Общая информация о Mesh.

Присутствие точки доступа (Access Point) и модуля WiFi, например в ноутбуке, позволяет организовать беспроводную сеть в так называемом режиме Infrastructure. По большому счету этот режим можно назвать Мастер-Ведомый, когда AP играет роль главной скрипки, а WiFi подключаются непосредственно к этой самой AP. Наверняка многие из вас уже имеют опыт работы из мест употребления прохладительных напитков и приятного времяпровождения, где развернуты WiFi-сети.Однако стоит вспомнить, что даже два WiFi-модуля можно заставить играть по другим правилам, выставив их в режим работы Ad-Hoc. В этом случае уже нет главного устройства и подчиненного, они все являются однотипными. Вот здесь-то нас и поджидают приятные сюрпризы, а именно -появляется возможность организовать mesh-сеть (у нас она называется как "ячеистая", но я думаю, что именно английский вариант приживется).Чем хороша mesh-топология? Во-первых, сеть создается из относительно дешевых модулей, каждый из которых по радиоканалу соединен со всеми соседями в зоне видимости. Второе немаловажное свойство - сеть из этих модулей самоорганизуется и способна восстанавливаться при выходе из строя некоторых узлов. И третье - низкая стоимость поддержки сети - раз узлы могут постоянно "видеть" и "чувствовать" состояние соседей и соответственно принимать решение об изменении маршрутных таблиц, то поддержка в данном случае заключается в правильном включении в сеть бытового электропитания.

Но не стоит думать, что минусов нет. Конечно, они есть: это идополнительный служебный трафик, который обязан курсировать по сети, и проблема в правильном выборе программных комонентов, а именно,протоколов обмена - когда сеть состоит из 10 узлов, проблем нет, но при наличии 100 и более узлов приходится задумываться об эффективном выборе маршрутов.И это задача разработчиков.

Архитектура Mesh-сети

Топология Mesh основана на децентрализованной схеме организации сети, в отличие от типовых сетей 802.1 1a/b/g, которые создаются по централизованному принципу. Точки доступа, работающие в Mesh-сетях, не только предоставляют услуги абонентского доступа, но и выполняют функции маршрутизаторов/ретрансляторов для других точек доступа той же сети. Благодаря этому появляется возможность создания самоустанавливающегося и самовосстанавливающегося сегмента широкополосной сети.

Mesh-сети строятся как совокупность кластеров .Территория покрытия разделяется на кластерные зоны, число которых теоретически не ограничено. В одном кластере размещается от 8 до 16 точек доступа. Одна из таких точек является узловой (gateway) и подключается к магистральному информационному каналу с помощью кабеля (оптического либо электрического) или по радиоканалу (с использованием систем широкополосного доступа). Узловые точки доступа, так же как и остальные точки доступа (nodes) в кластере, соединяются между собой (с ближайшими соседями) по транспортному радиоканалу. В зависимости от конкретного решения точки доступа могут выполнять функции ретранслятора (транспортный канал) либо функции ретранслятора и абонентской точки доступа. Особенностью Mesh является использование специальных протоколов, позволяющих каждой точке доступа создавать таблицы абонентов сети с контролем состояния транспортного канала и поддержкой динамической маршрутизации трафика по оптимальному маршруту между соседними точками. При отказе какой-либо из них происходит автоматическое перенаправление трафика по другому маршруту, что гарантирует не просто доставку трафика адресату, а доставку за минимальное время.Процедура расширения сети в пределах кластера ограничивается установкой новых точек доступа, интеграция которых в существующую сеть происходит автоматически.Недостаток подобных сетей заключается в том, что они используют промежуточные пункты для передачи данных; это может вызвать задержку при пересылке информации и, как следствие, снизить качество трафика реального времени (например, речи или видео). В связи с этим существуют ограничения на количество точек доступа в одном кластере.На сегодняшний день выпускается Mesh-оборудование как внешнего, так и внутреннего размещения.

