什么是Mesh网络
網(wǎng)絡(luò)間的通信原理
假設(shè)你的名字叫小不點(diǎn)，你住在一個(gè)大院子里，你的鄰居有很多小伙伴，在門口傳達(dá)室還有個(gè)看大門的李大爺，李大爺就是你的網(wǎng)關(guān)。當(dāng)你想跟院子里的某個(gè)小伙伴玩，只要你在院子里大喊一聲他的名字，他聽到了就會(huì)回應(yīng)你，并且跑出來(lái)跟你玩。
但是你不被允許走出大門，你想與外界發(fā)生的一切聯(lián)系，都必須由門口的李大爺（網(wǎng)關(guān)）用電話幫助你聯(lián)系。假如你想找你的同學(xué)小明聊天，小明家住在很遠(yuǎn)的另外一個(gè)院子里，他家的院子里也有一個(gè)看門的王大爺（小明的網(wǎng)關(guān)）。但是你不知道小明家的電話號(hào)碼，不過你的班主任老師有一份你們班全體同學(xué)的名單和電話號(hào)碼對(duì)照表，你的老師就是你的DNS服務(wù)器。于是你在家里撥通了門口李大爺?shù)碾娫?#xff0c;有了下面的對(duì)話：
小不點(diǎn)：李大爺，我想找班主任查一下小明的電話號(hào)碼行嗎？
李大爺：好，你等著。（接著李大爺給你的班主任掛了一個(gè)電話，問清楚了小明的電話）問到了，他家的號(hào)碼是211.99.99.99
小不點(diǎn)：太好了！李大爺，我想找小明，你再幫我聯(lián)系一下小明吧。
李大爺：沒問題。（接著李大爺向電話局發(fā)出了請(qǐng)求接通小明家電話的請(qǐng)求，最后一關(guān)當(dāng)然是被轉(zhuǎn)接到了小明家那個(gè)院子的王大爺那里，然后王大爺把電話給轉(zhuǎn)到小明家）
就這樣你和小明取得了聯(lián)系。
設(shè)置完IP地址與子網(wǎng)掩碼后，計(jì)算機(jī)只能與處于同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其他計(jì)算機(jī)互相傳遞數(shù)據(jù)。這是因?yàn)樵O(shè)置了這兩項(xiàng)參數(shù)后，計(jì)算機(jī)有了自己的地址，與其他計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，數(shù)據(jù)包有源地址與目標(biāo)地址，即有明確的來(lái)源與去處，就像信封上寫清了發(fā)信人與收信人地址，因此可以順利地投遞一樣。但是此時(shí)計(jì)算機(jī)還不能與本局域網(wǎng)以外的計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，因?yàn)槲覀冞€沒有告訴計(jì)算機(jī)通過什么途徑將數(shù)據(jù)送到本局域網(wǎng)以外的計(jì)算機(jī)中。要想與本局域網(wǎng)以外的計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，還需要設(shè)置網(wǎng)關(guān)。
網(wǎng)關(guān)(Gateway)是將兩個(gè)使用不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)段連接在一起的設(shè)備。它的作用就是對(duì)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)段中使用不同傳輸協(xié)議的數(shù)據(jù)進(jìn)行互相的翻譯轉(zhuǎn)換。網(wǎng)關(guān)可以是硬件，如路由器、服務(wù)器等，也可以是軟件。
給網(wǎng)關(guān)分配一個(gè)IP地址，這個(gè)地址就可以被局域網(wǎng)中的多臺(tái)計(jì)算機(jī)所共享，這種地址共享有點(diǎn)類似于日常生活中的信件分發(fā)。郵局先把屬于同一單位的信件送到該單位的收發(fā)室，再由收發(fā)室分發(fā)到各個(gè)不同的部門或個(gè)人，這就要求單位中的每個(gè)部門或個(gè)人都有一個(gè)唯一的內(nèi)部信箱號(hào)，就像每臺(tái)計(jì)算機(jī)有一個(gè)自己的私有IP地址一樣。郵局只關(guān)心該單位的地址而不必清楚該單位的內(nèi)部機(jī)構(gòu)；同樣，位于局域網(wǎng)外部的網(wǎng)關(guān)只考慮局域網(wǎng)中的多臺(tái)計(jì)算機(jī)所共享的IP(網(wǎng)關(guān))地址，而不考慮它們各自的私有IP 地址。借助網(wǎng)關(guān)可以使多個(gè)網(wǎng)絡(luò)用戶用一個(gè)IP地址訪問因特網(wǎng)，比動(dòng)態(tài)配置法更加節(jié)省IP地址資源。另外，它的安全性得到了進(jìn)一步的提高，因?yàn)樗鼉?nèi)部的計(jì)算機(jī)根本就沒有公有IP地址，外部用戶無(wú)法直接訪問這些計(jì)算機(jī)。
