MESH-сети: перспективы развития, возможные применения

Mesh (multi-hop) — сетевая топология, в которой беспроводные устройства объединяются многочисленными (часто избыточными) соединениями, вводимыми по стратегическим соображениям. Это определение достаточно хорошо соответствует функциям развертываемых сетей такого класса. Идея самоорганизующейся сети, имеющей децентрализованное управление и обладающей высокой степенью надежности, была предложена давно, но эффективная реализация подобной технологии стала возможной в результате быстрого развития беспроводных технологий.

Сети подобного класса широко применяются военными ведомствами разных стран для организации оперативной связи в тактических целях, например во время проведения анти-террористических операций, в зонах локальных военных конфликтов.

В последнее время получили распространение телекоммуникационные сети передачи данных, организованные в соответствии с топологией Mesh. Масштабы проектов увеличились до десятков тысяч точек доступа и сотен тысяч пользователей по всему миру. Мesh-сети предоставляют наиболее интересные решения, интегрирующие различные технологии беспроводного доступа. Возможность организации с помощью Mesh-топологии локальных (LAN) и городских (MAN) сетей, легко интегрируемых в глобальные сети (WAN), является положительным фактором для операторов связи, разворачивающих свои сети в мегаполисах [1].

Работа рекомендована к публикации Программным комитетом VIII Международной азиатской школы-семинара “Проблемы оптимизации сложных систем”.

Пользователь

BS

GSM, Wi-Fi, Wi-Max

BS

Router

Облако MESH-сети

GSM, Wi-Fi, Wi-Max

Сервер управления

Обобщенная топология Mesh-сети

ATC

Топология MESH-сетей основана на децентрализованной схеме организации связи между активными узлами сети. Узлы доступа, используемые в Мesh-сетях, не только предоставляют услуги абонентского доступа, но и выполняют функции маршрутизаторов (ретрансляторов) для других узлов той же сети. За счет этого появляется возможность создания больших зон покрытия сети с взаимозаменяемыми активными узлами, а также возможность масштабирования (в этом случае новые узлы добавляются в сеть автоматически). Обобщенная топология такой сети показана на рисунке.

Mesh-сеть имеет следующие возможности:

• —    создание зон сплошного информационного покрытия большой площади;

• —    масштабируемость сети (увеличение площади зоны покрытия и плотности информационного обеспечения) в режиме самоорганизации;

• —    использование беспроводных транспортных каналов (backhaul) для связи точек доступа в режиме “каждый с каждым”;

• —    устойчивость сети к потере отдельных элементов.

Мesh-сети строятся как совокупность кластеров. Территория покрытия разделяется на кластерные зоны, количество 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, 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-сети 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. Сеть способна к самовосстановлению и адаптации в условиях резких скачков трафика как внутри сети, так и на ее границах.

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). Вследствие этого существуют ограничения на количество точек доступа в одном кластере.

В настоящее время в стандарте 802.11 отсутствуют строгие спецификации по реализации Hand-over. Однако для обеспечения такого перехода предусмотрены специальные процедуры сканирования эфира и присоединения. Реализация Hand-over в сетях Wi-Fi может осуществляться различными способами, как правило, 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 описаны процедуры, позволяющие клиентскому устройству выбрать точку доступа, к которой следует подключиться перед разрывом текущего соединения.

Данное оборудование с поддержкой механизмов управления 802.11k обеспечивает переключение абонентского устройства на новую точку доступа за время не более 50 мс. Столь малая задержка не будет замечена пользователем, так как она в несколько раз меньше порога восприятия человека.

Одной из основных задач построения Mesh-сетей состоит в предоставлении полного спектра услуг мобильной и фиксированной связи абоненту без изменения его личного “единого” сетевого номера. В данном случае одной из главных задач является организация межсетевого роуминга для абонента в различных сетях без потери качества предоставляемых услуг, имеющих приемлемую стоимость. При этом важную роль играют QoS и соглашения SLA между сетью и пользователем услуг.

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.

В дальнейшем в спецификации 802.11s будет описана процедура объединения сетей, в том числе сетей различного типа. Создание крупных сетей 802.11s позволит устранить проблему перехода между сетями Wi-Fi, развернутыми в различных городах.

Обеспечение мультисервисности предполагает организацию для клиента полного спектра телекоммуникационных услуг. Стандарт IEEE 802.11e позволяет при сохранении полной совместимости с действующими стандартами 802.11а/b/g расширить функциональность за счет обслуживания потоковых данных в реальном режиме времени, а также предоставить гарантированное качество услуг QoS. Механизм основан на методах приоритезации трафика и предполагает организацию контроля полосы пропускания по группам пользователей и типам сетевого трафика [2].

Вопросы безопасности Мesh-сети являются весьма актуальными. Широко применяемый в настоящее время стандарт шифрования (wired equivalent privacy (WEP)) является несовер- шенным, поэтому принятие стандарта 802.11i (WPA2) сделает 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, например TKIP (temporal key integrity protocol), WRAP (wireless robust authenticated protocol) и CCMP (counter with cipher block chaining message authentication code protocol). Эти стандарты позволяют достаточно надежно защищать каналы сети от несанкционированного доступа.

На данном этапе представляет интерес интеграция существующих GSM-сетей и Мesh-сетей. В этом направлении ведется работа по созданию универсального механизма Hand-over. Такие компании, как Motorola, Avaya и Pro-xim, разработали универсальные беспроводные устройства и создали форум SCCAN (seamless converged communication across networks), уже одобренный IEEE. Альянс SCCAN занимается разработкой спецификаций взаимодействия между мобильными устройствами, способными работать как в Mesh-сетях, так и в сетях GSM.

