Wi-Fi mesh 組網(wǎng)技術(shù)

文：徐龍杰，郭寧，郭濤，韓建亭（中國(guó)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(fù)雜戶型的 Wi-Fi 自組網(wǎng)解決方案，為用戶提供全覆蓋、自切換、易安裝的優(yōu)質(zhì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。Wi-Fi mesh 具備自組網(wǎng)、自管理、自修復(fù)和自平衡等諸多優(yōu)點(diǎn)，但現(xiàn)有 Wi-Fi mesh 產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)方案存在標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、終端能力要求高、無(wú)法互通的問(wèn)題。首先討論了現(xiàn)有家庭網(wǎng)絡(luò)中多熱點(diǎn) AP 協(xié)同工作的實(shí)現(xiàn)情況，接著對(duì)當(dāng)前 Wi-Fi mesh 主流技術(shù)進(jìn)行了分析，重點(diǎn)探討了家庭 Wi-Fi mesh 的技術(shù)方案和對(duì)比。進(jìn)而面向家庭應(yīng)用場(chǎng)景，為運(yùn)營(yíng)商提出了一種模塊化、易實(shí)現(xiàn)、終端能力需求低且互通性好的 Wi-Fi mesh 技術(shù)實(shí)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的要求不斷提高，家庭 Wi-Fi 無(wú)線接 入網(wǎng)絡(luò)也逐漸從單個(gè)接入點(diǎn)（access point，AP） 向多 AP 協(xié)同工作的模式轉(zhuǎn)變，而家庭中多個(gè) AP間協(xié)同工作的能力是決定家庭無(wú)線網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的關(guān)

鍵因素，業(yè)內(nèi)當(dāng)前的解決辦法主要有無(wú)線中繼和 Wi-Fi mesh 網(wǎng)絡(luò)兩種。

**y **無(wú)線中繼：也稱無(wú)線擴(kuò)展器（repeater）， 通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的Wi-Fi自動(dòng)配網(wǎng)協(xié)議WPS配對(duì) 或用戶手工配置的方式，實(shí)現(xiàn)主/從 AP 節(jié) 點(diǎn)連接通信。

**y **Wi-Fi mesh：是一套系統(tǒng)且功能強(qiáng)大的多 AP 間自組網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)方案，該方案中多個(gè)節(jié) 點(diǎn)間通過(guò)專用的通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)。

無(wú)線中繼是一種簡(jiǎn)單的無(wú)線擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)方式，多節(jié)點(diǎn)間的協(xié)同能力有限，無(wú)任何無(wú)線網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量 保障的措施，當(dāng)主 AP 的無(wú)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(yàn)差；該方式只能算作解決家庭無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)從無(wú)到有的一種應(yīng)急解決辦法，作為高質(zhì)量寬帶服務(wù)提供者的運(yùn)營(yíng)商不會(huì)選擇該方案，故無(wú)線中繼 不是本文關(guān)注的重點(diǎn)；Wi-Fi mesh 是一種適用于 大面積或較復(fù)雜戶型的家庭 Wi-Fi 組網(wǎng)方案，它 是一套系統(tǒng)、完整、高質(zhì)量的多 AP 協(xié)同工作實(shí) 現(xiàn)方案，但目前業(yè)界已推出的 Wi-Fi mesh 產(chǎn)品都 是各個(gè)終端或芯片廠商的私有協(xié)議，存在標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、兼容性差、不能互通的問(wèn)題，因此迫切地 需要一種適用于家庭網(wǎng)絡(luò)的通用 Wi-Fi mesh 解決 方案。

02

**Wi-Fi mesh 技術(shù)分析 **

目前面向家庭推出的 Wi-Fi mesh 產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)技 術(shù)，主要是采用 IEEE 802.11S、WDS 和 multi-AP（簡(jiǎn)稱 MAP[1]）3 種技術(shù)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)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(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)較為完 整，2006 年被提交至 IEEE，2011 年被正式納入 標(biāo)準(zhǔn)體系。它適用于多給路由分布式 Wi-Fi 組網(wǎng) 場(chǎng)景，比較適合于企業(yè)網(wǎng)、校園網(wǎng)等比較大型的

覆蓋場(chǎng)景；還具有跨廠商兼容互通、長(zhǎng)期演進(jìn)、功能完備、家庭內(nèi)部局域網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)去中心化的 優(yōu)勢(shì)，其實(shí)現(xiàn)的 MAC 幀格式如圖 1 所示。由圖 1 可知，IEEE 802.11S 是通過(guò)擴(kuò)展 IEEE 802.11 MAC 層實(shí)現(xiàn)的六地址數(shù)據(jù)交換，在 Wi-Fi MAC 層實(shí)現(xiàn)路由，實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，對(duì)終端能力要 求高，開(kāi)發(fā)和維護(hù)的成本比較高，普通家庭無(wú)線 AP 終端性能無(wú)法保障，故產(chǎn)業(yè)鏈高通、博通、 MTK 等大的芯片廠商對(duì) IEEE 802.11S 支持力度 不大，目前采用 IEEE 802.11S 的 Wi-Fi mesh 的產(chǎn) 品并不多，近期在國(guó)際的標(biāo)準(zhǔn)組織中也未看到關(guān) 于 IEEE 802.11S 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)推動(dòng)的新進(jìn)展。

