Идеальный WiFi повсюду: Mesh-сети обеспечивают быстроту WLAN-связи. Технология беспроводной интеллектуальной сети SmartMesh Муниципальная ячеистая структура

Ячеистая сеть представляет собой сеть взаимосвязанных маршрутизаторов, называемых узлами, или точек. Эти узлы работают друг с другом, чтобы обеспечить покрытие интернета на широкой территории, что не может обеспечить традиционная домашняя сеть.

В обычной домашней сети есть один маршрутизатор, обеспечивающий сетевое / интернет-покрытие, насколько это возможно, через стены, дверь, вверх по лестнице и т.д. Ячеистая сеть состоит из нескольких маршрутизаторов, каждая из которых обеспечивает покрытие, но все еще одна сеть, поскольку каждая из них также взаимодействует с другими соседними узлами.

Результатом является единая сеть, которая имеет гораздо лучший охват, чем может обеспечить один маршрутизатор. Ячеистая сеть может доставлять доступ в Интернет в любом месте, куда могут добраться узлы, например, через трехэтажный дом или даже через несколько городских кварталов.

Типы ячеистых сетей

Домашняя сетчатая сеть — это не единственный тип сети, который может быть настроен в топологии сетки. Некоторые беспроводные сетчатые сети соединяют больше, чем просто устройства в вашем доме, а другие полностью подключены.

Беспроводная сеть с сеткой наиболее применима к среднему потребителю. Существует несколько типов:

Ad-hoc Mesh Networks

Сети «на лету» ad-hoc часто создаются как способ взаимодействия устройств друг с другом, когда нет существующей инфраструктуры.

FireChat — один из примеров мобильного приложения, которое использует Bluetooth, чтобы пользователи могли общаться друг с другом без доступа в Интернет, путем передачи данных через соседние устройства для доступа к другим пользователям.

Некоторые интеллектуальные домашние продукты, такие как SmartThings от Samsung, могут взаимодействовать с другими компонентами всей системы (например, датчиками и сигнализациями) для выполнения определенных задач без необходимости связываться с основным центром.

Домашние Mesh сети

Mesh сеть, предназначенная для домашних пользователей, обеспечивает Wi-Fi во всем доме или небольшом офисе с использованием нескольких маршрутизаторов. Существует несколько сетевых сетевых систем, таких как Google Wi-Fi и Orbi от NETGEAR.

Муниципальные сети

Сообщества или муниципальные ячеистые сети очень похожи на те, что созданы в домах, за исключением того, что вместо того, чтобы содержать сеть внутри одного здания, она охватывает весь район или город для подключения больших площадей.

FabFi — один из примеров сетевой сети в масштабе города.

Как работает сеть Wi-Fi Mesh

Вы можете думать о сетке домашних сетей как цепочке ссылок. Каждая ссылка (узел ячеистой сети) подключается к остальным, так что целая сеть может достигать дальнего расстояния — намного дальше, чем любая одна линия (узел) может достигать — все же они все еще привязаны друг к другу независимо от того, сколько их там.

Итак, чтобы превратить ваш стандартный Wi-Fi в ячеистую сеть, вам нужна настройка, которая включает в себя несколько узлов. То, как он работает, — это подключение основного узла к вашему модему, как обычный маршрутизатор, а затем подключение другого узла к первому.

Оттуда вы можете подключить третий или четвертый узел или даже больше, чтобы каждый узел мог взаимодействовать с другими соседними узлами, чтобы обеспечить Wi-Fi дальше и дальше от основного, где находится ваш модем.

Ячеистые системы сети созданы специально для этой цели создания сети маршрутизаторов. Устройства работают в тандеме по умолчанию, поэтому вам не нужны какие-либо специальные знания о том, как настроить маршрутизаторы, чтобы заставить их работать таким образом.

В качестве примера рассмотрим домашнюю сеть, в которой соединение с интернет-провайдером входит в комнату подвала. Линия, идущая от интернет-провайдера, подключается к модему, и один узел из сетчатой системы подключается к модему. Другой узел можно подключить в нескольких комнатах, чтобы растянуть сигнал Wi-Fi через эти две комнаты.

Еще один узел может быть установлен наверху, в пределах досягаемости любого из двух других, так что, как только он будет подключен и работает правильно, полный сигнал может быть достигнут наверх, даже если маршрутизатор находится в подвале.

Домашняя Mesh сеть: плюсы и минусы

Есть и преимущества, и недостатки сетчатой сети. Короче говоря, если нуждаетесь в Wi-Fi для покрытия всего вашего дома, то ячеистая сеть — хорошая идея.

Плюсы:

Нацелена на любую комнату с сильным Wi-Fi для решения сбросов Wi-Fi-соединения
Обеспечивает доступ в Интернет в областях, которые не имеют Ethernet- соединений или слишком далеко от основного маршрутизатора
Если узел завершает работу или блокируется помехой, сеть будет оставаться активной, пока функционирует другой соседний узел
Все, что работает в локальной сети, может работать более плавно, потому что узлы могут взаимодействовать друг с другом, а не общаться с центральным маршрутизатором
Установка и управление большинством ячеистых сетей очень проста, потому что они контролируются мобильным приложением для мобильных устройств
Расширение сети ячеек с большим количеством узлов так же просто, как подключение узлов к розетке и обновление приложения
Установка может стоить меньше, чем традиционная сеть, если вы считаете, что простота добавления узлов и тот факт, что требуется очень небольшая установка (вам не нужно запускать какие-либо сетевые кабели)
Большинство узлов сетки являются маленькими и гладкими и не имеют внешних антенн

Минусы:

Сетевая mesh система обычно стоит больше, чем традиционный маршрутизатор
Множество узлов должны располагаться по всему дому
Настройка ячеистой сети, вероятно, больше, чем вам нужно, если ваш дом составляет менее 1500 квадратных футов

Итак, следует ли использовать сеть Mesh?