Учитывая преимущества Wi-Max и сетей LTE, следует ожидать, что при создании Mesh-сетей этот стандарт будет активно конкурировать с Wi-Fi, но не ранее появления дешевых абонентских устройств. При этом вряд ли произойдет полное замещение технологий вследствие ограничений Wi-Max на производительность (Мбит/с), заложенных в стандарт 802.16. В таких условиях неизбежны совместное существование и взаимная интеграция сетей [3, 4].

Усложнение Mesh-систем по мере увеличения их масштаба и необходимость объединения с альтернативными сетями (GSM, 3G, Wi-Max, LTE и т. д.) потребуют создания более сложных систем управления, основанных на централизованных унифицированных решениях.

Наибольшей эффективности такого рода сетей следует ожидать при реализации Мesh-сетей в масштабах города (MAN). Особенности организации и использования подобных сетей определяются социальной и коммерческой целесообразностью, при этом сети могут либо строиться только как корпоративные или абонентские, либо решать обе задачи одновременно.

Главная задача сетей абонентского доступа состоит в обеспечении доступа пользователей к ресурсам сети Интернет и организации мобильной телефонии. Особенностью таких сетей является, как правило, высокая плотность установки точек доступа (порядка 10–15 точек/км ² ) . В значительной степени этот параметр определяется низкой выходной мощностью клиентских устройств (Wi-Fi-адаптеры, телефоны), высокой плотностью размещения абонентов (и, следовательно, необходимостью обеспечивать высокую пропускную способность абонентского трафика), а также характеристиками чувствительности точек доступа. Развертывание подобных сетей становится выгодным при достаточно большом числе пользователей и в настоящее время определяется не техническими, а экономическими аспектами.

Ниже указаны основные проблемы, возникающие при создании Мesh-сетей:

• —    ограниченность частотного ресурса (частотные диапазоны 802.11 в крупнейших городах);

• —    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.

Mesh-топология позволяет реализовать уникальные по своим возможностям сети муниципального назначения, ориентированные на службы оперативного реагирования.

Основу сети составляют узловые и абонентские точки доступа, размещаемые на улице и организующие зоны информационного покрытия, в которых обеспечивается подключение абонентов со стандартным Wi-Fi-оборудованием. Дополнительно точки доступа могут использоваться для организации управления движением и сбора видеоинформации о текущей обстановке в городе. Подключение пользователей, расположенных внутри помещений, осуществляется стандартно с помощью маломощных точек доступа стандарта Wi-Fi.

Представляют интерес мобильные точки доступа, предназначенные для эксплуатации в автомобилях. Использование этих устройств не только увеличивает радиус действия между точками доступа до 800 ^ 1200 м, но и позволит организовывать Mesh-сети, реализующие различные сервисы, такие как:

• —    фактически самоорганизующаяся отказоустойчивая Mesh-сеть в пределах мегаполиса, обеспечивающая в часы пик пропуск больших объемов разнородного трафика;

• —    сеть, реализующая информационное покрытие в радиусе 300 м вокруг автомобиля для абонентов со стандартными Wi-Fi-адаптерами 802.1 1b/g, что позволит решить проблему абонентского доступа для водителей и абонентов, находящихся в зоне действия такой сети;

• —    сервис, реализующий функцию постоянного контроля положения автомобиля при использовании встроенного в точку доступа GPS-приемника;

• —    ряд других специализированных сервисов, например мониторинг окружающей среды, метеообстановки и т. д.

Применение мобильных точек доступа позволяет оперативно расширить зону покрытия или увеличить информационную емкость сети за счет концентрации автомобилей в разных частях города. Кроме того, самоорганизация Мesh-сети позволит в течение минимального промежутка времени, определяемого концентрацией автомобилей, оборудованных Mesh-точками доступа, создать зону Wi-Fi [4].

В настоящее время выпускается Mesh-оборудование как внешнего, так и внутреннего размещения. Внедрение новых спецификаций стандарта Wi-Fi (особенно 802.1 1n) обеспечивает существенное увеличение скорости передачи информации, что в полной мере может компенсировать недостатки стандарта (коллизии доступа, в наибольшей степени проявляющиеся в условиях высокой загруженности сети).

Проблемы инсталляции подобного рода систем, как правило, связаны с классическими задачами планирования частот. Для обеспечения гибкой работы такого класса сетей необходимо использовать динамическое присваивание несущих частот в зависимости от текущего состояния сети. Частоты смежных узлов должны быть разными, иначе неизбежны коллизии, ухудшение передающих характеристик сети, сбой синхронизации и маршрутизации, увеличение количества переприемов и в конечном счете выход сети из штатного рабочего режима.

Живучесть такой сети в условиях чрезвычайных ситуаций достаточно велика за счет динамической переконфигурации и перемаршрутизации трафика, а также вследствие наличия большого количества обходных и резервных путей для трафика внутри сети. Как правило, каждый узел такой сети имеет связность, равную двум и более, что позволяет повысить отказоустойчивость структуры сети в целом и оперативно решать поставленные задачи.

Важным аспектом Wireless Mesh-сетей, обусловливающим высокий потенциал этой технологии, является возможность быстро и недорого предоставлять мобильным пользователям широкополосные услуги. Стоимость развертывания Mesh-сети может быть значительно меньше стоимости традиционных проводных сетей, поскольку для этого не требуется наличия дорогостоящей инфраструктуры и прокладки кабелей. Кроме того, Mesh-сеть эффек- тивна при эксплуатации, поскольку, как отмечено выше, обладает способностью к самовосстановлению и самоадаптации.