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集線器：工作在第一層（即物理層），它沒有智能處理能力，對(duì)它來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)只是電流而已，當(dāng)一個(gè)端口的電流傳到集線器中時(shí)，它只是簡(jiǎn)單地將電流傳送到其他端口，至于其他端口連接的計(jì)算機(jī)接收不接收這些數(shù)據(jù)，它就不管了。
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交換機(jī)：工作在第二層（即數(shù)據(jù)鏈路層），它要比集線器智能一些，對(duì)它來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)就是MAC地址的集合，它能分辨出幀中的源MAC地址和目的MAC地址，因此可以在任意兩個(gè)端口間建立聯(lián)系，但是交換機(jī)并不懂得IP地址，它只知道MAC地址。
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路由器：工作在第三層（即網(wǎng)絡(luò)層），它比交換機(jī)還要“聰明”一些，它能理解數(shù)據(jù)中的IP地址，如果它接收到一個(gè)數(shù)據(jù)包，就檢查其中的IP地址，如果目標(biāo)地址是本地網(wǎng)絡(luò)的就不理會(huì)，如果是其他網(wǎng)絡(luò)的，就將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)出本地網(wǎng)絡(luò)。
1. 什么是Mesh網(wǎng)絡(luò)
無(wú)線Mesh技術(shù)是一種與傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)完全不同的新型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在傳統(tǒng)的WLAN中，每個(gè)客戶端均通過一條與接入點(diǎn)（AP）相連的無(wú)線鏈路訪問網(wǎng)絡(luò)，用戶若要進(jìn)行相互通信，必須首先訪問一個(gè)固定的AP，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)稱為單跳網(wǎng)絡(luò)。而在無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，任何無(wú)線設(shè)備節(jié)點(diǎn)都可同時(shí)作為路由器，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能發(fā)送和接收信號(hào)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能與一個(gè)或多個(gè)對(duì)等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接通信。
這種結(jié)構(gòu)的最大好處在于：如果最近的AP由于流量過大而導(dǎo)致?lián)砣脑?#xff0c;數(shù)據(jù)可以自動(dòng)重新路由到一個(gè)通信流量較小的鄰近節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸。依此類推，數(shù)據(jù)包還可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的情況，繼續(xù)路由到與之最近的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸，直到到達(dá)最終目的地為止。這樣的訪問方式就是多跳訪問
2. Mesh網(wǎng)絡(luò)的由來(lái)
傳統(tǒng)的單一無(wú)線IP接入點(diǎn)覆蓋如圖一
單一無(wú)線IP接入點(diǎn)覆蓋的缺陷:
1.要實(shí)現(xiàn)全部覆蓋，相應(yīng)的用戶終端的發(fā)射信號(hào)功率將會(huì)很大，這往往是做不到的
2.沒有對(duì)給定頻段進(jìn)行復(fù)用，支持的終端數(shù)少，多用戶能力不高
如果使用的無(wú)線移動(dòng)頻段的帶寬為B，每個(gè)用戶終端的傳送數(shù)據(jù)需要帶寬b，則整個(gè)區(qū)域同時(shí)支持的最大多用戶數(shù)為B / b
為了解決這一難題，20世紀(jì)80年代提出了如下兩種有效的解決方案:
多個(gè)終端接力覆蓋的網(wǎng)絡(luò)如圖二
