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转 无线mesh网络  

2013-03-01 08:35:22|  分类: 物联网 |  标签: |举报 |字号 订阅

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在传统的无线局域网(WLAN)中,每个客户端均通过一条与AP(Access Point)相连的无线链路来访问网络,形成一个局部的BSS(Basic Service Set)。用户如果要进行相互通信的话,必须首先访问一个固定的接入点(AP),这种网络结构被称为单跳网络。而在无线Mesh网络中,任何无线设备节点都可以同时作为AP和路由器,网络中的每个节点都可以发送和接收信号,每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。
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这种结构的最大好处在于:如果最近的AP由于流量过大而导致拥塞的话,那么数据可以自动重新路由到一个通信流量较小的邻近节点进行传输。依此类推,数据包还可以根据网络的情况,继续路由到与之最近的下一个节点进行传输,直到到达最终目的地为止。这样的访问方式就是多跳访问。
其实人们熟知的Internet就是一个Mesh网络的典型例子。例如,当我们发送一份E-mail时,电子邮件并不是直接到达收件人的信箱中,而是通过路由器从一个服务器转发到另外一个服务器,最后经过多次路由转发才到达用户的信箱。在转发的过程中,路由器一般会选择效率最高的传输路径,以便使电子邮件能够尽快到达用户的信箱。
与传统的交换式网络相比,无线Mesh网络去掉了节点之间的布线需求,但仍具有分布式网络所提供的冗余机制和重新路由功能。在无线Mesh网络里,如果要添加新的设备,只需要简单地接上电源就可以了,它可以自动进行自我配置,并确定最佳的多跳传输路径。添加或移动设备时,网络能够自动发现拓在传统的无线局域网(WLAN)中,每个客户端均通过一条与AP(Access Point)相连的无线链路来访问网络,形成一个局部的BSS(Basic Service Set)。用户如果要进行相互通信的话,必须首先访问一个固定的接入点(AP),这种网络结构被称为单跳网络。而在无线Mesh网络中,任何无线设备节点都可以同时作为AP和路由器,网络中的每个节点都可以发送和接收信号,每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。
 
无线Mesh 网络的结构

无线Mesh 网络是一种与传统的无线网络完全不同的网络。传统的无线接入技术中,主要采用点到点或者点到多点的拓扑结构。这种拓扑结构中一般都存在一个中心节点,例如移动通信系统中的基站、802.11无线局域网(WLAN)中的接入点(AP)等等。中心节点与各个无线终端通过单跳无线链路相连,控制各无线终端对无线网络的访问;同时,又通过有线链路与有线骨干网相连,提供到骨干网的连接。而在无线Mesh网络中,采用网状Mesh拓扑结构,是一种多点到多点网络拓扑结构。在这种Mesh网络结构中,各网络节点通过相邻其他网络节点,以无线多跳方式相连。
在WMN中包括两种类型的节点:无线Mesh路由器和无线Mesh用户端。WMN的系统结构根据节点功能的不同分为3类:骨干网Mesh结构、客户端Mesh结构、混合结构[1]。
骨干网Mesh结构是由Mesh路由器网状互连形成的,无线Mesh骨干网再通过其中的Mesh路由器与外部网络相连。Mesh路由器除了具有传统的无线路由器的网关、中继功能外,还具有支持Mesh网络互连的路由功能,可以通过无线多跳通信,以低得多的发射功率获得同样的无线覆盖范围。
客户端Mesh结构是由Mesh用户端之间互连构成一个小型对等通信网络,在用户设备间提供点到点的服务。Mesh网用户终端可以是手提电脑、手机、PDA等装有无线网卡、天线的用户设备。这种结构实际上就是一个Ad hoc网络,可以在没有或不便使用现有的网络基础设施的情况下提供一种通信支撑。
Mesh客户端可以通过Mesh路由器接入骨干Mesh网络形成Mesh网络的混合结构,如图1所示,其中虚线和实线分别表示无线和有线连接。这种结构提供与其他一些网络结构的连接,增强了连接性,扩大了覆盖范围。


Mesh网络即”无线网格网络”,它是一个无线多跳网络,是由ad hoc网络发展而来,是解决“最后一公里”问题的关键技术之一。在像下一代网络演进的过程中,无线是一个不可或缺的技术。无线mesh可以与其它网络协同通信。是一个动态的可以不断扩展的网络架构,任意的两个设备均可以保持无线互联。

