1、 无线Mesh网络技术背景

　　无线Mesh网络模型是利用无线连接替代有线连接将多个AP连接起来，并最终通过一个portal节点接入有线网络，从而构成一个WLAN网络。

　　图1 WLAN Mesh网络

　　与传统非Mesh WLAN网络相比，Mesh网络具有高性价比、部署快捷、可扩展性强、高可靠性、应用场景广等优势。

　　2 Mesh技术解析

　　IEEE组织为无线Mesh技术制定了802.11s标准，目前还处于草案阶段。该标准是对业已标准化的802.11 WLAN MAC技术的扩展。

　　2.1 Mesh帧格式

　　传统的WLAN网络均为单跳(无线连接)网络，而Mesh技术要实现的是多跳(无线连接)网络。为此，需要对为单跳应用而定义的802.11帧格式进行扩展，主要变化有扩展Mesh头和引入了多跳Action管理帧。

　　2.1.1 扩展Mesh帧头

　　扩展Mesh帧头后的802.11 MAC帧格式如下图所示，扩展的Mesh帧头位置位于帧体的最前面。

　　图2 支持Mesh的802.11 MAC帧格式

　　2.1.2 多跳Action帧

　　Mesh支持的多跳Action帧格式如下表所示。

　　表1 多跳Action帧格式

　　2.2 Mesh Profile

　　一个MP若要加入Mesh网络，至少应配置有一个Mesh profile。Mesh Profile包括如下Mesh网络的基本组成元素：

　　l Mesh标识

　　l Mesh选路协议标识

　　l Mesh路径开销标识

　　这些信息通过携带在管理帧中的Mesh标识信元和Mesh配置信元进行传递和协商。

　　2.3 Mesh工作原理

　　2.3.1 Mesh邻居发现

　　Mesh发现是Mesh网络建立过程中的第一步，类似于接入服务中STA扫描网络。

　　图3 Mesh发现

　　1.Mesh网络扫描

　　MP通过主动发送Probe Request探测帧，或侦听Beacon帧，来收集邻居信息。Beacon或Probe帧中包含Mesh ID、Mesh Configuration以及安全能力等相关信息。

　　2.邻居关系维护

　　MP从接收到的Beacon或Probe Response帧中解析发端MP的Mesh profile信息，与本端Mesh profile信息进行匹配。只有当扫描双方的Mesh profile匹配时，双方才可以建立邻居关系。

　　2.3.2 Mesh连接管理

　　Mesh连接管理包括Mesh连接建立和Mesh连接拆除两个过程，采用Peer Link Open/Confirm/Close三种Mesh连接管理Action帧交互实现。

　　图4 Mesh连接管理

　　1.Mesh连接建立

　　MP在选出候选Peer后，可以与之发起Mesh连接建立过程。协商Mesh连接的双方需要确保使用相同的Mesh profile。

　　每个MP根据需要可以建立一条或多条Mesh连接，Mesh连接建立后，需要继续进行后续的认证和安全协商，之后Mesh连接才可以参与Mesh数据转发。

　　2.Mesh连接拆除

　　Mesh连接双方中任一方，均可以主动向对方发送Peer Link Close消息，以关闭双方间的Mesh连接，收到Peer Link Close消息的MP，需要向对方MP回应一个Peer Link Close消息。

　　2.3.3 Mesh安全机制

　　由于传输媒质的开放性，无线网络很容易遭受非法攻击，802.11i标准的推出解决了传统WLAN网络的安全问题，但Mesh网络的多跳性带来了新的安全挑战。在认证方式上，Mesh安全同样支持802.1x认证和PSK认证方式，802.1x认证通过Supplicant MP与AAA server交互产生后续密钥协商用的种子密钥MSK，PSK认证方式则直接使用PSK作为密钥协商的种子密钥。