這種解決方案為了保持用較小信號(hào)發(fā)射功率都能應(yīng)用到所有終端，并使在覆蓋邊緣或遠(yuǎn)端的用戶終端能接入網(wǎng)關(guān)(WGW)，采用通過具有路由功能的鄰近終端作中繼接力，經(jīng)過多跳，接入到WGW，實(shí)現(xiàn)微小功率下的Internet接入。這種形成微小功率區(qū)域覆蓋的解決方案的綜合，構(gòu)成Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)微小信號(hào)功率接入，同時(shí)接入最大用戶數(shù)不會(huì)增加，但是用戶終端間中繼接力通信需要增加額外開銷。這對(duì)具有路由功能的終端依賴較大，在終端移動(dòng)情況下路由選擇和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳荒芄潭?#xff0c;變動(dòng)大。不過，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)不需要增添另外的無(wú)線路由器來(lái)實(shí)現(xiàn)微小區(qū)覆蓋，通過終端的中繼接力接入Internet，對(duì)構(gòu)建終端不需移動(dòng)、位置分布比較隨機(jī)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)非常方便、實(shí)用和有效。
- 中繼：是網(wǎng)絡(luò)物理層上面的連接，適用于完全相同的兩類網(wǎng)絡(luò)的互連，主要功能是通過對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)的重新發(fā)送或者轉(zhuǎn)發(fā)，來(lái)擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)木嚯x。
多個(gè)無(wú)線路由覆蓋的網(wǎng)絡(luò)如圖三
將一個(gè)WGW支持的相關(guān)區(qū)域內(nèi)劃分成不同的多個(gè)微小區(qū)域，可彼此重疊，各微小區(qū)設(shè)立一個(gè)無(wú)線路由器(WR)，形成眾多無(wú)線路由器的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。每個(gè)用戶終端就近接入相應(yīng)的WR，WR或直接接到GW，或通過鄰近WR中繼接力接到GW，實(shí)現(xiàn)整個(gè)區(qū)域的Internet接入。
無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)如圖四
如果每個(gè)WGW都是引入眾多WR的區(qū)域覆蓋，多個(gè)GW覆蓋區(qū)域的綜合，就構(gòu)成一種新型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)：無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)，眾多WR相互合作和協(xié)同，成網(wǎng)狀分布，對(duì)整個(gè)城市或任意區(qū)域無(wú)線覆蓋，實(shí)現(xiàn)無(wú)線移動(dòng)通信。
3. Mesh網(wǎng)絡(luò)的特性
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自組織
網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和授權(quán)最終用戶可即時(shí)加入網(wǎng)絡(luò)，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，并可連接至所有其他節(jié)點(diǎn)。 -
自愈
如果網(wǎng)絡(luò)中的某臺(tái)設(shè)備發(fā)生故障或從其拓?fù)湮恢蒙喜鹦?#xff0c;網(wǎng)絡(luò)會(huì)自動(dòng)適應(yīng)這種改變。既使發(fā)端與對(duì)端之間的連接涉及多臺(tái)中繼設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)也會(huì)找到從發(fā)端到對(duì)端的新的路由。 -
多跳式
每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和用戶端設(shè)備（無(wú)線通信單元）均能轉(zhuǎn)發(fā)和路由發(fā)送至另一個(gè)對(duì)端的數(shù)據(jù)包，能選擇并確定一個(gè)從發(fā)端到對(duì)端的最佳路由。 -
點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)
自組織網(wǎng)絡(luò)通常由平等的網(wǎng)元構(gòu)成，只要發(fā)端和對(duì)端的距離足夠近，就能直接連接發(fā)端和對(duì)端。而不必通過中央管理節(jié)點(diǎn)。 -
多信道協(xié)商 提高帶寬的利用率
