网状网技术提高无线网络性能

2019-11-03 19:23:24

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供稿：网友

Warren Webb
　　随着无线网络日益受到欢迎，用户需要更高的带宽、更大的覆盖范围和更好的可靠性。标准的“点到点”或“点到多点”技术，比如 802.11 和蓝牙，都是短距离、直视条件下 (line-of-sight) 的无线网络，有着固有的局限性。随着额外节点加入网络并分享接入点数据流，这些网络的带宽会逐渐降低。由于链路噪声和传输错误，带宽还会随着距离增加而降低。多数标准的无线网络在其有效距离内具有“盲区” (dead spot)，这些点呈现出较低的信号质量，这是由于干扰物体或较低的信号强度的缘故。单个故障就可以轻易使整个网络瘫痪。设计者们正在尝试使用网状网（mesh network）技术来克服许多此类缺点，同时把无线覆盖范围延伸到整个社区或城区。

　　无线网状网是低功率的多级跳点 (multihop) 系统，它们处理消息的方式是把信息包从一个节点传递到另一个节点，直到信息包到达目的地。点到点网络节点过滤掉所有信息包，只留下自己的信息包，与此不同的是，网状网节点接收要传给其它节点的信息包，并把它们再次传送出去。多跳网络运行方式很象因特网，并提供从源头到目的地的多条冗余通信路径。如果一条路径由于硬件故障或干扰而停止工作，网状网会自动改变信息包的路由，使它们穿过一条替代路径。图 1a 是一张示意图，表示一个传统的点到多点网络，它配有一个基站或接入点，它们与多个用户节点通信。图 1b 显示了一个网状网，在任意两个节点之间具有多条连接路径。

　　与传统的点到点网络相比，网状网技术的主要优势之一是每个节点所需的功率大大降低。一个多跳网络节点只需要足够的发射功率就可以到达相邻节点；单跳节点必须承担最大规定距离。在分布式传感器网络等某些应用中，各个节点可以靠得很近，从而使发射器功率极低，电池寿命很长。

　　低功率节点还有效地增加了总数据容量和网络带宽。当一个单跳网络中的两个设备试图同时发射时，争用协议会均分数据容量，因而给予每个设备一部分可用带宽。由于网状网中的各个节点功率很低，因此位于网络不同部分的设备实际上可以在同一频率同时发射，而不产生干扰。频谱的这种复用提高了网络的空间容量。

　　节点之间的较短距离还带来了更高的网络带宽。在任何固定功率级别射频发射中，噪声导致的接收错误会随着发射器和接收器之间距离的增加而增加。多数联网协议使用若干可变纠错方案，它们牺牲了带宽以便在较高的噪声级连续运行。网状网消除了这个问题，因为它在多条短距离无噪声数据路径上发射，而不是在一次大的、具有潜在噪声的跳跃。

　　冗余路径

　　网状网的另一个明显优点是冗余路径，与单跳网络相比，它们带来了更高的可靠性和数据速率。临时的本地干扰，比如另一个无线电信号或一个减弱信号的物体，可能会阻止或降低传统网络中的数据速率；而网状网技术只是简单地通过一条未受影响的替代路径发送数据。同样，任何一个网状网节点中的硬件故障不会使网状网完全失效。网状网技术的冗余还提高了有效带宽，这是因为多个数据流可以同时传输。例如，家庭联网环境可以把视频数据流从客厅的 DVD 播放器传输到卧室的电视机，同时把音频数据流从家用电脑传输到游泳池边的便携式 MP3 播放器。

　　虽然网状网技术有这么多优点，但网络专家们担心多跳环境中的安全问题。例如，在一个包括多个电脑系统的无线网状网中，安全的数据可能在到达目的地之前通过多个未授权节点。这种数据暴露可能需要复杂的加密或节点认证来防止泄密。网状网还可能为黑客提供机会，来替换错误的路由信息或引入未授权的流量。当你使用网状网技术来跨越校园或社区等宽广区域时，这些安全问题会变得更明显。

　　在部署某个新的多跳系统之前，潜在的网状网用户和开发者有多项需要定义和实现的硬件要求和软件要求。例如，网状网节点收发器的功率应该很低，以便允许频谱在网络其它部分的复用。虽然一些有趣的工作正在低功率节点中进行，但多数开发者选择以 802.11 等现有广泛可用的硬件开始，并创建软件协议来启用多跳系统。

