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適合VoIP業(yè)務(wù)的Wi-Fi mesh網(wǎng)絡(luò )

2006/09/25

　　隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)mesh網(wǎng)絡(luò )的蓬勃發(fā)展，幾乎每天都有新的公用或私用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )在部署。當在Wi-Fimesh中使用多跳來(lái)覆蓋大范圍區域的時(shí)候，出現了帶寬下降、無(wú)線(xiàn)干擾和網(wǎng)絡(luò )時(shí)延等一系列問(wèn)題。這些問(wèn)題嚴重破壞了對實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的提供，比如Wi-Fi提供商最希望提供的VoIP業(yè)務(wù)。多模塊化設計、多射頻、多信道的Wi-Fimesh網(wǎng)絡(luò )可以解決上述所有這些問(wèn)題，提供真正的高性能Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )，使得語(yǔ)音這樣的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)最優(yōu)化。

　　雖然Wi-Fi已經(jīng)明確了其數據應用的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，但是在部署無(wú)線(xiàn)VoIP(wVoIP)時(shí)，還有一些內在的問(wèn)題需要解決。而Wi-Fimesh網(wǎng)絡(luò )解決了Wi-Fi的問(wèn)題，使得規劃、部署和運營(yíng)更加節省成本，尤其是在有線(xiàn)難以達到的環(huán)境（在幾十平方公里內需要成百上千個(gè)的有線(xiàn)光纖節點(diǎn)，在經(jīng)濟上是不劃算的）。

　　一、mesh網(wǎng)絡(luò )的四個(gè)要求

　　StrixSystems公司認為，mesh網(wǎng)絡(luò )架構必須能夠傳送高吞吐量、低時(shí)延和端到端QoS。這些要求已經(jīng)不僅是在無(wú)線(xiàn)終端和接入點(diǎn)之間，還包括整個(gè)mesh鏈路直到有線(xiàn)終結點(diǎn)。因此，mesh骨干網(wǎng)必須滿(mǎn)足以下4個(gè)要求。

　　1.經(jīng)過(guò)多跳的高吞吐量

　　無(wú)論mesh上有幾跳（通常是3到10之間），mesh骨干網(wǎng)必須仍然能夠支持流量負載。支持高吞吐量的能力直接等價(jià)于系統能夠提供的語(yǔ)音和數據用戶(hù)數。經(jīng)過(guò)多跳后帶寬的不足將導致無(wú)法令人滿(mǎn)意的用戶(hù)密度，網(wǎng)絡(luò )中也就需要額外的設備和更多的有線(xiàn)終結點(diǎn)。

　　2.經(jīng)過(guò)多跳的低時(shí)延

　　為了避免發(fā)生抖動(dòng)這樣的問(wèn)題，每跳必須保證分組包時(shí)延最小。分組包在mesh網(wǎng)絡(luò )中的任何節點(diǎn)停留的時(shí)間必須最短，達到與有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )基本相同的性能。因此，在理想情況下，分組包應該在從前一個(gè)節點(diǎn)接收到所有信息之前就被轉發(fā)出去。

　　3.端到端QoS為語(yǔ)音分組包的設置優(yōu)先級

　　為了解決負載流量之間的沖突，語(yǔ)音必須在mesh骨干中賦予優(yōu)先級，在具有流量?jì)?yōu)先級處理能力的交換機上被終結。為語(yǔ)音分配優(yōu)先級需要是自動(dòng)的，能夠通過(guò)VLAN/SSID很好地進(jìn)行處理。在短期內還不能過(guò)多地指望802.11e。僅僅在無(wú)線(xiàn)終端和AP之間提供服務(wù)等級是遠遠不夠的。mesh在整個(gè)骨干網(wǎng)提出了對QoS的要求，以避免mesh中每一跳可能會(huì )發(fā)生的沖突。

　　4.Layer2交換網(wǎng)絡(luò )

　　在Layer3網(wǎng)絡(luò )中會(huì )出現的漫游問(wèn)題，而Layer2網(wǎng)絡(luò )使得該問(wèn)題最小化。Layer3網(wǎng)絡(luò )還要求對不同的高層協(xié)議進(jìn)行仔細地規劃。這兩點(diǎn)都會(huì )引起性能和安裝上的問(wèn)題。

　　以上這四個(gè)因素中的任何一個(gè)都將直接影響到可擴展性（根據用戶(hù)的數量和網(wǎng)絡(luò )的覆蓋）和語(yǔ)音質(zhì)量。如果多跳拓撲結構不能滿(mǎn)足這些要求，它將缺乏語(yǔ)音支持能力。

　　二、無(wú)線(xiàn)mesh網(wǎng)絡(luò )方案

　　無(wú)線(xiàn)Mesh的方案有很多種，但是大部分的方案都來(lái)源于最初的無(wú)線(xiàn)分布式系統（WDS）概念。WDS是一種使用無(wú)線(xiàn)橋接和無(wú)線(xiàn)中繼的無(wú)線(xiàn)AP模式，無(wú)線(xiàn)橋接也就是只能在A(yíng)P之間進(jìn)行通訊，AP不接受無(wú)線(xiàn)客戶(hù)端的訪(fǎng)問(wèn)；而無(wú)線(xiàn)repeating既允許AP之間互相通訊，AP也可以與無(wú)線(xiàn)客戶(hù)端進(jìn)行通訊。所有的mesh網(wǎng)絡(luò )在本質(zhì)上都是用戶(hù)流量在離開(kāi)網(wǎng)絡(luò )（比如到達有線(xiàn)的LAN）之前通過(guò)多個(gè)節點(diǎn)。

