Wi-Fi mesh組網技術

Wi-Fi mesh 組網技術

文：徐龍杰，郭寧，郭濤，韓建亭（中國電信股份有限公司上海研究院，上海 200122）

摘要 ：Wi-Fi mesh 是一種適用于大面積或復雜戶型的 Wi-Fi 自組網解決方案，為用戶提供全覆蓋、自切換、易安裝的優(yōu)質無線網絡。Wi-Fi mesh 具備自組網、自管理、自修復和自平衡等諸多優(yōu)點，但現(xiàn)有 Wi-Fi mesh 產品實現(xiàn)方案存在標準不統(tǒng)一、實現(xiàn)復雜、終端能力要求高、無法互通的問題。首先討論了現(xiàn)有家庭網絡中多熱點 AP 協(xié)同工作的實現(xiàn)情況，接著對當前 Wi-Fi mesh 主流技術進行了分析，重點探討了家庭 Wi-Fi mesh 的技術方案和對比。進而面向家庭應用場景，為運營商提出了一種模塊化、易實現(xiàn)、終端能力需求低且互通性好的 Wi-Fi mesh 技術實現(xiàn)方案。

1 引言：

隨著家庭智能終端數(shù)量的不斷增加，家庭無線網絡質量的要求不斷提高，家庭 Wi-Fi 無線接 入網絡也逐漸從單個接入點（access point，AP） 向多 AP 協(xié)同工作的模式轉變，而家庭中多個 AP間協(xié)同工作的能力是決定家庭無線網絡質量的關

鍵因素，業(yè)內當前的解決辦法主要有無線中繼和 Wi-Fi mesh 網絡兩種。

**y **無線中繼：也稱無線擴展器（repeater）， 通過標準的Wi-Fi自動配網協(xié)議WPS配對 或用戶手工配置的方式，實現(xiàn)主/從 AP 節(jié) 點連接通信。

**y **Wi-Fi mesh：是一套系統(tǒng)且功能強大的多 AP 間自組網的實現(xiàn)方案，該方案中多個節(jié) 點間通過專用的通信協(xié)議實現(xiàn)。

無線中繼是一種簡單的無線擴展實現(xiàn)方式，多節(jié)點間的協(xié)同能力有限，無任何無線網絡質量 保障的措施，當主 AP 的無線配置信息變更后， 其下聯(lián)中繼器（AP）都需重新配置一遍，用戶體 驗差；該方式只能算作解決家庭無線網絡信號從無到有的一種應急解決辦法，作為高質量寬帶服務提供者的運營商不會選擇該方案，故無線中繼 不是本文關注的重點；Wi-Fi mesh 是一種適用于 大面積或較復雜戶型的家庭 Wi-Fi 組網方案，它 是一套系統(tǒng)、完整、高質量的多 AP 協(xié)同工作實 現(xiàn)方案，但目前業(yè)界已推出的 Wi-Fi mesh 產品都 是各個終端或芯片廠商的私有協(xié)議，存在標準不統(tǒng)一、兼容性差、不能互通的問題，因此迫切地 需要一種適用于家庭網絡的通用 Wi-Fi mesh 解決 方案。

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**Wi-Fi mesh 技術分析 **

目前面向家庭推出的 Wi-Fi mesh 產品實現(xiàn)技 術，主要是采用 IEEE 802.11S、WDS 和 multi-AP（簡稱 MAP[1]）3 種技術實現(xiàn)標準，實現(xiàn)家庭多 AP 間的協(xié)同工作的需要。

**2.1 IEEE 802.11S **

IEEE 802.11S Wi-Fi 自組網協(xié)議標準較為完 整，2006 年被提交至 IEEE，2011 年被正式納入 標準體系。它適用于多給路由分布式 Wi-Fi 組網 場景，比較適合于企業(yè)網、校園網等比較大型的

