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    徹底消滅信號死角!簡析無線Mesh網絡技術

    類別:社會新聞發布人:聯迪發布時間:2017-05-16

    隨著網絡技術的發展,傳統局域網的星型結構、環型結構、總線結構、分布式結構、樹型結構等都在各個領域發揮作用,為人們提供了穩定的網絡連接和大量數據流量。不過,有這樣一種局域網技術,它誕生得很早,卻由于結構復雜,并沒有得到人們的重視??墑撬孀盼尷咄緙際醯姆⒄?,人們又重新看到了它的優點,這種網絡就是Mesh網絡,被稱為網狀網絡結構。今天,我們就一起來了解它的秘密。

    網絡技術的發展帶給人類社會巨大的變化,它讓人們的溝通變得輕松,信息傳遞更加便捷,甚至促成了技術革命和產業升級。網絡從早期的有線網、軍用網發展到現在的無線網、廣域網,大幅降低了人們之間的交流成本,從瞬間知曉天下事到全球買賣、交易,真正意義上實現了全球信息交流的平等。不過傳統的局域網技術在發展過程由于技術限制所選擇的道路,在今天看起來存在著一定的瓶頸和局限,而解決這個問題的方法,就是“回到初心”,重新走向Mesh網絡,也就是網狀網絡結構。

    已面臨瓶頸的傳統局域網結構

    局域網的基本結構包括星型結構、環型結構、總線結構、分布式結構、樹型結構等。比如最常見的星型結構是以中央節點作為核心,其他節點都連接至中央節點上,這種結構的成本較高、可靠性較低,但是其延遲小、結構簡單便于管理。總線型結構則是各個網絡設備都掛接在一條總線上,沒有明顯的中心,優點是結構簡單、可擴展性好,但是缺點同樣明顯,比如維護困難、分支結構故障查找困難。為了在使用中更安全、更高效,目前絕大部分運行中的商用局域網都采用多種網絡拓撲模式組合的方式,盡可能發揮局域網的性能并避免阻礙的產生。

    ▲幾種常見的網絡拓撲結構

    對普通用戶來說,我們一般不會去關心聯通或者電信的機房應該怎么布置,能最直接接觸到的局域網就是家庭、單位甚至小區的網絡布置了。目前典型的局域網布置都采用星型結構或者多層星型結構,網絡通過主路由器接入,再分配至各個分路由器,最后連接至不同的主機和設備上。這樣的布線實現起來比較簡單,并且所需的線纜數量也比較少。這樣的布置方式和布置思想橫跨了有線和無線時代,比如在家庭中,用戶會從電信、聯通等網絡服務商處接入網絡,再通過無線路由器轉出多路信號或者無線信號供家中的多個有線、無線設備使用,這也是一個典型的星形結構。

    ▲一般家庭都是通過電信運營商提供的網絡端口,連接路由器后再將網絡分享給各種設備。

    從上文可以看出,傳統局域網的連接方式主要是利用核心節點執行數據中心和網絡中心的作用,周圍設備的連接基本上是通過核心節點引出。這種方法布置成本低、效率較高,同時對核心節點本身的可靠性和穩定性有著極高的要求。從歷史角度來看,星型結構最大的優勢是在有線局域網時代。由于存在物理網線,因此在組網時考慮到它所帶來的限制,就需要使用盡可能少的網線去連接盡可能多的設備,同時又要保證數據傳輸的穩定和高效率。

    在這種條件下,星型結構就以其布線方便、可靠性高的特點成為應用最廣的物理拓撲結構。不僅如此,從宏觀角度來看,我國設置了多個網絡核心節點,這些節點城市往往擁有高等級的數據中心,用于向節點城市周圍的一大片地區提供網絡連接,依舊需要數據中心的維持。因此在較高層面上,傳統局域網會布置多個節點備用或者互相替代,避免一個節點有問題時造成網絡擁堵甚至網絡斷線等問題。

    星型結構、總線型結構等局域網拓撲結構的發展,帶來了互聯網的大爆發,但是其固有的缺陷卻一直無法避免,比如數據中心的安全性和可靠性、總線型布置維護難度等。雖然技術人員已經通過各種手段加強了傳統局域網結構,甚至使用了復合拓撲結構,但由于固有的問題沒有得到解決,人們的體驗依舊難以得到保證。