無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多信道接入時(shí)一種協(xié)調(diào)機(jī)制，保證通信的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都工作在相同的信道上。將時(shí)間軸被劃分為信標(biāo)間隔，在每一個(gè)信標(biāo)間隔的開始，建立一個(gè)叫做ATIM的時(shí)間窗口，在相同的ATIM窗口內(nèi)，有數(shù)據(jù)需要發(fā)送的節(jié)點(diǎn)使用控制消息和接收端使用相同的信道。這種多信道協(xié)商方法的目的是要選擇業(yè)務(wù)負(fù)載小的信道，盡可能地平衡信道負(fù)載，減小競(jìng)爭(zhēng)和退避所浪費(fèi)的帶寬。
4. Mesh的工作原理
1. Mesh鄰居發(fā)現(xiàn)
Mesh發(fā)現(xiàn)是Mesh網(wǎng)絡(luò)建立過程中的第一步，類似于接入服務(wù)中STA掃描網(wǎng)絡(luò)。
- Mesh網(wǎng)絡(luò)掃描
Mesh節(jié)點(diǎn)(MP)通過主動(dòng)發(fā)送Probe Request探測(cè)幀，或偵聽Beacon幀，來(lái)收集鄰居信息。Beacon或Probe幀中包含Mesh ID、Mesh Configuration以及安全能力等相關(guān)信息。 - 鄰居關(guān)系維護(hù)
MP從接收到的Beacon或Probe Response幀中解析發(fā)端MP的Mesh profile信息，與本端Mesh profile信息進(jìn)行匹配。只有當(dāng)掃描雙方的Mesh profile匹配時(shí)，雙方才可以建立鄰居關(guān)系。
2. Mesh連接管理
Mesh連接管理包括Mesh連接建立和Mesh連接拆除兩個(gè)過程，采用Peer Link Open/Confirm/Close三種Mesh連接管理Action幀交互實(shí)現(xiàn)。
- Mesh連接建立
MP在選出候選Peer后，可以與之發(fā)起Mesh連接建立過程。協(xié)商Mesh連接的雙方需要確保使用相同的Mesh profile。
每個(gè)MP根據(jù)需要可以建立一條或多條Mesh連接，Mesh連接建立后，需要繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)的認(rèn)證和安全協(xié)商，之后Mesh連接才可以參與Mesh數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。 - Mesh連接拆除
Mesh連接雙方中任一方，均可以主動(dòng)向?qū)Ψ桨l(fā)送Peer Link Close消息，以關(guān)閉雙方間的Mesh連接，收到Peer Link Close消息的MP，需要向?qū)Ψ組P回應(yīng)一個(gè)Peer Link Close消息。
- Mesh安全機(jī)制
由于傳輸媒質(zhì)的開放性，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)很容易遭受非法攻擊，802.11i標(biāo)準(zhǔn)的推出解決了傳統(tǒng)WLAN網(wǎng)絡(luò)的安全問題，但Mesh網(wǎng)絡(luò)的多跳性帶來(lái)了新的安全挑戰(zhàn)。在認(rèn)證方式上，Mesh安全同樣支持802.1x認(rèn)證和PSK認(rèn)證方式，802.1x認(rèn)證通過Supplicant MP與AAA server交互產(chǎn)生后續(xù)密鑰協(xié)商用的種子密鑰MSK，PSK認(rèn)證方式則直接使用PSK作為密鑰協(xié)商的種子密鑰。 - Mesh選路
Mesh網(wǎng)絡(luò)是全連接的WLAN網(wǎng)絡(luò)，任何一個(gè)源和目的地之間會(huì)存在多條可用的Mesh鏈路，并且這些Mesh鏈路的傳輸質(zhì)量會(huì)隨著周邊環(huán)境實(shí)時(shí)變化。因此，非常有必要在Mesh網(wǎng)絡(luò)支持選路協(xié)議，以確保數(shù)據(jù)幀能始終通過最優(yōu)的鏈路傳輸。 - Mesh轉(zhuǎn)發(fā)
對(duì)于目的MAC為單播地址的數(shù)據(jù)幀，首先查找轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)。若查到匹配表項(xiàng)，則將數(shù)據(jù)幀由該表項(xiàng)對(duì)應(yīng)的Mesh鏈路發(fā)送出去；若未匹配任何表項(xiàng)，則將該數(shù)據(jù)幀從所有處于活躍狀態(tài)的Mesh鏈路發(fā)送出去。
對(duì)于目的MAC為組播或廣播地址的數(shù)據(jù)幀，MP將數(shù)據(jù)幀從所有處于活躍狀態(tài)的Mesh鏈路發(fā)送出去。
作者：guiqiang107
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總結(jié)
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