В узком смысле, применительно к практической реализации беспроводных сетей типа Wi-Fi и WiMAX, WMN следует рассматривать в качестве альтернативы традиционному РМР. В таком контексте термин WMN описывает сетевую структуру, в которой точки доступа замещены магистральными узлами — Mesh-маршрутизаторами. Эти роутеры образуют беспроводную транспортную Mesh-сеть для предоставления мобильным абонентам интегрированного доступа к внешним сетям, оснащенным терминалами различного уровня.
Отдельные группы равноправных мобильных абонентов, в свою очередь, также составляют между собой локальные беспроводные Mesh-сети. Такие абоненты получили название Mesh-клиентов, а соответствующие им клиентские сети часто называют сетями типа Ad-Hoc. И хотя сегодня в области телекоммуникаций термины Mesh и Ad-Hoc часто трактуются одинаково, их все же стоит различать. Характеристики WMN позволяют рассматривать их скорее в качестве расширенной версии сетей Ad-Hoc, опыт и методика которых в настоящее время заимствуются при развертывании WMN. Однако WMN являются более гибкими и функциональными, нежели сети Ad-Hoc, что требует нетривиального подхода к проектированию Mesh-сетей.
Роутеры и клиенты
В WMN беспроводные Mesh-клиенты могут связываться как непосредственно друг с другом, так и с маршрутизаторами транспортной сети доступа. Для этого радиоинтерфейсы клиентов и маршрутизаторов должны быть одинаковы (например, стандарта IEEE 802.11g). Помимо этого к транспортной сети могут быть напрямую подключены стандартные системы радиосвязи и проводные пакетные сети.
Маршрутизаторы обладают минимальной мобильностью, и магистральные радиолинии между ними должны быть выполнены по одинаковой радиотехнологии; наиболее часто для этих целей в настоящее время применяются технологии IEEE 802.11 и IEEE 802.16. Маршрутизаторы с функциональностью шлюза могут предоставить клиентам доступ в Интернет и другие внешние IP-сети. С другой стороны, работая в качестве моста, маршрутизаторы обеспечивают интеграцию WMN с существующими беспроводными сетями WiMAX, Wi-Fi, сотовыми системами связи и т. д.
Mesh-маршрутизаторы могут быть выполнены в виде компактного встраиваемого специализированного оборудования. Также они могут представлять собой ноутбуки и персональные компьютеры универсального назначения. Мобильные Mesh-клиенты могут осуществлять маршрутизацию и функции конфигурирования сети самостоятельно, без участия в этих процессах стационарных маршрутизаторов. Одновременно клиенты предоставляют своим конечным пользователям различные приложения. Однако функции шлюза/моста в клиентах не предусмотрены. Кроме того, в клиентах реализуется лишь один беспроводной интерфейс в пределах образуемой ими сети Ad-Hoc. Поэтому оборудование и программное обеспечение клиентов должны быть значительно проще по сравнению со стандартными маршрутизаторами.
Надежность и простота
Конъюнктура рынка беспроводных технологий сулит Mesh-сетям самые радужные перспективы ввиду их очевидных преимуществ перед существующей сегодня инфраструктурой РМР. Прежде всего, WMN обеспечивают повышенную надежность связи. Так, если соединение между двумя конечными узлами по какой-либо причине будет повреждено, то связь все равно установится по альтернативному пути через один либо несколько других узлов.
Относительная простота настройки WMN позволяет значительно сократить время, необходимое для развертывания новой сети. Соединения в WMN устанавливаются автоматически, автономно и динамически по мере добавления в сеть путем простой активации (включения) новых устройств. Впервые присоединяемым к сети узлам не требуется знать априорную информацию о сетевых параметрах. Более того, WMN обеспечивают и значительную экономию мощности при передаче данных через множество промежуточных узлов.
Отсутствие стандарта
Гибкие и интеллектуальные WMN-сети с их впечатляющими возможностями не лишены и существенных проблем. Главной из них, несомненно, является отсутствие единых стандартов. Нельзя сказать, что не было попыток в разработке единых спецификаций для WMN соответствующими компетентными организациями, в частности IEEE. Проблема заключена в широком диапазоне применения существующих продуктов WMN, каждый из которых предназначен для конкретных специфичных условий работы. То есть в данный момент нельзя разработать такой стандарт, который бы специфицировал одновременно все возможные реализации использования Mesh-сетей.
