Wireless Mesh Network

Mesh 特指 Wireless Mesh Network，因为有线的就是 Internet 嘛。

Wireless Mesh Network（WMN）无线网状网络。

Mesh 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，是多跳（multi-hop）网络。

关键特点

传统的 AP + STA 模式是单跳、点对点的通信模式。而无线 Mesh 的特点则是多跳、网状拓扑模式。

组成

传统无线网络组成：网关（运营商光猫）+ 无线路由器（接入点） + 无线终端

无线 Mesh 网络组成：网关（运营商光猫）+ Mesh 路由器（接入点）+ 无线 Mesh 终端

两点区别，

  1. 通常在一个 Mesh 网络中，有不只一台 Mesh 路由器，这样多台 Mesh 路由器才能组成无线 Mesh 骨干网络。多台 Mesh 路由器以多跳互联的拓扑结构，形成相对稳定的转发网络。
  2. 在传统的无线局域网(WLAN)中，每个客户端通过连接到无线AP来访问无线链路，如果多用户间想要彼此通信时，它必须首先访问固定的接入点(无线AP)，该网络结构被称为单跳网络。在WiFi Mesh网络中，任何无线设备节点可以同时充当AP和路由器的角色。网络中的每个节点都可以发送和接收信号，并且每个节点可以与一个或多个对等节点直接通信。

这种体系结构的最大优点是，如果最近的AP由于过多的通信业务需求阻塞，则该数据可以被自动重新路由到相邻的小负荷流量节点上，数据包还可以基于此网络继续路由到最近的下一节点直到传送到达最终目的地为止。这是多跳访问的方式。

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。

无线Mesh网络架构

单频 Mesh && 双频 Mesh

Mesh 组网需要综合考虑信道干扰、跳数选择、频率选取等因素。

单频 Mesh 组网

单频组网方案主要用于设备及频率资源受限的地区，分为单频单跳及单频多跳。单频组网时，所有的无线接入点 Mesh AP和有线接入点Root AP的接入和回传均工作于同一频段。

各跳之间采用的信道可能是完全独立的无干扰信道，也可以是存在一定干扰的信道（实际环境中多为后者）。此时由于相邻节点之间存在干扰，所有节点不能同时接收或发送，需要在多跳范围内用CSMA/CA的MAC机制进行协商。随着跳数的增加，每个Mesh AP分配到的带宽将急剧下降，实际单频组网性能也将受到很大限制

双频 Mesh 组网

双频组网中每个节点的回传和接入均使用两个不同的频段，如本地接入服务用2.4 GHz 802.1l b/g信道，骨干Mesh回传网络使用5.8 GHz 802.11a信道，互不存在干扰。

这样每个Mesh AP就可以在服务本地接入用户的同时，执行回传转发功能。双频组网相比单频组网，解决了回传和接入的信道干扰问题，大大提高了网络性能。

但在实际环境和大规模组网中，回传链路之间由于采用同样的频段，仍无法完全保证信道之间没有干扰，因此随着跳数的增加，每个Mesh AP分配到的带宽仍存在下降的趋势，离Root AP远的Mesh AP将处于信道接入劣势，故双频组网的跳数也应该谨慎设置。

关键技术

无线 Mesh 网络实施中涉及到的关键技术主要包括：多信道协商、信道分配、网络发现、路由转发、Mesh安全。

1. 多信道协商

无线Mesh网络进行多信道接入时，网络中的MP节点一次只能侦听一个信道，为了使用多信道，节点不得不在可用信道之间动态切换，这就需要一种协调机制，保证通信的两个节点都工作在相同的信道上。一种解决方法是将时间轴被划分为信标间隔，在每一个信标间隔的开始，建立一个叫做ATIM的时间窗口，并要求在ATIM时间窗口的起始时刻，网络中所有节点都被强制切换到相同的信道上。在ATIM窗口内，有数据需要发送的节点使用控制消息和接收端协商信道。 图3 基于ATIM 时间窗口的多信道协商过程 图3 基于ATIM 时间窗口的多信道协商过程 信道协商过程如图3所示，4个节点构成链状拓扑，按照A-B-C-D顺序排列。节点A有分组要发送到节点B，节点D有分组要发送给节点C。当一个新的信标间隔开始，所有节点都切换到信道1，进去到ATIM窗口，A等待一个随机时延（避免冲突）后向B发送ATIM分组，ATIM分组中包含A的PCL（Preferable Channel List），这个表中记录了结点邻域内信道的使用情况。当结点B收到ATIM分组后，根据A的PCL和自己的PCL选择信道。在发送端和接收端通信范围内，被较少结点使用的信道将被优先选取。假设结点B选择了信道1，然后，结点B向结点A回复ATIM-ACK分组，分组中包含选择的信道，结点A向结点B发送ATIM-RES确认这次协商。根据ATIM-ACK和ATIMRES分组，结点A和结点B的邻居也就知道了结点A和结点B将使用信道1通信，并更新自己的PCL，便于将来根据这些信息为自己选择信道。当ATIM窗口结束，各结点切换到选择的信道上，在信标间隔余下的时间内进行通信。

