Bezdrátové sítě typu mesh

Bezdrátové sítě typu mesh

Ondřej Hynčica

Tento článek představuje sítě s topologií mesh a jejich specifika v bezdrátových komunikacích. Vysvětleny jsou zde základní pojmy a principy bezdrátových sítí mesh. Přehled se zaměřuje především na komunikační standardy WLAN, Bluetooth a ZigBee.

1. Úvod – sítě mesh

Pojem mesh, pro který se obtížně hledá český ekvivalent, je používán v různých souvislostech. Může jít o oko síta, pletivo, síť, smyčku, výztužnou mříž, pleteninu apod.

Obr. 1. Topologie mesh

V tomto příspěvku se píše především o topologii mesh, která je definována jako takové uspořádání komunikujících uzlů sítě, kde je každý z uzlů přímo propojen se všemi ostatními uzly v síti (obr. 1). V případě vynechání některých spojů, ale bez pevně dané struktury, se tato topologie označuje jako částečný mesh (na rozdíl od něj se předchozí případ někdy označuje jako úplný mesh, full mesh). Pojem topologie mesh se do češtiny někdy překládá jako topologie sítě, smyčková topologie nebo volná topologie. Ani jeden z těchto termínů se však zatím nevžil.

V oblasti bezdrátových sítí se pojem mesh používá v širším významu. Síť typu mesh neboli síť mesh („mešová síť„) je bezdrátová síť s topologií mesh, kde je zabezpečena automatická konfigurace struktury sítě, spolehlivé směrování mezi jednotlivými uzly a automatický přístup nových uzlů do sítě prostřednictvím dosavadních uzlů. V terminologii bezdrátových sítí by bylo možné říci, že jde o multi-hop ad hoc sítě s využitím topologie mesh. Hop označuje segment sítě, kde se všichni účastníci navzájem slyší bez potřeby směrování. Příkladem je síť WLAN složená ze zařízení sdílejících jeden kanál nebo jedna buňka – piconet u sítě Bluetooth. Multi-hop síť je síť složená z několika takových segmentů, kde je funkčnost sítě podmíněna směrováním mezi jednotlivými buňkami – hops. Ad hoc znamená nahodile nebo improvizovaně. V oblasti bezdrátových sítí se takto označují sítě, kde jednotliví účastníci nevyžadují žádnou předem vytvořenou infrastrukturu, aby byli schopni mezi sebou komunikovat, a sami zajišťují funkce nezbytné pro řízení sítě.

Síť mesh je často zaměňována s multi-hop sítí (sítí, kde se všichni účastníci sice navzájem neslyší, ale tvoří jedinou síť) nebo s distribuovaným bezdrátovým systémem (Wireless Distribution System, WDS), tj. systémem, kde jednotlivé uzly sítě slouží jako přístupové body ostatním. Síť mesh však v zastřešuje oba pojmy – je to multi-hop síť fungující jako WDS.

2. Výhody použití topologie mesh

Hlavním přínosem použití topologie mesh je redundance spojení, která v tomto případě vychází přímo z podstaty topologie – je dána pouze hustotou uzlů sítě. Topologie mesh není omezující ve struktuře sítě, a proto zjednodušuje automatické sestavování spojení a zotavování sítě po poruše. Spojení mezi dvěma body v topologii úplný mesh lze sestavit vždy, když jsou tyto body schopny komunikace, a u topologie částečný mesh je lze sestavit téměř vždy (to nemusí být pravda u ostatních topologií, jak je zjevné např. u kruhové topologie). Existence alternativních cest také umožňuje rovnoměrněji rozdělit zátěž předávaných dat mezi jednotlivé uzly sítě (traffic balancing). Pro bezdrátovou komunikaci je navíc významné, že uzly mohou komunikovat se svými blízkými sousedy přímo, tedy na kratší vzdálenosti.

Jiné topologie navrhované pro bezdrátové sítě přinášejí různé specifické výhody, zejména zjednodušené směrování (topologie typu strom) nebo definovanou dobu odezvy (kruhová topologie), zvýšení propustnosti apod.

V sítích mesh se za spolehlivost a redundanci spojení platí náročným směrováním. Náročné je především dynamické vyhledávání cest, popř. udržování směrovacích tabulek, zajištění odolnosti proti směrovacím smyčkám atd. Asi nejrozšířenějším protokolem pro dynamické bezdrátové sítě je směrovací protokol AODV (Ad-hoc On-demand Distance Vector – RFC 3561), vyvinutý na univerzitě v kalifornské Santa Barbaře [2]. Je zaměřen na použití s IP protokolem, ale jeho princip je využit pro směrování např. i u komunikačního standardu ZigBee.

