Mesh WiFi

Bezdrôtová sieť typu mesh ( WMN ) je komunikačná sieť zložená z rádiových uzlov organizovaných v topológii mesh . Môže to byť aj forma bezdrôtovej siete ad hoc .

Sieť sa týka bohatého prepojenia medzi zariadeniami alebo uzlami. Bezdrôtové mesh siete často pozostávajú z mesh klientov, mesh smerovačov a brán. Mobilita uzlov je menej častá. Ak sa uzly neustále alebo často pohybujú, sieť trávi viac času aktualizáciou trás než doručovaním údajov. V bezdrôtovej mesh sieti má topológia tendenciu byť statickejšia, takže výpočet trás sa môže zbližovať a môže dôjsť k doručovaniu údajov do ich cieľov. Ide teda o centralizovanú formu bezdrôtovej ad hoc siete s nízkou mobilitou. Tiež, pretože sa niekedy spolieha na statické uzly, ktoré fungujú ako brány, nie je to skutočne úplne bezdrôtová sieť ad hoc.

Mesh klientmi sú často notebooky, mobilné telefóny a iné bezdrôtové zariadenia. Sieťové smerovače posielajú prevádzku do a z brán, ktoré môžu alebo nemusia byť pripojené k internetu. Oblasť pokrytia všetkých rádiových uzlov pracujúcich ako jedna sieť sa niekedy nazýva sieťový oblak. Prístup k tomuto mesh cloudu závisí od spolupráce rádiových uzlov na vytvorení rádiovej siete. Mesh sieť je spoľahlivá a ponúka redundanciu. Keď jeden uzol už nemôže fungovať, ostatné uzly môžu stále komunikovať medzi sebou, priamo alebo cez jeden alebo viacero medziľahlých uzlov. Bezdrôtové sieťové siete sa môžu vytvárať a samoliečiť. Bezdrôtové siete typu mesh pracujú s rôznymi bezdrôtovými technológiami vrátane 802.11 , 802.15 , 802.16 , celulárnych technológií a nemusia byť obmedzené na žiadnu technológiu alebo protokol.

Bezdrôtové rádiové siete typu mesh boli pôvodne vyvinuté pre vojenské aplikácie, takže každý uzol mohol dynamicky slúžiť ako smerovač pre každý iný uzol. Týmto spôsobom, aj v prípade zlyhania niektorých uzlov, zostávajúce uzly môžu pokračovať vo vzájomnej komunikácii a v prípade potreby slúžiť ako uplinky pre ostatné uzly.

Prvé uzly bezdrôtovej siete mali jedno poloduplexné rádio, ktoré v každom okamihu mohlo vysielať alebo prijímať, ale nie oboje súčasne. Toto bolo sprevádzané rozvojom zdieľaných mesh sietí. Toto bolo následne nahradené zložitejším rádiovým hardvérom, ktorý mohol prijímať pakety z upstream uzla a súčasne vysielať pakety do downstream uzla (na inej frekvencii alebo inom CDMA kanáli). To umožnilo vývoj prepínaných mesh sietí. Keď sa veľkosť, náklady a požiadavky na výkon rádií ďalej znižovali, uzly mohli byť cenovo efektívne vybavené viacerými rádiami. To zase umožnilo každému rádiu zvládnuť inú funkciu, napríklad jedno rádio pre klientsky prístup a druhé pre backhaul služby.

Práca v tejto oblasti bola podporovaná použitím metód teórie hier na analýzu stratégií prideľovania zdrojov a smerovania paketov.