　　在数据加密方面，Mesh网络支持如下的密钥层次：

　　图5 Mesh密钥层次

　　Mesh密钥层次包含两个分支：一个是Mesh连接安全分支，用于协商Mesh连接使用加密密钥;一个是密钥分发分支，用于协商MKD和MA间安全通信所用的密钥。

　　1.Mesh安全关联建立

　　MSA建立过程包括：MSA认证(可选)和四路握手。如果连接建立过程中协商使用802.1x认证，则需要进行MSA认证，产生用于四路握手的PMK-MKD和PMK-MA，并安装到MA和Supplicant MP。之后，MA和Supplicant MP进行四路握手，生成最终用于MA和Supplicant MP之间加密使用的最终密钥PTK。

　　2.Mesh密钥持有者安全关联

　　Supplicant MP在完成MSA建立后，在转化为MA角色去认证其他MP前，必须先完成Mesh密钥持有者安全关联，此过程同样是一个四路握手过程，此过程确保该Supplicant MP与MKD之间的Mesh路径安全。

　　2.3.4 Mesh选路

　　Mesh网络是全连接的WLAN网络，任何一个源和目的地之间会存在多条可用的Mesh链路，并且这些Mesh链路的传输质量会随着周边环境实时变化。因此，非常有必要在Mesh网络支持选路协议，以确保数据帧能始终通过最优的链路传输。802.11s标准中定义了如下的选路协议：

　　图6 Mesh选路协议

　　2.3.5 Mesh转发

　　Mesh网络中的所有MP，对数据帧均在二层进行标准的桥转发。

　　对于目的MAC为单播地址的数据帧，首先查找转发表项。若查到匹配表项，则将数据帧由该表项对应的Mesh链路发送出去;若未匹配任何表项，则将该数据帧从所有处于活跃状态的Mesh链路发送出去。

　　对于目的MAC为组播或广播地址的数据帧，MP将数据帧从所有处于活跃状态的Mesh链路发送出去。

　　以下是无线mesh技术详细简介：

　　1、背景 无线网状网是一种新型的无线宽带接入网络，它融合了无线局域网和ad hoc网络的优势，扩大了无线局域网的覆盖范围，且具有ad hoc网的组网灵活性强、支持移动性、易于迅速展开、系统整体抗毁能力强的特点。是一种大容量、高速率、覆盖范围广的网络，成为宽带接入的一种有效手段。无线网状网极其广泛，可以应用于偏远地区的宽带接入、网络语音通讯，政府机构、学校、企事业单位的无线宽带接入，远程医疗、安全监控、交通监测、数字城市、军队战场通讯系统等各个方面。该技术被美国《telecommunications》杂志评选为2004年十大热门通信技术之一。

　　过去几年来，无线网状网的研究在世界各地大量的展开研究，目前在国外已经逐步明确该技术进入实用的可行性试验阶段。国内的研究人员也对无线网状网进行了初步的研究，但远没有达到实用的地步，离世界先进水平还有很大的一段距离。我们通过多年实践，创建了一套成熟的、具有世界领先技术水平的无线网状网络系统。该技术已在深圳进入试验应用阶段。该技术的核心为自主创新，并与国内相关的单位签署了技术实施合作协议，并希望能把该技术服务国家。

　　2、无线mesh简介 无线Mesh属于以下一代Internet为中心的世界第四代计算机网络，被业界称 为“无线网状网”或“无线网中网”，又称为无线局/区/城域网或无线城市网(小到覆盖一层楼、一栋楼或一个小区，大到覆盖一个城市)，它融合了现有无线局域网和Adhoc网络的优势，是一个可广泛应用视频(电视、电影)、语音(VoIP)和数据(宽带接入)传输等的，新型的大容量、高速率、覆盖范围广、成本低廉、系统整体抗毁能力强的的无线宽带网络,线Mesh也被称为世界第三代通信，即整个地域或整个城市实现无线网状网通信，将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信，能够处理图像、音乐、视频流等多媒体，提供包括网页浏览、电话会议、移动视频、电子商务等多种信息服务。还可在没有覆盖有线IP和有线电视的地方，通过卫星等接入部署，再扩展到整个地区。

