WiFi EasyMesh 關(guān)鍵技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化進展研究

郭 蕾，曹小波

（中國信息通信研究院，技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所，北京 100191）

0 引言

WiFi 產(chǎn)品已經(jīng)成為人們工作生活不可缺少的一部分,隨著家庭網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,智能手機、平板電腦、筆記本電腦、智能家居等產(chǎn)品,主要通過WiFi 接入網(wǎng)絡(luò)。 移動設(shè)備的大量增加,使整個家庭對WiFi 連接的需求日益增大。 傳統(tǒng)上,家庭WiFi 部署一般為單個WiFi 接入點,很多情況下無法完全覆蓋所需區(qū)域,并且,在有遮擋的環(huán)境下,會造成信號衰減,嚴(yán)重影響通信質(zhì)量,即便使用WiFi 擴展器對無線信號進行中繼放大,也會存在吞吐量降低、不便于管理等問題。 因此,全覆蓋、高效、自配置的WiFi 網(wǎng)絡(luò)成為迫切需求,推動市場上產(chǎn)生了一些擴展WiFi 范圍的解決方案,這些方案一般采用WiFi Mesh 相關(guān)技術(shù),通過多個接入點相互連接形成網(wǎng)絡(luò)。

目前,市場上已有不少通信設(shè)備制造商推出了WiFi Mesh 產(chǎn)品,但由于這些WiFi Mesh 產(chǎn)品來自不同制造商,它們多采用各自專有的WiFi Mesh 系統(tǒng),且這些系統(tǒng)互不兼容,不提供多供應(yīng)商的互操作性,即不同制造商的WiFi Mesh 產(chǎn)品不能互相通信,用戶無法將不同制造商的WiFi Mesh 產(chǎn)品混合使用,只能選擇同一制造商的WiFi Mesh 產(chǎn)品進行組網(wǎng),在這種情況下,WiFi EasyMesh 應(yīng)運而生,它解決了不同制造商WiFi Mesh設(shè)備不能相互通信的問題,使用戶可以組裝來自不同制造商的WiFi Mesh 設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)。

WiFi EasyMesh 是WiFi 聯(lián)盟的一個認證機制,它定義了易于安裝和使用、自適應(yīng)并具有多供應(yīng)商互操作性的多接入點家庭和小型辦公室WiFi 網(wǎng)絡(luò)。 這項技術(shù)為消費者和運營商在選擇WiFi EasyMesh 設(shè)備進行家庭網(wǎng)絡(luò)部署時帶來了更大的靈活性。 WiFi EasyMesh由一個控制器和若干個接入點(Access Point,AP）組成WiFi 網(wǎng)絡(luò),其中,控制器用來管理網(wǎng)絡(luò)并協(xié)調(diào)AP 運作,確保AP 之間互不干擾,從而帶來更大、更統(tǒng)一的覆蓋范圍和更高效的服務(wù)。

1 WiFi EasyMesh 關(guān)鍵技術(shù)

WiFi 認證 EasyMesh 基于多 AP 規(guī)范(Multi-AP Specification）,該規(guī)范定義了WiFi AP 之間的控制協(xié)議,對AP 加入網(wǎng)絡(luò)、設(shè)置、控制和管理所需的數(shù)據(jù)對象,以及在多AP 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的WiFi 接入點之間路由通信的機制［1］。

1.1 基本架構(gòu)

WiFi EasyMesh 網(wǎng)絡(luò)由兩種邏輯實體組成:控制器和代理。 控制器可以位于WiFi EasyMesh 網(wǎng)絡(luò)中任何一個設(shè)備中,也可以位于具備多種網(wǎng)絡(luò)功能的設(shè)備中,例如網(wǎng)關(guān)設(shè)備。 控制器從網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備接收度量和能力數(shù)據(jù),并控制網(wǎng)絡(luò)中代理的運行參數(shù),可通過發(fā)送控制命令給代理,來改善負載均衡及其他管理功能。另外,它還提供加入網(wǎng)絡(luò)功能,使AP 設(shè)備加入到網(wǎng)絡(luò)中。 WiFi EasyMesh 網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備均可以作為代理,代理執(zhí)行來自控制器的命令,并將測量結(jié)果和能力報告給控制器和網(wǎng)絡(luò)中的其他代理,同時充當(dāng)客戶端設(shè)備的WiFi 接口。