Architektúra

Bezdrôtová sieťová architektúra je prvým krokom k poskytovaniu nákladovo efektívnej a nízkej mobility v špecifickej oblasti pokrytia. Bezdrôtová sieťová infraštruktúra je v skutočnosti sieť smerovačov mínus kabeláž medzi uzlami. Skladá sa z peer rádiových zariadení, ktoré sa nemusia pripájať káblom ku káblovému portu, ako to robia tradičné prístupové body WLAN (AP) . Sieťová infraštruktúra prenáša údaje na veľké vzdialenosti rozdelením vzdialenosti na sériu krátkych skokov. Medziľahlé uzly nielen zosilňujú signál, ale kooperatívne prenášajú dáta z bodu A do bodu B tým, že robia rozhodnutia o preposielaní na základe ich znalosti siete, tj uskutočňujú smerovanie tak, že najprv odvodia topológiu siete.

Bezdrôtové siete typu mesh sú sieťou s relatívne „stabilnou topológiou“, s výnimkou občasného zlyhania uzlov alebo pridania nových uzlov. Trasa návštevnosti, ktorá je agregovaná od veľkého počtu koncových používateľov, sa mení len zriedka. Prakticky všetka prevádzka v infraštruktúrnej mesh sieti je buď presmerovaná do alebo z brány, zatiaľ čo v bezdrôtových ad hoc sieťach alebo klientskych mesh sieťach prevádzka prúdi medzi ľubovoľnými pármi uzlov. ^[ 5 ]

Ak je miera mobility medzi uzlami vysoká, tj často dochádza k prerušeniu spojenia, bezdrôtové siete typu mesh sa začnú rozpadávať a majú nízky komunikačný výkon. ^[ 6 ]

Manažment

Tento typ infraštruktúry môže byť decentralizovaný (bez centrálneho servera) alebo centrálne riadený (s centrálnym serverom). ^[ 7 ] Obidva sú relatívne lacné a môžu byť veľmi spoľahlivé a odolné, pretože každý uzol potrebuje vysielať len tak ďaleko ako nasledujúci uzol. Uzly fungujú ako smerovače na prenos údajov z blízkych uzlov do rovesníkov , ktorí sú príliš ďaleko na to, aby ich dosiahli jediným skokom, čo vedie k sieti, ktorá môže preklenúť väčšie vzdialenosti. Topológia mesh siete musí byť relatívne stabilná, tj nie príliš pohyblivá. Ak jeden uzol vypadne zo siete v dôsledku zlyhania hardvéru alebo iného dôvodu, jeho susedia môžu rýchlo nájsť inú cestu pomocou smerovacieho protokolu.

Aplikácie

Mesh siete môžu zahŕňať pevné alebo mobilné zariadenia. Riešenia sú také rozmanité, ako sú komunikačné potreby, napríklad v náročných prostrediach, ako sú núdzové situácie, tunely, ropné plošiny, dohľad na bojiskách, vysokorýchlostné mobilné video aplikácie na palube verejnej dopravy, telemetria pretekárskych áut v reálnom čase alebo vlastné ovládanie. organizovanie prístupu na internet pre komunity. ^[ 8 ] Dôležitou možnou aplikáciou pre bezdrôtové mesh siete je VoIP. Použitím schémy kvality služieb môže bezdrôtová sieť podporovať smerovanie miestnych telefónnych hovorov cez sieť. Väčšina aplikácií v bezdrôtových mesh sieťach je podobná tým v bezdrôtových ad hoc sieťach .

Niektoré aktuálne aplikácie:

Americké vojenské sily teraz používajú bezdrôtovú sieť na pripojenie svojich počítačov, najmä odolných notebookov, pri operáciách v teréne. ^{[ potrebný citát ]}
Elektrické inteligentné merače, ktoré sú teraz nasadené na rezidenciách, prenášajú svoje údaje z jedného do druhého a prípadne do centrály na fakturáciu bez potreby čítačiek ľudských meračov alebo potreby prepájania meračov káblami. ^[ 9 ]
Notebooky v programe Jeden notebook na dieťa využívajú bezdrôtovú sieť, ktorá umožňuje študentom vymieňať si súbory a pripájať sa na internet, aj keď im v ich oblasti chýba káblové pripojenie, mobilný telefón alebo iné fyzické pripojenie.
Inteligentné domáce zariadenia , ako sú Google Wi-Fi , Google Nest Wi-Fi a Google OnHub, podporujú sieť Wi-Fi mesh (tj Wi-Fi ad hoc) . ^[ 10 ] Niekoľko výrobcov Wi-Fi routerov začalo ponúkať mesh routery na domáce použitie v polovici 2010. ^[ 11 ]
Niektoré konštelácie komunikačných satelitov fungujú ako sieťová sieť s bezdrôtovými spojeniami medzi susednými satelitmi. Hovory medzi dvoma satelitnými telefónmi sú smerované cez sieť, z jedného satelitu na druhý cez súhvezdie, bez toho, aby museli prejsť cez pozemskú stanicu . To umožňuje kratšiu vzdialenosť pre signál, znižuje latenciu a tiež umožňuje, aby konštelácia fungovala s oveľa menším počtom pozemských staníc, ako by bolo potrebné pre rovnaký počet tradičných komunikačných satelitov. Satelitná konštelácia Iridium pozostáva zo 66 aktívnych satelitov na polárnej obežnej dráhe a funguje ako sieťová sieť poskytujúca globálne pokrytie. ^[ 12 ]

Prevádzka

Princíp je podobný spôsobu, akým pakety cestujú po káblovom internete – dáta preskakujú z jedného zariadenia na druhé, až kým sa nakoniec nedostanú do cieľa. Dynamické smerovacie algoritmy implementované v každom zariadení to umožňujú. Na implementáciu takýchto dynamických smerovacích protokolov musí každé zariadenie komunikovať smerovacie informácie iným zariadeniam v sieti. Každé zariadenie potom určí, čo urobí s prijatými údajmi – buď ich odovzdá ďalšiemu zariadeniu, alebo si ich ponechá v závislosti od protokolu. Použitý smerovací algoritmus by sa mal vždy snažiť zabezpečiť, aby údaje smerovali k svojmu cieľu najvhodnejšou (najrýchlejšou) cestou.

Multirádiová sieť

Multirádiová sieť sa týka rôznych rádií pracujúcich na rôznych frekvenciách na prepojenie uzlov v sieti. To znamená, že pre každý bezdrôtový skok sa používa jedinečná frekvencia a teda vyhradená kolízna doména CSMA . S väčším počtom rádiových pásiem sa komunikačná priepustnosť pravdepodobne zvýši v dôsledku väčšieho počtu dostupných komunikačných kanálov. Je to podobné poskytovaniu dvoch alebo viacerých rádiových ciest na prenos a príjem údajov.

Príklady

Množstvo bezdrôtových komunitných sietí bolo spustených ako základné projekty po celom svete v rôznych časových bodoch.

Iné projekty, ktoré sú často vo vlastníctve alebo sú viazané na jednu inštitúciu, sú:

ALOHAnet bol prvýkrát použitý na Havaji v roku 1971 na spojenie ostrovov.
Operátori amatérskych rádií začali experimentovať s VHF a neskôr UHF digitálnymi komunikačnými sieťami v Kanade v roku 1978 a v USA v roku 1980. Do roku 1984 dobrovoľne prevádzkovaná amatérska paketová rádiová sieť (AMPRNet) „ digipeaters“ pokrývala väčšinu Severnej Ameriky. Vznikajúca sieť umožnila licencovanému operátorovi používať iba skorší prenosný počítač, ako napríklad TRS-80 Model 100 a kompatibilný ručný FM transceiver pracujúci v pásme 1,25 metra alebo pásme 2 metrov na dosiahnutie bezdrôtovej transkontinentálnej digitálnej komunikácie. S rozvojom internetu uľahčili portály do az iných IP sietí „tunely“ na dosiahnutie paketových sietí v iných častiach sveta.
V rokoch 1998–1999 bola úspešne dokončená terénna implementácia celokampusovej bezdrôtovej siete s použitím bezdrôtového rozhrania 802.11 WaveLAN 2,4 GHz na niekoľkých notebookoch. ^[ 17 ] Realizovalo sa niekoľko reálnych aplikácií, mobility a dátových prenosov. ^[ 18 ]
Mesh siete boli užitočné pre vojenský trh kvôli rádiovým schopnostiam a pretože nie všetky vojenské misie majú často sa pohybujúce uzly. Pentagon spustil program DoD JTRS v roku 1997 s ambíciou používať softvér na ovládanie rádiových funkcií - ako je frekvencia, šírka pásma, modulácia a bezpečnosť, ktoré boli predtým zabudované do hardvéru. Tento prístup by umožnil ministerstvu obrany vybudovať rodinu rádií so spoločným softvérovým jadrom, schopných zvládnuť funkcie, ktoré boli predtým rozdelené medzi samostatné hardvérové rádiá: VHF hlasové rádiá pre pechotné jednotky; Hlasové rádiá UHF na komunikáciu vzduch-vzduch a zem-vzduch; VF rádia s dlhým dosahom pre lode a pozemné jednotky; a širokopásmové rádio schopné prenášať dáta megabitovou rýchlosťou naprieč bojiskom. Avšak program JTRS bol v roku 2012 zastavený ^[ 19 ] americkou armádou, pretože rádiá vyrobené Boeingom mali 75% poruchovosť.
Google Home, Google Wi-Fi a Google OnHub podporujú sieť Wi-Fi mesh. ^[ 20 ]
Na vidieku v Katalánsku bol Guifi.net vyvinutý v roku 2004 ako odpoveď na nedostatok širokopásmového internetu, kde komerční poskytovatelia internetu neposkytovali pripojenie alebo boli veľmi slabé. V súčasnosti s viac ako 30 000 uzlami je to len polovica plne prepojenej siete , ale na základe dohody peer to peer zostala otvorenou, slobodnou a neutrálnou sieťou s rozsiahlou redundanciou.
V roku 2004 inžinieri TRW Inc. z Carsonu v Kalifornii úspešne otestovali viacuzlovú sieťovú bezdrôtovú sieť využívajúcu 802.11a/b/g rádiá na niekoľkých vysokorýchlostných prenosných počítačoch so systémom Linux, s novými funkciami, ako je priorita trasy a schopnosť predchádzania. priority triedy prevádzkových služieb počas plánovania a smerovania paketov a kvalita služby. ^[ 21 ] Ich práca dospela k záveru, že rýchlosť prenosu dát môže byť výrazne zvýšená pomocou technológie MIMO na rádiovom frontende, aby sa poskytli viaceré priestorové cesty.
Digitálne rádiá Zigbee sú súčasťou niektorých spotrebných zariadení vrátane zariadení napájaných z batérie. Zigbee rádiá spontánne organizujú sieťovú sieť pomocou špecifických smerovacích algoritmov; vysielanie a príjem sú synchronizované. To znamená, že rádiá môžu byť väčšinu času vypnuté, a tým šetriť energiu. Zigbee je pre scenáre aplikácií s nízkou spotrebou energie a nízkou šírkou pásma.