Кроме того, пропускная способность WMN используется неэффективно. Помимо выделения полосы под служебную информацию, необходимую для маршрутизации, в сетях WMN пропускная способность узла может делиться между передачей собственно пользовательских данных и служебным информационным обменом с внутренними узлами сети. Данная ситуация усугубляется проблемой “скрытого узла”, когда два узла не слышат друг друга, но каждый из них в отдельности слышит третий узел. В случае одновременной передачи данных этими двумя узлами через третий между ними возникает взаимная интерференция.
В WMN условия радиосвязи и многократная ретрансляция передаваемой информации вносят существенную задержку, которая к тому же не является постоянной. Для упорядочивания пакетов на приемной стороне должна использоваться буферизация. Однако переполнение буфера приемника приводит к стиранию его содержимого. Потери пакетов могут происходить также и в радиоканале. Такие последствия крайне нежелательны при передаче услуг реального времени.
Преодоление проблемы обеспечения требований QoS для того или иного типа трафика видится в разработке оптимального протокола маршрутизации, который производил бы детерминированный выбор канала на основании измерения мощности принимаемого сигнала, задержек, пропускной способности и вероятностей ошибок. Таким образом, имелась бы возможность эффективно управлять путями следования пакетов, задержками передачи, очередями.
Таким образом, множество проблемных вопросов должно быть решено прежде, чем реализовывать проекты WMN-сетей станет выгодно для коммерческого использования. Эти вопросы затрагивают большинство уровней эталонной модели взаимодействия открытых систем, и каждый из протоколов должен быть специализирован и приспособлен именно для WMN. Корректно спроектированная и реализованная WMN-сеть обладает всеми преимуществами Интернета и отражает концепцию современной сети связи — гибкой, масштабируемой, прозрачной, совместимой, надежной, безопасной и интеллектуальной.
Что происходит на МАС-уровне
Какая бы техника ни применялась на физическом уровне, для использования преимуществ последнего тщательным образом должны быть спроектированы протоколы вышележащих уровней, особенно типа MAC.
Классические МАС-протоколы ограничены лишь ближайшими узлами, в то время как протоколы маршрутизации заботятся об обеспечении многоскачковой связи. Такой подход упрощает разработку МАС-протокола, так как именно он и протокол маршрутизации разделены по уровням и прозрачны друг для друга. Данный метод не пригоден к использованию в WMN, поскольку на процессы передачи и приема данных отдельным узлом влияют не только соседние узлы, но также те, которые находятся на расстоянии двух и более скачков друг от друга.
В WMN не предусмотрено централизованного управления, поэтому функции МАС-уровня должны быть равномерно распределены и скоординированы протоколом среди всех узлов, коллективно участвующих в информационном обмене. Таким образом, МАС-протокол должен обеспечивать совместное участие в передаче данных всех узлов WMN, а также возможность связи отдельного узла с другими соседними узлами.
К тому же на МАС-уровне должна реализовываться самоорганизация сети. При этом МАС-протоколу необходимо иметь сведения о сетевой топологии, которые помогут улучшить взаимодействие узлов, находящихся друг от друга на расстоянии множества скачков. При определенных условиях сетевая самоорганизация на основе управления мощностью может оптимизировать топологию сети, уменьшить интерференцию между узлами и тем самым увеличить емкость Mesh-сети.
Наконец, на характеристики протокола МАС-уровня существенно влияет и поддержка мобильности узлами сети в силу динамически меняющейся конфигурации WMN. Для адаптации к мобильности узлам опять же следует обмениваться информацией и данными о топологии Mesh-сети.
В сети WMN клиенты и маршрутизаторы обладают отличающимися показателями мобильности и расхода мощности. И одинаковые решения по организации и развертыванию распределенной инфраструктуры могут по-разному работать в клиентских и магистральных подсетях. Поэтому МАС-протокол WMN должен выполнять как функции масштабируемости, так и функции объединения гетерогенных узлов сети.
Масштабируемость WMN может быть отражена на МАС-уровне двумя путями. Первый из них заключается в усовершенствовании уже существующих или же предложении и разработке новых МАС-протоколов для увеличения пропускной способности между конечными узлами, когда на каждом из них будет организован только один-единственный канал. Второй путь — разработка протокола, который обеспечивает передачу информации каждым узлом сразу по нескольким параллельным каналам.