覆蓋場景；還具有跨廠商兼容互通、長期演進、功能完備、家庭內部局域網數(shù)據(jù)轉發(fā)去中心化的 優(yōu)勢，其實現(xiàn)的 MAC 幀格式如圖 1 所示。由圖 1 可知，IEEE 802.11S 是通過擴展 IEEE 802.11 MAC 層實現(xiàn)的六地址數(shù)據(jù)交換，在 Wi-Fi MAC 層實現(xiàn)路由，實現(xiàn)比較復雜，對終端能力要 求高，開發(fā)和維護的成本比較高，普通家庭無線 AP 終端性能無法保障，故產業(yè)鏈高通、博通、 MTK 等大的芯片廠商對 IEEE 802.11S 支持力度 不大，目前采用 IEEE 802.11S 的 Wi-Fi mesh 的產 品并不多，近期在國際的標準組織中也未看到關 于 IEEE 802.11S 技術標準演進推動的新進展。

**2.2 WDS **

無線分布式系統(tǒng)（wireless distribution system， WDS）是無線連接兩個接入點的協(xié)議。WDS 最初 在無線應用領域中，是無線基站與無線基站之間 進行聯(lián)系通信的系統(tǒng)。IEEE 802.11 協(xié)議定義的 Wi-Fi MAC 層數(shù)據(jù)幀結構中有預留 4 個地址域， 基于 WDS 的 mesh 鏈路采用四地址或三地址與 802.11 持一致，即當 ToDS 和 FromDS 為 1 時，采 用四地址格式；當 ToDS 為 0，F(xiàn)romDS 為 1 時， 采用三地址格式，如圖 2 所示。

由圖 2 可知，toDS 和 fromDS 為 1 時， WDS MAC 幀攜帶的是四地址（addr 1~addr 4）的信息。

基于 WDS 的實現(xiàn)方案特性，決定了基于 WDS 的 Wi-Fi mesh 產品實現(xiàn)容易，終端能力要求低，故隨著無線應用家庭化的普及，WDS 已經快速被應用到家用無線 AP 產品上，并被用戶所接受，當前市場上主流的 Wi-Fi mesh 產品大都是基 于該標準。

但因三地址格式只支持 AP 和 station 之間傳 輸數(shù)據(jù)，在 AP 和 AP 之間下行數(shù)據(jù)目的地址會丟失導致無法傳輸?shù)侥康腟TA。只能依賴于IP路由， 但是非 IP 的數(shù)據(jù)分組依舊無法傳輸。故只能采用WDS 四地址格式傳輸，數(shù)據(jù)幀只與MAC層相關， 數(shù)據(jù)不需要上 IP 層處理，效率高，但是 WDS 只規(guī)定了數(shù)據(jù)格式，并未規(guī)定 AP 和 AP 之間如何建立連接和交換密鑰，各廠商的實現(xiàn)方式各不一樣。故基于 WDS 的Wi-Fi mesh 協(xié)議同樣存在互通性 和標準不完全統(tǒng)一的問題，仍需優(yōu)化解決。2017 年Wi-Fi 聯(lián)盟（WFA）成立了一個基于 WDS模式的MAP技術討論組，重點研究該問題，從而產生了MAP 標準協(xié)議。

2.3 MAP

MAP重點解決基于WDS協(xié)議不同廠商 Wi-Fi mesh 產品間的互通性的問題，WFA在2018年發(fā)布了用于家庭網絡自組網的 MAP 標 準協(xié)議，并且作為 WAF easy mesh 的互通性認證標準。MAP Wi-Fi mesh 實現(xiàn)方案的 MAC 幀 格式，如圖3 所示。

由圖3可知，MAP是在 WDS 四地址基礎上 的應用，其 MAC 層也是四地址格式，并采用 IE1905.1[2]協(xié)議實現(xiàn) mesh 網絡中各個節(jié)點間的信息互通。