Есть несколько вопросов, которые вы можете задать себе, чтобы решить, следует ли вам использовать сетевые сети:

Вы пытались улучшить существующий сигнал Wi-Fi?

Может возникнуть соблазн перейти прямо в ячеистую сеть, учитывая ее удивительные преимущества и простоту использования, но вам может даже не понадобиться что-то такое, если ваша существующая сеть может быть улучшена с минимальными затратами.

Например, если вы можете переместить свой маршрутизатор в место в середине вашего дома, это, вероятно, обеспечит лучший Wi-Fi во всех комнатах. Если ваш маршрутизатор устарел, вы можете купить новый. Вы даже можете обновить свои антенны, если считаете, что это может помочь.

Ваш дом достаточно велик, чтобы иметь сетчатую сеть?

Дома с несколькими комнатами, и особенно дома с несколькими этажами, лучше всего используют сетчатую сеть. Стратегически размещенные узлы могут заполнять все необходимое пространство с помощью покрытия Wi-Fi, чтобы вы никогда не выходили за пределы диапазона от маршрутизатора.

Тем не менее, любой человек, живущий в однокомнатной квартире или доме с двумя спальнями, может, вероятно, обойтись обычным маршрутизатором.

Что-то блокирует ваше Wi-Fi соединение?

Помехи Wi-Fi — это большое дело. Если у вас есть бетонные стены, несколько крупных электроники или другие крупные объекты, которые блокируют беспроводные сигналы, Mesh является одним из решений, так как вы можете поместить узлы в любом месте, где захотите обойти эти препятствия.

Вы много знаете о создании сети?

Еще один способ сказать, является ли сетка сетью тем, чем вы занимаетесь, если вы не очень разбираетесь в технологиях. Настройка сети Wi-Fi очень проста. Например, с помощью Google Wifi все, что вам нужно сделать, — это проверить QR-код в нижней части каждого узла, чтобы связать их и начать работу в сети.

Для создания сетчатой сети не требуется всего несколько минут. Фактически, большая часть времени установки включает в себя решение, где разместить узлы.

Ячеистые сети - это распределенная система передачи данных. Все узлы в этой сети соединяются, обмениваются сигналами и совместно усиливают его, не используя центральный сервер. Узлом в этом случае становится любое устройство, которое одновременно может получать и передавать данные, - например мобильный телефон.

Ячеистые сети существуют давно: например, в 1980-е годы они использовались в военных целях - для налаживания связи между бойцами, которые находятся друг от друга на большом расстоянии. На рынок эти сети вышли в 1990-е, но не пользовались популярностью из-за примитивности технологии, которая позволяет делиться данными напрямую. Однако после того как стартап Eero представил свою ячеистую технологию в 2015 году, похожие системы покупателям предложили и крупные компании - Google и D-Link.

Как это работает?

Представьте множество устройств, которые связаны между собой беспроводной связью, - все они взаимодействуют друг с другом для приема и передачи данных. К примеру, если это сотовый телефон, то при подключении он становится и роутером. При этом каждый новый пользователь расширяет зону покрытия сети.

Остальное проще объяснить на примере: после урагана Сэнди, когда интернет был недоступен, людям помогала обмениваться сообщениями ячеистая сеть - они подключались к ней с помощью Bluetooth. Протестующие использовали ячеистую сеть в Гонконге с помощью приложения FireChat; узлами в этом случае выступали телефоны, которые образовывали сеть из равноправных участников. Сотовые операторы или провайдеры не могут отключить ее. Даже если отобрать у активистов часть телефонов, то оставшиеся устройства все равно смогут передавать друг другу информацию и сигнал. Но это выход не в глобальный интернет, а прототип мини-интернета между этими устройствами.

Погодите, то есть в «Фейсбук» с помощью этой технологии не зайти?

Позволяет, просто это другой виток развития ячеистых сетей. Если хотя бы одно устройство в ней имеет доступ к «большому интернету», то ее получат и другие участники сети. Если упростить, это несколько передатчиков, которые связаны между собой и Wi-Fi роутером с измененной технологией. Все эти устройства равномерно распределяют интернет по территории, на которой они располагаются, - например по большому дому или даже городу.

Например, в Нью-Йорке существует сеть NYC Mesh, которая устанавливает на крыше большие антенны для раздачи интернета, которые подключаются к роутерам жителей этих домов. Сеть живет на добровольные пожертвования.

В чем отличие от обычного доступа к интернету?

Представьте, что вам нужно отправить электронное письмо. Для этого вам нужен компьютер, ноутбук или телефон, который подключен к проводному или беспроводному интернету, чтобы запросить доступ в интернет у локального оператора. После этого устройство присоединяется к центральному хабу - точке Wi-Fi, сетевому коммутатору или сотовой станции.

Но в некоторых случаях такое средство общения неудобно. Представим, что вам нужно отправить один файл ста людям. Ваш файл должен пройти через длинный путь нескольких хабов, пока он не достигнет сервера электронной почты. Чтобы получить его, людям нужно сто раз загрузить этот файл к себе с помощью подключения к интернету. Чтобы упростить этот процесс, появились ячеистые сети, где обмен информацией происходит между устройствами напрямую, без центрального хаба.

И для чего это нужно?

Ячеистые сети называют следующим шагом в развитии беспроводных сетей, потому что они решают проблему «мертвых зон» в больших помещениях, - интернет будет распределен по всему помещению равномерно. Обычно небольшая сеть состоит из двух или трех узлов и роутера, который обеспечивает соединение с интернетом. К этой сети вы можете добавить еще несколько узлов, если они требуются, их количество не ограничено. Активисты свободного доступа к интернету стараются популяризировать идею бесплатной сети во всем мире - причем чем больше людей в этом будет участвовать, тем быстрее это произойдет.

Стоит ли покупать домой ячеистую сеть?

