

• «Интеллектуальность» сети

Является одной из ключевых особенностей беспроводной ячеистой сети. «Интеллектуальность» означает, что при подключении каждая точка автоматически получает информацию обо всех других точках доступа в сети и «выясняет» свою роль. Такое поведение исключает необходимость постоянного администрирования и способствует быстрому развертыванию.

• Самовосстановление и самоадаптация

Как можно понять из предыдущего пункта — как только сеть включена и начинает функционировать, то каждое устройство автоматически определяет состояние соседей и свою роль в общей топологии. Поэтому, при выходе из строя одного из узлов, сеть способна перенаправить данные — то есть переопределить маршруты автоматически.

• Быстрое и недорогое развертывание

Развертывание ячеистой сети не требует дорогостоящей инфраструктуры и прокладки кабелей. Кроме того, в силу способностей к самовосстановлению и самоадаптации — данная сеть является экономной в эксплуатации.

Организация сети

Беспроводные ячеистые сети — первый шаг в направлении экономически эффективных и динамических сетей с высокой пропускной способностью. Такая топология, по сути, является сетью маршрутизаторов, лишённой проводов между узлами. Беспроводная ячеистая сеть построена на Peer radio-устройствах, которые не требуют кабельного соединения, необходимого для традиционных беспроводных точек доступа. Mesh-топология позволяет передавать данные на большие расстояния путём разбиения длинного маршрута на серию коротких переходов между узлами — хопов/hops. Промежуточные узлы не только усиливают сигнал, но и совместно передают его от точки A до точки B — осуществляют переадресацию, основываясь на их знании о сети в целом. Другими словами — каждый узел осуществляют маршрутизацию. Такая архитектура, при тщательной разработке и анализе, может обеспечить высокую пропускную способность, спектральную эффективность и экономическое преимущество в зоне покрытия.

Топология беспроводной ячеистой сети относительно постоянна. Только в случаях внезапного отключения или добавления новых узлов могут быть инициированы процессы изменения структуры сети. Маршрут трафика, будучи сформированным большим числом конечных пользователей — редко меняется. Практически весь трафик в топологии ячеистой сети либо направлен через шлюз, либо исходит из него, в то время как в беспроводных ad-hoc сетях трафик течет между произвольной парой узлов.^[1]

Данный тип топологии может быть децентрализованным или централизованным — в зависимости от присутствия в сети главного сервера

[2], оба подхода относительно недороги, надежны и отказоустойчивы, так как задача каждого узла — передача трафика только до следующего узла сети. Каждое устройство выполняет функции маршрутизатора по передаче данных от соседних узлов к удалённым участникам сети, для достижения которых недостаточно одного перехода. В результате получена сеть, способная покрывать огромные расстояния, не теряя своей устойчивости. Надежность Mesh-топологии обеспечивается так же тем, что каждый узел соединен с несколькими соседями. Это значит, что при выбывании узла из топологии из-за неисправностей устройства или по каким-либо другим причинам, его соседи смогут быстро перестроить маршрут для трафика, используя свои протоколы маршрутизации.

Области применения

Ячеистые сети можно применить для решения широкого спектра задач — наблюдения за полем боя, телеметрия гоночного автомобиля в реальном времени, настройка сети в условиях неблагоприятной окружающей среды и пр. В зависимости от поставленной задачи, можно настроить поведение ячеистой структуры наиболее подходящим образом. Такая гибкость обеспечивается большим количеством разнообразных возможностей и особенностей данной топологии, которые можно комбинировать произвольным способом. Например, одной из наиболее полезных для применения особенностей ячеистой сети является возможность реализации протокола VoIP поверх ячеистой топологии, используя схему QoS. Такая реализация позволяет поддерживать локальные телефонные разговоры за счет ресурсов сети. В число устройств могут входить как стационарные, так и мобильные, что, опять же, обеспечивает легкость развертывания и гибкость настройки при решении конкретной задачи.

Функционирование

Принцип во многом напоминает способ перемещения пакетов в проводной сети — данные перемещаются от одного устройства к другому до тех пор, пока пакет не достигнет назначенного получателя. Это обеспечивается алгоритмами динамической маршрутизации, встроенными в каждое устройство. Для реализации таких динамических протоколов необходимо, чтобы все устройства сети регулярно обменивались маршрутной информацией между собой. После чего каждый узел определяет, что он должен сделать с полученной информацией — либо передать пакет на следующее устройство, либо сохранить его, согласно указаниям протокола. Кроме того, алгоритмы маршрутизации должны соответствовать требованию о кратчайшем маршруте — то есть строить наиболее подходящий и эффективный маршрут до узла назначения.

Коммерческие mesh-маршрутизаторы

Цифровые радиоприемники ZigBee встраиваются в некоторые устройства бытовой техники, включая те, которые функционируют от батареек. ZigBee-радиомодули произвольным образом организуются в ячеистую сеть, используя AODV-маршрутизацию; передача и приём синхронизированы. Это означает, что радиомодули могут быть выключены большую часть времени для экономии потребления энергии.

В начале 2007 года фирма Meraki запустила свой проект — беспроводной мини-mesh-маршрутизатор.

[3] Данная разработка — пример беспроводной ячеистой сети с заявленной скоростью обмена данными 50 Мбит/сек. Протокол беспроводной связи 802.11 был оптимизирован в устройствах Meraki для передачи данных на большие расстояния, что обеспечило покрытие на расстояния более 250 метров.

В 2019 году Xiaomi выпустила Mi Mesh Router для расширения диапазона беспроводной сети в больших офисах и домах. Система представляет из себя комплект из 2 и более роутеров, работающих между собой в связке и обеспечивающих покрытие большей площади.

Использование

Инструкция по созданию беспроводной mesh-сети в сельской среде (pdf)

Связь в регионах с неразвитой инфраструктурой

Ноутбуки программы One Laptop Per Child используют беспроводные ячеистые сети для предоставления учащимся возможности обмениваться файлами и подключаться к сети интернет даже при отсутствии рядом каких-либо средств физического подключения, таких как кабели, мобильные телефоны и пр.

В сельском районе Каталонии в 2004 году была разработана сеть guifi.net^[en] — как ответ на недоступность широкополосного интернета в регионе, ввиду того, что местные интернет-провайдеры практически не предоставляли данного вида услуг. На сегодняшний день в этой сети существует более 30000 узлов и, благодаря peer to peer соглашению, данная сеть остается открытой, свободной и нейтральной с обширными возможностями резервирования.