Стандарты беспроводной передачи данных, используемые для построения Mesh-сетей

Как уже говорилось выше, основой для реализации Mesh-сетей на сегодняшний день является стандарт IEEE 802.11 (Wi-Fi).Оборудование стандарта pre-Wi-МАХ уже сегодня применяется для подключения узловых точек Mesh-сетей к магистральным каналам (Tropos, Nortel и др.). Учитывая технологические преимущества WiMAX, данный стандарт (особенно в его мобильной версии) будет использоваться для организации абонентского доступа. Однако начало этого процесса следует отнести на момент появления на рынке дешевых абонентских устройств.

Wi-Fi Mesh-сети

Сервисные возможности

Хэндовер

В настоящее время в стандарте 802.11 нет строгих спецификаций по реализации хэндо-вера ("бесшовного" перемещения абонентов между точками доступа). Однако для обеспечения такого перехода предусмотрены специальные процедуры сканирования эфира и присоединения ("association"). Реализация хэн-довера в сетях Wi-Fi может осуществляться различным образом, например, на базе протокола Radius или под управлением интеллектуального беспроводного контроллера, организующего "туннель" при переходе клиента в зону обслуживания соседней точки доступа. В спецификации 802.11k (см. врезку) описаны процедуры, позволяющие клиентскому устройству выбрать точку доступа, к которой следует подключиться перед разрывом текущего соединения. Кроме того, использование алгоритма кэширования, предусмотренного спецификацией 802. 11i, обеспечивает установление нового защищенного соединения за время, не превышающее 20-30 мс.Как результат -оборудование с поддержкой механизмов управления 802.11k обеспечивает переключение абонентского устройства на новую точку доступа за время не более 50 мс. Такая задержка не будет замечена пользователем, так как она в несколько раз меньше человеческого порога восприятия.

Межсетевой роуминг

Объединение сетей Mesh (проблема роуминга), а в дальнейшем также объединение сетей фиксированной и мобильной связи служит решению основной задачи: возможности предоставлять мобильным конечным пользователям как можно более широкий ассортимент услуг по как можно более низкой цене. Отсюда встает необходимость решать задачу по организации межсетевого роуминга согласно известному принципу "один человек - один номер" при перемещении абонента между сетями различного типа.В пределах городской сети, состоящей из набора кластеров, проблема роуминга при переходе клиента из кластера в кластер решается механизмами ESSID, WEP/802.1x и VPN. Свободно перемещающийся клиент идентифицируется по IP-адресу с организацией виртуальных IP-каналов.Ожидается, что в спецификации 802.11s будет описана процедура объединения сетей, в том числе и различного типа. Создание крупных сетей 802.11s позволит устранить ныне существующую проблему перехода между сетями Wi-Fi, развернутыми в различных городах.

Мультисервисность

Обеспечение мультисервисности предполагает организацию для клиента полного спектра IP-услуг, включая доступ в Интернет, VoIP, видеоконфе-ренц-связь и т.д. Стандарт IEEE 802.11e позволяет при сохранении полной совместимости с действующими стандартами 802.11а/b/g расширить функциональность за счет обслуживания потоковых мультимедиаданных и предоставления гарантированного качества услуг QoS. Механизм основан на приоритезации трафика и предполагает организацию контроля полосы пропускания по группам пользователей и типам трафика (голос, видео и т.д.).Практическая реализация QoS позволяет организовывать не только голосовые, но и видеосессии для пользователей, крайне требовательных к безопасности и надежности соединения (службы безопасности).