Topologie mesh s sebou nese kromě zmíněného složitějšího směrování i další nevýhody, které souvisejí s velkým množstvím spojení, např. velké nároky na paměť zařízení (je nutné v ní uložit rozsáhlé směrovací tabulky), zvýšenou spotřebu, možnost interference a kolísající propustnost.

3. Využití bezdrátových sítí mesh

Realizace sítě mesh v praxi je značně závislá na použité metodě komunikace, technických prostředcích a požadavcích aplikace. Zaprvé jde o sítě tvořené v podstatě rovnocennými a zpravidla jednoduchými zařízeními. To mohou být např. sítě senzorů pro monitorování a sběr dat v automatizaci. Sběr dat je ostatně hlavní oblastí využití sítí mesh a často je to jediné vhodné řešení – např. pro monitorování rozsáhlých oblastí pomocí velkého množství senzorů nebo jako doplňkový zdroj dat v místech, kde se pevné spoje obtížně instalují (obr. 2).

Obr. 2. Síť mesh pro sběr dat v automatizaci

Neméně významnou oblastí jejich uplatnění jsou bezdrátové počítačové sítě, zřizované zejména pro rozšíření přístupu k internetu. Mesh se zde uplatní v aplikacích, kdy je potřeba na malém území, např. v rámci ulice nebo budovy, rozšířit bezdrátovou síť. Jádro sítě je tvořeno mesh sítí z přístupových bodů, jednotlivé klienty jsou potom připojeny běžným způsobem. Pro rozsáhlejší sítě tato varianta není příliš vhodná z důvodů úspory šířky pásma. Typicky jsou tyto sítě budovány ze zařízení, která jsou v souladu s normou IEEE 802.11(Wi-Fi).

4. Mesh a standardizace

Rozvoj technických prostředků rozšiřuje okruh uplatnění bezdrátových sítí, ať už v oblasti průmyslových nebo tzv. domácích sítí. Použití sítí mesh přináší potřebnou funkčnost a snadnou instalaci, a je proto považováno za velmi perspektivní. V kombinaci s plánovanou nízkou cenou koncových zařízení s bezdrátovým rozhraním se počítá s hromadným používáním sítí mesh. Proto je snahou mnoha výrobců a jejich sdružení (ZigBee Alliance, Intel, Cisco) zabudovat principy topologie mesh do standardů a otevřít trh v této nové oblasti. To už platí pro mezinárodní komunikační standard ZigBee (IEEE 802.15.4) nebo WiMAX (IEEE 802.16). Pro WLAN (IEEE 802.11) je připravován rozšiřující standard IEEE 802.11s, který bude podporovat topologii mesh na úrovni přístupových bodů.

Následující odstavce přinášejí srovnání tří rozdílných metod bezdrátové komunikace, které jsou schopny pracovat ve volném pásmu ISM 2,4 GHz, z pohledu možností realizace sítě mesh.

4.1 WLAN (IEEE 802.11s)
Mezinárodní komunikační standard IEEE 802.11b/g (WLAN, Wi-Fi) je vhodný pro přenos velkých objemů dat a je určen především pro propojení počítačů a přístup k internetu. WLAN podporuje dvě v principu odlišné konfigurace: ad hoc (peer-to-peer) a s přístupovým bodem (Acces Point – AP).

V módu ad hoc, kde se účastníci navzájem slyší, se uplatňuje topologie mesh. Nicméně síť mesh to není, protože WLAN standardně neumožňuje podporu multi-hop sítě – chybí jí směrovací mechanismus, a tak mezi sebou mohou jednotlivá zařízení komunikovat pouze přímo. Tento nedostatek lze snadno překonat a implementací potřebných funkcí na vyšší úrovni vytvořit z jednotlivých počítačů směrovače. Jako řešení lze použít již zmíněný protokol AODV, pro který jsou k dispozici programové sady umožňující vytvořit sítě mesh z počítačů s komunikací WLAN. Programové sady pro realizaci sítě mesh s WLAN jsou k dispozici např. na http://moment.cs.ucsb.edu/aodv-ietf/index.html nebo http://www.mitre.org/work/tech_transfer/mobilemesh.

Obr. 3. Rozšíření sítě WLAN
a) pevným propojením,
b) pomocí opakovačů

V případě konfigurace s přístupovým bodem jsou účastníci v připojení závislí na přístupových bodech, přes které probíhá veškerá komunikace. Oblast sítě je dána oblastí, kterou pokrývají přístupové body.