Связь в крупных корпоративных средах

Решение проблемы «бутылочного горлышка». У беспроводных сетей, предназначенных для крупных корпоративных сред есть существенный недостаток — так называемый эффект «Бутылочного горлышка», который можно наблюдать при использовании большого количества точек доступа. Другими словами: при большом числе подключений наблюдается резкое снижение пропускной способности сети. Это объясняется особенностями точек доступа стандарта 802.11, которые предоставляют разделяемую среду, где в данный момент времени только одна из них может вести передачу данных.

Strawberry fair в Кембридже

Таким образом, в традиционной сети все клиенты подключаются к единственной точке доступа, имеющей выход в интернет. В сети с ячеистой топологией любое устройство способно выступать как в роли маршрутизатора, так и точки доступа. Такой принцип позволяет при большой нагрузке на устройство перенаправить данные на ближайшего, менее загруженного соседа.

Связь на массовых мероприятиях

3 июня 2006 года, в Кембридже, ячеистая сеть была использована на традиционном музыкальном фестивале «Strawberry Fair» для запуска мобильных сервисов live-телевидения, радио и интернета для, приблизительно, 80000 человек.^[4]

Военное дело

Беспроводные ячеистые сети на сегодняшний день используются силами армии США для обеспечения соединения компьютеров — в основном, защищенных ноутбуков, при проведении полевых операций.

Энергетика

Установленные на конечных узлах электросчетчики собирают общую информацию, передавая измеренные показания от одного к другому, а в итоге — в центральный офис для выставления счета клиенту. Такая организация позволяет исключить необходимость использования человеческого труда для снятия показаний приборов, а также избавиться от кабелей для подключения счетчиков.^[5]

Спутниковая связь

Спутник Иридиум

66 спутников созвездия Иридиум функционируют как единая mesh-сеть с беспроводными соединениями между соседними спутниками. Звонок между двумя спутниковыми телефонами передается через ячеистую сеть от одного спутника до другого внутри «созвездия» без необходимости взаимодействия со станциями связи на Земле. Это обеспечивает более короткие пути следования сигнала, снижает задержку при разговоре, а также позволяет «созвездию» функционировать, используя гораздо меньшее количество земных спутниковых станций, чем потребовалось бы для 66 традиционных спутников связи.

См. также

Примечания

1. ↑ J. Jun, M.L. Sichitiu, «The nominal capacity of wireless mesh networks» Архивировано 4 июля 2008 года., in IEEE Wireless Communications, vol 10, 5 pp 8-14. October 2003
2. ↑ S.M. Chen, P, Lin, D-W Huang, S-R Yang, «A study on distributed/centralized scheduling for wireless mesh network» in Proceedings of the 2006 International Conference on Wireless Communications and Mobile Computing, pp 599—604. Vancouver, British Columbia, Canada. 2006
3. ↑ Meraki Mesh (неопр.). meraki.com. Дата обращения 23 февраля 2008. Архивировано 19 февраля 2008 года.
4. ↑ Cambridge Strawberry Fair (неопр.). cambridgeshiretouristguide.com. Дата обращения 23 февраля 2008. Архивировано 23 февраля 2008 года.
5. ↑ ZigBee.org Smart Energy Overview. Архивировано 15 марта 2011 года.

Ссылки

Ячеистая сеть Википедия

Схема ячеистой топологии

Ячеистая топология (mesh-сеть) — сетевая топология компьютерной сети, построенная на принципе ячеек, в которой рабочие станции сети соединяются друг с другом и способны принимать на себя роль коммутатора для остальных участников. Данная организация сети является достаточно сложной в настройке, однако при такой топологии реализуется высокая отказоустойчивость. Как правило, узлы соединяются по принципу «каждый с каждым». Таким образом, большое количество связей обеспечивает широкий выбор маршрута трафика внутри сети — следовательно, обрыв одного соединения не нарушит функционирования сети в целом.

Сетевая топология[ | ]

Сетевая тополо́гия — это конфигурация графа, вершинам которого соответствуют конечные узлы сети (компьютеры) и коммуникационное оборудование (маршрутизаторы), а рёбрам — физические или информационные связи между вершинами.

Сетевая топология может быть:

• физической — описывает реальное расположение и связи между узлами сети;
• логической — описывает хождение сигнала в рамках физической топологии;
• информационной — описывает направление потоков информации, передаваемых по сети;
• управления обменом — это принцип передачи права на пользование сетью.

Беспроводные ячеистые сети[ | ]

Сеть беспроводных устройств, функционирующая по принципам ячеистой топологии, называется беспроводной ячеистой сетью.

Ячеистые сети изначально разрабатывались в военных целях и, как правило, являются беспроводными. За последнее время размер устройств, стоимость, а также их энергопотребление снизились, и стало возможным добавление нескольких радиомодулей на один узел. Вследствие чего каждая ячейка получила возможность одновременно выполнять несколько полезных функций, таких как клиентский доступ, сканирование, требуемое для высокоскоростных передач в мобильных приложениях и прочие.

Для разработки такого типа сетей полезными оказываются знания методов теории игр, которые помогают анализировать стратегии выделения ресурсов и построения маршрутов в ячеистой топологии.

Узлы первых беспроводных ячеистых сетей представляли из себя устройства, способные работать только в режиме полудуплекс.

Позднее, с развитием радиомодулей, стало естественным осуществление приема и передачи одновременно на разных частотах или CDMA-каналах, что резко подтолкнуло развитие сетей с ячеистой топологией.

Общие особенности[ | ]

• «Интеллектуальность» сети

Является одной из ключевых особенностей беспроводной ячеистой сети. «Интеллектуальность» означает, что при подключении каждая точка автоматически получает информацию обо всех других точках доступа в сети и «выясняет» свою роль. Такое поведение исключает необходимость постоянного администрирования и способствует быстрому развертыванию.

• Самовосстановление и самоадаптация

Как можно понять из предыдущего пункта — как только сеть включена и начинает функционировать, то каждое устройство автоматически определяет состояние соседей и свою роль в общей топологии. Поэтому, при выходе из строя одного из узлов, сеть способна перена данные — то есть переопределить маршруты автоматически.

• Быстрое и недорогое развертывание

Развертывание ячеистой сети не требует дорогостоящей инфраструктуры и прокладки кабелей. Кроме того, в силу способностей к самовосстановле

Ячеистая топология — Википедия

Схема ячеистой топологии

Ячеистая топология — сетевая топология компьютерной сети, построенная на принципе ячеек, в которой рабочие станции сети соединяются друг с другом и способны принимать на себя роль коммутатора для остальных участников. Данная организация сети является достаточно сложной в настройке, однако при такой топологии реализуется высокая отказоустойчивость. Как правило, узлы соединяются по принципу «каждый с каждым». Таким образом, большое количество связей обеспечивает широкий выбор маршрута следования трафика внутри сети — следовательно, обрыв одного соединения не нарушит функционирования сети в целом.