今天大多数计算机都联在某个网络上,下一步将是消费电子/电气设备和通信产品的联网。工业传感器与控制设备、工作母机、其它过程控制和制造设备的联网工作正在进行之中。此外,不要忘记“机器到机器”(M2M)联网,这可以让任何一台机器通过数个网络层与任一其它机器对话。

总有一天,所有的设备将会实现网络化。感谢无线Mesh联网技术,它将使这一天的到来可能比我们想象的还要更快。借助无线Mesh联网技术,设计师们可以用一个廉价的短距离无线芯片将任一设备与任何其它设备互相连接。这从真正意义上为各种类型的新应用打开了大门,而这在以前是完全没有可能的。

Mesh概念在Mesh网中,所有节点之间互相连接。这被称为全网状结构(Full Mesh)(如图1)。每个节点到其他各节点都有一个直接链接,形成了一个非常有用的排列。然而随着节点数量的增加,链接的数量变得与实际不相符。链接(L)的数量由节点(N)的数量决定。用公式表示如下:L = N(N - 1)/2
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 连接20台个人电脑就需要190个链接,简直就是硬件和配线工作的噩梦。所以,实际应用的网络采用总线拓扑、环形拓扑、星形拓扑,或其它网络拓扑,和一些接入方式来减少相互连接的数量。唯一被广泛运用的有线Mesh网络就是互联网。

无线化使Mesh网变得既可用又便宜。此外,如图2所示的部分网状结构(Partial Mesh)具备了全网状结构的基本优点。在部分网状里,不是所有的节点都和每个别的节点相连。只要有足够的链接,设计者们就可实现一些令人意想不到的好处。

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 Mesh网起初是用于监控操作。所以,Mesh通常运载传感器信号或控制信号。声音和视频一般不会包含在Mesh网中,虽然有些先进的Mesh网实现了声音和视频。这是因为监控操作包含的是相对简短的数据包,数据率会非常低。每秒几Kbits的速度通常算够快的,但如果需要更快的速度也可实现。典型的数据率范围是20~250Kbit/秒。

部分网状结构的主要好处可能是每个节点的范围被成倍地扩大了。大部分短距无线技术都有一个典型的最大范围:10米或更短。但是部分网状结构没有最大通信距离的限制,因为其它所有的节点都被用作中继器或路由器。

信号可以从一个节点传送到另一个节点,无限地扩大范围。在图2中,节点A通过以下路径传送信号到节点L:A-B-E-M-I-L。另一替代路径为:A-C-D-F-L。也还有其它几种冗余的路径。要传输的数据被放在一个数据包里,数据包从一个节点“跳跃”到另一个节点,直到到达目的地。

在大多数的应用里,节点努力把数据放到一个集中点或者叫接入点,像图2的M。然后,数据会被汇总并发送到局域网(LAN)、城域网(MAN)或广域网(WAN)进一步传送(比如生产企业内部的局域网或互联网)。

网状拓扑的常见变异体是由好几个点到多点(PMP)星形网络组成的混合体。在混合体里,多个节点直接和一个中心对等节点或接入点(AP)对话。然后多个AP被连接在一个Mesh架构里。

不至一条路径穿行在网状中,这一事实也引出Mesh网带来的另一主要好处:可靠性。如果由于信号通道阻塞、坏节点或多重路径衰减,一条路径失败了,信号还可找到一条或多条替代路径。如果一个节点的电池没电了,它会从网络中退出来,其他节点却能经由可供选择的跳跃来转接数据。

人、车辆或设备的移动有时也会阻碍先前很好的无线路径。此外,来自另一终端的暂时干扰或意外的噪声脉冲也会阻止传输。同样的,Mesh网又可自动地找到另一路径。

节点的总数是Mesh网一个重要的考虑点。为从多重跳跃路径中受益,要求有很多节点。绝对最小的Mesh网架构是3个节点。然而增加更多的节点会大大提高Mesh网的可靠性和强健性。

Mesh网的延展性也很好。起初,它们可能由只有一打左右的节点组成,然而它们却能毫不困难地延展到数百个或者甚至成千上万个节点。

另外,Mesh网是自配置的。节点自动相互找寻,如果他们在范围内,还会自动建立一个链接。这被称为移动临时网状网(ad hoc network)。如果节点是移动的,网络会持续并自动地重组到参与活动的节点上。

