无线MESH网络与WDS的异同

2020-12-21 15:05:50 vaico 7

前言

对于由MESH网络设备或者WDS(无线分布系统)网络设备所组成的无线局域网来说,二者在最终的表现形式上是近乎相同的:在一定区域内互相联通的无线网络,该网络在创建时无需将所有接入点都与基础有线设施连在一起。MESH网络或者WDS网络的基本优势之一就是避免了接入点之间的有线连接,比如需要将接入点安装在室外的体育场,停车场,或者企业园区内电杆上的场景中,无线网络设备可以替代有线电缆的使用。MESH网络或者WDS网络可以在这些情况下,发挥出其相比于有线网络所独有的优势。在最简单的组网结构中,可以使用二者之中的任何一个来创建双节点——即单点对单点的无线链路(低成本的点对点链路通常也正是这么实现的)。
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为了进一步讨论使用MESH网络设备组建的无线局域网与使用WDS网络设备桥接的无线局域网之间有何异同,我们首先需要讨论“路由”与“桥接”的区别,在此基础上再比较Mesh路由和WDS桥接就比较容易了。

路由和桥接

路由是属于计算机网络架构中第三层的概念,而桥接属于第二层。“路由”是网络互连设备所使用的一个专业术语,该互连设备可以接收数据分组,并基于数据分组的第3层目的地址进行递交转发。“第3层”即网络层,在使用TCP / IP协议族的情况下,网络层决定了每个传输的数据包中和IP(互联网协议)有关的部分,“第3层地址”指的就是IP地址(如192.168.1.10)。
桥接也是一个专业术语,它指的是网络设备接收数据分组之后,根据其第2层的目标地址进行传递转发。“第2层”指OSI参考模型里的第2层,即MAC层,在以太网或802.11协议中,MAC层包含在每个传输数据包的报头,MAC地址(如9C:2A-79:27:DF:A3)就是“第2层地址”。
无线桥接网络无线Mesh网络
路由器是基于第3层地址进行转发的设备,桥接器是第2层。有些时候人们会提到“2层交换机”或者“3层交换机”,实际上,交换机的概念应该属于第2层。桥接器/交换机最初(大约1990年)比路由器快很多,因为基于第2层的转发决策过程能够在可编程器件中实现,不需要在设备的存储器中进行查表和维护操作(路由器需要维护一个IP地址表用于路由)。到20世纪90年代中期,出现了可以在硅片中处理IP地址表(执行路由选择)的设备,这些设备被称之为“3层交换机”,因为它们的转发过程所使用的技术(在可编程器件中直接处理数据)与桥接器相同。“3层交换机”实质上是工作在第3层的路由设备。
无线MESH路由器和无线网桥相比,无线网桥通常需要更多的手动配置工作,它所构成的无线分布系统一般用于桥接第2层——数据链路层的数据。无线MESH路由器和无线网桥都能提供点对点、点对多点的连接,MESH路由器可以自动发现两个节点之间的最佳路径,而无线分布系统中的无线网桥则需要根据手动配置的路径优先级来建立链路。
无线桥接场景在这里插入图片描述
MESH路由器或无线网桥之间的无线链路在第2层是完全相同的,通信协议都是基于IEEE 802.11,这种情况类似于用一段电缆相互连接的2个以太网网桥或者2个路由器。802.11协议作为第2层的连接标准,MESH路由器和无线桥接器对此其实并不会关心。

无线路由器和无线网桥

MESH路由器组成的无线互连系统被称为无线MESH网络,无线网桥组成的互连系统被称为无线分布系统(WDS)。与有线网桥的动态特性不同,无线网桥需要更加关注其系统的配置情况。通过配置所有相邻设备的MAC地址来创建设备之间的桥接链路。由于WDS链路采用相对静态的桥接配置,所以没有明显的冗余。无线网桥不会自动发现新的端点,如果某个端点发生故障,WDS网络将无法自动将数据转发到先前未配置的备用路径上。
MESH网络能提供多条冗余的无线链路,因为它就是针对动态网络环境而设计的,例如在节点故障情况下自动启动冗余的链路,或者某列火车上的MESH路由器在沿轨道分布的一系列路由器之间快速漫游。MESH网络可以自动发现新节点并动态确定A节点和B节点之间的最佳路径。
MESH网络WDS网络

桥接和生成树算法

如果建立无线桥接网络时,出现了包含三个无线网桥的回路,则会出现严重的问题:广播流量将不停地从一个网桥到另一个网桥循环传输。这种“桥接循环”的模式几乎会立即让网络陷入阻塞状态。

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有两种方法可以避免桥接环路:
1)手动配置无线网桥,保证没有环路;
2)网桥相互通信并检测环路的存在。
通过这些方法可以避免会导致网络阻塞的回路,互相检测的软件机制和对应的桥间通信集被称为生成树算法(STA),该算法考虑“路径成本”并计算两点之间的最佳路径,同时将所有其他路径设置为“阻塞模式”(阻塞路径不转发任何流量)。

Mesh路由器VS无线网桥

必须首先考虑目标无线网络的拓扑,如果想组建一个静态的分层网络,无线网桥可能是一种性价比更高的选择;如果网络拓扑动态变化或者需要冗余,那么MESH路由器可能是绝佳的选择。
目标网络若具有以下特征则适用于无线网桥设备组网:


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  • 网络节点数目少,可以在较短的时间内为每个节点手动配置所需的数据。