Сетевая топология

Сетевая тополо́гия — это конфигурация графа, вершинам которого соответствуют конечные узлы сети (компьютеры) и коммуникационное оборудование (маршрутизаторы), а рёбрам — физические или информационные связи между вершинами.

Сетевая топология может быть:

• физической — описывает реальное расположение и связи между узлами сети;
• логической — описывает хождение сигнала в рамках физической топологии;
• информационной — описывает направление потоков информации, передаваемых по сети;
• управления обменом — это принцип передачи права на пользование сетью.

Беспроводные ячеистые сети

Сеть беспроводных устройств, функционирующая по принципам ячеистой топологии, называется беспроводной ячеистой сетью.

Ячеистые сети изначально разрабатывались в военных целях и, как правило, являются беспроводными. За последнее время размер устройств, стоимость, а также их энергопотребление снизились, и стало возможным добавление нескольких радиомодулей на один узел. Вследствие чего каждая ячейка получила возможность одновременно выполнять несколько полезных функций, таких как клиентский доступ, сканирование, требуемое для высокоскоростных передач в мобильных приложениях и прочие.

Для разработки такого типа сетей полезными оказываются знания методов теории игр, которые помогают анализировать стратегии выделения ресурсов и построения маршрутов в ячеистой топологии.

Узлы первых беспроводных ячеистых сетей представляли из себя устройства, способные работать только в режиме полудуплекс.

Позднее, с развитием радиомодулей, стало естественным осуществление приема и передачи одновременно на разных частотах или CDMA-каналах, что резко подтолкнуло развитие сетей с ячеистой топологией.

Общие особенности

Самовосстановление и самоадаптация

• «Интеллектуальность» сети

Является одной из ключевых особенностей беспроводной ячеистой сети. «Интеллектуальность» означает, что при подключении каждая точка автоматически получает информацию обо всех других точках доступа в сети и «выясняет» свою роль. Такое поведение исключает необходимость постоянного администрирования и способствует быстрому развертыванию.

• Самовосстановление и самоадаптация

Как можно понять из предыдущего пункта — как только сеть включена и начинает функционировать, то каждое устройство автоматически определяет состояние соседей и свою роль в общей топологии. Поэтому, при выходе из строя одного из узлов, сеть способна перенаправить данные — то есть переопределить маршруты автоматически.

• Быстрое и недорогое развертывание

Развертывание ячеистой сети не требует дорогостоящей инфраструктуры и прокладки кабелей. Кроме того, в силу способностей к самовосстановлению и самоадаптации — данная сеть является экономной в эксплуатации.

Организация сети

Беспроводные ячеистые сети — первый шаг в направлении экономически эффективных и динамических сетей с высокой пропускной способностью. Такая топология, по сути, является сетью маршрутизаторов, лишенной проводов между узлами. Беспроводная ячеистая сеть построена на Peer radio-устройствах, которые не требуют кабельного соединения, необходимого для традиционных беспроводных точек доступа. Mesh-топология позволяет передавать данные на большие расстояния путём разбиения длинного маршрута на серию коротких переходов между узлами — хопов/hops. Промежуточные узлы не только усиливают сигнал, но и совместно передают его от точки A до точки B — осуществляют переадресацию, основываясь на их знании о сети в целом. Другими словами — каждый узел осуществляют маршрутизацию. Такая архитектура, при тщательной разработке и анализе, может обеспечить высокую пропускную способность, спектральную эффективность и экономическое преимущество в зоне покрытия.

Топология беспроводной ячеистой сети относительно постоянна. Только в случаях внезапного отключения или добавления новых узлов могут быть инициированы процессы изменения структуры сети. Маршрут движения трафика, будучи сформированным большим числом конечных пользователей — редко меняется. Практически весь трафик в топологии ячеистой сети либо направлен через шлюз, либо исходит из него, в то время как в беспроводных ad-hoc сетях трафик течет между произвольной парой узлов.^[1]

Данный тип топологии может быть децентрализованным или централизованным — в зависимости от присутствия в сети главного сервера^[2], оба подхода относительно недороги, надежны и отказоустойчивы, так как задача каждого узла — передача трафика только до следующего узла сети. Каждое устройство выполняет функции маршрутизатора по передаче данных от соседних узлов к удаленным участникам сети, для достижения которых недостаточно одного перехода. В результате получена сеть, способная покрывать огромные расстояния, не теряя своей устойчивости. Надежность Mesh-топологии обеспечивается так же тем, что каждый узел соединен с несколькими соседями. Это значит, что при выбывании узла из топологии из-за неисправностей устройства или по каким-либо другим причинам, его соседи смогут быстро перестроить маршрут для трафика, используя свои протоколы маршрутизации.

Области применения

Ячеистые сети можно применить для решения широкого спектра задач — наблюдения за полем боя, телеметрия гоночного автомобиля в реальном времени, настройка сети в условиях неблагоприятной окружающей среды и пр. В зависимости от поставленной задачи, можно настроить поведение ячеистой структуры наиболее подходящим образом. Такая гибкость обеспечивается большим количеством разнообразных возможностей и особенностей данной топологии, которые можно комбинировать произвольным способом. Например, одной из наиболее полезных для применения особенностей ячеистой сети является возможность реализации протокола VoIP поверх ячеистой топологии, используя схему QoS. Такая реализация позволяет поддерживать локальные телефонные разговоры за счет ресурсов сети. В число устройств могут входить как стационарные, так и мобильные, что, опять же, обеспечивает легкость развертывания и гибкость настройки при решении конкретной задачи.

Функционирование

Принцип во многом напоминает способ перемещения пакетов в проводной сети — данные перемещаются от одного устройства к другому до тех пор, пока пакет не достигнет назначенного получателя. Это обеспечивается алгоритмами динамической маршрутизации, встроенным в каждое устройство. Для реализации таких динамических протоколов необходимо, чтобы все устройства сети регулярно обменивались маршрутной информацией между собой. После чего каждый узел определяет, что он должен сделать с полученной информацией — либо передать пакет на следующее устройство, либо сохранить его, согласно указаниям протокола. Кроме того, алгоритмы маршрутизации должны соответствовать требованию о кратчайшем маршруте — то есть строить наиболее подходящий и эффективный маршрут до узла назначения.