Зависит от того, что вам нужно. В случае, если вы хотите использовать ее дома для получения более стабильного сигнала, даже производители советуют устанавливать такую систему в помещениях, если они больше 230 квадратных метров. Они также могут пригодиться в домах, которые построены из кирпича, со стенами из гипса или другого материала, который блокирует сигнал Wi-Fi. В других случаях хороший Wi-Fi роутер, который будет правильно установлен в помещении - в центре, далеко от стен, - сможет справиться с нагрузками.

Большое пространство - не единственный критерий. Ячеистые сети стали актуальны и из-за количества устройств, которые требуют подключения к интернету, - если вы пользуетесь умной камерой на двери, то сигнал вашего роутера может до него попросту не дотянуться. Особенно если в другой комнате у вас стоит Alexa, а на кухне - умный чайник.

А минусы у него есть?

Да. В первую очередь, если вы подключены не к роутеру, а к более мелким узлам - скорость интернета будет ниже. Например, ваш роутер стоит в гостиной, а в спальне и коридоре - узлы. Если вы будете смотреть видео в спальне, то скорость замедлится, потому что роутер будет передавать данные сначала узлу, а он, в свою очередь - на ваш ноутбук. Во-вторых, ячеистая система для дома стоит дорого.

Я решил, что мне нужна такая сеть, к чему стоит присмотреться?

Если стоимость не отпугивает вас, то присмотритесь к крупным производителям. Например, первая компания, которая занялась продажей ячеистых сетей для дома, - Eero - предлагает роутер и два узла за $300. Примерно такое же количество устройств, с чуть измененными параметрами, от Google Wifi стоят $179, а у Linksys такую систему можно купить за $300. Перед покупкой лучше поискать рецензии СМИ, зачастую зарубежные издания тестировали их у себя в редакциях.

Удалось ли построить какую-то большую ячеистую сеть?

Да, одна из самых больших крупных сетей - Guifi - сейчас находится в Каталонии и Валенсии, состоит из 33 тыс. узлов. Она появилась еще в начале нулевых, когда местные жители устали ждать появления в регионе нормального интернет-провайдера. Они настроили несколько роутерев, договорились с администрацией и установили оборудование в стратегических точках города. Сеть стартовала с одной Wi-Fi ячейки и расширялась постепенно. Сейчас Guifi развивается на общественных началах и подключение к ней доступно совершенно бесплатно через мобильную сеть. Другой пример - похожий проект AWMN в Греции, где сеть появилась в 2003 году, его цель также была в том, чтобы выстроить большую сеть. К тому времени, как услуги по широкополосному подключению перестали быть редкостью в Афинах, успел добраться до более удаленных регионов Греции и даже соединиться с узлом в Словении.

Что такое mesh сеть (ячеистая сеть)? Для лучшего понимания можно представить конструкцию из набора взаимосвязанных маршрутизаторов, составляющих сетевые узлы (точки). Этими сетевыми узлами обеспечивается взаимная связь с целью обеспечения покрытия сигналом Интернет более обширной территории, нежели только в границах одного частного дома. Ячеистая сеть характерна тем, что обеспечивает доступ к сети Интернет практически в любой точке зоны покрытия узлов. К примеру, по всей площади многоэтажного дома или на территории, охватывающей несколько городских кварталов.

Типичная конфигурация, предоставляющая услуги для самых разных пользователей: 1 – Интернет; 2 – Базовая станция; 3 – Беспроводная сенсорная конструкция; 4 – Поисково-спасательный робот; 5 – Беспроводная «Ad-Hoc»; 6 – Конструкция Wi-Fi; 7 – Беспроводная домашняя mesh

Некоторые интеллектуальные домашние продукты, подобные «SmartThings» от Samsung, способны взаимодействовать с другими компонентами всей mesh системы (датчиками, сигнализациями и др.). Всё это используется для выполнения определенных задач без необходимости установки связи с основным центром.

Домашняя ячеистая структура

Mesh сеть, предназначенная для домашних пользователей, обеспечивает устойчивой связью по с охватом всей жилой площади домашней постройки или небольшого офиса.

Для обеспечения полного сетевого покрытия в составе сети, как правило, используются нескольких маршрутизаторов. Существует рядпроверенных профессиональных mesh систем, таких как «Google Wi-Fi» или «Orbi» от NETGEAR.

Муниципальная ячеистая структура

Сообщества (муниципальные mesh сети) сильно напоминают структуры, которые создаются под устройство связи в обычных бытовых условиях (домашняя сеть). Исключения здесь отмечаются только в одном.

Вместо устройства, призванного охватить площадь внутри одного здания, муниципальная ячеистая структура охватывает городской район или полностью город. Продукт «FabFi» — показательный пример устройства ячеистой (mesh) сети, действующей в масштабах города.

Как работает mesh сеть Wi-Fi

Условно домашнюю ячеистую сеть можно представить как цепочку ссылок. Каждая ссылка (узел mesh) открывает подключение к другим ссылкам. Очевидно – созданная таким образом цепочка (сеть) способна покрывать дальние расстояния. Значительно более дальние, чем любая единичная ссылка (узел).

Обеспечивается дальность привязкой узлов друг к другу независимо от того, какое количество узлов присутствуют. Для того чтобы трансформировать стандартный Wi-Fi в mesh сеть, необходима соответствующая настройка. Благодаря выполненной настройке, устанавливается конфигурация под несколько узлов связи.

Опираясь на созданную конфигурацию, организуют основной узел на базе модема — устройства коммутации сети, которому отводится роль обычного маршрутизатора. Далее осуществляется подключение дополнительного узла непосредственно к первому узлу.

Новые разработки миниатюрных маршрутизаторов обещают сделать ячеистые сети ещё более универсальными в плане возможного применения на благо социума

Аналогичным образом подключается третий, четвертый и т.д. узел, взаимодействующий с другими соседними узлами, чтобы обеспечить сервис Wi-Fi как можно дальше от основного узла, где находится модем.