Безопасность

Вопросы безопасности Mesh (защита от нелегальных подключений) являются весьма актуальными, особенно для систем городского масштаба, которые объединяют муниципальные, абонентские и корпоративные сети. Безопасность сетей обеспечивается в рамках спецификаций стандарта 802.11. Стандарт шифрования (Wired Equivalent Privacy, WEP) на сегодняшний день не удовлетворяет требованиям из-за слабой стойкости ключа. Принятие стандарта 802.11 i (WPA2 ) делает доступной более безопасную схему аутентификации и кодирования трафика. Стандарт IEEE 802.11i предусматривает использование в продуктах Wi-Fi таких средств, как поддержка алгоритмов шифрования трафика: TKIP (Temporal Key Integrity Protocol), WRAP (Wireless Robust Authenticated Protocol) и CCMP (Counter with Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocol). Этих алгоритмов достаточно для защиты на уровне абонентского трафика, но на уровне корпоративного пользователя используются дополнительные механизмы, включающие более совершенные способы аутентификации при подключении к сети: более крипто-стойкие методы шифрования, динамическую замену ключей шифрования, использование персональных межсетевых экранов, мониторинг защищенности беспроводной сети, технологию виртуальных частных сетей VPN и т.д.

Интеграция с существующими сетями GSM

Преимущества интегрированных сетей Wi-Fi-GSM очевидны, что заставляет производителей оборудования активно развивать это направление.Усилия в этом направлении связаны в первую очередь с созданием механизма межсетевого перехода. Компании Motorola, Avaya и Pro-xim разработали универсальные беспроводные устройства и создали форум SCCAN (Seamless Converged Communication Across Networks), уже одобренный IEEE. Альянс SCCAN должен разработать спецификацию взаимодействия между двухсетевыми устройствами и офисными IP-станциями, способными работать и в Wi-Fi, и в сотовых сетях.Технология UMA (Unlicensed Mobile Access), разработанная американской компанией Kineto Wireless, позволяет мобильному абоненту переключаться с GSM-сети на сеть Wi-Fi, не прерывая разговора.На сегодняшний день рынок GSM-телефонов со встроенным модулем Wi-Fi насчитывает более 30 моделей и их количество неуклонно растет.

Mesh-приложения

Наибольшую эффективность следует ожидать при реализации Mesh-сетей масштаба города (MAN). Особенности организации и использования подобных сетей определяются социальной и коммерческой целесообразностью, при этом сети могут либо строиться только как корпоративные (муниципальные) или абонентские, либо решать обе задачи одновременно.С точки зрения абонентского сервиса подобные сети уже сегодня обеспечивают полный спектр IP-приложений - Ethernet, VoIP, real time video.

Абонентские сети

Главной задачей абонентских сетей является обеспечение доступа пользователей (стационарных и мобильных) к ресурсам Интернета и организация Wi-Fi-телефонии. Особенностью таких сетей является, как правило, высокая плотность установки точек доступа (порядка 10 точек/км2). Этот параметр определяется в значительной степени низкой выходной мощностью клиентских устройств (Wi-Fi-адаптеры, телефоны), высокой плотностью размещения абонентов (и, следовательно, необходимостью обеспечивать высокую емкость абонентского трафика), а также характеристиками чувствительности точек доступа. Развертывание подобных сетей становится выгодным при достаточно большом числе пользователей и на сегодняшний день определяется не техническими, а экономическими аспектами.Основные проблемы, с которыми приходится сталкиваться при создании Mesh-сетей внешнего (уличного размещения) в России:

·         ограниченность частотного ресурса (частотные диапазоны 802.11 в крупнейших городах России практически исчерпаны);

·         необходимость подтверждения результатов радиочастотного планирования практическими исследованиями состояния радиообстановки в зоне развертывания сети (наличие незарегистрированных пользователей);

·         организация размещения точек доступа в максимальной близости от абонентов, обеспечение круглосуточного электропитания и т.д.