Коммерческие mesh-маршрутизаторы

Цифровые радиоприемники ZigBee встраиваются в некоторые устройства бытовой техники, включая те, которые функционируют от батареек. ZigBee-радиомодули произвольным образом организуются в ячеистую сеть, используя AODV-маршрутизацию; передача и прием синхронизированы. Это означает, что радиомодули могут быть выключены большую часть времени для экономии потребления энергии.

В начале 2007 года фирма Meraki запустила свой проект — беспроводной мини-mesh-маршрутизатор.^[3] Данная разработка — пример беспроводной ячеистой сети с заявленной скоростью обмена данными 50 Мбит/сек. Протокол беспроводной связи 802.11 был оптимизирован в устройствах Meraki для передачи данных на большие расстояния, что обеспечило покрытие на расстояния более 250 метров.

Использование

Инструкция по созданию беспроводной mesh-сети в сельской среде (pdf)

Связь в регионах с неразвитой инфраструктурой

Ноутбуки программы One Laptop Per Child используют беспроводные ячеистые сети для предоставления учащимся возможности обмениваться файлами и подключаться к сети интернет даже при отсутствии рядом каких-либо средств физического подключения, таких как кабели, мобильные телефоны и пр.

В сельском районе Каталонии в 2004 году была разработана сеть guifi.net^[en] — как ответ на недоступность широкополосного интернета в регионе, ввиду того, что местные интернет-провайдеры практически не предоставляли данного вида услуг. На сегодняшний день в этой сети существует более 30000 узлов и, благодаря peer to peer соглашению, данная сеть остается открытой, свободной и нейтральной с обширными возможностями резервирования.

Связь в крупных корпоративных средах

Решение проблемы «бутылочного горлышка». У беспроводных сетей, предназначенных для крупных корпоративных сред есть существенный недостаток — так называемый эффект «Бутылочного горлышка», который можно наблюдать при использовании большого количества точек доступа. Другими словами: при большом числе подключений наблюдается резкое снижение пропускной способности сети. Это объясняется особенностями точек доступа стандарта 802.11, которые предоставляют разделяемую среду, где в данный момент времени только одна из них может вести передачу данных.

Strawberry fair в Кембридже

Таким образом, в традиционной сети все клиенты подключаются к единственной точке доступа, имеющей выход в интернет. В сети с ячеистой топологией любое устройство способно выступать как в роли маршрутизатора, так и точки доступа. Такой принцип позволяет при большой нагрузке на устройство перенаправить данные на ближайшего, менее загруженного соседа.

Связь на массовых мероприятиях

3 июня 2006 года, в Кембридже, ячеистая сеть была использована на традиционном музыкальном фестивале «Strawberry Fair» для запуска мобильных сервисов live-телевидения, радио и интернета для, приблизительно, 80000 человек.^[4]

Военное дело

Беспроводные ячеистые сети на сегодняшний день используются силами армии США для обеспечения соединения компьютеров — в основном, защищенных ноутбуков, при проведении полевых операций.

Энергетика

Установленные на конечных узлах электросчетчики собирают общую информацию, передавая измеренные показания от одного к другому, а в итоге — в центральный офис для выставления счета клиенту. Такая организация позволяет исключить необходимость использования человеческого труда для снятия показаний приборов, а также избавиться от кабелей для подключения счетчиков.^[5]

Спутниковая связь

Спутник Иридиум

66 спутников созвездия Иридиум функционируют как единая mesh-сеть с беспроводными соединениями между соседними спутниками. Звонок между двумя спутниковыми телефонами передается через ячеистую сеть от одного спутника до другого внутри «созвездия» без необходимости взаимодействия со станциями связи на Земле. Это обеспечивает более короткие пути следования сигнала, снижает задержку при разговоре, а также позволяет «созвездию» функционировать, используя гораздо меньшее количество земных спутниковых станций, чем потребовалось бы для 66 традиционных спутников связи.

См. также

Примечания

1. ↑ J. Jun, M.L. Sichitiu, «The nominal capacity of wireless mesh networks» Архивировано 4 июля 2008 года., in IEEE Wireless Communications, vol 10, 5 pp 8-14. October 2003
2. ↑ S.M. Chen, P, Lin, D-W Huang, S-R Yang, «A study on distributed/centralized scheduling for wireless mesh network» in Proceedings of the 2006 International Conference on Wireless Communications and Mobile Computing, pp 599—604. Vancouver, British Columbia, Canada. 2006
3. ↑ Meraki Mesh. meraki.com. Проверено 23 февраля 2008. Архивировано 19 февраля 2008 года.
4. ↑ Cambridge Strawberry Fair. cambridgeshiretouristguide.com. Проверено 23 февраля 2008. Архивировано 23 февраля 2008 года.
5. ↑ ZigBee.org Smart Energy Overview. Архивировано 15 марта 2011 года.

Ссылки

Ячеистые сети Википедия

Схема ячеистой топологии

Ячеистая топология (mesh-сеть) — сетевая топология компьютерной сети, построенная на принципе ячеек, в которой рабочие станции сети соединяются друг с другом и способны принимать на себя роль коммутатора для остальных участников. Данная организация сети является достаточно сложной в настройке, однако при такой топологии реализуется высокая отказоустойчивость. Как правило, узлы соединяются по принципу «каждый с каждым». Таким образом, большое количество связей обеспечивает широкий выбор маршрута трафика внутри сети — следовательно, обрыв одного соединения не нарушит функционирования сети в целом.

Сетевая топология[ | ]

Сетевая тополо́гия — это конфигурация графа, вершинам которого соответствуют конечные узлы сети (компьютеры) и коммуникационное оборудование (маршрутизаторы), а рёбрам — физические или информационные связи между вершинами.

Сетевая топология может быть:

• физической — описывает реальное расположение и связи между узлами сети;
• логической — описывает хождение сигнала в рамках физической топологии;
• информационной — описывает направление потоков информации, передаваемых по сети;
• управления обменом — это принцип передачи права на пользование сетью.

Беспроводные ячеистые сети[ | ]

Сеть беспроводных устройств, функционирующая по принципам ячеистой топологии, называется беспроводной ячеистой сетью.

Ячеистые сети изначально разрабатывались в военных целях и, как правило, являются беспроводными. За последнее время размер устройств, стоимость, а также их энергопотребление снизились, и стало возможным добавление нескольких радиомодулей на один узел. Вследствие чего каждая ячейка получила возможность одновременно выполнять несколько полезных функций, таких как клиентский доступ, сканирование, требуемое для высокоскоростных передач в мобильных приложениях и прочие.

Для разработки такого типа сетей полезными оказываются знания методов теории игр, которые помогают анализировать стратегии выделения ресурсов и построения маршрутов в ячеистой топологии.