Использование антенн и адаптивных решеток
Для грамотной реализации WMN на физическом уровне необходимо обеспечить повышенные скорости передачи и усовершенствовать сами принципы обработки сигналов и информации. Комбинации различных методов кодирования и модуляции позволят организовать высокоскоростную радиосвязь на относительно дальних дистанциях (вне прямой видимости). В таких случаях применяется прогрессивная технология OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) — мультиплексирование с ортогональным частотным разделением сигналов. Разнесение антенн и адаптивных антенных решеток в WMN позволит противостоять взаимной интерференции и нежелательным последствиям многолучевого распространения — федингу (затухание сигнала), межсимвольной интерференции, — что в итоге выразится в увеличении емкости сети.
Однако широкое распространение в WMN таких антенных систем сдерживается их сложностью и высокой ценой. Поэтому рациональнее использовать в этой области недорогие направленные антенны, которые в силу разнесения диаграмм направленности более пригодны в борьбе с сильной интерференцией. В целом же в WMN применяются известные и зарекомендовавшие себя на практике принципы радиосвязи.
Интеграция
Разработчики WMN стремятся к интегрированию с Интернетом, поэтому IP принят в них как протокол сетевого уровня. Однако протоколы маршрутизации для WMN весьма специфичны, и их разработка — непростая инженерная задача с различными критериями и множеством параметров.
Во-первых, протокол должен гарантировать надежную доставку сообщений в случае потери канала. Также он должен равномерно распределять информационную нагрузку и быть масштабируемым, то есть не ухудшать производительность всей сети при ее расширении. Критерии выбора протоколом маршрута должны быть оптимальными, учитывающими качество соединений и другие показатели МАС-уровня. Все это усложняется маршрутизацией для многоадресных приложений и применением в сети узлов с поддержкой нескольких радиоинтерфейсов.
Традиционно принято считать, что маршрутизация выполняется протоколом сетевого уровня. Но выяснилось, что такой подход не эффективен в WMN, где возникает необходимость отображения показателей МАС-уровня на протокол маршрутизации. Таким образом, в WMN объединение функций маршрутизации и MAC позволит добиться существенных улучшений как собственно протокола маршрутизации, так и суммарных характеристик сети.
Кроме того, при разработке протокола маршрутизации обязательно необходимо принимать во внимание различия маршрутизаторов и клиентов между собой. Говоря другими словами, эффективный протокол должен адаптивно поддерживать оба упомянутых типа узлов сети WMN.
Некоторые из разработанных к настоящему моменту протоколов маршрутизации для WMN в той или иной степени основаны на уже зарекомендовавших себя Ad-Hoc-протоколах. Так, Mesh-маршрутизаторы компании Firetide основаны на протоколе TBRPF, Mesh-сети корпорации Microsoft построены на основе DSR, а протокол AODV был взят на вооружение многими другими компаниями.
Транспорт
До сих пор сетевой индустрией не было представлено специального транспортного протокола для сетей WMN. Но за последнее десятилетие были разработаны и внедрены различные транспортные протоколы для проводных и беспроводных сетей. В частности, множество надежных протоколов транспортного уровня было представлено для сетей Ad-Hoc. Поэтому, пренебрегая отличиями WMN и Ad-Hoc, имеет смысл указать общие характерные особенности, необходимые для учета при реализации транспортного протокола сетей WMN.
Протоколы транспортного уровня сетей Ad-Hoc/WMN могут быть классифицированы на две группы: варианты и модификации TCP и совершенно новые транспортные протоколы. Первые представляют собой расширенные версии классического TCP для проводных сетей, вторые — надежный транспортный механизм, проектирующийся с нуля с целью обхода проблем TCP.
Важно, чтобы расширенные протоколы TCP имели минимальное воздействие на классический TCP. Так, при доступе узла WMN в Интернет между конечными узлами будут существовать как беспроводные, так и проводные соединения, что требует совместной работы расширенного TCP WMN и классического “проводного” TCP.
Также WMN должны быть интегрированы с различными беспроводными сетями стандартов IEEE 802.11, IEEE 802.15, IEEE 802.16 и т. д. Характеристики этих сетей отличаются ввиду разной их емкости, механизмов контроля над ошибками, протоколов MAC и маршрутизации. Такая гетерогенность делает весьма неэффективным использование одинакового транспортного протокола сразу во всех сетях. Применение именно разных транспортных протоколов, например модификаций TCP, сделает интеграцию цельной и более экономной.
В целях уменьшения воздействия сетевой асимметрии на характеристики транспортного протокола следует заниматься оптимизацией межуровневого взаимодействия. Так, на МАС-уровне следует раздельно работать с TCP-данными и пакетами квитанций. Дополнительно к этому на МАС-уровне часто оправданно применение эффективных методов контроля над ошибками.
