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彻底消灭信号死角!简析无线Mesh网络技术

新闻 bingge 2017-05-15 449 次浏览 个评论

2017-5-15 17:02:08来源:微型计算机作者:-


随着网络技术的发展,传统局域网的星型结构、环型结构、总线结构、分布式结构、树型结构等都在各个领域发挥作用,为人们提供了稳定的网络连接和大量数据流量。不过,有这样一种局域网技术,它诞生得很早,却由于结构复杂,并没有得到人们的重视。可是随着无线网络技术的发展,人们又重新看到了它的优点,这种网络就是Mesh网络,被称为网状网络结构。今天,我们就一起来了解它的秘密。

网络技术的发展带给人类社会巨大的变化,它让人们的沟通变得轻松,信息传递更加便捷,甚至促成了技术革命和产业升级。网络从早期的有线网、军用网发展到现在的无线网、广域网,大幅降低了人们之间的交流成本,从瞬间知晓天下事到全球买卖、交易,真正意义上实现了全球信息交流的平等。不过传统的局域网技术在发展过程由于技术限制所选择的道路,在今天看起来存在着一定的瓶颈和局限,而解决这个问题的方法,就是“回到初心”,重新走向Mesh网络,也就是网状网络结构。

已面临瓶颈的传统局域网结构

局域网的基本结构包括星型结构、环型结构、总线结构、分布式结构、树型结构等。比如最常见的星型结构是以中央节点作为核心,其他节点都连接至中央节点上,这种结构的成本较高、可靠性较低,但是其延迟小、结构简单便于管理。总线型结构则是各个网络设备都挂接在一条总线上,没有明显的中心,优点是结构简单、可扩展性好,但是缺点同样明显,比如维护困难、分支结构故障查找困难。为了在使用中更安全、更高效,目前绝大部分运行中的商用局域网都采用多种网络拓扑模式组合的方式,尽可能发挥局域网的性能并避免阻碍的产生。

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▲几种常见的网络拓扑结构

对普通用户来说,我们一般不会去关心联通或者电信的机房应该怎么布置,能最直接接触到的局域网就是家庭、单位甚至小区的网络布置了。目前典型的局域网布置都采用星型结构或者多层星型结构,网络通过主路由器接入,再分配至各个分路由器,最后连接至不同的主机和设备上。这样的布线实现起来比较简单,并且所需的线缆数量也比较少。这样的布置方式和布置思想横跨了有线和无线时代,比如在家庭中,用户会从电信、联通等网络服务商处接入网络,再通过无线路由器转出多路信号或者无线信号供家中的多个有线、无线设备使用,这也是一个典型的星形结构。

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▲一般家庭都是通过电信运营商提供的网络端口,连接路由器后再将网络分享给各种设备。

从上文可以看出,传统局域网的连接方式主要是利用核心节点执行数据中心和网络中心的作用,周围设备的连接基本上是通过核心节点引出。这种方法布置成本低、效率较高,同时对核心节点本身的可靠性和稳定性有着极高的要求。从历史角度来看,星型结构最大的优势是在有线局域网时代。由于存在物理网线,因此在组网时考虑到它所带来的限制,就需要使用尽可能少的网线去连接尽可能多的设备,同时又要保证数据传输的稳定和高效率。

在这种条件下,星型结构就以其布线方便、可靠性高的特点成为应用最广的物理拓扑结构。不仅如此,从宏观角度来看,我国设置了多个网络核心节点,这些节点城市往往拥有高等级的数据中心,用于向节点城市周围的一大片地区提供网络连接,依旧需要数据中心的维持。因此在较高层面上,传统局域网会布置多个节点备用或者互相替代,避免一个节点有问题时造成网络拥堵甚至网络断线等问题。