　　网状网代表了低成本、高带宽技术，用于提供“最后一公里”即社区级通信基础设施。例如，网状网在安装于灯柱、建筑物、车辆和最终用户设备上的节点之间使用多跳路由，来为用户提供全社区范围的因特网接入。其网状架构支持固定宽带连接和移动宽带连接，这是由于它结合了一种自组 (ad hoc) 对等路由技术和一种专有的 QDMA（正交分割多址）无线电协议。QDMA 无线电技术使用直接序列扩展频谱，工作于 2.4GHz ISM（工业、科学及医疗）频带。当你向网络添加设备或从网络中取出设备时，MeshNetworks 公司的软件可以发现和共享路由信息，并重新配置数据路径。MeshNetworks 公司把其技术提供给 OEM 们，提供形式为 ASIC 芯片，它配有内置路由技术、QoS（服务质量）管理和精确定位技术。除了硅芯片以外，MeshNetworks 公司还提供 PCMCIA 形式的无线调制解调器卡和固定位置路由器。MWR-6300 是一种安装于灯柱的路由器，用于在客户端数量增加时，保证大面积地域、校园或建筑物内部应用中的无线覆盖范围。

　　免费的网状网软件

　　LocustWorld 公司提供一种免费的软件包，来帮助实现覆盖社区的网状网。该公司的 MeshAP 是一个开放源代码软件项目，运行于 linux 操作系统，并可以把任何兼容 x86 的 PC 转变为网状网客户端、转发器、网关和接入点。LocustWorld MeshAP 提供远程管理算法、安全算法和接入算法，来支持各种网状网路由功能。在相邻节点建立通信时，它会通过签名的数字证书来核实对方节点的身份。然后，它会设置一个 2048 比特、密钥加密的数据流。该软件包括多种功能，使操作者可以决定他们允许哪些人进入网络。授权用户可以是为永久服务付费的用户，也可以是临时用户，后者用一种提供固定长度联机时间的票进行登录。该程序还为每名用户维护带宽概要，以便在网络上分配数据配额和优先权。当用户消耗因特网带宽时，他们会用尽自己的配额，而当他们消耗配额时，他们的优先权会下降。这样，新用户可以获得比那些一直在占用服务的用户更高的优先权，而公平份额是由可用带宽资源组成的。一旦用户超过了自己的配额，该用户不会被禁止访问，但他将不再能够获得对服务的优先访问。为了简化网状网设置，LocustWorld 公司还提供咨询服务和硬件，比如 400 美元的 MeshBox，这是一种专用路由设备，预先装载了 MeshAP 软件。

　　Tropos Networks 公司提供一种宽带蜂窝 Wi-Fi 网状联网系统，它为电信运营商、网络运营商和服务提供商们实现城市级宽带无线数据覆盖提供了方便。它的无线网状网系统使居民和游客能够从服务区的任何地方访问因特网，只要他们拥有配备标准 Wi-Fi 网络连接的客户端设备。嵌入于每个 Wi-Fi 单元中的网络操作系统提供了关键的智能。它实现了网状网技术的自我组织和自我复原。当提供商增加新单元时，自动发现和最优路径选择会无缝地把它们集成到网络中。服务提供商们通过在网络中的任何地方简单地连接更多的有线回程链路，就能够扩大总容量。Tropos Networks 公司提供室内和室外 Wi-Fi 单元设备，以及操作系统和网络管理软件。目前有多种蜂窝 Wi-Fi 系统、服务和支持选项，一般情况下，成本约为每平方公里 7722 至 19305 美元，这取决于地理状况和射频环境。

　　最初的一些网状网研究的资金来源于军事应用，并用于支持军事应用。例如，战场上的移动网络需要很高的数据速率、很低的被检出概率和防止人为干扰的能力。Mitre 公司一直在从事移动网状网方面的工作，这种网络是一种开放源代码的自组网络系统，它使用户能够在无线环境中交换信息，无需固定式基础设施。每个用户都可以一边自由移动，一边互相通信。任何两名用户之间的通信路径都可以穿越多条无线链路，并且无线电设备可以是不同类型的，从而使不同类型的链路能够成为同一自组网络的一部分。由于节点是移动的，因此拓扑结构是动态的，并且网络必须不断扫描链路和构建通信路径。在自组网络内部，每个节点都作为路由器，并为其它节点转发信息包。Mitre 公司为某个网页提供主机，你可以从该网页下载移动网状网软件，地址是www.mitre.org/work/tech_transfer/mobilemesh/index.html。