Узлы первых беспроводных ячеистых сетей представляли из себя устройства, способные работать только в режиме полудуплекс.

Позднее, с развитием радиомодулей, стало естественным осуществление приема и передачи одновременно на разных частотах или CDMA-каналах, что резко подтолкнуло развитие сетей с ячеистой топологией.

Общие особенности[ | ]

• «Интеллектуальность» сети

Является одной из ключевых особенностей беспроводной ячеистой сети. «Интеллектуальность» означает, что при подключении каждая точка автоматически получает информацию обо всех других точках доступа в сети и «выясняет» свою роль. Такое поведение исключает необходимость постоянного администрирования и способствует быстрому развертыванию.

• Самовосстановление и самоадаптация

Как можно понять из предыдущего пункта — как только сеть включена и начинает функционировать, то каждое устройство автоматически определяет состояние соседей и свою роль в общей топологии. Поэтому, при выходе из строя одного из узлов, сеть способна перена данные — то есть переопределить маршруты автоматически.

• Быстрое и недорогое развертывание

Развертывание ячеистой сети не требует дорогостоящей инфраструктуры и прокладки кабелей. Кроме того, в силу способностей к самовосстановлению и самоадаптации — данная сеть является эк

Ячеистая топология — Википедия. Что такое Ячеистая топология

Схема ячеистой топологии

Ячеистая топология — сетевая топология компьютерной сети, построенная на принципе ячеек, в которой рабочие станции сети соединяются друг с другом и способны принимать на себя роль коммутатора для остальных участников. Данная организация сети является достаточно сложной в настройке, однако при такой топологии реализуется высокая отказоустойчивость. Как правило, узлы соединяются по принципу «каждый с каждым». Таким образом, большое количество связей обеспечивает широкий выбор маршрута следования трафика внутри сети — следовательно, обрыв одного соединения не нарушит функционирования сети в целом.

Сетевая топология

Сетевая тополо́гия — это конфигурация графа, вершинам которого соответствуют конечные узлы сети (компьютеры) и коммуникационное оборудование (маршрутизаторы), а рёбрам — физические или информационные связи между вершинами.

Сетевая топология может быть:

• физической — описывает реальное расположение и связи между узлами сети;
• логической — описывает хождение сигнала в рамках физической топологии;
• информационной — описывает направление потоков информации, передаваемых по сети;
• управления обменом — это принцип передачи права на пользование сетью.

Беспроводные ячеистые сети

Сеть беспроводных устройств, функционирующая по принципам ячеистой топологии, называется беспроводной ячеистой сетью.

Ячеистые сети изначально разрабатывались в военных целях и, как правило, являются беспроводными. За последнее время размер устройств, стоимость, а также их энергопотребление снизились, и стало возможным добавление нескольких радиомодулей на один узел. Вследствие чего каждая ячейка получила возможность одновременно выполнять несколько полезных функций, таких как клиентский доступ, сканирование, требуемое для высокоскоростных передач в мобильных приложениях и прочие.

Для разработки такого типа сетей полезными оказываются знания методов теории игр, которые помогают анализировать стратегии выделения ресурсов и построения маршрутов в ячеистой топологии.

Узлы первых беспроводных ячеистых сетей представляли из себя устройства, способные работать только в режиме полудуплекс.

Позднее, с развитием радиомодулей, стало естественным осуществление приема и передачи одновременно на разных частотах или CDMA-каналах, что резко подтолкнуло развитие сетей с ячеистой топологией.

Общие особенности

Самовосстановление и самоадаптация

• «Интеллектуальность» сети

Является одной из ключевых особенностей беспроводной ячеистой сети. «Интеллектуальность» означает, что при подключении каждая точка автоматически получает информацию обо всех других точках доступа в сети и «выясняет» свою роль. Такое поведение исключает необходимость постоянного администрирования и способствует быстрому развертыванию.

• Самовосстановление и самоадаптация

Как можно понять из предыдущего пункта — как только сеть включена и начинает функционировать, то каждое устройство автоматически определяет состояние соседей и свою роль в общей топологии. Поэтому, при выходе из строя одного из узлов, сеть способна перенаправить данные — то есть переопределить маршруты автоматически.

• Быстрое и недорогое развертывание

Развертывание ячеистой сети не требует дорогостоящей инфраструктуры и прокладки кабелей. Кроме того, в силу способностей к самовосстановлению и самоадаптации — данная сеть является экономной в эксплуатации.

Организация сети

Беспроводные ячеистые сети — первый шаг в направлении экономически эффективных и динамических сетей с высокой пропускной способностью. Такая топология, по сути, является сетью маршрутизаторов, лишенной проводов между узлами. Беспроводная ячеистая сеть построена на Peer radio-устройствах, которые не требуют кабельного соединения, необходимого для традиционных беспроводных точек доступа. Mesh-топология позволяет передавать данные на большие расстояния путём разбиения длинного маршрута на серию коротких переходов между узлами — хопов/hops. Промежуточные узлы не только усиливают сигнал, но и совместно передают его от точки A до точки B — осуществляют переадресацию, основываясь на их знании о сети в целом. Другими словами — каждый узел осуществляют маршрутизацию. Такая архитектура, при тщательной разработке и анализе, может обеспечить высокую пропускную способность, спектральную эффективность и экономическое преимущество в зоне покрытия.

Топология беспроводной ячеистой сети относительно постоянна. Только в случаях внезапного отключения или добавления новых узлов могут быть инициированы процессы изменения структуры сети. Маршрут движения трафика, будучи сформированным большим числом конечных пользователей — редко меняется. Практически весь трафик в топологии ячеистой сети либо направлен через шлюз, либо исходит из него, в то время как в беспроводных ad-hoc сетях трафик течет между произвольной парой узлов.^[1]

Данный тип топологии может быть децентрализованным или централизованным — в зависимости от присутствия в сети главного сервера^[2], оба подхода относительно недороги, надежны и отказоустойчивы, так как задача каждого узла — передача трафика только до следующего узла сети. Каждое устройство выполняет функции маршрутизатора по передаче данных от соседних узлов к удаленным участникам сети, для достижения которых недостаточно одного перехода. В результате получена сеть, способная покрывать огромные расстояния, не теряя своей устойчивости. Надежность Mesh-топологии обеспечивается так же тем, что каждый узел соединен с несколькими соседями. Это значит, что при выбывании узла из топологии из-за неисправностей устройства или по каким-либо другим причинам, его соседи смогут быстро перестроить маршрут для трафика, используя свои протоколы маршрутизации.