　　Mesh技术，是WI-FI技术的延伸，是目前世界上负责互联网“最后一公里”的，无线局/区/城域网(无线城市网)关键及理想的无线传输技术。并被认为是4G核心技术的重要组成部分，代表IT技术发展的方向。属于世界新一代及我国大力支持发展范围的宽带网络、通信网络转型技术。

　　3、无线mesh网络的定义

　　无线mesh网络即“网状网”，无线Mesh网络是基于IP协议的无线宽带接入技术，它融合了WLAN和Adhoc网络的优势，支持多点对多点的网状结构，具有自组网、自修复、多跳级联、节点自我管理等智能优势以及移动宽带、无线定位等特点，是一种大容量、高速率、覆盖范围广的网络，成为宽带接入的一种有效手段。从某种意义上讲，Mesh网络更主要的是一种网络架构思想，主要功能体现在无中心、自组网、多级跳接和路由判断选择等。

　　无线Mesh技术是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术。在传统的WLAN中，每个客户端均通过一条与接入点(AP)相连的无线链路访问网络，用户若要进行相互通信，必须首先访问一个固定的AP，这种网络结构称为单跳网络。而在无线Mesh网络中，任何无线设备节点都可同时作为路由器，网络中的每个节点都能发送和接收信号，每个节点都能与一个或多个对等节点进行直接通信。 这种结构的最大好处在于：如果最近的AP由于流量过大而导致拥塞的话，数据可以自动重新路由到一个通信流量较小的邻近节点进行传输。依此类推，数据包还可以根据网络的情况，继续路由到与之最近的下一个节点进行传输，直到到达最终目的地为止。这样的访问方式就是多跳访问。

　　4、无线mesh基本原理及关键技术

　　4.1Msh网络基本原理 Mesh网络结构主要由Mesh AP、Root AP(根AP)及相关的认证、网管系统组成，如图1所示。其中，Mesh AP主要负责为终端和其他Mesh AP提供接入和回传服务，与传统网络的最大差别在于Mesh AP可以根据无线信道和干扰情况灵活选择最佳无线路由，最终通过不同的Mesh AP和有线接入点Root AP连接到因特网。有线接入点Root AP与Mesh AP的区别在于它一端提供无线接入，另一端提供了Mesh网络最终与有线因特网连接的桥梁，实际上在一个Mesh网络中可以同时存在多个Root AP以保证与外界网络的通信流量。

　　图1：Mesh组网结构示意图

　　4.2mesh关键技术分析

　　1) 自配置 无线Mesh网络中的AP(包括Mesh AP、Root AP，以下同)具备自动频点检测、配置以及集中管理能力，可简化网络的管理维护。

　　2) 自发现、自组织、自愈合技术 无线Mesh网中AP具备自动发现和动态路由连接功能，能够消除单点故障对业务的影响，提供冗余路径。在某条链路出现错误后可以自动通过其他AP接入有线网络。针对有线接入点的Root AP，一旦其有线链路出现故障，也将自动关闭其无线链路，使得其他连接到该Root AP的节点可以自动选择其他有线点接入，保证网络的正常运行。

　　3) 路由优化 路由协议是无线Mesh网络最重要的技术之一。无线Mesh网络中的路由协议不能仅仅根据“最小跳数”来进行路由选择，而要综合考虑多种性能度量指标;其次，路由协议要提供网络容错性和健壮性支持，能够在无线链路失效时，迅速选择替代链路避免业务提供中断;第三，路由协议要能够利用流量工程技术，在多条路径间进行负载均衡，尽量最大限度利用系统资源;第四，路由协议要求能同时支持路由器和用户终端[。

　　4)Qos保证机制 随着各种不同类型的业务在Mesh网络上的应用，尤其是在Mesh跳数较多的情况下，需要保证各种业务的接入、时延、公平性等需求，同时还需协调Mesh接入网络中的Qos策略与有线网中的QoS策略互连时的一致性，从而为用户提供端到端的业务Qos保证。