На прикладном уровне, с одной стороны, должны быть разработаны алгоритмы для поддержки существующих приложений Интернета, особенно услуг реального времени, с учетом особенностей беспроводной природы WMN. С другой стороны, могут внедряться специфичные, уникальные для WMN, приложения — с целью реализации преимуществ и услуг, которые не могут быть предоставлены конечным пользователям в других существующих сетях связи.
Альтернатива кабелю
Таким образом, в развитии WMN важно преодоление ограничений и улучшение характеристик существующих традиционных сетей WLAN, WMAN и др. Поэтому в последнее время наблюдается стремительный прогресс в этой области во многих странах мира, в которых уже развернуто и испытывается большое количество подобных сетей.
В качестве самого свежего примера можно привести Mesh-сеть, которую компания Firetide открыла осенью 2005 года в Нью-Мексико: около тысячи узлов связи обеспечивают здесь покрытие территории площадью 103 квадратные мили.
Корпорация Intel в 2005 году представила свой первый вариант нового стандарта беспроводной Mesh-сети 802.11s. Проект Intel опирается на существующие стандарты, такие как протоколы беспроводной связи 802.11a/b/g и безопасности 802. Hi, и полностью совместим с ними.
Не собирается отставать от своих заокеанских собратьев и Европа. Так, весной 2005 года компания Smart Telecom и муниципальный совет английского города Корка объединили усилия для создания самой крупной в Старом свете Mesh-сети, которая охватила 1,5 км2 центральной части городских кварталов. Новая публичная сеть позволила входить в Глобальную сеть на всей площади покрытия, а не только вблизи отдельных хотспотов в кафе или гостиницах. Самоконфигурирующаяся Mesh-сеть работает с поддержкой всех существующих стандартов Wi-Fi — 802.11 a/b/g.
А компания Strix Systems вообще собирается охватить беспроводной Mesh-сетью всю Македонию — это будет первая в мире широкополосная сеть национального масштаба, построить которую взялся македонский сервис-провайдер On.Net. Strix Systems уже развернула Mesh-сеть в столице Македонии Скопье. Аналогичное оборудование Strix Systems уже используется для видеонаблюдения в 108-мегабитной беспроводной сети мадридского аэропорта.
Основываясь на этих примерах, можно сделать вывод, что сети WMN пригодны не только в качестве более гибкой альтернативы кабелю или ВОЛС в масштабах города или там, где не хватает возможностей локальных сетей Wi-Fi. Сферы их практического применения при должной оптимизации характеристик Mesh-сетей могут оказаться гораздо шире, чем мы представляем себе это сегодня. Е. Золотарев
Секретные протоколы
Протокол маршрутизации Firetide на сегодняшний день является одним из самых эффективных инструментов создания Mesh-сетей. В содружестве с американской организацией SRI International (Менло-Парк, Калифорния, США) Firetide разработала современный алгоритм управления сетей ячеистой топологии, основанный на протоколе TBRPF (Topology Broadcast Based On Reverse-Path Forwarding). Каждый узел вычисляет исходное дерево (путь ко всем достижимым узлам сети), основываясь на частичной топологии — информации, сохраненной с использованием алгоритма Dijkstra. Чтобы минимизировать нагрузку, каждый узел сообщает только часть его исходного дерева соседям. TBRPF позволяет периодически обновлять информацию, чтобы держать все соседние узлы в курсе изменений, происходящих в сети.
DSR (Dynamic Source Routing — динамическая маршрутизация по источнику), используемый в сетях корпорации Microsoft, представляет собой очень простой и эффективный протокол маршрутизации, разработанный для управления мобильными узлами. DSR обеспечивает полную самоорганизацию и самоформирование сети без необходимости в посторонней администрации. Протокол составлен из двух основополагающих механизмов — открытия и обслуживания маршрута, которые позволяют узлам сети обнаруживать и поддерживать произвольные пути движения данных. Одним из самых молодых протоколов на сегодняшний день является AODV (Ad-Hoc On-Demand Distance Vector) — дистанционно-векторная маршрутизация по требованию. Он обеспечивает быструю адаптацию узлов сети к динамическим условиям связи. С помощью AODV мобильные узлы могут получать информацию о новых маршрутах данных в режиме реального времени, при этом не требуется постоянная поддержка тех путей, которые не находятся в активной фазе коммуникации.
AODV позволяет мобильным узлам сети своевременно реагировать на нарушения путей связи и другие изменения топологии.