Области применения

Ячеистые сети можно применить для решения широкого спектра задач — наблюдения за полем боя, телеметрия гоночного автомобиля в реальном времени, настройка сети в условиях неблагоприятной окружающей среды и пр. В зависимости от поставленной задачи, можно настроить поведение ячеистой структуры наиболее подходящим образом. Такая гибкость обеспечивается большим количеством разнообразных возможностей и особенностей данной топологии, которые можно комбинировать произвольным способом. Например, одной из наиболее полезных для применения особенностей ячеистой сети является возможность реализации протокола VoIP поверх ячеистой топологии, используя схему QoS. Такая реализация позволяет поддерживать локальные телефонные разговоры за счет ресурсов сети. В число устройств могут входить как стационарные, так и мобильные, что, опять же, обеспечивает легкость развертывания и гибкость настройки при решении конкретной задачи.

Функционирование

Принцип во многом напоминает способ перемещения пакетов в проводной сети — данные перемещаются от одного устройства к другому до тех пор, пока пакет не достигнет назначенного получателя. Это обеспечивается алгоритмами динамической маршрутизации, встроенным в каждое устройство. Для реализации таких динамических протоколов необходимо, чтобы все устройства сети регулярно обменивались маршрутной информацией между собой. После чего каждый узел определяет, что он должен сделать с полученной информацией — либо передать пакет на следующее устройство, либо сохранить его, согласно указаниям протокола. Кроме того, алгоритмы маршрутизации должны соответствовать требованию о кратчайшем маршруте — то есть строить наиболее подходящий и эффективный маршрут до узла назначения.

Коммерческие mesh-маршрутизаторы

Цифровые радиоприемники ZigBee встраиваются в некоторые устройства бытовой техники, включая те, которые функционируют от батареек. ZigBee-радиомодули произвольным образом организуются в ячеистую сеть, используя AODV-маршрутизацию; передача и прием синхронизированы. Это означает, что радиомодули могут быть выключены большую часть времени для экономии потребления энергии.

В начале 2007 года фирма Meraki запустила свой проект — беспроводной мини-mesh-маршрутизатор.^[3] Данная разработка — пример беспроводной ячеистой сети с заявленной скоростью обмена данными 50 Мбит/сек. Протокол беспроводной связи 802.11 был оптимизирован в устройствах Meraki для передачи данных на большие расстояния, что обеспечило покрытие на расстояния более 250 метров.

Использование

Инструкция по созданию беспроводной mesh-сети в сельской среде (pdf)

Связь в регионах с неразвитой инфраструктурой

Ноутбуки программы One Laptop Per Child используют беспроводные ячеистые сети для предоставления учащимся возможности обмениваться файлами и подключаться к сети интернет даже при отсутствии рядом каких-либо средств физического подключения, таких как кабели, мобильные телефоны и пр.

В сельском районе Каталонии в 2004 году была разработана сеть guifi.net^[en] — как ответ на недоступность широкополосного интернета в регионе, ввиду того, что местные интернет-провайдеры практически не предоставляли данного вида услуг. На сегодняшний день в этой сети существует более 30000 узлов и, благодаря peer to peer соглашению, данная сеть остается открытой, свободной и нейтральной с обширными возможностями резервирования.

Связь в крупных корпоративных средах

Решение проблемы «бутылочного горлышка». У беспроводных сетей, предназначенных для крупных корпоративных сред есть существенный недостаток — так называемый эффект «Бутылочного горлышка», который можно наблюдать при использовании большого количества точек доступа. Другими словами: при большом числе подключений наблюдается резкое снижение пропускной способности сети. Это объясняется особенностями точек доступа стандарта 802.11, которые предоставляют разделяемую среду, где в данный момент времени только одна из них может вести передачу данных.

Strawberry fair в Кембридже

Таким образом, в традиционной сети все клиенты подключаются к единственной точке доступа, имеющей выход в интернет. В сети с ячеистой топологией любое устройство способно выступать как в роли маршрутизатора, так и точки доступа. Такой принцип позволяет при большой нагрузке на устройство перенаправить данные на ближайшего, менее загруженного соседа.

Связь на массовых мероприятиях

3 июня 2006 года, в Кембридже, ячеистая сеть была использована на традиционном музыкальном фестивале «Strawberry Fair» для запуска мобильных сервисов live-телевидения, радио и интернета для, приблизительно, 80000 человек.^[4]

Военное дело

Беспроводные ячеистые сети на сегодняшний день используются силами армии США для обеспечения соединения компьютеров — в основном, защищенных ноутбуков, при проведении полевых операций.

Энергетика

Установленные на конечных узлах электросчетчики собирают общую информацию, передавая измеренные показания от одного к другому, а в итоге — в центральный офис для выставления счета клиенту. Такая организация позволяет исключить необходимость использования человеческого труда для снятия показаний приборов, а также избавиться от кабелей для подключения счетчиков.^[5]

Спутниковая связь

Спутник Иридиум

66 спутников созвездия Иридиум функционируют как единая mesh-сеть с беспроводными соединениями между соседними спутниками. Звонок между двумя спутниковыми телефонами передается через ячеистую сеть от одного спутника до другого внутри «созвездия» без необходимости взаимодействия со станциями связи на Земле. Это обеспечивает более короткие пути следования сигнала, снижает задержку при разговоре, а также позволяет «созвездию» функционировать, используя гораздо меньшее количество земных спутниковых станций, чем потребовалось бы для 66 традиционных спутников связи.

См. также

Примечания

1. ↑ J. Jun, M.L. Sichitiu, «The nominal capacity of wireless mesh networks» Архивировано 4 июля 2008 года., in IEEE Wireless Communications, vol 10, 5 pp 8-14. October 2003
2. ↑ S.M. Chen, P, Lin, D-W Huang, S-R Yang, «A study on distributed/centralized scheduling for wireless mesh network» in Proceedings of the 2006 International Conference on Wireless Communications and Mobile Computing, pp 599—604. Vancouver, British Columbia, Canada. 2006
3. ↑ Meraki Mesh. meraki.com. Проверено 23 февраля 2008. Архивировано 19 февраля 2008 года.
4. ↑ Cambridge Strawberry Fair. cambridgeshiretouristguide.com. Проверено 23 февраля 2008. Архивировано 23 февраля 2008 года.
5. ↑ ZigBee.org Smart Energy Overview. Архивировано 15 марта 2011 года.