**2.2 WDS **

無(wú)線分布式系統(tǒng)（wireless distribution system， WDS）是無(wú)線連接兩個(gè)接入點(diǎn)的協(xié)議。WDS 最初 在無(wú)線應(yīng)用領(lǐng)域中，是無(wú)線基站與無(wú)線基站之間 進(jìn)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(jié)構(gòu)中有預(yù)留 4 個(gè)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(dāng) ToDS 和 FromDS 為 1 時(shí)，采 用四地址格式；當(dāng) ToDS 為 0，F(xiàn)romDS 為 1 時(shí)， 采用三地址格式，如圖 2 所示。

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

基于 WDS 的實(shí)現(xiàn)方案特性，決定了基于 WDS 的 Wi-Fi mesh 產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)容易，終端能力要求低，故隨著無(wú)線應(yīng)用家庭化的普及，WDS 已經(jīng)快速被應(yīng)用到家用無(wú)線 AP 產(chǎn)品上，并被用戶所接受，當(dāng)前市場(chǎng)上主流的 Wi-Fi mesh 產(chǎn)品大都是基 于該標(biāo)準(zhǔn)。

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(huì)丟失導(dǎo)致無(wú)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(wú)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(guān)， 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(shí)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(biāo)準(zhǔn)不完全統(tǒng)一的問(wèn)題，仍需優(yōu)化解決。2017 年Wi-Fi 聯(lián)盟（WFA）成立了一個(gè)基于 WDS模式的MAP技術(shù)討論組，重點(diǎn)研究該問(wèn)題，從而產(chǎn)生了MAP 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

2.3 MAP

MAP重點(diǎn)解決基于WDS協(xié)議不同廠商 Wi-Fi mesh 產(chǎn)品間的互通性的問(wèn)題，WFA在2018年發(fā)布了用于家庭網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)的 MAP 標(biāo) 準(zhǔn)協(xié)議，并且作為 WAF easy mesh 的互通性認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。MAP Wi-Fi mesh 實(shí)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(chǔ)上 的應(yīng)用，其 MAC 層也是四地址格式，并采用 IE1905.1[2]協(xié)議實(shí)現(xiàn) mesh 網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)間的信息互通。

（1）MAP 協(xié)議組網(wǎng)后也會(huì)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(jìn)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(gè)設(shè)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(wèn)題。

2.4 方案比較

Wi-Fi mesh 實(shí)現(xiàn)技術(shù)方案比較見(jiàn)表 1。

由表 1 可知：基于 IEEE 802.11S 的 Wi-Fi 自 組網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)較為完整，具有跨廠商兼容互通、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)去中心化的優(yōu)勢(shì)，適用于大面積多路由 的分布式 Wi-Fi 組網(wǎng)場(chǎng)景，但它采用六地址方式， 實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，硬件能力要求高，開(kāi)發(fā)和維護(hù)成本高，產(chǎn)業(yè)鏈廠商的支持力度小，且技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)緩慢；WDS 主要是無(wú)線連接兩個(gè)接入（AP）的協(xié)議，采用三/四地址方式，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)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(diǎn)間如何連接，密鑰如何交換等沒(méi)有定義，終端廠商只能在 WDS 的基礎(chǔ)上改造自己的私有組網(wǎng)協(xié)議，互通性存在問(wèn)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(shí)現(xiàn)方案，其實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，終端能力要求適中互通性好，產(chǎn)業(yè)鏈的支持力度大，更適用于家庭網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 場(chǎng)景。

03

基于 MAP 的 Wi-Fi mesh 實(shí)現(xiàn)方案

Wi-Fi 聯(lián)盟推出的 MAP 實(shí)現(xiàn)方案解決了 基于 WDS 方案產(chǎn)品互通性的問(wèn)題，也是采用四地址[3]的實(shí)現(xiàn)方案與 IEEE 802.11 Wi-Fi 的四地址保持一致，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，通用性又好，故該方案很快獲得了產(chǎn)業(yè)鏈各大芯片及終端廠商 的支持，并在 Wi-Fi 聯(lián)盟內(nèi)很快完成主流 Wi-Fi 芯片廠商間設(shè)備的互通性測(cè)試。MAP 方案定義 了設(shè)備間的通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)，解決了 Wi-Fi mesh 網(wǎng)絡(luò)中 AP 間的互通性問(wèn)題，但 MAP 并 未定義設(shè)備底層MAC層與上層應(yīng)用層的接口， 該部分都是各廠商自己實(shí)現(xiàn)。運(yùn)營(yíng)商為其寬帶用戶提供的智能組網(wǎng)業(yè)務(wù)，除了需要實(shí)現(xiàn)不同廠商 Wi-Fi mesh 設(shè)備間的互通外，還需要統(tǒng)一各廠商的 Wi-Fi mesh 能力（自組網(wǎng)、新節(jié)點(diǎn)加 入的操作方法和流程等） 、統(tǒng)一App或本地Web 頁(yè)面的管理控制、統(tǒng)一云平臺(tái)的接入管理，因此，運(yùn)營(yíng)商提供的 Wi-Fi mesh 產(chǎn)品只完成底層設(shè)備間互通的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議是不夠的，還需要統(tǒng)一 組網(wǎng)終端 MAC 層與應(yīng)用層部分的接口，因此， 本文提出了基于 MAP 的通用 Wi-Fi mesh 實(shí)現(xiàn)方案。