 В качестве примера можно привести Mesh-сеть компании "Голден Телеком", разворачиваемую в Москве и насчитывающую до 3500 точек доступа. Не менее крупные проекты на момент написания этой статьи находятся в стадии реализации в г. Тайбэй и Македонии (в Македонии поставлена задача организовать полное покрытие сетями Wi-Fi 40 городов, то есть всей территории страны площадью более 1500 км²). Типовое решение для мобильных абонентов предполагает монтаж точек доступа на уровне 10-12 метров, вдоль улиц на столбах городского освещения, опорах светофоров, кабельных растяжках и т.д.

Муниципальные сети

Mesh-топология позволяет реализовать уникальные по своим возможностям сети муниципального назначения, ориентированные на службы оперативного реагирования (милиция, "Скорая помощь", МЧС). Одним из требований является наличие производителей мобильных роутеров, монтируемых в автомобилях.Основу сети составляют узловые и абонентские точки доступа, размещаемые на улице (как правило, вдоль дорог) и организующие зоны информационного покрытия, в которых обеспечивается подключение абонентов со стандартными Wi-Fi-адаптера-ми. Дополнительно точки доступа могут использоваться для организации управления движением (светофоры) и сбора видеоинформации, с подключением видеокамер по проводному или беспроводному интерфейсу. Подключение пользователей, расположенных внутри помещений, к внешней сети производится с помощью внутри-офисных точек доступа, которые характеризуются пониженной выходной мощностью и "комнатным" исполнением корпуса.Наибольший интерес представляют мобильные точки доступа, предназначенные для эксплуатации в автомобилях. Использование этих устройств не только увеличивает радиус действия между точками доступа до 800-1200 метров, но и позволяет организовать:

·         информационное обеспечение пользователей внутри автомобиля при проводном или беспроводном подключении конечных устройств (ноутбук, PDA и т.д.);

·         информационное покрытие в радиусе 300 м вокруг автомобиля для абонентов со стандартными Wi-Fi-адаптерами 802.1 1b/g;

·         контроль положения автомобиля при использовании встроенного в точку доступа GPS-приемника.

Применение мобильных точек доступа позволяет организовать оперативное расширение зоны покрытия или увеличение информационной емкости сети за счет концентрации оборудованных автомобилей в "горячих точках". Механизмы самоорганизации Mesh-сети позволяют за минимальное время (определяемое временем прибытия автомобилей, оборудованных Mesh-точками доступа) организовывать зону Wi-Fi c передачей оперативной аудио- и видеоинформации на центральный пульт.Анализ создания и развития Mesh-сетей показывает, что существует устойчивая тенденция объединения абонентских и муниципальных сетей. Зачастую сети, построенные по муниципальному заказу, дополняются впоследствии точками доступа и эксплуатируются операторами в объединенном "муниципально-абонентском" режиме.

Технологические сети

Высокий уровень автоматизации современного производства требует передачи больших объемов контрольной и управляющей информации. С появлением на рынке первичных преобразователей и микроконтроллеров со встроенными модулями Wi-Fi беспроводные решения при организации технологических сетей становятся все более востребованными.В первую очередь это касается многоуровневых сетей передачи данных, предназначенных для современных транспортных систем. Функциональные возможности таких систем включают в себя сбор информации об объекте (техническое состояние, идентификация груза), передачу видеоизображений систем безопасности и т.д. Уже реализовано несколько проектов Mesh-сетей на железнодорожном транспорте. Типовыми задачами таких проектов являются организация абонентского доступа и передача технологической информации в поездах. Точки доступа, расположенные вдоль железнодорожного полотна, обеспечивают организацию зон Wi-Fi в вагонах поезда, следующего со скоростью до 300 км/ч.

Оборудование

На сегодняшний день большую часть рынка Mesh-оборудования занимают sturtup-компании, однако ситуация очень быстро меняется. Компании Cisco, Motorola, Nortel, Proxim, Alvarion,Mikrotik, Senao (организация транспортных каналов) - вот далеко не полный перечень известных производителей, все более активно работающих в секторе Mesh-оборудования.