    ▲有線網絡最頭疼的問題之一就是布線了,圖為網絡機房的標準化布線。

    比如一些公眾機構提供的免費Wi-Fi在很多情況下是有名無實的,機場、酒店的免費Wi-Fi雖然可以連接得上,但是連接后的速度卻普遍不夠理想?;褂兄釗緙彝ゾ鐘蟯?,如果有四五個設備同時在線,一個在高速下載數據,另外的用戶在線打游戲的話,就會互相影響,打游戲的用戶會感覺到卡頓和延遲,極為影響使用體驗。擴大一些來說,諸如網絡節點城市、節點服務器等,一旦出現問題也容易導致大片區域的網絡受到影響。

    ▲公共場合的無線Wi-Fi安全性暫且不說,速度和效率一直都很成問題。

    在這種情況下,一種傳統的、教科書上提及但不多做介紹的網絡拓撲結構就走上了前臺,這就是Mesh—網狀網絡結構。

    無線Mesh網絡:優點相當突出

    說起Mesh這個單詞,英文含義非常簡單,就是網、網格、網狀物。從它的基本定義來講,網狀網絡的拓撲結構是:網絡中所有的節點都互相連接,并且每一個節點至少連接其他兩個節點,所有的節點之間形成一個整體的網絡。在有線時代,由于網線的存在,要實現Mesh布局的網絡顯得非常困難。不過在無線時代,由于脫離了網線的羈絆,再通過各種全新技術的應用,無線Mesh網絡的布局就顯得相對容易了。

    ▲無線MESH網絡本身可以采用多種無線通訊模式,并且布線和使用都顯得非常方便。

    從網絡拓撲結構來看,無線Mesh網絡的特點是:局域網中所有的節點都是連接在一起的,任意兩個節點之間擁有多條連接通道,并且呈現出明顯的去中心化態勢。從應用的角度來看,無線Mesh網絡的優勢也是非常明顯的:

    部署速度快,安裝簡單

    無線Mesh網絡的部署速度快、安裝難度低。由于通過無線方式傳輸數據,用戶只要將設備從包裝盒中取出并連上電源后,進入配置頁面即可。這是因為在無線Mesh網絡中,除了少部分節點設備需要網線和AP連接外,絕大部分設備都只需要一根電源線,不需要和AP連接,所有數據都是無線傳輸的。這樣一來,不但大大節約了連接速度,還降低了有線布局的難度,非常方便。

    值得一提的是,無線Mesh網絡中的節點設備既是數據接收端,也是數據發送端,因此需要用戶在配置網絡時給出符合無線Mesh網絡的相應參數,其設置難度很低,和我們平時配置Wi-Fi難度相當,沒有太多復雜的設置。

    ▲無線Mesh網絡中的節點設備既是數據接收端,也是數據發送端。

    無線Mesh網絡的健壯性表現出色

    我們知道,目前常見的局域網中,所有的數據都接入到單一的AP中進行收發。在一個局域網中,如果存在一個中心AP的話,由于數據傳輸的道路只有一條,因此在實際使用中很容易造成數據堵塞或者失效(比如AP連接斷開或者設備損壞等)。但是在無線Mesh網絡中,由于其多跳網絡的特性,一個節點可以連接至少兩個其他的節點,當某一個節點堵塞或者無響應時,無線Mesh網絡可以根據情況選擇其他的節點進行數據轉播?;瘓浠襖此?,就是無線Mesh網絡擁有至少一條備用路徑,因此在數據傳輸的可靠性上非常高。

    非視距傳輸

    無線Mesh網絡的另一個特點是能夠提供非視距傳輸。所謂非視距傳輸,是指在對原始信號覆蓋范圍外的區域提供傳輸功能。這也很好理解,因為每一個節點都擁有同時接收和發送的特性,相當于在一定程度上擴大了網絡的覆蓋范圍。舉例來說,傳統的網絡只有一個數據發送節點,就是連接AP的中心節點,在中心節點覆蓋范圍內,數據發送和傳輸是有效的,但是距離變遠之后就無效了。