一個WiFi EasyMesh 網(wǎng)絡(luò)中,只允許有一個控制器,可以有一個或多個代理。 一個WiFi EasyMesh 網(wǎng)絡(luò)由多個AP 設(shè)備組成,一個AP 設(shè)備可以只包含一個控制器,或者只包含一個代理,也可以包含一個控制器和一個代理。 AP 設(shè)備之間定義了邏輯控制接口,通過該接口進行前傳和回傳鏈路的配置和控制。 AP 設(shè)備通過回傳鏈路相互連接,回傳鏈路可以使用多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相互連接而成,包括WiFi(2.4 GHz 和5 GHz 頻段）,以太網(wǎng)以及IEEE 1905.1 協(xié)議支持的其他技術(shù)。 其中,WiFi 因安裝方便、靈活而具有更強的吸引力。 手機、筆記本電腦等移動終端設(shè)備一般通過標(biāo)準(zhǔn)WiFi 連接到代理,即前傳鏈路,代理通過回程鏈路將數(shù)據(jù)傳遞到目的地。 前傳和回傳鏈路可能會使用單獨的頻段以獲得更好的性能,具體取決于設(shè)備支持的功能。

具有代理的AP 設(shè)備,包含用于關(guān)聯(lián)客戶終端的前傳AP。 在支持WiFi 回傳鏈路的情況下,還包含回傳傳送地址指令(Spike-Triggered Average,STA）,與上游前傳AP 關(guān)聯(lián)形成WiFi 回傳鏈路。 具有代理功能的AP 設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)中的一個或多個AP 設(shè)備節(jié)點相互關(guān)聯(lián)形成樹狀拓撲,確保在多AP 網(wǎng)絡(luò)中的任何兩個AP 設(shè)備之間建立一條回傳路徑。

WiFi EasyMesh 網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)條件對前傳和回傳路徑進行調(diào)整,使控制器可以有效管理流量路由,從而提高網(wǎng)絡(luò)性能。 代理可以使用多個頻段和信道來管理網(wǎng)絡(luò)流量。 圖 1 為 WiFi EasyMesh 的一種典型拓撲。

圖1 WiFi EasyMesh 的一種典型拓撲

1.2 AP 接入、發(fā)現(xiàn)及配置過程

AP 接入是WiFi EasyMesh 代理設(shè)備通過WiFi 或有線連接與WiFi EasyMesh 網(wǎng)絡(luò)建立數(shù)據(jù)鏈路連接的過程。 多AP 規(guī)范定義了一種方法,使具有代理和回程STA 功能的AP 設(shè)備可以接入WiFi EasyMesh 網(wǎng)絡(luò)。 該方法基于IEEE 1905.1 協(xié)議規(guī)定的按鈕配置方法,并在此基礎(chǔ)上進行了擴展,包括對AP 代理支持WPS 條件的規(guī)定、定義了多AP 信息元素格式以及AP 擴展子元素,這些信息元素及擴展子元素在AP 設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)的請求/應(yīng)答流程中,用來表明該AP 設(shè)備所具有的BSS配置,例如是否支持前傳/回傳基站子系統(tǒng)(Base Station Subsystem,BSS）、回程 STA 等功能。

建立二層連接后,網(wǎng)絡(luò)將啟動協(xié)議,使控制器和代理能夠相互發(fā)現(xiàn)。 該協(xié)議在IEEE 1905.1 協(xié)議中規(guī)定的AP 自動配置搜索/應(yīng)答流程基礎(chǔ)上進行了擴展,規(guī)定了控制器應(yīng)與IEEE 1905.1 協(xié)議中規(guī)定的注冊器功能位于同一物理設(shè)備中。 按照IEEE 1905.1 協(xié)議規(guī)定的AP 自動配置流程,AP 代理發(fā)送消息搜索控制器,控制器收到該消息后,檢測到消息中搜索服務(wù)為控制器且搜索角色為注冊器,則進行應(yīng)答。