　　5)Mesh安全 传统网络的安全隐患在多跳的Mesh网中将被进一步放大。目前Mesh网络中的安全解决方案主要有两种，一种是采用了多层安全架构，对客户机提供WEP、WPA保护;对AP间的数据采用64/128 bit WEP或128bit AES加密;同时在网络层使用VPN来增强整体的安全性等。另一种方案是在AP间建立经过加密的IPSec隧道，以便安全地传送所有用户的数据业务、内部信令处理和管理信息，即所有数据在AP之间的传送都处于IPSec保护之下。

　　5、无线mesh网络系统结构 整个网络由无线接入点(AP)、无线路由器(WR)、终端用户/设备(CLIENT)组成。(如下图所示)

　　图 Mesh网络结构图

　　一个AP能在几十至上百米的范围内连接多个WR，AP的主要作用是将无线网络接入核心网，其次要将各个与WR相连的无线客户端连接在一起，使装有无线网卡的终端设备能通过AP共享核心网的资源。智能接入点(IAP)是在AP的基础上增加了Adhoc路由选择功能。此外，AP/IAP还具有网管功能，实现对无线接入网络的控制和管理，将传统的智能性分散到接入点(AP/IAP)中，大大节省了骨干网络的建设成本，提高了网络的可延展性。在IAP的下层配置WR，为底层的移动终端设备(即用户)提供分组路由和转发功能，从IAP下载并实现无线广播软件更新。根据当时可使用的节点配置临时决定转发分组信息的路由，即实现动态路由。在该网络结构中，通过使用WR可以实现移动终端设备与接入点间通信范围的弹性延展。

　　6、无线mesh具有的优势及特点

　　6.1mesh网络具有的优势

　　(1)快速部署和易于安装 安装Mesh节点非常简单，将设备从包装盒里取出来，接上电源就行了。用户可以很容易增加新的节点来扩大无线网络的覆盖范围和网络容量。Mesh的设计目标就是将有线设备和有线AP的数量降至最低，因此大大降低了总拥有成本和安装时间，仅这一点带来的成本节省就是非常可观的。无线Mesh网络的配置和其他网管功能与传统的WLAN相同，用户使用WLAN的经验可以很容易应用到Mesh网络上。

　　(2)非视距传输(NLOS) 用无线Mesh技术可以很容易实现NLOS配置，因此在室外和公共场所有着广泛的应用前景。与发射台有直接视距的用户先接收无线信号，然后再将接收到的信号转发给非直接视距的用户。按照这种方式，信号能够自动选择最佳路径不断从一个用户跳转到另一个用户，并最终到达无直接视距的目标用户。这样，具有直接视距的用户实际上为没有直接视距的邻近用户提供了无线宽带访问功能。无线Mesh网络能够非视距传输的特性大大扩展了无线宽带的应用领域和覆盖范围。

　　(3)健壮性 现网络健壮性通常的方法是使用多路由器来传输数据。如果某个路由器发生故障，信息由其他路由器通过备用路径传送。Mesh网络比单跳网络更加健壮，因为它不依赖于某一个单一节点的性能。在单跳网络中，如果某一个节点出现故障，整个网络也就随之瘫痪。而在Mesh网络结构中，由于每个节点都有一条或几条传送数据的路径。如果最近的节点出现故障或者受到干扰，数据包将自动路由到备用路径继续进行传输，整个网络的运行不会受到影响。