Mesh сетевые системы созданы специально под цели организации трафика маршрутизаторов. Устройства работают в тандеме по умолчанию. Поэтому пользователю нет необходимости владеть какими-то специальными знаниями относительно настройки.

В качестве примера рассмотрим домашний вариант, где соединение провайдера сети Интернет заведено в помещение подвала. Линия интернет-провайдера подключается к модему, как и один из узлов mesh системы. Другие узлы подключаются в разных комнатах дома, тем самым усиливая сигнал Wi-Fi для уверенного прохождения по всей площади строения.

Плюсы и минусы домашней mesh сети

Рост популярности интеллектуальных домашних устройств и бесчисленных потоковых медиа-сервисов, таких как Hulu, Netflix и Spotify, обеспечит покрытие Wi-Fi в любом месте

Очевидный момент — если устанавливаются несколько узлов в составе жилого дома, каждая из рабочих точек способна функционировать на полной скорости. Другими словами, когда интернет-провайдер предоставляет трафик на скорости 30 Мбит/с, и в доме задействованы три рабочих точки, все три точки допускают работу на той же скорости — 30 Мбит/с.

Однако такая работа не поддерживается mesh конфигурацией. Все три ячейки (на примере выше) в случае использования на максимальной мощности, равномерно разделят 30 Мбит/с, выделенные на домашнее потребление. То есть реально на каждую отдельно взятую ячейку придётся по 10 Мбит/с.

Полоса пропускания, установленная для домашнего варианта, поддерживает определённую скорость независимо от особенностей работы локальной сети. Пользователь может иметь один маршрутизатор, ячеистую сеть, допустим, состоящую из 4 или 15 ячеек, на которые распространяется поддерживаемая пропускная способность.

Сколько сетевого инженера ни корми (обещаниями про дальность линка и количества абонентов на точку), а он все равно на Mesh смотрит. Если мы не говорим о музыкальной группе или строительных сетках, то Википедия отправит нас на страницу "Ячеистая топология" . И вроде бы все правильно, но Mesh - это больше, чем просто сетевая топология. Это большой пул технологий и, скорее всего, философия. После того как погружаешься в тему и проникаешься подобными идеями, обратного пути уже нет и смотреть на мир по-старому не получается. После цикла статей у вас вряд ли сохранится привычный стиль мышления и решения возникающих задач. Так что, если по новому законодательству вы планируете в ближайшие месяцы выйти на пенсию и провести остаток дней на любимой даче, то дальше эту статью можно не читать. Но если вы еще полны сил открывать для себя что-то новое - милости прошу ознакомиться со статьей в Википедии, а затем окунуться в этот омут цикл.

Итак. Давайте определимся, что мы будем понимать под термином Mesh:

1. Ячеистая топология.
Это обязательный пункт. Если кто-то вам пытается втирать про "главный роутер" или "дерево маршрутов", то смело отправляйте этого человека почитать цикл статей, и помните, что он - мошенник. Никаких деревьев или "главных" маршрутизаторов в Mesh-сетях быть не может. Это всегда плоская сеть и всегда одноранговая. Возможны случаи, когда поверх одной Mesh-сети построена другая, но это сложно для восприятия в самом начале и будет раскрыто в следующих статьях.

2. Наличие алгоритмов управления трафиком (выбор пути).
Не менее важный пункт. Его отсутствие означает, что перед вами простой повторитель или даже несколько повторителей, которые не способны оптимально передавать трафик и являются пережитком прошлого.

3. Возможность перестроения топологии сети в любой момент с сохранением связности.
По сути, вытекает из второго пункта. В любой момент кто-то может покинуть сеть или переместиться в другое место. Сеть обязана незамедлительно продолжить работу. Можно назвать это "автовосстановление", что будет не совсем корректно, так как этот пункт еще и про динамические сети. То есть, представьте, что все маршрутизаторы постоянно находятся в хаотичном движении, а трафик передавать надо. Пограничное состояние и частный случай, но именно он сразу про Mesh, автовосстановление, перестроение топологии и вот это вот все.

В следующих статьях мы с вами обязательно затронем тему full mesh VPN, оверлейных сетей и алгоритмов маршрутизации, а пока раскроем основы основ и сконцентрируемся именно на беспроводных сетях.
Итак… Неразрывно с термином Mesh всегда идет довесок с пачкой других терминов, без которых сложно отделить мух от котлет и пояснить хоть что-то, так что место им в самом начале.

Нода/Узел (Node) - равноправный участник сети. Обычно представляет собой роутер.
Путь/Маршрут (Path/Route) - цепочка промежуточных нод, необходимых для передачи пакета в данный момент. Разные варианты могут применяться в зависимости от алгоритма по которому осуществляется передача трафика.
Шлюз (Gateway) - пограничный маршрутизатор, через который ноды могут соединиться с другими сетями.

В большинстве случаев трафик всегда идет от ноды по некоторому пути до шлюза, либо от шлюза до этой же самой ноды, также по некоторому пути. Бывает и такое, что ноды обмениваются трафиком внутри сети. С точки зрения построения пути/маршрута, это должна быть абсолютно аналогичная операция по которой строится этот же самый маршрут до шлюза (помните что я говорил про дерево).

Давайте уже перейдем к примерам.