另外,該協(xié)議還對IEEE 1905.1 規(guī)定的拓撲發(fā)現(xiàn)協(xié)議、拓撲通告消息進行了擴展,通過“拓撲查詢/應(yīng)答消息”交互流程,發(fā)現(xiàn)多AP 設(shè)備提供的具體能力,通過“拓撲通告消息”,使代理快速獲取無線終端關(guān)聯(lián)/取消關(guān)聯(lián)的信息。 代理或控制器發(fā)送“拓撲查詢消息”給AP 設(shè)備,AP 設(shè)備回復(fù)消息表明所支持的服務(wù),若支持代理服務(wù),需回復(fù)其當(dāng)前所運行的BSS 及其所關(guān)聯(lián)的所有無線終端數(shù)量、MAC 地址等信息。 如果無線終端與AP 設(shè)備關(guān)聯(lián)或取消關(guān)聯(lián),該AP 設(shè)備應(yīng)發(fā)送“拓撲通告消息”到網(wǎng)絡(luò)中的鄰居設(shè)備,表明該無線終端的MAC 地址、詳細關(guān)聯(lián)事件、該 AP 設(shè)備所在 BSSID 等信息。

AP 配置過程是擴展了IEEE 1905.1 中的AP 自動配置過程,代理通過發(fā)送“AP 自動配置WSC 消息”開始進行配置,消息中包括該AP 支持的頻段、頻寬、頻段所支持的BSS 最大數(shù)量、信道等AP 頻段基本能力信息以及M1 消息。 控制器收到包含M1 的“AP 自動配置WSC 消息”后,回復(fù)帶有 M2 的“AP 自動配置 WSC 消息”完成安全信息協(xié)商及 AP 的 BSS 配置［2］。 圖 2 對AP 接入網(wǎng)絡(luò)、發(fā)現(xiàn)以及AP 自動配置消息交互流程進行了說明。

圖2 AP 接入網(wǎng)絡(luò)、發(fā)現(xiàn)以及自動配置消息交互流程

1.3 網(wǎng)絡(luò)運行機制

WiFi EasyMesh 除了具有促進網(wǎng)絡(luò)中多AP 的優(yōu)化配置的能力,還包括創(chuàng)建和維護自動優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)所需的機制,使網(wǎng)絡(luò)盡可能提高性能并改善移動終端漫游。這些機制主要通過代理上報能力信息、信道選擇、鏈路度量、移動終端引導(dǎo)、回傳優(yōu)化等功能實現(xiàn)。

1.3.1 代理上報能力信息

AP 控制器通過發(fā)送查詢消息,查詢AP 代理支持的所有頻段的能力信息,包括其支持的頻段、帶寬、信道以及是否支持未關(guān)聯(lián)移動終端鏈路度量報告等信息。 控制器還通過與代理交互,獲取關(guān)聯(lián)到相應(yīng)代理的移動終端的能力信息,了解網(wǎng)絡(luò)條件,控制代理執(zhí)行信道切換、降低發(fā)送功率等操作,來維護最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)性能。

1.3.2 信道選擇

控制器通過和代理交互信息,查詢代理的首選信道信息,請求代理執(zhí)行信道掃描,以了解每個代理檢測到的無線環(huán)境及BSS,并向代理發(fā)送配置信息,對代理相關(guān)頻段進行配置,包括操作類、信道及發(fā)射功率的首選項和限制。 控制器可以選擇將一些本地操作決策委托給代理以提高網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)能力。 為了滿足不同地區(qū)的監(jiān)管要求,控制器可以請求代理執(zhí)行信道可用性檢查(Channel Availability Check,CAC）或提供其CAC 狀態(tài)。代理根據(jù)請求執(zhí)行CAC 操作,然后向控制器報告CAC信息。

1.3.3 鏈路度量

多AP 技術(shù)規(guī)范定義了網(wǎng)絡(luò)鏈路度量信息傳送相關(guān)協(xié)議,包括回傳鏈路度量、每個AP 度量及批量STA度量、每個STA 度量信息的協(xié)議。 其中,回傳鏈路度量規(guī)定了用于多AP 設(shè)備傳送回傳鏈路度量信息的協(xié)議,使用1905.1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鏈路度量信息傳遞協(xié)議來查詢和報告回傳鏈路的度量信息；每個AP 度量及批量STA 度量規(guī)定了用于代理傳送每個AP 度量信息的協(xié)議,控制器與代理交互信息,獲取正在運行的每個BSS度量信息；每個STA 度量信息規(guī)定了AP 代理基于每個STA 傳送鏈路度量信息的協(xié)議,另外,代理還利用IEEE 802.11 信標(biāo)報告測量,報告有關(guān)網(wǎng)絡(luò)運行狀況的度量,包括代理與其關(guān)聯(lián)客戶端之間的鏈接質(zhì)量。