Все представленное на рынке оборудование можно условно разделить на 3 группы:

·         группа № 1 - Single-радиосистемы с одиночным радиоблоком, использующие антенны круговой диаграммы направленности;

·         группа № 2 - Dual-радиосистемы с двумя радиоблоками, использующие антенны круговой диаграммы направленности;

·         группа № 3 - Multi-радиосистемы, использующие раздельные радиоблоки для организации транспортного и абонентского доступа с применением направленных антенн.

Основные технические характеристики оборудования приведены в ниже.

 Группа № 1. Single-радио

При использовании Single-радио один радиомодуль в частотном диапазоне (2,4 ГГц) применяется для организации абонентского доступа и транспортного канала между точками. Учитывая плотность установки точек доступа и ограниченность частотного ресурса, для исключения их взаимного влияния требуется очень тщательное частотное и структурное планирование сети. Число переходов (hops) трафика между точками доступа должно составлять не более 3-4, что ограничивает возможности масштабирования сети в пределах одного кластера при организации сервисов реального времени. Несмотря на указанную специфику, Mesh-сети, построенные на оборудовании 1-й группы, лидируют по присутствию на рынке. Оборудование характеризуется низкой стоимостью и является наиболее эффективным для создания зон покрытия малого масштаба.

Группа № 2. Dual-радио

При использовании Dual-радио применяются раздельные радиомодули для организации абонентского доступа (2,4 ГГц) и транспортного канала (5,8 ГГц). Подобное решение позволяет избавиться от интерференционных помех при передаче информации между точками, что упрощает частотное планирование сети и повышает производительность системы по транзитному трафику за счет "переноса" транспортного канала в другой частотный диапазон.

Группа № 3. Multi-радио

Оборудование третьей группы наиболее интересно по архитектурному решению. Оно построено по модульному принципу с использованием от 4 до 6 радиоблоков. Это позволяет (так же, как и в решениях Dual-радио) организовать разделение абонентского и транспортного потоков. Однако эффективность решения Multi-радио повышается за счет разделения входящего и нисходящего транспортных потоков при увеличения общего числа "транспортных" радиомодулей.Модульная архитектура (на практике это набор плат, монтируемых в типовом корпусе) допускает оперативную замену радиомодулей и позволяет производить простую модернизацию всей сети по мере развития технологической и элементной базы, включая переход на новые стандарты (Wi-МАХ).

Перспективы и шансы на успех

Усложнение Mesh-систем по мере увеличения их масштаба и необходимость объединения с альтернативными сетями (GSM, 3G, WiMAX и т.д.) потребуют создания более сложных систем управления, основанных на централизованных решениях. Коммерческая эффективность объединенных сетей "муниципально-абонент-ского" доступа приведет к росту их числа и потребует создания более эффективных решений, обеспечивающих безопасность муниципального сектора сетей.

Для России ожидаемым сектором строительства Mesh-сетей являются крупные мегаполисы (спальные районы и деловой центр) и коттеджные поселки. Проблемы организации таких сетей связаны в первую очередь с частотными ограничениями. В отличие от стран с "открытыми" диапазонами стандарта 802.11, в России при построении внешних сетей необходимо получение Решений ГКРЧ и частотных разрешений. При построении внутренних сетей процедура упрощена: если оборудование указано в Приложении № 2 Решения ГКРЧ № 04-03-04-003 от 06.12.2004 или внесено в перечень оборудования последующими решениями ГКРЧ, то достаточно регистрации сети в местном радиочастотном центре.

Учитывая политику, проводимую Мининформсвязи России [5], следует ожидать, что границы между топологией традиционных решений ШПД (особенно в приложении стандарта WiMAX для частотных диапазонов 2,4; 3,5; 5,8 ГГц) и Mesh при реализации в России будут постепенно размываться.

Mesh как принцип сетевого построения безусловно будет развиваться и займет если не определяющее, то значимое положение в глобальной информационной сети.

                                                                   Источник