На сегодняшний день самым распиаренным проектом и, пожалуй, самой крупной Mesh-сетью является Guifi . Территориально сеть располагается в Каталонии и по состоянию на 2018 год даже имеет собственный AS. Около тридцати тысяч нод задействовано ежесекундно для передачи пользовательского трафика. Только вдумайтесь в эти цифры… А когда-то давно все начиналось с одного роутера для того, чтобы прокинуть интернет в зону, куда ни один провайдер его тянуть не решался. Потом соседям, друзьям, и т.п. Так образовалось одно из самых мощных сообществ.
Не менее круты ребята из Freifunk , немецкого сообщества, занимающегося тем же самым. Это сообщество является примером того, как Mesh перерастает в философию. Они провозглашают одними из своих главных принципов свободу доступа к информации и коммуникации. Фактически, группа энтузиастов активно развивают СПО и даже делают коммиты в ядро Linux, попутно строя беспроводные Mesh сети в Германии.
Но есть и коммерческие проекты, такие как Village Telco . У них смешная реклама на ютубе, посмотрите обязательно. Фактически, они не просто разворачивают сети, но и предоставляют сервис IP-телефонии. Все началось с исследования, показавшего, что наибольшее количество звонков совершается жителями деревень друг другу. Оно же показало, что во многих деревнях связь очень плохая, а местами ее просто нет. Поскольку установка базовых станций по всем правилам была не по карману этому стартапу, они решили проблему элегантно - взяли за основу Wi-Fi. Компания существует и сейчас, продолжая свое благое дело.
Был еще когда-то African WUG (Wireless User Group) и проект OLPC (One Laptop per Child).

Все эти сообщества и проекты можно объединить по одному критерию - "Построение Mesh-сетей в местах с малоразвитой или отсутствующей инфраструктурой ". Именно для этого Mesh-сети подходят лучше всего. Удаленые от райцентра поселки, пустынная местность или деревня в горах. Используя Mesh, можно не только обеспечивать такие места связью и доступом в интернет, но еще и зарабатывать на этом.

Вторым распространенным сценарием применения является "Массовый доступ в интернет для жителей города ". В Европе много исторических центров и туристических мест, где оптику тянуть просто невозможно, потому что никто на это разрешения не даст, а пару веков назад строительство кабельной канализации еще не было таким очевидным требованием. Приходится выкручиваться и снова для решения такой задачи идеально вписываются Mesh-сети.

В Барселоне сейчас практически на каждом фонарном столбе можно встретить Wi-Fi-хотспот, предоставляющий доступ в интернет туристам. В студенческом городке MIT с 2006 года существует похожая сеть (ее еще называют "Roofnet"). Фактически, это все о случае, когда вокруг на расстоянии от нескольких сотен метров до километра есть точка выхода в интернет, но в силу обстоятельств покрыть район связью не получается. Это могут быть огромные склады, где для нужд автоматизации требуется покрытие Wi-Fi на всей площади, либо парки отдыха, где есть только деревья и фонари освещения.

Просто представьте, люди 21 века останавливаются в уютных апартаментах, выходят на утреннюю пробежку, надевают наушники с любимой музыкой и обнаруживают, что в парке возле гостиницы их любимый стриминговый сервис не работает, потому что интернет пропал! В итоге, гостиница получает кучу негативных отзывов, бизнес страдает. И вроде бы расширить зону покрытия Wi-Fi надо, а тянуть провода нельзя, иначе вид парка испортится и это будет еще одна волна негативных отзывов. Попробуйте угадать, при помощи какой технологии можно решить данную проблему быстро и эффективно? Думаю, вы меня поняли.

Еще одним немаловажным сценарием является "Поддержание связности между движущимися объектами ". Как бы так попроще объяснить… Помните проект Google Loon? В котором воздушные шары летали и раздавали интернет? У меня для вас новости. Они еще и организовывались в Mesh-сеть. Я серьезно, вот патент . Фактически, такая Mesh-сеть между шарами использовалась как Backbone для базовых станций LTE. Этакий симбиоз, но дело не в этом. Воздушные шары - штука непредсказуемая, которая может изменить свое положение в пространстве в любое время. Топология подобной сети изменяется постоянно, ноды могут прилетать и улетать в прямом смысле.

Поддерживать связность в таком режиме под силу только Mesh-алгоритмам маршрутизации.

Аналогичные решения востребованы на промышленных площадках с большим количеством перемещающейся техники (погрузчики на складах, самосвалы в карьерах, группы беспилотников или транспортных средств в одну колонну, так называемое "караванное движение").

Про транспорт, кстати, стоит раскрыть подробнее.

В современном мире все стремится к автоматизации и месту под солнцем в "интернете вещей", и автомобили не стали исключением. Слышали про V2V или V2X? Технологии для умных автомобилей, позволяющие им связываться друг с другом или с чем угодно еще, принимать на основе полученной информации решения и действовать коллективно. По сути, роевой интеллект. Вот это тоже про Mesh, даже стандарт есть - 802.11p . Да, снова на базе Wi-Fi. И это прекрасно, так как можно строить решения на Commodity hardware и сразу с порога снизить стоимость конечного продукта. Поддержку в Linux завезли много лет назад под именем OCB .

Казалось бы, бери и делай, но бурного роста, Mesh не снискал ни по одному из направлений.
Почему же так получилось? Ответ прост и состоит из нескольких пунктов:

1.Низкие канальные скорости.

В двухтысячные годы максимум, что можно было реально получить - это 300 Мбит/с в диапазоне 5 ГГц. Для OCB и того меньше, в два или четыре раза. Реальные скорости при таких битрейтах даже по тем временам никого не впечатляли. Потому все как-то заглохло и было отложено в ящик до лучших времен.

2. Отсутствие структурированных обучающих материалов.
В то время Mesh являлся, по большей части, уделом энтузиастов как в лице пользователей, так и в лице компаний, пытающихся развивать эту технологию. Порог входа оказался выше, чем для традиционных сетей, что и привело к низкой популярности Mesh.

Сегодня ситуация изменилась. 802.11ac позволяет добиться 1.7 Гбит/с канальной скорости на существующем оборудовании. Уже на подходе массовые роутеры с поддержкой 802.11ax. Появились стандарты 802.11ad на 60 ГГц и канальную скорость 4 Гбит/с. Вот уже почти вышел 802.11ay с реальными канальными скоростями 44-176 Гбит/с, а MU-MIMO так и просится в Mesh. Другими словами, набралась критическая масса технологий и пропускная способность вышла на необходимый уровень только сейчас. Остается, правда, второй пункт - про обучающие материалы. И если я мало могу сделать по части стандартов беспроводной связи, то рассказать и объяснить попробую. Глядишь, что-то и получится.

