Стандартизация

Стандартизация обеспечивает совместимость разработок различных производителей. При наличии стандарта разработка протоколов по поддержке mesh-сетей и внедрение устройств на базе этих протоколов может вестись повсеместно. Разработка mesh-сетей ведется на базе двух технологий: нового WiMAX (IEEE 802.16) и уже существующего Wi-Fi (IEEE 802.11).

Mesh-сети - это сети сетевого уровня модели TCP/IP, функционирующие как обычные локальные сети типа IEEE 802. Так для других сетей и протоколов более высоко уровня mesh-сеть функционально эквивалентна радиовещательному Ethernet. Таким образом, чтобы mesh-сеть действительно была аналогична LAN типа IEEE 802, необходимо обеспечить взаимодействие с другими сетями через ретрансляцию данных на втором (сетевом) уровне и межсетевое взаимодействие на третьем (транспортном) уровне. Эту задачу решит стандарт 802.11s. В свою очередь стандарт 802.16 предназначен … (написать про WiMAX в общих чертах).

Cтандарт IEEE 802.11s находится сейчас в состоянии разработки и имеет статус черновика. Стандарт 802.11s определит способ построения и конфигурации mesh-сетей через добавление и удаление точек доступа.

Черновик стандарта 802.11s

Архитектура mesh-сетей

Понятия Mesh-сетей, введенные стандартом

Стандарт определяет два класса узлов: класс mesh-узлов, поддерживающих mesh-сервисы, и класс не mesh-узлов, включающий простые клиентские станции. Mesh-узел опционально может поддерживать и сервисы точек доступа (AP - «access point»). Сама mesh-сеть состоит из двух и более mesh-узлов, взаимодействующих друг с другом через mesh-сервисы.

Любое устройство, поддерживающее mesh-сервисы, называется mesh-точкой (MP - «mesh point»). Mesh-точка может быть либо только инфраструктурным устройством сети, либо полнофункциональной пользовательской станцией, которая участвует в формировании сети и работе с ней.

Один из особых типов mesh-точек - такой, который предоставляет сервисы точки доступа (AP). Такая MP называется mesh-точкой доступа (MAP - Mesh AP). Простые клиентские станции могут ассоциироваться с mesh-точкой доступа и получать доступ к сети. Сами клиентские станции mesh-сервисы, например, определение маршрута и ретрансляцию, не поддерживают.

Другая особая mesh-точка - mesh-портал (MPP - Mesh Portal) - mesh-точка с дополнительным не-802.11 сетевым интерфейсом доступа в Интернет, служащая точкой входа в mesh-сеть или выхода из нее. Одно устройство может объединять в себе MAP и MPP.

Стандарт также определяет возможность задавать особые опции для ограниченных в мощности mesh-точек. Такие точки могут соединяться только со своими соседями (узлами на расстоянии только одного беспроводного хопа), не используют всю беспроводную распределенную систему (WDS - Wireless Distribution System) и не участвуют в сервисах контроля за перегрузкой каналов связи.

Черновик стандарта определяет не перенаправляющие MP в качестве листьев mesh-дерева, которые способны полноценно действовать в рамках mesh-сети, даже если нет доступных MAP-точек, чего не могут делать простые клиентские станции.

Mesh-сеть может использовать один или несколько каналов взаимодействия, поэтому необходима структура, учитывающая топологию узлов, использующих тот или иной канал связи. Такой структурой является Унифицированный Граф Каналов (UCG - Unified Channel Graph).

Структура mesh-сетей

Топология mesh-сетей - децентрализованная, что отличает их от обычных Wi-Fi сетей и обеспечивает автоматическую настройку и модификацию сети. По сути mesh-сеть формируется из кластеров, где каждый кластер сформирован на базе mesh-точки (MP). Mesh-точка доступа (MAP) может входить в разные кластеры одновременно. Число кластеров может быть любым, а число узлов в кластере обычно ограничено 8-16 mesh-точками, что необходимо для контроля задержек при передаче данных в сети.

Протокол маршрутизации

На сетевом уровне стандарт определяет используемый по умолчанию протокол маршрутизации, что обеспечит взаимодействие средств коммуникации от разных производителей. Этот протокол получил название Hybrid Wireless Mesh Protocol (HWMP). Выбор пути в протоколе комбинирует гибкость определения маршрута по требованию с некими расширениями, обеспечивающими эффективный проактивный выбор маршрутов к mesh-порталам. Благодаря своей гибридной природе протокол может быть легко адаптирован к работе как в преимущественно инфраструктурной, так и в преимущественно мобильной Ad Hoc сети.

Маршрутизация по требованию основана на протоколе AODV (RFC 3561) и в качестве метрики использует число хопов. Также в процессе поиска маршрута запоминаются уже посещенные узлы, чтобы избежать зацикливания. При этом узел запоминает несколько лучших маршрутов на случай, если передача не удастся.

Проактивная маршрутизация используется в инфраструктурных сетях. Например, mesh-портал входит в инфраструктуру сети, тогда для инициализации поиска маршрутов в сети он посылает некую нотификацию об этом. Каждый узел MP выбирает себе наиболее подходящего родителя, но и кэширует других кандидатов на случай потери родительского узла. Периодически узлы проверяют наличие маршрута к MPP. Расширения спецификации стирают разницу между клиентом сети и инфраструктурой ( непонятно). Устройства-клиенты могут также устанавливать соединения точка-точка с другими клиентами и точками доступа (AP).