WiFi EasyMesh 補充了WiFi 數(shù)據(jù)元素,幫助運營商收集網(wǎng)絡(luò)信息,以便更主動地識別和解決WiFi 網(wǎng)絡(luò)問題。 這些鏈路度量收集方法協(xié)同工作, 使 WiFi EasyMesh 網(wǎng)絡(luò)能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài),進而為用戶提供更一致的WiFi 體驗。

1.3.4 移動終端引導(dǎo)

控制器可以通過收集WiFi 環(huán)境的關(guān)鍵信息,有效地管理網(wǎng)絡(luò)資源,包括可以選擇發(fā)送控制消息對移動終端進行引導(dǎo),即引導(dǎo)移動終端將其連接從一個代理切換到另一個代理,或者引導(dǎo)到最合適的頻段、信道,以達到優(yōu)化AP 代理負載平衡并優(yōu)化客戶端漫游的目的。

1.3.5 回傳優(yōu)化

WiFi EasyMesh 智能化的一個重要功能是回傳優(yōu)化,它能夠更好地管理AP 設(shè)備之間的連接。 控制器可以為AP 設(shè)備之間的回程連接選擇最佳路徑、頻段和信道,以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源,它通過發(fā)送“回傳引導(dǎo)請求消息”,使代理將其回傳STA 切換關(guān)聯(lián)到另一個BSS 或進行信道切換。

2 WiFi EasyMesh 標(biāo)準(zhǔn)化進展

WiFi 認證 EasyMesh 基于多 AP 技術(shù)規(guī)范,2017 年8 月,WiFi 聯(lián)盟向WiFi 聯(lián)盟成員發(fā)布了該規(guī)范170828版本草案(Multi-AP Technical Specification Version 171212 DRAFT）,定義了WiFi AP 之間的控制協(xié)議,以及對多個AP 加入網(wǎng)絡(luò)、設(shè)置、控制和管理所需的數(shù)據(jù)對象,還定義了在多AP 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的WiFi 接入點之間路由通信的機制。 目的是在包含多個接入點的WiFi 網(wǎng)絡(luò)部署中實現(xiàn)來自不同供應(yīng)商的WiFi AP 之間的互操作性。

2018 年6 月,WiFi 聯(lián)盟正式發(fā)布多 AP 規(guī)范1.0版本(Multi-AP Specification Version 1.0）,并將其作為WiFi 認證EasyMesh 的技術(shù)規(guī)范。

2019 年 12 月,WiFi 聯(lián)盟發(fā)布了多 AP 規(guī)范 2.0 版本(Multi-AP Specification Version 2.0）,增加了一些運營商和最終用戶需要的基本功能,主要包括以下方面。

2.1 數(shù)據(jù)流量分離

將每個SSID 的流量劃分為VLAN,在共享互聯(lián)網(wǎng)接入的同時,實現(xiàn)專用和來賓網(wǎng)絡(luò)的安全分離。

2.2 增強移動終端引導(dǎo)

通過WiFi 認證敏捷多頻段技術(shù),引導(dǎo)用戶移動終端從一個WiFi 接入點移動到另一個更優(yōu)的WiFi 接入點,改善其漫游體驗。

2.3 診斷支持

以控制器為中心通過WiFi 認證數(shù)據(jù)元素提供從WiFi 數(shù)據(jù)元素收集來自所有連接接入點的診斷數(shù)據(jù),例如網(wǎng)絡(luò)分析和關(guān)鍵性能指標(biāo),改進服務(wù)提供商的設(shè)備管理。

2.4 協(xié)同信道可用性

通過控制器控制代理掃描特定信道(包括DFS 信道）,全面了解信道使用情況,通過協(xié)同信道掃描優(yōu)化可用信道的使用,以支持使用5GHz DFS 信道,充分利用可用DFS 信道,減少網(wǎng)絡(luò)中斷,使網(wǎng)絡(luò)的每次部署都使用最佳信道。