星型结构、总线型结构等局域网拓扑结构的发展,带来了互联网的大爆发,但是其固有的缺陷却一直无法避免,比如数据中心的安全性和可靠性、总线型布置维护难度等。虽然技术人员已经通过各种手段加强了传统局域网结构,甚至使用了复合拓扑结构,但由于固有的问题没有得到解决,人们的体验依旧难以得到保证。

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▲有线网络最头疼的问题之一就是布线了,图为网络机房的标准化布线。

比如一些公众机构提供的免费Wi-Fi在很多情况下是有名无实的,机场、酒店的免费Wi-Fi虽然可以连接得上,但是连接后的速度却普遍不够理想。还有诸如家庭局域网,如果有四五个设备同时在线,一个在高速下载数据,另外的用户在线打游戏的话,就会互相影响,打游戏的用户会感觉到卡顿和延迟,极为影响使用体验。扩大一些来说,诸如网络节点城市、节点服务器等,一旦出现问题也容易导致大片区域的网络受到影响。

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▲公共场合的无线Wi-Fi安全性暂且不说,速度和效率一直都很成问题。

在这种情况下,一种传统的、教科书上提及但不多做介绍的网络拓扑结构就走上了前台,这就是Mesh—网状网络结构。

无线Mesh网络:优点相当突出

说起Mesh这个单词,英文含义非常简单,就是网、网格、网状物。从它的基本定义来讲,网状网络的拓扑结构是:网络中所有的节点都互相连接,并且每一个节点至少连接其他两个节点,所有的节点之间形成一个整体的网络。在有线时代,由于网线的存在,要实现Mesh布局的网络显得非常困难。不过在无线时代,由于脱离了网线的羁绊,再通过各种全新技术的应用,无线Mesh网络的布局就显得相对容易了。

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▲无线MESH网络本身可以采用多种无线通讯模式,并且布线和使用都显得非常方便。

从网络拓扑结构来看,无线Mesh网络的特点是:局域网中所有的节点都是连接在一起的,任意两个节点之间拥有多条连接通道,并且呈现出明显的去中心化态势。从应用的角度来看,无线Mesh网络的优势也是非常明显的:

部署速度快,安装简单

无线Mesh网络的部署速度快、安装难度低。由于通过无线方式传输数据,用户只要将设备从包装盒中取出并连上电源后,进入配置页面即可。这是因为在无线Mesh网络中,除了少部分节点设备需要网线和AP连接外,绝大部分设备都只需要一根电源线,不需要和AP连接,所有数据都是无线传输的。这样一来,不但大大节约了连接速度,还降低了有线布局的难度,非常方便。

值得一提的是,无线Mesh网络中的节点设备既是数据接收端,也是数据发送端,因此需要用户在配置网络时给出符合无线Mesh网络的相应参数,其设置难度很低,和我们平时配置Wi-Fi难度相当,没有太多复杂的设置。

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▲无线Mesh网络中的节点设备既是数据接收端,也是数据发送端。

无线Mesh网络的健壮性表现出色

我们知道,目前常见的局域网中,所有的数据都接入到单一的AP中进行收发。在一个局域网中,如果存在一个中心AP的话,由于数据传输的道路只有一条,因此在实际使用中很容易造成数据堵塞或者失效(比如AP连接断开或者设备损坏等)。但是在无线Mesh网络中,由于其多跳网络的特性,一个节点可以连接至少两个其他的节点,当某一个节点堵塞或者无响应时,无线Mesh网络可以根据情况选择其他的节点进行数据转播。换句话来说,就是无线Mesh网络拥有至少一条备用路径,因此在数据传输的可靠性上非常高。

非视距传输

无线Mesh网络的另一个特点是能够提供非视距传输。所谓非视距传输,是指在对原始信号覆盖范围外的区域提供传输功能。这也很好理解,因为每一个节点都拥有同时接收和发送的特性,相当于在一定程度上扩大了网络的覆盖范围。举例来说,传统的网络只有一个数据发送节点,就是连接AP的中心节点,在中心节点覆盖范围内,数据发送和传输是有效的,但是距离变远之后就无效了。