    在無線Mesh網絡中,每一個節點都相當于一個中繼器,相當于擴大了數據覆蓋的范圍,能夠為連接AP的節點視距之外的用戶提供網絡,大幅度提高了無線網絡的應用領域和覆蓋范圍。

    結構靈活

    其實結構靈活這一點和健壯性是有關聯的。即使不存在數據堵塞或者節點失效等情況,當無線Mesh網絡中兩個節點之間需要傳遞數據時,節點可以根據連接情況和響應情況,自動選擇響應時間最快、傳輸速度最高的轉發路徑,避免了節點通信堵塞。甚至對一些擁有極高權限的節點來說,可以同時選擇多個節點并發傳輸數據至多個目標,大大節約了數據傳輸時間,提高了效率。

    高帶寬

    帶寬永遠是一個難以解決的問題。因為無線通訊的特性所致,只有傳輸距離較短的時候,帶寬才容易提升。但是數據的傳輸距離又和信號強弱緊密相關,而傳統的單中心方式覆蓋面積是有限的。由于無線Mesh網絡非視距傳輸的特性,信號覆蓋更好、強度更高,更容易實現總帶寬的提升。另外,同樣是由于節點中繼的作用,無線Mesh網絡信號覆蓋出色,因此傳輸所需功率降低,對節能也有一定幫助。

    ▲無線Mesh網絡的信號覆蓋范圍有大幅提升

    上述五點,是無線Mesh網絡所擁有的非常重要的優勢。那么,如何配備無線Mesh網絡呢?在技術上還有哪些難點需要解決呢?

    無線Mesh網絡有哪些用武之地

    從上面的介紹不難看出,無線Mesh網絡的優點非常突出,它能解決目前常見的星型結構局域網、總線結構局域網的問題,還能拓展出更多涉及安全性、穩定性和高帶寬等方面的功能。如果能應用到新的無線網絡產品上,有望引領網絡技術的進一步發展,實現更高的傳輸速度、更廣泛的信號覆蓋。

    雖然理論總是看起來很美好,但是對無線Mesh網絡的節點來說,同時具有收發數據的能力,并且還要在復雜的無線信號環境下實現高速傳遞數據,恐怕并不是那么容易的。為此,無線Mesh網絡的發展還少不了一些創新的關鍵性技術,包括智能天線技術、多址接入技術、路由技術和無線交換技術等。

    所謂智能天線技術,是指無線Mesh網絡的節點天線能夠根據周圍的情況,在軟件調節下自動控制發射的波束方向,使得無線電波能夠指向節點或者設備,最大限度提高信號強度、增強傳輸速率。不僅如此,智能天線還能自動探測周圍的節點變化,重新調整波束方向。多址接入技術的主要作用是可以平衡多個用戶對通信資源的需求。路由技術可以自動探測網絡拓撲結構,不斷調整以適應網絡變化。這些新技術的應用能夠使得無線Mesh網絡突破技術瓶頸,實現節點功能。

    在應用方面,無線Mesh網絡由于其優秀的特性,有望廣泛應用在諸如學校、醫院、商場、游樂場所、企業和家庭中。舉例來說,在醫院、學校、商場和游樂場這樣人流量大的地方,為了提供較好的無線覆蓋,傳統做法是增加AP的數量和密度,盡可能提高覆蓋率。對醫院等有著特殊需求的應用場景來說,還得考慮電磁輻射和復雜的建筑物問題,并且要求極為穩定、高效率的網絡支持醫療過程(如果網絡不穩定有可能帶來災難性后果)。

    對學校來說,考慮到學生對影音視頻文件的敏感以及學生的潮汐性現象,單純增加AP數量和密度的投入成本非常高昂。對景區來說,偏遠場所提供AP接入成本也挺高。因此對于上述應用來說,無線Mesh網絡會是一個兼顧各方面優點的解決方案。