2. 信道分配

信道分配技术主要用于多信道无线Mesh网络中多个信道的使用和管理，在保证网络良好连通性的同时，降低Mesh网络中发生信道冲突的概率，以提升网络效率。

与多信道协商技术不同的是，信道分配技术是从信道频率资源划分的角度，分配Mesh网络中多个信道的使用，比如为MP间的互连定义一组信道而为MAP和Mesh STA间的互连定义另一组信道。组划分是一种常用的无线Mesh网络信道分配方案，其将每个MP节点的所有邻居节点进行组划分，然后每个组进行信道的统一指定；每个组分配的信道则选择节点冲突邻域内使用次数最少的信道进行指定并保证组间的互连。

3. 网络发现

网络发现技术主要是用于Mesh网络中新节点和邻居节点的发现以及建立相应的信息列表。

网络发现主要是采用网络扫描和列表维护的方式进行，其中网络扫描是指无线Mesh网络中的MP节点通过主动发送或监听Beacon信号对其周围的邻居节点进行监听。

而列表维护则是把通过网络扫描发现的属于同一Mesh网络的邻居节点的信息加入列表中。如果发现的邻居节点是新节点，则其可以通过路由表被整个网络发现。

4. 路由转发

无线Mesh网络的很多技术特点和优势来自于其Mesh网状连接和寻路，而路由转发的设计则直接决定Mesh网络对其网状连接的利用效率，影响网络的性能。

在设计无线Mesh网络路由协议时要注意，

首先，不能仅根据“最小跳数”来进行路由选择，而要综合考虑多种性能度量指标，综合评估后进行路由选择；

其次，要提供网络容错性和健壮性支持，能够在无线链路失效时，迅速选择替代链路避免业务提供中断；

第三，要能够利用流量工程技术，在多条路径间进行负载均衡，尽量最大限度利用系统资源；

第四，要求能同时支持MP和Mesh STA。

常用的无线Mesh路由协议可参照Ad Hoc网络的路由协议，几种典型的路由协议包括：动态源路由协议（DSR）、目的序列距离矢量路由协议（DSDV）、临时按序路由算法（TORA）和Ad Hoc按需距离矢量路由协议（AODV）等。DSR是最常见的一种对等的基于拓扑的反应式自组织路由协议，它的特点是采用积极的缓存策略以及从源路由中提取拓扑信息，通过比对，实现路由创建。 [2]

5. Mesh 安全

Mesh网络特有的多跳自组织特性导致其特有的安全目标，例如Mesh节点间的双向认证；各跳端到端链路数据流量的机密性和完整性保护；Mesh节点的接入控制和管理。为了针对性解决这些安全问题，Mesh安全技术被提出。

Mesh安全关联（MSA，Mesh Security Association）则是一种常用的Mesh安全架构。在MSA安全架构中，密钥体系是其核心。一个MP只有通过身份认证后建立起一套密钥体系才被允许在网络中发起通信。

具体特点

  1. 节点互联互通：局域网中所有的节点都是连接在一起的，任意两个节点之间拥有多条连接通道，并且呈现出明显的去中心化态势。由包括一组呈网状分布的无线AP构成，AP均采用点对点方式通过无线中继链路互联，将传统WLAN中的无线“热点”扩展为真正大面积覆盖的无线“热区”。