Вычисление емкости и пропускной способности

Для того чтобы понять как проектируются Mesh-сети, нужно забыть на первое время методы проектирования стандартных сетей Точка-Многоточка. Да, это важно. Просто представьте, что в голове у вас только знания о распространении радиосигнала, примерное понимание того, как работает Wi-Fi и математика с логикой...
Также, сразу определимся в одном: эта статья - про технологии, а не про регуляторику в РФ и других странах. Сценарии специально, считайте искусственно, упрощены и даже искажены лишь для того, чтобы было понятнее.

Итак, условия равные. Все устройства - 802.11ac, (MU-)MIMO 2x2, ширина канала 80 МГц.

Основные отличия от привычного сектора - тут скорость не падает, она делится.

Для того, чтобы лучше понять, представьте себе пожарных, которые передают ведро с водой по цепочке (ВОТ). Точно так же передается пакет в Mesh-сетях. Отличие состоит в том, что пожарный может передать ведро и тут же взять еще одно, но в радио ситуация другая. Пока один роутер вещает в эфир, его слышат несколько соседей и не могут в этот момент ничего передавать.

Связано это с несколькими факторами. Во-первых, есть такая вещь как CCA и она не позволяет посылать что-либо в эфир, пока уровень сигнала не упадет до приемлемого. Во-вторых, даже если выключить CCA, то механизм RTS/CTS (Request to Send / Clear to Send) будет работать именно так как на картинке выше, не позволяя роутеру передать кадр, если он услышал CTS-подтверждение от соседа. Так как антенны обычно всенаправленные, то подобная схема деления пропускной способности распространяется на 360 градусов.

То есть, представьте, что у пожарных ведро не классическое конусное, а тяжелое и с длинным горизонтальным шестом, который одновременно вынуждены держать три человека. Первый передал второму, второй третьему, третий начал передавать четвертому, но второй все еще не может отпустить шест и первый вынужден его ждать. Передать следующее ведро он сможет только тогда, когда четвертый гарантированно передаст ведро пятому и у второго руки точно будут свободны. Просто прокрутите в голове эту ситуацию несколько раз.

Можно улучшить ситуацию добавлением еще одного радиомодуля. В таком случае пропускная способность вырастет, так как устройство получит возможность одновременной передачи/приема сразу двух кадров. Чуть более лучшим подходом считается передавать кадр не через тот радиоинтерфейс с которого он был получен, то есть, чередовать. Это позволяет оптимизировать прохождение и максимально отдалить в пространстве next-hop в рамках одного и того же беспроводного канала.

Еще один способ увеличения пропускной способности - это занижение мощности. Если применять эту технику, то за счет нелинейности затухания сигнала в открытом пространстве можно добиться снижения зоны видимости, избежав тем самым еще одной итерации деления пропускной способности в два раза.
То есть, представим, что пожарные все так же передают ведро, но теперь шест стал короче и держат его одновременно только два человека. И вот, первый передал второму, ждет пока второй передал третьему, третий - четвертому, и можно снова передавать ведро, так как у второго руки свободны.

Иногда получается воспользоваться ландшафтом и распределить точки таким образом, что у каждой ноды (узла) будет связь только с двумя соседями. Получается, что мы убираем еще одну итерацию деления и все становится совсем хорошо, но не идеально.

Тут нужно оговориться, что он частный и в реальности подобное бывает редко. Обычно есть некоторые участки в зданиях или на местности, где получается организовать сеть таким образом в пределах двух-трех хопов. Пример с домами искусственный и предназначен для демонстрации, как уже было отмечено выше.

Чем больше различных техник мы применяем - тем больший выигрыш в итоге получим. Помимо занижения мощности и чередования интерфейсов, есть и другие. Например, если мы установим исключительно Wave2 роутеры с MIMO 2x2 и включим MU-MIMO, то в некоторых случаях пропускная способность может увеличиться. Это сильно зависит от характера трафика и конфигурации самой сети, но именно в Mesh такие технологии как MU-MIMO работают с наибольшей эффективностью.

Практика

А теперь давайте посмотрим как прикинуть по-быстрому параметры беспроводной сети и сравним Сектор VS Mesh.

Да, вспоминать свои наработки по секторам уже можно.
Итак, основное отличие в том, то Mesh прекрасно работает там, где классические секторные решения просто не будут работать. Например, плотная застройка таунхаусами/коттеджами с большим количеством деревьев. Юстировать CPE сквозь листву - то еще удовольствие. А Mesh наоборот будет чувствовать себя хорошо, так как листва и дома подавляют сигнал от следующих за next-hop роутеров.
Второе главное отличие - масштабируемость. Если в классическом секторе уже присутствуют 30-40 абонентов, то добавление еще пяти ощутят на себе все без исключения. Увеличится средняя задержка и сильно упадет емкость, особенно если это плохой абонент с хреновым показателем LOS. Точные цифры зависят от того как работает TDMA/Polling и какой слот выделяется на абонента. Если слот около 10 мс и сектор постоянно загружен, то я бы поставил на 20-30 мс увеличение средней задержки.
Инфинет предлагает считать по формуле:

(C*2.5*F)/S ,где:

C - количество подключенных абонентских устройств (CPE),
F - размер фрейма, в миллисекундах,
S - используемое количество субслотов.

На 40 клиентах и полной нагрузке, это около 400 мс задержки. TDMA, чтоб его. В этом главный минус централизованного подхода с установкой БС - весь сектор делит одно и то же эфирное время.

Для Mesh показатель будет разный в разных участках сети. Те станции, что ближе к шлюзу, будут иметь наименьшую задержку, а самые дальние - максимальную.
Считать я предлагаю по такой же формуле:

(C*2.5*F) ,где:

C - количество Mesh роутеров в цепочке,
F - размер фрейма, в миллисекундах.