（1）MAP 協(xié)議組網后也會涉及 AP 之間的數(shù)據(jù)傳輸，并且 MAP 采用的數(shù)據(jù)為 IEEE 1905.1 數(shù)據(jù)，非 IP 數(shù)據(jù)，故只能采用四地址 進行傳輸。其數(shù)據(jù)格式和 WDS 四地址數(shù)據(jù)格式完全一致。 （2）MAP 額外規(guī)定了 AP 和 AP 之間如何建立連接和交換密鑰，其規(guī)定采用 AP 的 station 接 口和上行 AP 的回傳 BSS 連接，連接成功后如果 兩個設備都支持 MAP，則后續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸采用四 地址格式傳輸，從而解決了兼容性的問題。

2.4 方案比較

Wi-Fi mesh 實現(xiàn)技術方案比較見表 1。

由表 1 可知：基于 IEEE 802.11S 的 Wi-Fi 自 組網協(xié)議標準較為完整，具有跨廠商兼容互通、數(shù)據(jù)轉發(fā)去中心化的優(yōu)勢，適用于大面積多路由 的分布式 Wi-Fi 組網場景，但它采用六地址方式， 實現(xiàn)復雜，硬件能力要求高，開發(fā)和維護成本高，產業(yè)鏈廠商的支持力度小，且技術標準的演進緩慢；WDS 主要是無線連接兩個接入（AP）的協(xié)議，采用三/四地址方式，實現(xiàn)簡單，硬件能力需求低，但 WDS 協(xié)議只定義了數(shù)據(jù)格式，節(jié)點間如何連接，密鑰如何交換等沒有定義，終端廠商只能在 WDS 的基礎上改造自己的私有組網協(xié)議，互通性存在問題；MAP 協(xié)議是由 WFA 提出基于四地址WDS協(xié)議的通用Wi-Fi mesh實現(xiàn)方案，其實現(xiàn)簡單，終端能力要求適中互通性好，產業(yè)鏈的支持力度大，更適用于家庭網絡應用 場景。

03

基于 MAP 的 Wi-Fi mesh 實現(xiàn)方案

Wi-Fi 聯(lián)盟推出的 MAP 實現(xiàn)方案解決了 基于 WDS 方案產品互通性的問題，也是采用四地址[3]的實現(xiàn)方案與 IEEE 802.11 Wi-Fi 的四地址保持一致，實現(xiàn)簡單，通用性又好，故該方案很快獲得了產業(yè)鏈各大芯片及終端廠商 的支持，并在 Wi-Fi 聯(lián)盟內很快完成主流 Wi-Fi 芯片廠商間設備的互通性測試。MAP 方案定義 了設備間的通信協(xié)議和標準，解決了 Wi-Fi mesh 網絡中 AP 間的互通性問題，但 MAP 并 未定義設備底層MAC層與上層應用層的接口， 該部分都是各廠商自己實現(xiàn)。運營商為其寬帶用戶提供的智能組網業(yè)務，除了需要實現(xiàn)不同廠商 Wi-Fi mesh 設備間的互通外，還需要統(tǒng)一各廠商的 Wi-Fi mesh 能力（自組網、新節(jié)點加 入的操作方法和流程等） 、統(tǒng)一App或本地Web 頁面的管理控制、統(tǒng)一云平臺的接入管理，因此，運營商提供的 Wi-Fi mesh 產品只完成底層設備間互通的標準協(xié)議是不夠的，還需要統(tǒng)一 組網終端 MAC 層與應用層部分的接口，因此， 本文提出了基于 MAP 的通用 Wi-Fi mesh 實現(xiàn)方案。

3.1

軟件架構

基于 MAP 的通用 Wi-Fi mesh 實現(xiàn)方案軟件 實現(xiàn)架構，如圖 4 所示。

由圖 4 可知，基于 MAP 的 Wi-Fi mesh 軟件 實現(xiàn)架構，從底到上可分成：Wi-Fi 驅動層、MAC 層和應用層，具體如下。

Wi-Fi 驅動層：是 Wi-Fi 模塊基本能力層，主要是指 IEEE 所定義的標準 IEEE 802.11k、IEEE 802.11v、IEEE 802.11r、IEEE 802.11u 等能力。