  2. 自配置：无线Mesh网中AP具备自动配置和集中管理能力，简化了网络的管理维护。

  3. 自愈合：无线Mesh网中AP具备自动发现和冬天路由连接，消除单点故障对业务的影响，提供冗余路径。

  4. 高带宽：将传统WLAN的“热点”覆盖扩展为更大范围的“热区”覆盖，消除原有的WLAN随距离增加导致的带宽下降。另外，采用Mesh结构的系统，信号能够避开障碍物的干扰，使信号传送畅通无阻，消除盲区。

  5. 高利用率：高利用率是Mesh网络的另一个技术优势。在单跳网络中，一个固定的AP被多个设备共享使用，随着网络设备的增多，AP的通讯网络可用率会大大下降。而在Mesh网络中，由于每个节点都是AP，根本不会发生此类问题，一旦某个AP可用率下降，数据将会自动重新选择一个AP进行传输。

  6. 兼容性：Mesh采用标准的802.11b/g/n/ac制式，可广泛地兼容无线客户终端。

优点

  1. 快速部署和易于安装。安装Mesh节点非常简单，将设备从包装盒里取出来，接上电源就行了。用户可以很容易增加新的节点来扩大无线网路的覆盖范围和网路容量。Mesh的设计目标就是将有线设备和有线AP的数量降至最低，因此大大降低了总拥有成本和安装时间，仅这一点带来的成本节省就是非常可观的。
  2. 非视距传输（NLOS），利用无线Mesh技术可以很容易实现配置，因此在室外和办公场所有着广泛的应用前景。
  3. 健壮性，实现网路健壮性通常的方法是使用多路由传输数据。Mesh网路比单跳网路更加健壮，因为它不依赖于某一个单一节点的性能。在单跳网络中，如果某一节点出现故障，整个网路也就随之瘫痪。而在Mesh网路结构中，由于每个节点都有一条或几条传送数据的路径。如果最近的节点出现故障或者受到干扰，数据包将自动路由到备用路径继续进行传输，整个网路的运行不会受到影响。
  4. 结构灵活，在单跳网络中，设备必须共享AP。如果几个设备要同时访问网络，就可能产生通信拥塞并导致系统的运行速度降低。而在多跳网络中，设备可以通过不同的节点同时连接网络，因此不会导致系统性能的降低。Mesh网络还可提供更大的冗余机制和通信负载平衡功能。
  5. 高带宽，无线通信的物理特性决定了通信传输的距离越短就越容易获得高带宽，因为随着无线传输距离的增加，各种干扰和其他导致数据丢失的因素随之增加。因此选择经多个短跳来传输数据将是获得更高网络带宽的一种有效方法，而这正是Mesh网络的优势所在。
  6. 低功耗，在Mesh网络中，一个节点不仅能传送和接收信息，还能充当路由器对其附近节点转发信息，随着更多节点的相互连接和可能的路径数量的增加，总的带宽也大大增加。此外，因为每个短跳的传输距离短，传输数据所需要的功率也较小。既然多跳网络通常使用较低功率将数据传输到邻近的节点，节点之间的无线信号干扰也较小，网络的信道质量和信道利用效率大大提高，因而能够实现更高的网络容量。比如在高密度的城市网络环境中，Mesh网络能够减少使用无线网络的相邻用户的相互干扰，大大提高信道的利用效率。

缺点

  1. 延迟，由于每次转发都需要一定延迟，多次转发之后延迟较高，因此在视频监控的实时性要求较高的领域一般用winet等cofdm调制的无线mesh网络。
  2. 网络容量，由于mesh网络存在转发，每次转发之后速率都会降低，因此需要限制每个网络中节点的数量，所以mesh网络节点数量尽量不要太多，否则会影响业务质量。

总评

无线 Mesh 网络是一把双刃剑。无线mesh网络可以延伸无线局域网的基础设施到无法为一个接入点配备电缆的地方，但是这样做也付出了回程链路吞吐量下降的代价，对于连接到mesh网状无线网络接入点的客户端也一样。

蓝牙 Mesh Vs WiFi Mesh

蓝牙 Mesh 网络不仅有低功耗，还有低带宽的特色。这听起来好像是个缺点？其实不然。由于蓝牙 Mesh 网络不是用来让你发送影音数据，主要是用来传递维护连接或发送命令。也就是说蓝牙 Mesh 网络和 wifi适合不同的市场，也就不存在谁取代谁的说法。

参考

mesh —— 百度百科

无线mesh网络的特点_无线mesh网络的优缺点