Pomine-li se řešení, kde jsou jednotlivé přístupové body propojeny přes pevnou síť LAN (obr. 3a), zbývá řešení s přístupovými body ve funkci opakovačů (obr. 3b). Jeden přístupový bod, který je připojen na pevnou síť, je určen jako kořenový (root), ostatní fungují jako opakovače (repeater) a tvoří řetěz rozšiřující oblast pokrytí. Přístupové body nemohou vytvářet strukturovanou topologii a komunikace je směrována do kořenového přístupového bodu. Nevýhody tohoto řešení jsou zjevné – omezené možností pro rozmístění opakovacích přístupových bodů a zvýšené zatížení kořenového přístupového bodu. Běžně dostupné přístupové body jsou takto schopny podporovat asi pět AP opakovačů [4].

Řešením, které si klade za cíl odstranit uvedené nedostatky, se zabývá nový mezinárodní standard IEEE 802.11s. Jeho vývoj byl iniciován firmami Intel a Cisco a návrh byl představen na schůzce IEEE ve Vancouveru (Kanada) v lednu 2004. Úkolem je rozšířit vrstvu MAC podle IEEE 802.11, aby bylo možné vytvořit dynamický systém vzájemně propojených přístupových bodů s podporou topologie mesh. Tím se nejen vyřeší uvedené potíže, ale počítá se i s dalšími rozšířeními, jako je výběr směrovacích cest na základě kvality daného spojení, rozložení zátěže (traffic balancing) nebo podpora několika rádiových rozhraní v jednom AP.

Obr. 4. Rozšíření sítě WLAN podle IEEE 802.11s (topologie mesh)

Tento standard značně usnadní uživatelům sestavování bezdrátových sítí bez pevných propojení. Například bude-li třeba rozšířit oblast pokrytí nebo „pojistit„ určitou část sítě, postačí přidání dalšího přístupového bodu, který oblast pokryje (obr. 4). Vydání tohoto standardu lze očekávat až v roce 2007.

4.2 Bluetooth
Bluetooth je definován mezinárodním standardem IEEE 802.15.1. Jeho cílovou aplikační oblastí je především náhrada kabelů v osobních a kancelářských aplikacích. Komunikace je založena na modelu master-slave, kde jedna řídicí jednotka (master) může mít v síti až sedm aktivních zařízení. Tato malá základní síť se nazývá piconet. Bluetooth podporuje vytváření větších multi-hop sítí propojením několika buněk piconet do větší sítě zvané scatternet.

Standard Bluetooth bývá často kritizován pro své nedostatky zejména v oblastech, pro které nebyl navržen: sítě mesh jsou jednou z takových aplikací. Pro Bluetooth, jako spojově orientovanou metodu komunikace, je topologie mesh nákladná nebo přímo nevhodná. Je-li zapotřebí v Bluetooth realizovat síť mesh, je nutné realizovat ji pouze značně omezenou. Protože Bluetooth nedefinuje strukturování, směrování ani plánování (scheduling) v síti, je nezbytné tyto protokoly dodatečně vytvořit. Má-li se brát ohled také na propustnost a spotřebu, jde o téměř neřešitelný problém.

Obr. 5. Scatternet Bluetooth (řídicí jednotky červeně, řízené modře, černé jsou společné dvěma buňkám piconet)

Pro bezdrátové propojení jednoduchých zařízení s malou spotřebou pomocí sítí mesh přebírá místo Bluetooth nastupující standard ZigBee.

4.3 ZigBee
ZigBee (IEEE 802.15.4) je nový mezinárodní standard pro bezdrátovou komunikaci, zaměřený na propojení velkého množství jednoduchých zařízení pro sběr dat, řízení a ovládání [3], [5]. Specifikace ZigBee je aktuálně ve verzi 1.00 z prosince 2004 a implementace ZigBee protokolu odpovídající této specifikaci je již k dispozici.

ZigBee charakterizuje několik vlastností – je to nízká cena a spotřeba, pomalý, spolehlivý přenos dat (hrubý přenos v pásmu 2,4 GHz je 250 kb/s) a podpora topologie mesh.

Využití topologie mesh je klíčovou vlastností ZigBee, která umožňuje budování rozsáhlých sítí se spolehlivým přenosem informací. Kromě topologie mesh podporuje ZigBee ještě topologie hvězda a strom.

Protokol ZigBee je definován jako nadstavba mezinárodního standardu IEEE 802.15.4 [6]. Definuje síťovou vrstvu umožňující využít topologii mesh a aplikační vrstvu, která dodává zbývající funkce ZigBee.