MAC 層：主要是指基于 MAP 框架協(xié)議的 mesh 能力實現(xiàn)層，主要包括：MAP驅動適配器、1905 Framework 框架協(xié)議和網絡節(jié)點的設備加載、身份識別、角色定義、節(jié)點選擇、頻段切換、負載均衡等 mesh 特性的能力實現(xiàn)模塊。應用層：是 mesh 網絡節(jié)點的上層應用層，主要包括本地管理服務（local manager service）實現(xiàn)模塊等。

3.2

協(xié)議標準

基于 MAP 的 Wi-Fi mesh 通用實現(xiàn)方案，家 庭網絡節(jié)點的 Wi-Fi mesh 能力實現(xiàn)集中在 MAC 層，采用通用的 MAP 標準協(xié)議實現(xiàn)。

3.3

節(jié)點角色

基于 MAP 的通用 Wi-Fi mesh 實現(xiàn)技術方 案，節(jié)點的角色包括 Wi-Fi mesh 主節(jié)點 MAP 控制器（Controller）和 Wi-Fi mesh 子節(jié)點 MAP 代理（Agent）兩類，與 MAP 標準協(xié)議定義的 一致。

3.4

網絡拓撲

為了提升家庭Wi-Fi mesh網絡的工作效率， 降低對 Wi-Fi mesh 終端處理能力的要求，本方 案繼續(xù)采用MAP標準定義的樹狀或鏈狀的網絡 結構。

3.5

Wi-Fi mesh 能力

針對 MAP 標準協(xié)議沒有明確或定義的 WPS 控制、角色選擇、頻段切換、節(jié)點（AP）選擇、 鏈路優(yōu)化[4]和負載均衡等功能模塊部分，本方案統(tǒng)一明確和定義具體的規(guī)則和處理機制，使得運營商所采購的產品不僅能夠實現(xiàn)互通，還能夠做 到統(tǒng)一的處理規(guī)則和用戶體驗。

3.6

實現(xiàn)接口

Wi-Fi mesh 網絡中各設備間的外部通信接口 采用 MAP 的標準定義的節(jié)點間的外部（Mo）接 口（詳見圖 4）；Wi-Fi mesh 網絡節(jié)點終端 mesh能力與本地應用服務之間的內部（Mi）接口（詳 見圖 4），如：終端角節(jié)點角色的設置、網絡拓撲 查看接口等，MAP 協(xié)議中沒有定義，需要新增。該類接口的定義示例，見表 2 和表 3。

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** 結束語 **

本文提出的基于 MAP 的 Wi-Fi mesh 實現(xiàn)方 案，Wi-Fi mesh 網絡節(jié)點間的通信采用通用 MAP 的通信協(xié)議，解決了不同廠商 Wi-Fi mesh 終端的 互通和兼容性問題；基于 MAC 層的四地址 WDS 實現(xiàn)方式，實現(xiàn)簡單，對終端的處理能力需求適 中，當前主流家用吉比特雙頻路由器（AP）的 Wi-Fi 芯片都能滿足，容易得到芯片及終端廠商 的積極響應；基于 MAP 的 Wi-Fi mesh 實現(xiàn)方案 的 mesh 能力實現(xiàn)在 MAC 層，其與外部設備間 的通信接口協(xié)議和與本地的終端管理服務系統(tǒng)的接口都已定義，易于模塊化，便于運營商或芯片廠商統(tǒng)一提供該部分的通用能力實現(xiàn)模塊，大大降低終端廠商的開發(fā)工作量和成本。因此， 基于 MAP 的 Wi-Fi mesh 實現(xiàn)方案，是為運營商 提供的一套面向家庭 Wi-Fi mesh 網絡的理想解 決方案。