在无线Mesh网络中,每一个节点都相当于一个中继器,相当于扩大了数据覆盖的范围,能够为连接AP的节点视距之外的用户提供网络,大幅度提高了无线网络的应用领域和覆盖范围。

结构灵活

其实结构灵活这一点和健壮性是有关联的。即使不存在数据堵塞或者节点失效等情况,当无线Mesh网络中两个节点之间需要传递数据时,节点可以根据连接情况和响应情况,自动选择响应时间最快、传输速度最高的转发路径,避免了节点通信堵塞。甚至对一些拥有极高权限的节点来说,可以同时选择多个节点并发传输数据至多个目标,大大节约了数据传输时间,提高了效率。

高带宽

带宽永远是一个难以解决的问题。因为无线通讯的特性所致,只有传输距离较短的时候,带宽才容易提升。但是数据的传输距离又和信号强弱紧密相关,而传统的单中心方式覆盖面积是有限的。由于无线Mesh网络非视距传输的特性,信号覆盖更好、强度更高,更容易实现总带宽的提升。另外,同样是由于节点中继的作用,无线Mesh网络信号覆盖出色,因此传输所需功率降低,对节能也有一定帮助。

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▲无线Mesh网络的信号覆盖范围有大幅提升

上述五点,是无线Mesh网络所拥有的非常重要的优势。那么,如何配备无线Mesh网络呢?在技术上还有哪些难点需要解决呢?

无线Mesh网络有哪些用武之地

从上面的介绍不难看出,无线Mesh网络的优点非常突出,它能解决目前常见的星型结构局域网、总线结构局域网的问题,还能拓展出更多涉及安全性、稳定性和高带宽等方面的功能。如果能应用到新的无线网络产品上,有望引领网络技术的进一步发展,实现更高的传输速度、更广泛的信号覆盖。

虽然理论总是看起来很美好,但是对无线Mesh网络的节点来说,同时具有收发数据的能力,并且还要在复杂的无线信号环境下实现高速传递数据,恐怕并不是那么容易的。为此,无线Mesh网络的发展还少不了一些创新的关键性技术,包括智能天线技术、多址接入技术、路由技术和无线交换技术等。

所谓智能天线技术,是指无线Mesh网络的节点天线能够根据周围的情况,在软件调节下自动控制发射的波束方向,使得无线电波能够指向节点或者设备,最大限度提高信号强度、增强传输速率。不仅如此,智能天线还能自动探测周围的节点变化,重新调整波束方向。多址接入技术的主要作用是可以平衡多个用户对通信资源的需求。路由技术可以自动探测网络拓扑结构,不断调整以适应网络变化。这些新技术的应用能够使得无线Mesh网络突破技术瓶颈,实现节点功能。

在应用方面,无线Mesh网络由于其优秀的特性,有望广泛应用在诸如学校、医院、商场、游乐场所、企业和家庭中。举例来说,在医院、学校、商场和游乐场这样人流量大的地方,为了提供较好的无线覆盖,传统做法是增加AP的数量和密度,尽可能提高覆盖率。对医院等有着特殊需求的应用场景来说,还得考虑电磁辐射和复杂的建筑物问题,并且要求极为稳定、高效率的网络支持医疗过程(如果网络不稳定有可能带来灾难性后果)。

对学校来说,考虑到学生对影音视频文件的敏感以及学生的潮汐性现象,单纯增加AP数量和密度的投入成本非常高昂。对景区来说,偏远场所提供AP接入成本也挺高。因此对于上述应用来说,无线Mesh网络会是一个兼顾各方面优点的解决方案。

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▲学校的免费Wi-Fi如果采用传统AP方式的话,不但会面临带宽不够的问题,还有很大几率遇到潮汐现象。