Если бы наш Mesh представлял из себя длинную вязанку из роутеров (частный случай), то в худшем варианте результаты расчетов максимальной задержки были бы точно такими же. Правда, с одной оговоркой - "только для крайних устройств". В середине это были бы, соответственно, 200 мс, а ближе к шлюзу у нас жили бы самые счастливые абоненты с задержкой около 10 мс.
Тут стоит учесть, что из-за относительно близкого расположения устройств, битрейт будет выше, чем в секторе примерно в два-три раза. А это значит, что время передачи одного фрейма снизится на эту величину и задержка также пропорционально уменьшится.

Если еще ближе подойти к реальности, то сеть имеет ячеистую топологию (ну, Mesh же) и количество роутеров в цепочке будет примерно равняться (A/N), где:

A - общее количество роутеров,
N - среднее количество соседей.

Обычно N равняется 8 и по формуле получится примерно 50-75 мс максимальной задержки, 25 мс средней и около 5-10 мс на границе сети рядом со шлюзом.

А что получится при добавлении еще пяти абонентов?

Для этого предстоит ответить еще на один вопрос - "а в какую часть сети мы этих абонентов добавляем?". Если это самая дальняя от шлюза сторона, то остальная сеть ничего не заметит, так как для них количество роутеров в цепочке не изменилось. Если в середину, то это около 5 мс дополнительной задержки для дальней (от шлюза) половины сети. Как ни крути, а в данном случае влияние на задержку меньше примерно в десять раз. Почему так получается - ответ лежит на поверхности. Роутеры делят между собой только эфирное время соседей. Пока на дальнем конце кто-то передает свой кадр, в другой части сети происходит то же самое. Отсюда и выигрыш.

С пропускной способностью все чуть сложнее, но суть примерно та же. Я предлагаю считать емкость по такой формуле:

(B/A/K) , где:

B - средневзвешенный битрейт. Пусть в нашем случае он будет равным 300 Мбит/с,
A - количество CPE,
K - эмпирический коэффициент издержек при использования эфира, равный 2.

Для 40 абонентов получится среднее значение 3,75 Мбит/c. Если мы добавим пять дальних абонентов с не самым высоким битрейтом, то средний уменьшается, скажем до 280 Мбит/с. Получается уже среднее значение в 3,1 Мбит/с на каждый CPE.

Это при условии, что мы пытаемся выровнять трафик между всеми абонентами. В реальности будет большой дисбаланс между ближайшими к БС устройствами и отдаленными/с нарушением LOS.

В Mesh-сети, как я уже писал ранее, у нас вновь будет неравномерность между ближайшими к шлюзу устройствами (первый-второй-третий хопы) и теми кто подальше. Картину сильно улучшают высокие, по сравнению с сектором, битрейты устройств. В нашей лаборатории это примерно 500-600 Мбит/c. Пропускную способность будем считать исходя из того же эмпирического коэффициента накладных расходов, равного 2. Графически это можно представить вот так:

Самые дальние абоненты получаются самыми дорогими. Ради доставки кадра придется "отнимать" эфирное время у других по несколько раз хоп за хопом.

Если отдать все на откуп великому рандому, то ближайшие к шлюзу устройства будут захватывать ресурсы быстрее и доминировать над провинцией (прямо как в жизни). Это позволит естественным образом ограничить доставку "драгоценных" кадров и не давать сети деградировать до 70 Мбит/с ради нескольких роутеров с периферии. Ценой такого упрощения будет абсолютно непредсказуемая задержка и пропускная способность в каждый момент времени.

Для более-менее равномерного распределения пропускной способности можно пойти двумя путями:

Тяжелая наркомания в виде хитрых методов доступа к среде с выделением слота, основанных на сверхточной синхронизации времени между нодами через GPS или еще более наркоманских алгоритмов синхронизации времени по "lossy"-линкам. Эдакая попытка натянуть сову на глобус и сделать децентрализованный TDMA.
Простое инженерное решение по ограничении скорости на AP или Ethernet-интерфейсах.

Какой же порог в мегабитах нам задать? Давайте попробуем посчитать. Для удобства выложу таблицу.

Это примерно в 1,7 раз меньше, чем результат, который мы получили в путем вычисления аналогичного параметра на секторе. Так как Mesh-сеть редко будет нагружена под 100%, я бы ограничил клиентское подключение порогом в 5 Мбит/с. Маловато? Я уже говорил выше, есть техники, позволяющие увеличить пропускную способность примерно в два раза. MU-MIMO на физическом уровне и Linear Network Coding на канальном. Исходя из различных тестов, можно говорить о приросте примерно в полтора раза за счет MU-MIMO и до 30% за счет Linear Network Coding . О них я расскажу как-нибудь в следующий раз. Можно догнать среднюю скорость до 4,5 Мбит/c ценой небольшой потери в задержке (10-20%) и это будет даже больше, чем на секторе с таким же количеством абонентов.

Тут уже сценарий для провайдеров: ограничить на Ethernet в соответствии с тарифом "5 Мегабит" и пользоваться тем, что в любой точке можно смело увеличивать до 10 Мбит/с.

Нет, я не ставлю себе цель показать, что Mesh лучше и по всем показателям обходит сектор. Я лишь хочу показать, что порядок цифр одинаков и разница на уровне погрешности в вычислениях. Так что, внимания заслуживают оба подхода.
Хотя, тут стоит добавить очень важную деталь. MU-MIMO и Linear Network Coding - это техники, относящиеся непосредственно к роутерам. Есть и другой подход - техники, относящиеся к архитектуре сети. Если учесть, что базовых станций мы не ставим и затраты на подведение канала кратно снижены, можно установить на границе сети второй шлюз. Желательно сделать это на противоположном краю, и ниже я объясню почему.