Ссылки

Построение беспроводных локальных сетей на основе ячеистой топологии

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

1. Akyildiz I. Wang X. Wang W. Wireless Mesh Networks: a survey // ScienceDirect. 2004. http://www.sciencedirect.com.
2. http://www.zigbee.org.
3. http://www.wi-fi .org.
4. http://www.wimaxforum.org.
5. Построение беспроводных сетей будущего. Intel. http://www.intel.com.
6. Cisco Wireless Mesh Networking Solution. http://www.cisco.com.
7. Nortel — Wireless Mesh Network Solution. Nortel. http://www.nortel.com. /ссылка утрачена/
8. Self-Organizing Neighborhood Wireless Mesh Networks — Microsoft Networking Research Group. 2005.
9. http://www.firetide.com/.
10. http://tropos.com.
11. http://strixsystems.com.
12. http://belairnetworks.com.
13. IEEE Std 802.11i – 2004

Беспроводные ячеистые сети – основные концепции и возможности

Беспроводные сети предоставляют беспрецедентную свободу и мобильность для все возрастающего количества пользователей ноутбуков и КПК, которым больше не нужен кабель для подключения к своему рабочему месту или к Интернету. Но по иронии судьбы сами устройства, обеспечивающие беспроводной сервис этим клиентам, нуждаются в кабеле, соединяющем их с локальной сетью или с Интернетом. И если Wi-Fi освобождает пользователя, то беспроводные ячеистые сети (Wireless Mesh Networks – WMN), образно говоря, делают свободной саму сеть.

В типичном случае беспроводная локальная сеть обеспечивает функции доступа к имеющейся традиционной корпоративной сети или к Интернету (рис. 1). Однако нередко инсталляция проводной сети в качестве опорной для работы беспроводных клиентов по тем или иным причинам либо невозможна, либо нежелательна. В то же время многие проблемы, в том числе и финансовые, возникающие при разворачивании проводной инфраструктуры, могут быть решены с помощью беспроводных ячеистых сетей.

Рис. 1. Беспроводный доступ опирается на проводную инфраструктуру

WMN предоставляют возможность перейти от локализованных точек доступа к полностью беспроводным зонам, охватывающим здание или кампус, и даже к областям доступа масштаба города. Сетевые архитекторы и системные интеграторы получают беспрецедентную свободу и гибкость в инсталляции высокопроизводительной сети в рекордно короткое время. При этом отсутствие проводки существенно снижает стоимость и упрощает текущие операции.

После столь оптимистического вступления напомним топологию WMN, и давшей ей свое название. Итак, ячеистой называют локальную сеть, где реализуется одна из двух возможных схем соединения: с полной и с неполной (частичной) связью. В первом случае каждый узел непосредственно соединен со всеми остальными, тогда как во втором – определенные узлы связаны напрямую только с теми, с которыми у них в основном происходит обмен данными (рис. 2).

Рис. 2. Концептуальная схема топологии ячеистой сети, демонстрирующая сложность взаимосвязей между узлами

Подобно Интернету, оперирующему как гигантская ячеистая сеть, WMN также надежна и масштабируема. Это может показаться парадоксальным, но именно сложность соединений позволяет упростить ее реализацию и функционирование. Правда, для этого разработчикам необходимо приложить значительные усилия и сделать WMN настолько самоуправляемой, насколько это возможно. Фактически многие преимущества беспроводных ячеистых сетей вытекают из четырех особенностей самоуправления. Прежде всего это автоматическое конфигурирование и реконфигурирование – новые узлы становятся полноправными буквально через минуту после загрузки. Вдобавок перемещение узлов с подсоединенными к ним Ethernet-устройствами (рабочими станциями, серверами, камерами наблюдения, шлюзами или маршрутизаторами, если таковые имеются) происходит незамедлительно.

Автоматическое само/реконфигурирование делает WMN и самонастраивающейся, позволяя динамически перенаправить трафик по оптимальному пути. Если параметр и критерий оптимизации выбраны, то за дело принимается таблица маршрутизации, которая направляет трафик, скажем, по кратчайшему, самому быстрому или наименее перегруженному пути.

Из первых двух особенностей вытекает третья – самовосстановление. Множество избыточных путей увеличивает надежность, и при правильном размещении узлов отсутствуют единая точка отказа и возможные заторы внутри сети. Если какой-нибудь канал перегружен или узел вышел из строя, сеть автоматически перенаправляет трафик по альтернативному маршруту. Ну и четвертая особенность является очевидным результатом трех предыдущих – ячеистая сеть осуществляет собственный мониторинг.

Большинство производителей WMN предоставляют также некую консоль для централизованного управления, но сеть может быть развернута и работать без таковой. Правда, консоль обеспечивает общую картину сети, что может оказаться полезным для определения необходимого количества узлов и их наилучшего расположения. Однако с централизованной консолью или без нее WMN – простейшая топология с точки зрения разворачивания и функционирования.

Одним из дополнительных преимуществ WMN является возможность масштабировать производительность, поскольку сеть способна легко расширяться, в том числе и инкрементно. Агрегированная полоса пропускания от одного края сети к другому зависит от топологии и природы входящего и выходящего трафика. Теоретически, чем больше узлов, тем выше общая производительность и надежность ячеистой сети, но чтобы их максимизировать, каждый узел должен иметь по крайней мере двух соседей.

Совокупность этих свойств приближает WMN к идеологии plug-and-play как никакую другую из существующих топологий и, не исключено, из возможных в будущем.

После всего этого невольно возникает вопрос, почему ячеистая топология используется столь редко? Ответ – сложность и высокая стоимость кабельной инфраструктуры. Полная или даже частичная связность между узлами сети, что является основной идеей и преимуществом ячеистой топологии, применяется в исключительных случаях. Ее реализация с помощью медной проводки или оптоволокна непрактична в большинстве ситуаций, а в некоторых и невозможна. Сформулируем это иначе – стоимость такой топологии неоправданно велика.

Исходя из вышеуказанного многие возлагают надежды на беспроводные фиксированные сети в качестве альтернативного решения. Но как соединения типа «точка-точка» и даже как многоточечные соединения фиксированные беспроводные коммуникации по существу аналогичны проводным. Вдобавок разворачивание фиксированной беспроводной связи может ограничиваться требованием прямой видимости между антеннами и появлением единой точки отказа при наличии беспроводного моста между сегментами.

Недавние успехи в области беспроводных сетевых технологий сделали ячеистые сети практичными и доступными как никогда прежде. Это стало результатом ряда инноваций. Первая является развитием старой идеи. Существующая в стандарте 802.11 возможность специального режима (ad hoc mode) была первоначально предназначена для создания одноранговой (P2P) сети беспроводных клиентов. В этом режиме каждый узел представляет собой также маршрутизатор, способный передавать трафик другим узлам. Подход P2P обеспечивает высокую производительность, требуемую в ячеистых сетях.