Thread je spotrebiteľský bezdrôtový sieťový protokol postavený na otvorených štandardoch a protokoloch IPv6/6LoWPAN. Medzi vlastnosti Thread patrí bezpečná a spoľahlivá mesh sieť bez jediného bodu zlyhania, jednoduché pripojenie a nízka spotreba energie. Vláknové siete sa ľahko nastavujú a sú bezpečné na použitie so šifrovaním bankovej triedy, aby sa uzavreli bezpečnostné diery, ktoré existujú v iných bezdrôtových protokoloch. V roku 2014 Nest Labs spoločnosti Google Inc oznámilo vytvorenie pracovnej skupiny so spoločnosťami Samsung , ARM Holdings , Freescale , Silicon Labs , Big Ass Fans a zámkovou spoločnosťou Yale na propagáciu Thread.
Začiatkom roku 2007 uviedla americká firma Meraki na trh mini bezdrôtový mesh router. ^[ 22 ] Rádio 802.11 v Meraki Mini bolo optimalizované pre komunikáciu na veľké vzdialenosti a poskytuje pokrytie viac ako 250 metrov. Na rozdiel od multi-rádiových sietí typu mesh s dlhým dosahom s topológiami založenými na stromoch a ich výhodami v smerovaní O(n) mal Maraki iba jedno rádio, ktoré používalo na klientsky prístup aj backhaul prevádzku. ^[ 23 ] V roku 2012 získala Meraki spoločnosť Cisco.
Námorná postgraduálna škola , Monterey CA, demonštrovala takéto bezdrôtové siete pre bezpečnosť hraníc. ^[ 24 ] V pilotnom systéme letecké kamery držané vo vzduchu balónmi prenášali video s vysokým rozlíšením v reálnom čase pozemnému personálu cez sieťovú sieť.
SPAWAR , divízia amerického námorníctva, vytvára prototyp a testuje škálovateľnú, bezpečnú sieťovú sieť odolnú voči narušeniu ^[ 25 ] na ochranu strategických vojenských prostriedkov, stacionárnych aj mobilných. Aplikácie ovládajúce stroj, bežiace na mesh uzloch, "prevezmú kontrolu", keď sa stratí pripojenie k internetu. Príklady použitia zahŕňajú internet vecí, napr. roje inteligentných dronov.
Projekt MIT Media Lab vyvinul laptop XO-1 alebo „OLPC“ ( jeden notebook na dieťa ), ktorý je určený pre znevýhodnené školy v rozvojových krajinách a využíva sieťové siete (založené na štandarde IEEE 802.11s ) na vytvorenie robustného a lacného. infraštruktúry. ^[ 26 ] Okamžité pripojenia vytvorené prenosnými počítačmi sú v projekte vyhlásené za účelom zníženia potreby externej infraštruktúry, akou je internet, na dosiahnutie všetkých oblastí, pretože pripojený uzol by mohol zdieľať spojenie s uzlami v okolí. Podobný koncept implementoval aj Greenpacket so svojou aplikáciou s názvom SONbuddy. ^[ 27 ]
V Cambridge v Spojenom kráľovstve sa 3. júna 2006 na „ Jahodovom veľtrhu “ použila sieťová sieť na prevádzkovanie živej mobilnej televízie, rádia a internetových služieb pre odhadom 80 000 ľudí. ^[ 28 ]
Broadband-Hamnet, ^[ 29 ] sieťový sieťový projekt používaný v amatérskom rádiu, je „vysokorýchlostná, sebaobjavujúca, samokonfigurujúca, chybám odolná, bezdrôtová počítačová sieť“ s veľmi nízkou spotrebou energie a zameraná na núdzovú komunikáciu. . ^[ 30 ]
Projekt Champaign-Urbana Community Wireless Network (CUWiN) vyvíja sieťový sieťový softvér založený na implementácii open source protokolu Hazy-Sighted Link State Routing Protocol a metriky Expected Transmission Count . Okrem toho skupina Wireless Networking Group ^[ 31 ] na University of Illinois v Urbane-Champaign vyvíja viackanálové, viacrádiové bezdrôtové testovacie zariadenie s názvom Net-X ako dôkaz implementácie koncepcie niektorých viackanálových protokolov vyvíjaných v tejto oblasti. skupina. Implementácie sú založené na architektúre, ktorá umožňuje niektorým rádiám prepínať kanály na udržanie sieťovej konektivity a zahŕňa protokoly na prideľovanie a smerovanie kanálov. ^[ 32 ]