В Mesh-сетях деление пропускной способности начинается от шлюза или точки входа. Градиент устремляется примерно в середину сети и там находятся самые дорогие, в плане затрат на доставку кадров, абоненты. Установкой такого шлюза на другом конце сети мы, фактически, делим количество максимальных хопов пополам, а каналы первого и второго хопов обоих шлюзов будут абсолютно независимы в плане разделения эфирного времени, так что их пропускную способность можно смело складывать. В идеале, конечно, подвести третий канал прямо в середину (ну а что, LHG60 стоит очень дешево).

Горизонтальное масштабирование - это главный конек Mesh. Сектор с трудом, но вытянет 60-80 абонентов. Mesh-сеть совершенно спокойно может включать в себя 100-300 устройств. Для сектора это уже тот уровень, когда задержки перевалят за 1-2 секунды и многие приложения начнут говорить "Давай, до свидания!" при попытке подключиться.

Типовые сценарии

Теперь решим задачу. У нас есть зажиточный коттеджный поселок на 200 домов, расположенный ООЧЕНЬ далеко от города в живописных местах, где берет только пара операторов мобильной связи и звонить можно, но из интернета доступен, разве что, EDGE. Все как один хотят интернет и чтоб 25 Мбит/с. Жители настолько круты и организованы, что грозятся периодическими флешмобами по одновременному тестированию пропускной способности всем поселком. Места очень живописные и портить внешний вид всякими вышками местные жители позволят, разве что, через свой труп, а так же грозятся засудить всякого, кто попробует построить хоть что-то высокое и уродливое (в их понимании) на расстоянии до 5 км от границы поселка. Всюду аккуратные дорожки из плитки, небольшие аккуратные фонари освещения и силовые провода, спрятанные под землю. Глава поселка, отвечающий за чистоту и красоту, после предложения покрыть поселок xPON и протянуть по столбам оптику, чуть было не запустил в вас папкой с документами, но вовремя остановился и пояснил, что такое решение нарушит внешний облик и категорически неприемлемо.

Вы уже поняли к чему я клоню. Вышки ставить нельзя, кабель тянуть нельзя. Возможны следующие варианты:

1. Подключение уже присутствует на границе сети

Каким-то чудом оказалось, что рядом проходит оптика xТелеком и, слава великому рандому, у начальника участка хорошее настроение. Он поведал, что как раз не знает, кому бы продать еще одно волокно, руководство задает неудобные вопросы, а тут вы. Цена всех устроила, жители не против, но ставят условие обязательно восстановить естественное покрытие местных холмов. На том и порешали. Гигабитный аплинк у нас есть, УРА!

2. Подключение РРЛ

Вроде обидно, но есть шанс вывести ситуацию в положительное русло, а может даже и с выгодой для себя. Итак, следим за руками. Подвести интернет в поселок можно и РРЛ, особенно при ценах на такие устройства как LHG60. Подключить по старой схеме с одним шлюзом можно, но мы это уже считали и такое решение нам не интересно. По традиции я предлагаю два стула варианта: подключение в двух точках с увеличением пропускной способности на клиента до 100 Мбит/с и подключение в двух точках с удешевлением абонентского устройства в полтора-два раза.

Начнем с первого варианта. Обратите внимание на картинку. Синий и оранжевый цвета вновь обозначают зоны распространения сигнала. В данном случае преимущество дорогих Mesh-роутеров с двумя радиомодулями позволяет увеличить реальную пропускную способность вдвое (и уменьшить вдвое задержки, да-да) за счет добавления второго шлюза. Таким образом, можно заложить увеличение пропускной способности всем клиентам до 100 МБит/с без какой-либо замены оборудования, устроить промо или сразу брать с них в два раза больше денег.

Во втором случае (без удвоения) мы придерживаемся той же стратегии, но используем устройства с одним радиомодулем. Ориентировочно, они обойдутся в два раза дешевле. Картинка с домами вся покрыта оранжевым, что символизирует использование одного общего канала на всех.

3. Подключение спутниковым каналом.

В этом случае начальник участка оказался мудаком и оптикой не поделился. Вокруг только лес, луга и холмы. Единственное решение, которое хоть как-то может подарить людям интернет - это двунаправленный спутниковый канал. Триколор сегодня предлагает безлимит до 40 Мбит/с на одного клиента за символическую цену. Дело осталось за малым - установить людям несколько комплектов в поселке, развернуть Mesh-сеть и наслаждаться своей маленькой монополией.

Скорости небольшие, но альтернатив нет. К тому же, всегда можно поставить еще пару спутниковых комплектов и увеличить общую пропускную способность (да, снова горизонтальное масштабирование).

Итоги

В общем и целом можно подытожить все вышесказанное в виде таблицы.

Особенности	PTMP	MESH
Деградация пропускной способности при добавлении новых клиентов	Высокая	Низкая
Увеличение средней задержки при добавлении новых клиентов	Значительное	Практически отсутствует
Эффективность при малом количестве абонентов	Высокая	Низкая
Эффективность при среднем количестве абонентов	Средняя	Средняя
Эффективность при большом количестве абонентов	Низкая	Высокая
Характер распределения задержки	Равномерный, задержки высокие	Градиент в сторону увеличения по направлению от шлюза.
Влияние естественных преград на пропускную способность (эффективность в среде плотной застройки с зелеными насаждениями)	Кратная деградация	Кратное увеличение
Стоимость развертывания	Высокая	Низкая
Стоимость абонентского комплекта	Низкая	Низкая/Средняя
Стоимость базовой станции	Высокая	Отсутствует
Скорость монтажа	Низкая	Высокая

Надеюсь, было познавательно. В следующих статьях мы разберем протоколы маршрутизации для Mesh сетей и, собственно, какие технологии в данных сетях применяются.

Еще увидимся.

Искренне ваш,
Злой Беспроводник.
@EvilWirelessMan

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 км 2). 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 , 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.