3.1

軟件架構(gòu)

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

由圖 4 可知，基于 MAP 的 Wi-Fi mesh 軟件 實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，從底到上可分成：Wi-Fi 驅(qū)動(dòng)層、MAC 層和應(yīng)用層，具體如下。

Wi-Fi 驅(qū)動(dòng)層：是 Wi-Fi 模塊基本能力層，主要是指 IEEE 所定義的標(biāo)準(zhǔn) 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(shí)現(xiàn)層，主要包括：MAP驅(qū)動(dòng)適配器、1905 Framework 框架協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)備加載、身份識(shí)別、角色定義、節(jié)點(diǎn)選擇、頻段切換、負(fù)載均衡等 mesh 特性的能力實(shí)現(xiàn)模塊。應(yīng)用層：是 mesh 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的上層應(yīng)用層，主要包括本地管理服務(wù)（local manager service）實(shí)現(xiàn)模塊等。

3.2

協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)

基于 MAP 的 Wi-Fi mesh 通用實(shí)現(xiàn)方案，家 庭網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的 Wi-Fi mesh 能力實(shí)現(xiàn)集中在 MAC 層，采用通用的 MAP 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議實(shí)現(xiàn)。

3.3

節(jié)點(diǎn)角色

基于 MAP 的通用 Wi-Fi mesh 實(shí)現(xiàn)技術(shù)方 案，節(jié)點(diǎn)的角色包括 Wi-Fi mesh 主節(jié)點(diǎn) MAP 控制器（Controller）和 Wi-Fi mesh 子節(jié)點(diǎn) MAP 代理（Agent）兩類，與 MAP 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議定義的 一致。

3.4

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

為了提升家庭Wi-Fi mesh網(wǎng)絡(luò)的工作效率， 降低對(duì) Wi-Fi mesh 終端處理能力的要求，本方 案繼續(xù)采用MAP標(biāo)準(zhǔn)定義的樹(shù)狀或鏈狀的網(wǎng)絡(luò) 結(jié)構(gòu)。

3.5

Wi-Fi mesh 能力

針對(duì) MAP 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議沒(méi)有明確或定義的 WPS 控制、角色選擇、頻段切換、節(jié)點(diǎn)（AP）選擇、 鏈路優(yōu)化[4]和負(fù)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(jī)制，使得運(yùn)營(yíng)商所采購(gòu)的產(chǎn)品不僅能夠?qū)崿F(xiàn)互通，還能夠做 到統(tǒng)一的處理規(guī)則和用戶體驗(yàn)。

3.6

實(shí)現(xiàn)接口

Wi-Fi mesh 網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備間的外部通信接口 采用 MAP 的標(biāo)準(zhǔn)定義的節(jié)點(diǎn)間的外部（Mo）接 口（詳見(jiàn)圖 4）；Wi-Fi mesh 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)終端 mesh能力與本地應(yīng)用服務(wù)之間的內(nèi)部（Mi）接口（詳 見(jiàn)圖 4），如：終端角節(jié)點(diǎn)角色的設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?查看接口等，MAP 協(xié)議中沒(méi)有定義，需要新增。該類接口的定義示例，見(jiàn)表 2 和表 3。

04

** 結(jié)束語(yǔ) **

本文提出的基于 MAP 的 Wi-Fi mesh 實(shí)現(xiàn)方 案，Wi-Fi mesh 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(wèn)題；基于 MAC 層的四地址 WDS 實(shí)現(xiàn)方式，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，對(duì)終端的處理能力需求適 中，當(dāng)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(yīng)；基于 MAP 的 Wi-Fi mesh 實(shí)現(xiàn)方案 的 mesh 能力實(shí)現(xiàn)在 MAC 層，其與外部設(shè)備間 的通信接口協(xié)議和與本地的終端管理服務(wù)系統(tǒng)的接口都已定義，易于模塊化，便于運(yùn)營(yíng)商或芯片廠商統(tǒng)一提供該部分的通用能力實(shí)現(xiàn)模塊，大大降低終端廠商的開(kāi)發(fā)工作量和成本。因此， 基于 MAP 的 Wi-Fi mesh 實(shí)現(xiàn)方案，是為運(yùn)營(yíng)商 提供的一套面向家庭 Wi-Fi mesh 網(wǎng)絡(luò)的理想解 決方案。