　　吞吐量和時(shí)延問(wèn)題的根源來(lái)自于802.11是一種半雙工技術(shù)，也就是在一個(gè)時(shí)間內只能執行一個(gè)功能（或者發(fā)送、或者接受流量）。因此，用于無(wú)線(xiàn)終端和mesh骨干網(wǎng)的頻段個(gè)數，這些頻段在某個(gè)特定拓撲中所起到的作用將會(huì )直接影響到上面提到的4個(gè)因素。

　　1.單模方案把所有信息放在同一信道上

　　StrixSystems公司認為，單模模式是無(wú)線(xiàn)mesh最脆弱的一種方案，因為每個(gè)節點(diǎn)僅使用一個(gè)頻段（信道）來(lái)處理所有的三個(gè)功能：終端接入、ingress回程和egress回程。當更多的AP加入到網(wǎng)絡(luò )中的時(shí)候，用于回程流量的帶寬將會(huì )占據越來(lái)越高的比例，僅僅留很少一部分容量給無(wú)線(xiàn)客戶(hù)端。而且，節點(diǎn)不能同時(shí)發(fā)送和接收，而且在其覆蓋范圍內另一個(gè)AP正在傳輸的時(shí)候，該AP也不能發(fā)送數據。這些問(wèn)題將導致經(jīng)過(guò)3跳后，時(shí)延將變得不可忍受。這種對可用共享帶寬的競爭是基于類(lèi)似以太網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)沖突避免原則(CSMA/CA)。

　　這也就意味著(zhù)，在單模mesh架構下，一個(gè)頻段必須不斷地在ingress回程、egress回程和終端連接之間轉換，這將引起嚴重的時(shí)延問(wèn)題。

　　簡(jiǎn)單計算一下就會(huì )發(fā)現，在單模方案中每個(gè)無(wú)線(xiàn)客戶(hù)端只能獲得很有限的吞吐量。舉例來(lái)說(shuō)，假設你有5個(gè)AP，每個(gè)AP有20個(gè)無(wú)線(xiàn)客戶(hù)端與之相連，所有的AP和客戶(hù)端共享同一個(gè)802.11b信道（5Mbit/s），這樣等價(jià)于每個(gè)用戶(hù)只能獲得少于50kbit/s的吞吐量——比撥號連接還要慢。而且由于所有的無(wú)線(xiàn)客戶(hù)端和AP必須工作在同一個(gè)信道上，無(wú)線(xiàn)資源的競爭和RF干擾還會(huì )導致不可預期的時(shí)延。

　　2.雙模方案實(shí)現回程共享

　　在雙模方案中，一個(gè)模塊專(zhuān)門(mén)用來(lái)連接無(wú)線(xiàn)客戶(hù)端，而另一個(gè)模塊專(zhuān)門(mén)用來(lái)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)回程傳輸——回程信道同時(shí)由ingress和egress流量共享。由于雙模方案為終端連接和回程分別提供了專(zhuān)門(mén)的模塊，終端側的問(wèn)題（如低吞吐量，高時(shí)延）會(huì )得到一些改善，但是回程mesh信道還必須由ingress和egress流量共享。由于回程頻段還需要不斷地在ingress回程和egress回程間進(jìn)行轉換，因此全網(wǎng)的性能仍然由于回程時(shí)延長(cháng)導致的瓶頸問(wèn)題而不理想。

　　3.多模方案實(shí)現結構化的無(wú)線(xiàn)mesh

　　在多模（或者稱(chēng)作結構化mesh）方案中，每個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)至少使用三個(gè)頻道的專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)鏈路接口，分別為客戶(hù)端流量、ingress無(wú)線(xiàn)回程流量和egress無(wú)線(xiàn)回程流量設置獨立的模塊。這個(gè)無(wú)線(xiàn)mesh網(wǎng)絡(luò )的方案與單模或雙模方案相比提供了很好的性能。因為每個(gè)鏈路都工作在獨立的信道上，專(zhuān)用的回程鏈路可以同時(shí)發(fā)送和接收數據。

　　由于ingress終端接入、egress回程和ingress回程都在專(zhuān)門(mén)的模塊進(jìn)行處理，因此在10跳以上的情況下，依然能夠保持高吞吐量；每一跳的時(shí)延可以保持在4~5ms，大大低于語(yǔ)音所要求的120ms；如果每個(gè)模塊均能支持QoS和多重SSID/VLAN，就可以在無(wú)線(xiàn)終端為語(yǔ)音流量設置合適的優(yōu)先級，通過(guò)mesh網(wǎng)絡(luò )最終到達有線(xiàn)終結點(diǎn)。

　　為了滿(mǎn)足像VoIP這類(lèi)實(shí)時(shí)通信應用的要求，Wi-Fimesh網(wǎng)絡(luò )要求多模塊、多射頻和多信道的體系架構。多模架構通過(guò)為終端接入、ingress回程、egress回程分別設置專(zhuān)門(mén)模塊的方法，可以非常經(jīng)濟地提供經(jīng)過(guò)多跳后高吞吐量、低時(shí)延和為語(yǔ)音流量設置高優(yōu)先級所要求的容量和覆蓋。

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