Вторая проистекает из возможности сетей 802.11 функционировать в двух частотных диапазонах: 2,4 и 5 GHz. WMN может использовать эти нелицензируемые частоты с целью предоставить приемлемую зону покрытия и при минимальных помехах. Так, при работе в диапазоне 5 GHz обеспечиваются высокая емкость канала и низкие помехи, что подходит для сетей как внутри здания, так и вне его. Диапазон 2,4 GHz более зашумлен, однако может предоставить боóльшую радиопродуктивность в терминах общей зоны покрытия и при наличии препятствий, таких как стены, перекрытия и прочие твердые строительные материалы.

Третья инновация состоит в том, чтобы улучшить в режиме ad hoc возможности маршрутизации. В беспроводной ячеистой сети протокол маршрутизации аналогичен IGP (Interior Gateway Protocol). Поэтому внутри ее собственного «домена» организация маршрутов «точка-точка», многоточечных и многоадресных выполняется способом, полностью совместимым с внешними протоколами коммутации и маршрутизации.

Каждый узел в WMN вычисляет исходное дерево, которое определяет пути ко всем соседним узлам в пределах досягаемости. Эти соседи связываются друг с другом посредством специальных пакетов, распространяемых в сети. Изменения сообщаются регулярно, что обеспечивает динамическую сквозную реконфигурацию.

Для максимизации производительности при передаче трафика от одного края сети к другому могут вычисляться метрики канала, как и в других протоколах маршрутизации. Эти метрики способны базироваться на полосе пропускания, уровне сигнала, его стабильности, задержке или других параметрах канала.

Ethernet? – просто и естественно

Что содействует распространению WMN, так это ее способность без проблем взаимодействовать с существующими сетевыми стандартами. Наиболее распространенным стандартом сегодня, безусловно, является Ethernet, который поддерживается практически каждым сетевым устройством, включая серверы, рабочие станции, принтеры, камеры наблюдения и другое сетевое оборудование, к примеру точки доступа, коммутаторы и маршрутизаторы.

Беспроводная ячеистая сеть, которая обеспечивает настоящее взаимодействие с Ethernet, будет полностью совместима также и со всеми протоколами коммутации и маршрутизации (например, VPN, VLAN, OSPF и др.). Эта способность позволяет множеству WMN, потенциально от разных производителей, взаимодействовать на уровне 2 или 3 в смысле модели OSI, включая протоколы IPv4 и IPv6. Чтобы сделать возможным это взаимодействие, любой внутренний трафик и маршрутизация между узлами должны быть прозрачны для любого Ethernet-устройства, подключенного к ячеистой сети. Действуя как виртуальный Ethernet-коммутатор, ячейка применяет некоторую интеллектуальную обработку уровня 3 к уровню 2. Например, широковещательный трафик не должен распространяться через ячейку.

Рис. 3. «Мезонинная» ячеистая сеть в качестве демилитаризованной зоны

Хотя ячейка для внутренней связи может использовать протокол IP, внешняя работа в качестве виртуального коммутатора Ethernet позволяет ей поддерживать любой не-IP протокол фактически для любых приложений, включая AppleTalk, IPX, NetBIOS/BEUI, SNA и т. п.

Способность WMN служить Ethernet-базированной промежуточной («мезонинной») сетью предоставляет максимальный уровень гибкости, совместимости и взаимодействия. По сути можно образовать отдельные «облака», оперирующие в диапазоне либо 2,4 , либо 5 GHz, которые существуют независимо со своим собственным набором сервисов, уровнем безопасности, во многом подобных демилитаризованным зонам (рис. 3). Такое «облако» может также быть включено в существующую публичную или частную сеть в качестве подсети.

Путаница с ячейками

Необходимо подчеркнуть, что беспроводная ячейка – это не точка доступа и не должна ею быть. Природа коммуникаций между ячейками совершенно отлична от той, которая встречается между точками доступа и клиентской/серверной системой. По существу это два полностью различных приложения, и попытка их объединения опасна для сети потерей производительности и целостности. Орган по стандартизации 802.11 учел это различие, обеспечив два режима: специальный и инфраструктурный.

Тем не менее в индустрии предпринимались некоторые попытки объединить данные разнородные режимы на общей платформе. При этом преследовались цели уменьшить стоимость за счет использования общих компонентов, например шасси, БП, антенны, радиоблока. Здесь нужно быть осторожным, поскольку проблемы управления и борьбы с помехами сведут начальный выигрыш в стоимости на нет. Комбинирование трафиков двух разных режимов на одном устройстве может привести к деградации общей производительности вследствие того, что каждый отправляемый или получаемый пакет требует нескольких передач потенциально с помощью одних ресурсов (радиоблок, антенна, частота).

Рис. 4. Ячеистая сеть, взаимодействующая с точками доступа и подключенная к корпоративной сети

Другой подход заключается в том, чтобы включить клиенты и/или серверы в состав ячеек посредством установки на них специального ПО, работающего как приложение. Оставляя в стороне возникающую сложность в управлении и обеспечении надежности сети с десктопами или ноутбуками в качестве части магистральной инфраструктуры, обратим внимание на проблемы безопасности и производительности, связанные с частой модификацией этих систем. Хотя ячеистая сеть конфигурируется автоматически, нестабильность работы может быть вызвана перемещением и включением/выключением компьютеров. Так что любая попытка сэкономить на начальном этапе разворачивания беспроводной ячеистой сети в итоге выльется в более высокую стоимость владения.

Таким образом, наилучшей практикой является построение WMN отдельно от беспроводной сети доступа (рис. 4).

Некоторые приложения для WMN

Существует множество ситуаций, когда беспроводные ячеистые сети могут обеспечить более универсальное или доступное решение, чем кабельные магистрали. В общем, WMN оказываются более подходящими для окружения, удовлетворяющего одному или нескольким нижеследующим критериям:

• область покрытия является протяженной, например большое здание или разбросанные кампусы;
• покрытие должно быть как внутри здания, так и снаружи;
• существует относительно небольшое число препятствий для прямой видимости;
• инсталляция должна быть сделана быстро или имеет временный характер, например в связи со скорым переездом в другое место.

Арендуемые помещения служат хорошим примером целесообразности разворачивания WMN. Поскольку проводная сеть останется владельцу здания, стоимость ее разворачивания окажется неадекватной возврату на инвестиции.

Другим случаем, когда выгодна установка WMN, является временный характер сети. Она может быть эффективна с точки зрения затрат при восстановлении после катастрофы.

Быстрота разворачивания и самоуправляемая природа беспроводных ячеистых сетей делает их также подходящими для специальных случаев, таких как выставки и другие временные мероприятия. =