Черновик также дает возможность использовать другой протокол маршрутизации, основанный на метрике качества радио-линка - протокол RA-OLSR (Radio Aware-Optimized Link State Routing) ( radio aware link metric - как лучше перевести). Использование такой метрики уменьшает накладные расходы на передачу служебного трафика.

Фреймворк маршрутизации позволяет интегрировать и любой другой протокол.

Другие улучшения в стандарте

В 802.11s улучшен механизм доступа к среде для эффективного выделения ресурсов разноудаленным от шлюза узлам сети. Для этого была улучшена синхронизация mesh-точек, что особенно критично при отправке и получении управляющих сигналов, и оптимизирован механизм EDCA (Enhanced Distributed Channel Access). Синхронизация необходима при многоканальной координации действий и в механизмах сбережения энергии. Что до механизма EDCA, то в классических 802.11 сетях используется вплоть до 4 различных функций доступа к среде передачи данных с возможностью отката каждой из них. Разница между видами порождаемого ими траффика заключается в значениях таймеров и максимально возможном захватываемом окне ( contention window). Оптимизация EDCA, предложенная стандартом, заключается в использовании вектора выделенных каналов () - the Network Allocator Vector (NAV) - для уведомления потенциальных передачков, что сеть свободна. Предлагаются три модификации обычного NAV. Это Full NAV, Packet by Packet (PbP) NAV и инициируемый получателем механизм очищения вектора NAV (Receiver Initiated NAV Clearing method). Full NAV защищает среду передачи на все время передачи, PbP NAV защищает каждый пакет, а инициируемый получателем механизм нужен для информирования о том, что по сети не передавались сигналы в течение двух SIFS (Short Interframe Space), времени передачи CTS и еще двух слотов времени. Последний тип нужен для освобождения среды передачи после несостоявшегося четырехэтапного договора о ключах (4-way handshake).

Большое внимание в стандарте уделяется безопасности. Для управления авторизацией используется механизм EMSA (Efficient Mesh Security Association), использующий как и традиционные WLAN уровень 802.11i для создания соединений, который включает аутентификацию для 802.1Х сетей, распределение ключей и шифрование управляющих кадров. Но от классических беспроводных локальных сетей mesh-сети отличаются тем, что их mesh-точки доступа выступают сразу в роли аутентификатора и просителя права доступа к сети. Поэтому узел MP считается аутентификатором для клиентских станций и других MP, если они расположены ниже по течению информационного потока. Соответственно они являются запрашивателями аутентификации. Для mesh-точек со многими линками к другим MP мезанизмов догора о ролях в процессе аутентификации может быть несколько. Например, MP, имеющая маршрут к серверу аутентификации (AS - Authentication Server), сама становится аутентификатором; если же обе mesh-точки могут связаться с сервером, то аутентификатором становится mesh-точка с более высоким MAC-адресом. После проведения аутентификации в соответствии с 802.11i дальнейшие broadcast и unicast запросы охраняются при помощи таких механизмов распределения ключей шифрования, как GTK (Group Temporal Key) и PTK (Pairwise Transient Key), причем договор о ключах между двумя сторонами проходит за четыре этапа (four-way handshake). Сервер периодически обновляет ключи. Ключи распределяются с учетом децентрализованной структуры сети, где каждый узел выступает в той же роли, что и остальные узлы.

Стандарт определяет управление потреблением мощности устройств. Для этого узлы могут входить режим энергосбережения и проверять сеть на наличие себе сообщений, периодически включаясь и выключаясь. Для передачи данных такой MP другая MP может передавать свои сообщения в энергосберегающем режиме APSD (Automatic Power Save Delivery), передать траффик, пока получатель активен, что заставит его при необходимости оставаться активным в течение более долгого, если нужно, периода времени, или послать пустой пакет для реактивации приостановленной передачи траффика или для изменения энергосберегающего режима полоучателя на простой режим. Причем MAP тоже могут поддерживать энергосберегающий режим и не обязаны при этом быть синхронизированы с другими MP. Для сенсорных сетей механизм энергосбережения особенно важен, поэтому в таких сетях все сенсоры участвуют в синхронизированных циклах активности, а изменения в таблицах с расписанием активности и неактивности немедленно отправляются всем соседям.

Управление перегрузками - одна из ключевых проблем в mesh-сетях в связи с пространственной “несправедливости” в распределении нагрузки. Для управления перегрузками их нужно для начала обнаружить. Для этого существует два варианта: каджый узел может контролировать размеры очередей во входящем и исходящем траффике либо сравнивать длину входящей очереди с некими минимальным и максимальным порогом. Далее узел сигнализирует о перегрузке либо ближайшего соседа, чтоб тот уменьшил темп передачи данных, либо всю сеть. Во втором случае среагируют все ближайшие, то есть находящиеся на расстоянии одного хопа, соседи: уменьшат траффик и при необходимости потребуют уменьшения траффика от других узлов. Каждый из этих узлов может рассчитать требуемый темп передачи своего траффика, основываясь на пропускной способности канала С, среднем размере пакетов Р, средней перегрузке на пакет в терминах времени Toh и период увремени t: n=tC/(P+CToh). Если узел получает запрос на уменьшение траффика, он немедленно ограничивает его указанным в запросе максимальным значением. Mesh- точки доступа (MAPs) помимо mesh-траффика учитывают также BSS-траффик (голосовой и сигнальный траффик между клиентом и AP), причем для освобождения канала они могут слать себе CTS-сообщения (RTS/CTS - механизм для решения проблем “столкновений” фреймов, определен в IEEE 802.11).

Стандарт 802.16