Obr. 6. Topologie ZigBee

ZigBee rozlišuje dva druhy zařízení – FFD (Full Function Devices – plně funkční zařízení ZigBee) a RFD (Reduced Function Devices – koncová zařízení se základní funkcí). V každé síti ZigBee je jedno zařízení určeno jako koordinátor a má na starost správu celé sítě. Řídí start komunikace v síti a připojování nových zařízení. Protože jsou na ně kladeny velké požadavky, jako koordinátor může fungovat pouze FFD. Ostatní FFD, která nefungují jako koordinátor (ale mohou jej případně zastoupit), mohou plnit funkci směrovačů (router) a umožnit tak realizovat topologie mesh a strom. RFD pro svou omezenou funkci mohou pracovat pouze jako koncová zařízení a mohou komunikovat pouze prostřednictvím FFD (obr. 6).

Topologie mesh umožňuje realizovat komunikaci plně peer-to-peer mezi zařízeními FFD fungujícími jako směrovače (router). Právě směrovače mají potřebné funkce pro realizaci sítě mesh.

ZigBee je od počátku připravováno pro aplikace, kde je využití sítí mesh značnou výhodou, jako jsou sítě senzorů, dálkový sběr dat z rozlehlých nebo nepřístupných oblastí a automatizace. Na rozdíl od ostatních metod komunikace pracujících v pásmu 2,4 GHz založených na mezinárodních standardech ZigBee neklade takový důraz na přenosovou rychlost, ale především na spolehlivé zajištění komunikace a minimální spotřebu. Vzhledem k nízkému vysílacímu výkonu (současné čipy na 2,4 GHz mají výkon 1 mW; to je dvojnásobek oproti minimu vyžadovanému specifikací ZigBee) je důležitou otázkou skutečný dosah zařízení. Velkou výhodu zde potom přináší síť mesh, která rozšíří dosah pokrytí sítě pomocí účastnících se zařízení.

5. Shrnutí

Masivní nástup bezdrátových sítí s topologií mesh je dán snahou odstranit jednu ze slabin bezdrátových sítí – nespolehlivost v předávání informace. Ačkoliv je vlastní topologie mesh velmi jednoduchá, realizace funkční sítě mesh je velmi komplikovaný a komplexní problém. Nicméně velký potenciál tohoto přístupu láká zájem velkých výrobců a sítě mesh se stávají součástí používaných řešení i mezinárodních standardů.

Speciálně v automatizaci přetrvává nedůvěra k bezdrátovým sítím, vycházející především z otázek bezpečnosti a spolehlivosti. Využití sítí mesh ve značné míře může zvýšit spolehlivost díky přidané redundanci, ale také značně zvýšit komfort, ať už při počáteční konfiguraci sítě, tak i při jejím používání. Otázka topologie, má-li být řešena napevno a předem, může být velmi komplikovaná. Při realizaci sítě mesh tento problém odpadá za předpokladu, že hustota uzlů bude dostatečná (naneštěstí většinou lze předem těžko určit, co znamená „dostatečná“).

Otázka bezpečnosti je vzhledem k nezabezpečenému fyzickému médiu (rádiový přenos) v praxi neřešitelná, proto bezdrátové sítě slouží tam, kde přinesou přídavné funkce a pohodlí, ale nejsou vhodné pro kritické aplikace.

Ze současných mezinárodních standardů pro bezdrátové komunikace je pro použití v sítích mesh nejlépe připraven standard ZigBee. Vzhledem k tomu, že jde o stále ještě nový standard, zůstává otázkou, zda naplní očekávání.

Literatura:
[1] FRODIGH, M. – JOHANSSON, P. – LARSSON, P.: Wireless ad hoc networking – The art of networking without a network. Erricsson Review, 2000, No. 4.
[2] PERKINS, C. E. – ROYER, E. M.: Ad-hoc on-demand distance vector routing. Proc. 2^nd IEEE Workshop on Mobile Computing Systems and Applications, February 1999.
[3] IEEE 802.15 Working Group on WPANs. Dostupné na http://www.ieee802.org/15/ [cit. 28. 7. 2005].
[4] WALKER, J.: Wi-Fi Mesh Networks, The path to mobile Ad Hoc. In: The Wi-Fi Technology Forum – Mesh and Ad Hoc Networks Tutorial. Dostupné na http://www.wi-fitechnology.com/Wi-Fi_Reports_and_Papers/Wi-Fi_Mesh_Networks.html [cit. 28. 7. 2005].
[5] ZigBee Alliance. Dostupné na http://www.zigbee.org [cit. 28. 7. 2005].
[6] IEEE 802.15.4 Standard for Information technology – Telecommunications and information exchange between systems – Local and metropolitan area networks – Specific requirements Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs). IEEE, 2003. Dostupné na http://standards.ieee.org/getieee802/802.15.html [cit. 28. 7. 2005]

Ing. Ondřej Hynčica
ústav automatizace a měřicí techniky,
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, VUT v Brně
(xhynci00@stud.feec.vutbr.cz)

Lektoroval: Ing. Josef Čapek, PhD.,
FEL ČVUT v Praze