　　图1, 传统无线网络基于星形拓扑结构，是单跳点的通讯，易受局部RF的干扰（a）；网状网拓扑结构中的每个节点都可直接与相近的节点通讯，自动选择路径并分送数据(b)。

　　随时随地的互连

　　网状网可以从英特尔公司的一项新的射频计划获得长期推动力。"Radio Free Intel" 是该公司的远景规划，是把低成本无线电功能集成到它制造的每件硅产品中。这些无线电设备将形成通信与计算汇聚的技术基础。该公司的远景规划是把通信功能从今天的 PDA、笔记本电脑和手机延伸到消费电子产品、家电、家具、甚至服装。英特尔公司还与加利福尼亚大学伯克利分校合作，研究一种特殊类型的网状网。在 Intel Research Berkeley Lab 进行的初期工作已经生产出了小型传感器节点，它们可以组成自我配置、低成本的自适应网络。该公司把硅技术方面的进步与通信网络研究结合起来，使数千个称为微粒 (mote) 的微型嵌入式传感器件能够自行固定和无线连接，同时耗用极低的功率。

　　Crossbow Technology 公司扩大了微粒方面的工作，它提供一系列传感器和工具，它们使人们能够迅速开发无线传感器网络，用于监视和检测各种目标，比如敌军人员或化学武器威胁。Crossbow Technology 公司正在与加利福尼亚大学伯克利分校计算机科学系的研究人员协作，生产 Mica 系列。Mica 架构包括多种传感器模块和无线通信处理器模块。Mica 能够检测超轻微的振动、噪声和磁干扰，以及常规的光、温度和邻近度。它还包括一种传感器接口端口，它使系统能够包含化学传感器、生物传感器和其它专门的传感器。处理器模块运行一种非常小的操作系统，称为 TinyOS，并与其它 Mica 传感器节点或某个无线电基站双向通信。Crossbow 公司已经开发了几代 Mica 系列，包括硬币大小的 MICA2DOT（图2）。结合一些模块就可以制造出监视系统，这些模块成本为 150 至 300 美元，这取决于传感器类型和批量。

　　图2, Crossbow Technology公司提供一种无线网状网传感器单元，用于检测振动、磁扰、光线、温度和距离等参数

　　与此类似，Ember 公司为 OEM 和系统集成商们提供无线电芯片、网状联网软件和支持工具，用于传感应用和控制应用。EmberNet PRotocol Stack 包括自我复原、网状路由和发现软件，以及发表服务和订阅服务。该堆栈只需要 20KB 程序存储器和 4KB 的RAM，包括信息包缓存。利用 EmberNet API，开发者们能够管理加密密钥和加密方式，并能够打开或关闭加密。有些客户担心严酷的射频环境中的干扰，对于这些客户，Ember 公司提供几种无线电选项，包括若干扩展频谱模块，它们工作于无需许可证的 ISM 频带。Ember 公司还提供一种评估工具包，用于演示这些无线电芯片和 EmberNet 嵌入式联网软件的性能。该工具包中包括硬件样本、若干应用和一种基于 PC 的评价平台。这种价格为 4950 美元的 EM1020 评估工具包包括 12 个即插即用、电池供电的网状网节点、网络管理软件和若干应用样本。

　　与传统的固定基础设施无线网络相比，网状网技术为网络用户提供了更大的覆盖范围、更高的吞吐率和更好的故障恢复性能。虽然使安全流量流过相邻节点会带来潜在威胁，但尖端的加密技术应该能提供必要的安全保障。网状联网简直就是因特网的微型版，具有因特网的所有优点和危险。预计这种多跳点技术会稳定发展。

　　***虽然使安全流量流过相邻节点会带来潜在威胁，但尖端的加密技术应该能提供必要的安全保障。网状联网简直就是因特网的微型版，具有因特网的所有优点和危险。

摘自赛迪网

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