FabFi je open source mestský bezdrôtový sieťový systém pôvodne vyvinutý v roku 2009 v Jalalabade v Afganistane na poskytovanie vysokorýchlostného internetu častiam mesta a navrhnutý pre vysoký výkon naprieč viacerými skokmi. Je to lacný rámec na zdieľanie bezdrôtového internetu od centrálneho poskytovateľa v rámci mesta alebo mesta. Druhá väčšia implementácia nasledovala o rok neskôr v blízkosti Nairobi v Keni s modelom platenia freemium na podporu rastu siete. Oba projekty realizovali používatelia Fablabu v príslušných mestách.
SMesh je 802.11 multi-hop bezdrôtová mesh sieť vyvinutá Laboratóriom distribuovaných systémov a sietí na Univerzite Johna Hopkinsa . ^[ 33 ] Schéma rýchleho odovzdávania umožňuje mobilným klientom roaming v sieti bez prerušenia konektivity, čo je funkcia vhodná pre aplikácie v reálnom čase, ako je VoIP .
Mnoho mesh sietí funguje vo viacerých rádiových pásmach. Napríklad siete Firetide a Wave Relay mesh majú možnosť komunikovať medzi uzlom na 5,2 GHz alebo 5,8 GHz, ale komunikovať medzi uzlom a klientom na 2,4 GHz (802.11). To sa dosiahne pomocou softvérovo definovaného rádia (SDR).
Projekt SolarMESH skúmal potenciál napájania mesh sietí založených na 802.11 pomocou solárnej energie a nabíjateľných batérií. ^[ 34 ] Staršie prístupové body 802.11 sa ukázali ako nedostatočné z dôvodu požiadavky, aby boli nepretržite napájané. ^[ 35 ] Snahy o štandardizáciu IEEE 802.11s zvažujú možnosti úspory energie, ale aplikácie so solárnym pohonom môžu zahŕňať jednotlivé rádiové uzly, kde nebude možné použiť úsporu energie prostredníctvom reléového spojenia.
Projekt WING ^[ 36 ] (sponzorovaný talianskym ministerstvom pre univerzitu a výskum a vedený spoločnosťami CREATE-NET a Technion) vyvinul súbor nových algoritmov a protokolov na umožnenie bezdrôtových mesh sietí ako štandardnej prístupovej architektúry pre internet ďalšej generácie. Osobitná pozornosť sa venovala rušeniu a priraďovaniu kanálov s ohľadom na prevádzku, podpore viacerých rádií/multi rozhraní a oportunistickému plánovaniu a agregácii prevádzky vo vysoko nestabilných prostrediach.
Technológia WiBACK Wireless Backhaul bola vyvinutá Fraunhoferovým inštitútom pre otvorené komunikačné systémy (FOKUS) v Berlíne. Siete, ktoré sú poháňané solárnymi článkami a sú navrhnuté tak, aby podporovali všetky existujúce bezdrôtové technológie, majú byť v lete 2012 spustené do niekoľkých krajín subsaharskej Afriky. ^[ 37 ]
Nedávne štandardy pre káblovú komunikáciu tiež začlenili koncepty Mesh Networking. Príkladom je ITU-T G.hn , štandard, ktorý špecifikuje vysokorýchlostnú (až 1 Gbit/s) lokálnu sieť využívajúcu existujúce domáce rozvody ( elektrické vedenia , telefónne linky a koaxiálne káble ). V hlučných prostrediach, ako sú elektrické vedenia (kde môžu byť signály silne zoslabené a narušené šumom), je bežné, že vzájomná viditeľnosť medzi zariadeniami v sieti nie je úplná. V týchto situáciách musí jeden z uzlov fungovať ako prenosový a posielať správy medzi tými uzlami, ktoré nemôžu komunikovať priamo, čím efektívne vytvára „prenosovú“ sieť. V G.hn sa prenos vykonáva na vrstve dátového spojenia .

Prihlásenie k vášmu účtu