　　(4)结构灵活 在单跳网络中，设备必须共享AP。如果几个设备要同时访问网络，就可能产生通信拥塞并导致系统的运行速度降低。而在多跳网络中，设备可以通过不同的节点同时连接到网络，因此不会导致系统性能的降低。 Mesh网络还提供了更大的冗余机制和通信负载平衡功能。 (5)高带宽 无线通信的物理特性决定了通信传输的距离越短就越容易获得高带宽，因为随着无线传输距离的增加，各种干扰和其他导致数据丢失的因素随之增加。因此选择经多个短跳来传输数据将是获得更高网络带宽的一种有效方法，而这正是Mesh网络的优势所在。 在Mesh网络中，一个节点不仅能传送和接收信息，还能充当路由器对其附近节点转发信息，随着更多节点的相互连接和可能的路径数量的增加，总的带宽也大大增加。 此外，因为每个短跳的传输距离短，传输数据所需要的功率也较小。既然多跳网络通常使用较低功率将数据传输到邻近的节点，节点之间的无线信号干扰也较小，网络的信道质量和信道利用效率大大提高，因而能够实现更高的网络容量。比如在高密度的城市网络环境中，Mesh网络能够减少使用无线网络的相邻用户的相互干扰，大大提高信道的利用效率。

　　6.2无线mesh网络的特点 态自发现、自配置、自愈合，低功率、高带宽、高速率等。

　　7、无线mesh网络的应用及典型应用 基于Mesh网络的优势，它可以在不同异构的环境下提供多种服务;当用户在高速移动时，或者在较大范围的区域内可以通过3G或2.5G传输语音、数据;在局部的范围内可通过WLAN提供宽带网络服务，例如视频点播等。随着Mesh网络的进一步发展，它最终可在企业的办公环境中将办公室电话或者手机进行整合。 随时随地的政务和公众无线宽带、公共安全监控、应急联动等元素一起构成“无线城市”。北京、上海、武汉、深圳、天津等城市都规划了无线城市建设，而Wi-Fi+无线Mesh是较好的实施方案。目前在一些经济发达城市包括北京市均开始无线Mesh宽带接入规划和实施，在城市特定区域、复杂街区、办公区、家庭内、企业和公共场所等诸多领域无线Mesh都具有广阔的应用前景。具体的应用有以下几个方面。

　　(1)无线Mesh宽带接入城域网 无线Mesh宽带城域网络在美国和中国台湾等地区已经建设完成。现在，巴黎等国外发达城市和国内的北京、上海等城市也在积极规划中。同时，无线Mesh网络可以作为未来WiMAX无线城域网的扩展和补充。

　　(2)校园无线Mesh网 校园无线网络有自己的特点：一是地域范围大、用户多而且通信量大;二是网络覆盖要求高，网络必须能够实现室内、室外、礼堂、宿舍、图书馆、公共场所等之间的无缝漫游;三是负载平衡非常重要，当学生集中在某地同时使用网络时很容易发生通信拥塞。使用无线Mesh组网，很容易调整节点数量和位置，实现网络升级，而且能够实现室内外的无缝漫游。目前国内的清华大学、暨南大学、中国海洋大学、河北廊坊大学城等许多院校相继建成了无线Mesh网络。

　　(3)医院等公共场所的理想联网方案 医院建筑物的构造密集复杂，一些区域要防止电磁辐射。布线比较困难，对网络的健壮性要求很高：如有重要活动(如手术)，任何网络故障都将会带来灾难性的后果。采用无线Mesh组网正好能够解决这些问题，无线网络拓扑调整简单，而且网络的健壮性和高带宽也更适合医院等公共场所部署。

　　(4)旅游休闲场所应用 无线Mesh非常适合那些地理位置偏远布线困难或不经济，而又需要为用户提供宽带无线Internet访问的地方，如旅游场所、度假村、汽车旅馆等。无线Mesh能够以最低的成本为这些场所提供宽带服务。

　　(5)适合需要快速部署或临时安装的场所 对于那些需要快速部署或临时安装的地方，如展览会、交易会、灾难救援等，无线Mesh网络是最经济有效的组网方法，可以将成本降到最低。

　　(6)行业无线分布式网络 对于交通、银行等专业行业的网络部署，无线Mesh有其很大的优势。摩托罗拉公司与中国铁道部联合试验在交通行业的应用，联合开发了成昆线以及南京港和煤矿等无线Mesh网络。Strix在与中国2008奥运的安全部门合作，在奥运城市建设了无线Mesh网络。北电在中国农业银行上海支行也建设了无线Mesh网络。