  • 无线网络的拓扑基本上是分层的。

  • 很少或根本不需要冗余,生成树链接已经足够。

  • 无线链接一旦建立,就不会间歇性地中断(通过的车辆,打开和关闭仓库门等不会对链路造成干扰)。

  • 几乎不需要考虑增加网络中的节点数量,即网络规模固定不变。

目标网络若具有以下特征则适用于MESH路由器设备组网:


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  • 手动配置所有节点的过程过于繁杂或不切实际。

  • 网络拓扑需要从节点到节点的多个链路,这些多个链路可以认为是提供冗余或负载平衡的重要网络部分。

  • 节点需要具有自动发现冗余链路的能力,而不是依赖于手动配置。

  • 无线链接可能会中断(通过车辆或其他因素)。

  • 网络会从一个位置移动到另一个位置,并且不能提前确定链接关系(拓扑)。 例如,在灾难事故现场或者临时性贸易展览区域部署便携式开放安全网络,网络环境并不可预知。

  • 与初始部署相比,网络将扩展出更多节点。

从系统架构来说,无线网桥比MESH路由器简单得多,但是无线网桥比同等级别的MESH路由器也便宜得多。另一方面,MESH路由器通常可以提供许多较为复杂的功能(自动信道选择和电源管理,防火墙,Web配置页面等),这些特性也使得它们成为了点对点、点对多点无线网络的合理选择。例如,MESH路由器可以在嘈杂的环境下自动切换到最佳的无线信道,达到保证通信质量的目的。

无线网桥和MESH路由器相关专业术语

以下术语是在无线MESH路由器、WiFi、WDS、点对点、点对多点无线网络系统的设计和部署过程中定义的。
客户端设备
用户的笔记本电脑或者其他设备连接到无线网络的接入点,形成类似以太网的无线链路。“类似以太网”是指一旦客户端设备连接到网络接入点,则客户端设备的数据传输就和连接到以太网接口一样,客户端设备可以正常运行DHCP,IP,TCP,UDP等网络通信协议。
接入点AP
客户端设备都接入中心节点构成了多条无线链路,而多个相同的接入点又可以通过连接矩阵相互通信。中心接入点之间的数据包分发系统(连接矩阵)是十分必要的,多个以接入点为中心的无线网络可以通过此系统组成单个局域网,也就是单个广播域和单个IP子网。
分发系统
接入点之间互相连接,此时客户端设备就可以在特定的区域内随意漫游,并始终使用相同的IP地址。传统有线以太网的分发系统是将所有接入点连接到中央以太网交换机,而无线网络的分发系统则是接入点之间的射频连接。整个分发系统组成了单个2层广播域和单个IP子网。客户端设备可以在无线分发系统中的任何地方漫游,自动地从一个接入点切换到另一个接入点(802.11协议规定),并且保留相同的IP地址,同时网络的其余部分不变。
有线分布系统
有线接入点通过以太网电缆连接到一个或多个以太网交换机,即接入点之间的分发系统基于有线以太网。请注意,有线和无线分发系统都是客户端设备访问Internet或其他后端文件服务器的方法而已。如果某一个宽带调制解调器或者连接到Internet的路由器与分发系统相连,则分发系统就可以和互联网上的其他机器交换数据。
无线分布系统
当手动配置无线接入点以后,无线接入点便使用无线链路(而不是以太网电缆)相互通信,形成了无线分布系统(WDS)。实质上,WDS是接入点到接入点之间无线链路的矩阵,每个链路都是由网络管理员手动配置,所以每个无线接入点都保存了连接矩阵中和自己相邻的节点地址,接入点之间的分发系统就是由这些无线链路决定的。


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MESH网络
当无线接入点能够自动发现相邻的网络节点,并动态更新无线链路的矩阵时,就形成了MESH路由器系统——MESH网络。MESH网络与WDS系统具有类似的功能:将接入点相互联通。 MESH网络和WDS系统之间的根本区别在于Mesh路由器的自动发现和配置机制,它也使的Mesh路由器更加可靠,容错能力更强。如果Mesh路由器当前的链接失效,MESH网络将尝试找到可以替代的路径。相反,如果WDS链接失败,则不提供故障转移机制。


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矽控电子

矽控简介

无锡矽控电子科技有限公司( WuXi Silicontrol Electronic Technology Co., Ltd. )成立于2017年4月24日,是一家专注于工控嵌入式ARM产品领域的物联网产品研发、生产服务商。矽控电子在工控嵌入式ARM客制化设计领域深耕多年,拥有“矽控”、“ElecKits”两个注册品牌,推出有海思平台方案的机器视觉智能硬件,数据采集终端,“矽控工业云平台”等主力产品,致力于为客户提供优质、可靠、适用的‘智能硬件+云平台+移动终端’工业物联网应用闭环解决方案,以及嵌入式ARM Linux平台的硬固件客制化开发、生产服务。矽控电子立足无锡,为华东三省一市(江苏、浙江、安徽、上海)客户提供专业的远距离IP Mesh自组网应用方案设计及实施服务。

IPMESHNET技术团队简介

IPMESHNET系列MESH自组网电台产品诞生于西安思后网络科技有限公司。团队创始人博士毕业后,长期从事数据链、无线自组网的教学科研工作,先后承担了国家自然科学基金、航空科学基金、省自然科学基金、横向合作等理论研究和产品研制项目20余项,发表学术论文100余篇,SCI/EI检索40余篇。技术团队掌握无线自组网MAC协议、路由协议、IP透传、隧道加密等核心技术,具备自组网产品与系统的自主设计和开发能力。民用目标产品主要面向消防、特勤、物联网、智慧城市、智能家居、无线图传、矿井作业、抢险救灾、环境监测等应用领域。