比如医院,可以通过无线Mesh网络在需要的地区加强网络布置,或者根据需要移动现有的Mesh节点,无线Mesh网络极强的安全性和稳定性也能适应医院对网络的需求。对景区来说,在一些比较偏远的景点,可以通过无线Mesh网络接力的方式实现全程覆盖。对学校来说,无线Mesh网络能够非常好地应对带宽问题和学生在教室、寝室、食堂、图书馆等地方移动带来的潮汐现象。

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▲医院往往会承担远程网络手术的工作,如果Wi-Fi在这个时候出了问题就会很麻烦,无线Mesh网络就能很好地解决这些问题。

有哪些应用无线Mesh网络技术的设备

既然无线Mesh网络这么有发展前途,是不是很多企业已经开始推广相关产品了呢?没错。从2016年开始,有厂商就开始瞄准无线Mesh网络领域发力了,谷歌、华硕和一些新创公司如Eero、Ignition Labs等都已曝光或发布了自家应用无线Mesh网络技术的网络设备,一起来看看吧!

Google Wifi是谷歌在2016年10月的发布会上才推出的一款轻量级无线路由器产品,支持无线Mesh网络,一个产品的价格折合人民币约860元,不过需要三个组网才能享受到无线Mesh网络的便捷。根据谷歌的说法,三个Google Wifi可以无死角覆盖大约140平方米的房间。从外观上看,Google Wifi的设计走的是简约路线,通过采用USB-C线缆供电,接口只有一个以太网端口和一个连接其他设备的网口,所有的控制都通过智能手机进行。

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▲Google Wifi的所有设置都通过手机进行

除了谷歌外,华硕也曝光了自家的无线Mesh网络产品,名为HiveSpot和HiveDot,前者更贵一些,支持三频AC2134,后者则便宜一些,只支持双频AC1300。值得一提的是,HiveSopt内设7根智能天线,除了支持传统的802.11ac双频5GHz和2.4GHz频段之外,HiveSpot还隐藏第三个5GHz频段,用于在节点之间以867Mbps的高速通讯,进一步提高网速、加强性能。外观方面,华硕的这两款产品看起来颇为灵动,蓝色搭配白色的配色也显得很清爽。华硕称每个Mesh网络中可允许5个节点的存在,这样一来其信号足够覆盖相当大的面积了。

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▲华硕HiveSpot,同样是三个一起使用才能组成Mesh网络。

再来看看Eero的无线Mesh网络路由器,这款产品名字就叫Eero,三个一组使用,价格约3300元左右,能够覆盖家庭中几乎所有区域。外观方面,Eero也非常简洁,看不到凸起的天线,只要接驳电源和网线就可以开始工作。Eero在三个一起组网时支持175Mbps的网速,也基本可以满用户的需求了。

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▲Eero支持无线Mesh网络的Wi-Fi产品

无线Mesh网络的发展才刚刚开始

从上文的介绍可以看出,无线Mesh网络无论是技术还是原理,都要好过目前我们使用的无线技术。在覆盖面积、性能等关键性指标上,无线Mesh网络依靠先天的结构优势,带来了极好的网络覆盖效果。也正是由于看到了无线Mesh网络技术的发展前景,业内已有厂商开始推出此类产品,包括谷歌、华硕这样嗅觉灵敏的业内巨头。

不过从目前已曝光或发布的相关产品来看,其组建无线Mesh网络的代价还是比较大的,主要是对于家庭用户来说,一个路由器动辄八九百元,甚至数千元的价格着实不便宜。并且要体验无线Mesh网络的功能,还至少得三个起买,搭建成本自然就上去了。从产业发展的规律来看,应用某项新技术的产品出现之后,价格昂贵是可以接受的。对于用无线Mesh网络技术的产品来说,只要快速推广、解决大规模产能和商业化的问题,应该会以较快的速度走入千家万户。毕竟随着生活水平提升,有大房子的家庭也越来越多了,商场、地铁、学校等区域的布网需求也很大,无线Mesh网络正逢其时,其发展才刚刚开始。



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