    ▲學校的免費Wi-Fi如果采用傳統AP方式的話,不但會面臨帶寬不夠的問題,還有很大幾率遇到潮汐現象。

    比如醫院,可以通過無線Mesh網絡在需要的地區加強網絡布置,或者根據需要移動現有的Mesh節點,無線Mesh網絡極強的安全性和穩定性也能適應醫院對網絡的需求。對景區來說,在一些比較偏遠的景點,可以通過無線Mesh網絡接力的方式實現全程覆蓋。對學校來說,無線Mesh網絡能夠非常好地應對帶寬問題和學生在教室、寢室、食堂、圖書館等地方移動帶來的潮汐現象。

    ▲醫院往往會承擔遠程網絡手術的工作,如果Wi-Fi在這個時候出了問題就會很麻煩,無線Mesh網絡就能很好地解決這些問題。

    有哪些應用無線Mesh網絡技術的設備

    既然無線Mesh網絡這么有發展前途,是不是很多企業已經開始推廣相關產品了呢?沒錯。從2016年開始,有廠商就開始瞄準無線Mesh網絡領域發力了,谷歌、華碩和一些新創公司如Eero、Ignition Labs等都已曝光或發布了自家應用無線Mesh網絡技術的網絡設備,一起來看看吧!

    Google Wifi是谷歌在2016年10月的發布會上才推出的一款輕量級無線路由器產品,支持無線Mesh網絡,一個產品的價格折合人民幣約860元,不過需要三個組網才能享受到無線Mesh網絡的便捷。根據谷歌的說法,三個Google Wifi可以無死角覆蓋大約140平方米的房間。從外觀上看,Google Wifi的設計走的是簡約路線,通過采用USB-C線纜供電,接口只有一個以太網端口和一個連接其他設備的網口,所有的控制都通過智能手機進行。

    ▲Google Wifi的所有設置都通過手機進行

    除了谷歌外,華碩也曝光了自家的無線Mesh網絡產品,名為HiveSpot和HiveDot,前者更貴一些,支持三頻AC2134,后者則便宜一些,只支持雙頻AC1300。值得一提的是,HiveSopt內設7根智能天線,除了支持傳統的802.11ac雙頻5GHz和2.4GHz頻段之外,HiveSpot還隱藏第三個5GHz頻段,用于在節點之間以867Mbps的高速通訊,進一步提高網速、加強性能。外觀方面,華碩的這兩款產品看起來頗為靈動,藍色搭配白色的配色也顯得很清爽?;凍潑扛鯩esh網絡中可允許5個節點的存在,這樣一來其信號足夠覆蓋相當大的面積了。

    ▲華碩HiveSpot,同樣是三個一起使用才能組成Mesh網絡。

    再來看看Eero的無線Mesh網絡路由器,這款產品名字就叫Eero,三個一組使用,價格約3300元左右,能夠覆蓋家庭中幾乎所有區域。外觀方面,Eero也非常簡潔,看不到凸起的天線,只要接駁電源和網線就可以開始工作。Eero在三個一起組網時支持175Mbps的網速,也基本可以滿用戶的需求了。

    ▲Eero支持無線Mesh網絡的Wi-Fi產品

    無線Mesh網絡的發展才剛剛開始

    從上文的介紹可以看出,無線Mesh網絡無論是技術還是原理,都要好過目前我們使用的無線技術。在覆蓋面積、性能等關鍵性指標上,無線Mesh網絡依靠先天的結構優勢,帶來了極好的網絡覆蓋效果。也正是由于看到了無線Mesh網絡技術的發展前景,業內已有廠商開始推出此類產品,包括谷歌、華碩這樣嗅覺靈敏的業內巨頭。

    不過從目前已曝光或發布的相關產品來看,其組建無線Mesh網絡的代價還是比較大的,主要是對于家庭用戶來說,一個路由器動輒八九百元,甚至數千元的價格著實不便宜。并且要體驗無線Mesh網絡的功能,還至少得三個起買,搭建成本自然就上去了。從產業發展的規律來看,應用某項新技術的產品出現之后,價格昂貴是可以接受的。對于用無線Mesh網絡技術的產品來說,只要快速推廣、解決大規模產能和商業化的問題,應該會以較快的速度走入千家萬戶。畢竟隨著生活水平提升,有大房子的家庭也越來越多了,商場、地鐵、學校等區域的布網需求也很大,無線Mesh網絡正逢其時,其發展才剛剛開始。

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