新的节点可随时被增加。如果被加的节点和现有的节点链接太远了,可在中间加个额外的转发器来建立链接。有了小小的,低价的节点,这一方法仍比大多数应用里的配线要便宜。

节能突出Mesh网用电也很少。因为节点间的距离很短,用来建立可靠通信的传送功率就会很低。而且事实上,一些节点可以用电池运行。

由于节点以脉冲的方式传送数据包,这些节点可能会睡着了,引起的电流仅有微安培。只有当要转接信号或要发送信息时才醒过来。工作负载循环可能仅为0.1%~1.0%,大大地减少了功率消耗。电池寿命可长达数月到数年,不需要经常维护。

虽然自配置、自修复的Mesh网有众多好处,但它们也有一个软肋,就是安全性问题。如果没有受到保护,Mesh网络会被黑客入侵和盗取。然而用加密的方法就可实现保护,如高级加密系统(AES)。

对一些应用来说,Mesh网的另一个缺点就是延时。节点要花一定的时间苏醒过来传递数据。而且,每一次跳跃也需要一定的时间。节点间的延时总数可达5~30毫秒。对于一些有决定性意义的工业控制应用来说,这样的速度可能不够快。但是,在很多情况下,这种延时不是什么问题。
无线电干扰如果现在有很多可供选择的单片无线收发器,哪一个是最适合Mesh网的呢?答案在于应用。例如,设计者们不能用便宜的ISM-band(工业科学医疗频段)IC在315MHz,433MHz和915MHz频段下运行是没有为什么的。蓝牙是另一种可能的选择。

当明年出现更多便宜的超宽带(UWB)收发器时,这扇大门会向高速短距的Mesh网打开。对于消费类电子产品,就可用它把房子四处的各种影音设备全连在一起。UWB的最大数据率,在无线USB或直接序列UWB下分别是480Mbits/秒和1Gbit/秒。

一个Mesh网加上多个中继器可以把数据率保持在一个更大的范围内。Artimi和其他公司正开始提供软件到外部嵌入式控制器里,以期创造一个Mesh网解决方案。Mesh无线电界面的一个很好的可能性就是“无所不在(Ubiquitous)"802.11Wi-Fi收发器。成本低,数据率高:11~54Mbits/秒。可另一方面,功率消耗高,而且这一规格执行的是点对点桥接(P2P)和点对多点桥接(PMP)的星形拓扑。

如果需要高数据率,拥有合适软件和足够功率的Wi-Fi无线局域网是个好选择。有几家公司在做把Wi-Fi无线电转成Mesh网字节的软件。IEEE正在做802.11s Mesh网标准,尽管并不期望一个完整的标准能在未来几年就出来。与此同时,几个拥有专利的网状系统也出现了。

或许最好的选择是更新的无线标准:IEEE 802.15.4。也就是众所周知的ZigBee, 这一标准是在Mesh架构里由草稿创造成作品的。它既定义了物理层和数据链路层(MAC),也定义了基本拓扑和节点间的相互协调(如图3)。ZigBee联盟已创建了网络和安全的上层,它可能将会开发应用的外层。
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Mesh网的实现如果你是DIY一族,就会有很多802.15.4的芯片。ZigBee用不需许可的ISM频段中美国的915MHz和2.4GHz和欧洲的868MHz。所有的芯片都采用直序列扩展频谱(DSSS)来实现多路径的强健性和最简化。

WI-FI Mesh当ZigBee引领短距离Mesh网这一行业时,简单初始的802.11或Wi-Fi配上合适的软件就可以用在Mesh架构中。正如先前提到的,Wi-Fi 的IEEE802.11s Mesh标准已有几年之久了。其间,很多专利系统都在用802.11或类似技术。Wi-Fi对Mesh空中界面意义重大,这个界面需要更高的速度和更长的距离,而且那里的功率消耗不成问题。

Wi-Fi Mesh提供低成本的宽带,连接到没有有线TV或DSL接入线服务的农村和郊区。通过把每个用户终端建立成一个中继器/路由器节点,可以在一个广阔的区域提供低价的互联网服务。许多城镇都是用这样的系统。但是这一行业现在正着眼于更大的鱼,有一主系统已被提议供应整个费城的网络连通。


http://net.zdnet.com.cn/network_security_zone/2008/0103/695209.shtml


http://www.cnpaf.net/Class/txjs/200810/23065.html

http://wenku.baidu.com/view/3b995c0203d8ce2f00662315.html 
http://baike.baidu.com/view/1215700.htm
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