2.5 使用SAE 增強回程安全性

在回傳中增加了對等同步認證的支持,帶來了更強大的身份驗證機制,提高了加密強度,并且要求使用受保護的管理幀,抵抗離線字典攻擊。

2020 年 12 月,WiFi 聯(lián)盟推出多 AP 規(guī)范 V3.0 版本,豐富了更多的控制特性,尤其增加了安全特性,為控制消息添加了授權(quán)和完整性校驗［2］。

國內(nèi)方面, 中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會( China Communications Standards Association,CCSA）已于2021年發(fā)布了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《基于公用電信網(wǎng)的寬帶客戶智能網(wǎng)關(guān) 第10 部分:無線mesh 組網(wǎng)技術(shù)要求》,規(guī)定了寬帶客戶網(wǎng)絡(luò)中,mesh 設(shè)備的組網(wǎng)協(xié)議功能、傳輸性能、接口和管理等要求［3］,其組網(wǎng)協(xié)議遵從了WiFi 聯(lián)盟的多AP 規(guī)范2.0 版本。 但該標(biāo)準(zhǔn)對mesh 網(wǎng)絡(luò)規(guī)格和功能進行了定義,未規(guī)定互通協(xié)議和接口層面的技術(shù)細節(jié),為了解決互通層面的關(guān)鍵技術(shù)和空白難點,以引導(dǎo)運營商和設(shè)備廠商的所有無線設(shè)備實現(xiàn)更好的組網(wǎng)便利性,CCSA 計劃制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《基于公用電信網(wǎng)的寬帶客戶智能網(wǎng)關(guān) 第14 部分:無線mesh 組網(wǎng)互通技術(shù)要求》,并已于2021 年完成立項。

3 結(jié)語

目前,WiFi Mesh 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要有IEEE 802.11s 和WiFi 聯(lián)盟的多AP 協(xié)議,IEEE 802.11s 協(xié)議較完整,功能完備,但實現(xiàn)比較復(fù)雜,實現(xiàn)成本高；WiFi 聯(lián)盟的多AP 協(xié)議實現(xiàn)相對簡單,且它為WiFi EasyMesh 認證提供技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),通過認證的設(shè)備可實現(xiàn)跨平臺Mesh 通信部署,提供多供應(yīng)商的互操作性,另外,在多AP 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中新增加的診斷功能,其最終迭代目標(biāo)是使WiFi EasyMesh 網(wǎng)絡(luò)成為完全自動化的主動式網(wǎng)絡(luò)維護系統(tǒng),這將為未來運營商管理維護WiFi Mesh 網(wǎng)絡(luò)帶來極大便利,相比之下,WiFi EasyMesh 為更優(yōu)的選擇。

另外,WiFi 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅速發(fā)展,性能不斷提升,在經(jīng)歷了5 代WiFi 技術(shù)發(fā)展后,WiFi 6 成為當(dāng)前熱門技術(shù),開始進入更多接入點和消費產(chǎn)品,以提高其速度和性能,并且能夠滿足多用戶、密集場景下的接入需求,包括有許多無線設(shè)備的家庭環(huán)境,但與此同時也對其覆蓋范圍有了更高需求。 WiFi EasyMesh 可滿足此需求,為場景每個區(qū)域提供可靠的WiFi 覆蓋,因此,各種廠商已紛紛推出WiFi Mesh 解決方案,一批Mesh 產(chǎn)品開始融入WiFi 6,以滿足無線網(wǎng)絡(luò)需求。 目前,已有部分WiFi EasyMesh 的WiFi 6 產(chǎn)品推出,例如,NETGEAR推出了雙頻WiFi 6 Mesh 系統(tǒng),并通過WiFi EasyMesh認證；諾基亞也推出了一款支持通過認證的 EasyMesh無線組網(wǎng)功能的路由器,能夠幫助用戶輕松建立WiFi 6 網(wǎng)絡(luò)；中興通訊發(fā)布了業(yè)界首款完成WiFi 6 認證并支持EasyMesh 的光銅雙模家庭網(wǎng)關(guān)。 由此可見,與WiFi 6 相結(jié)合是WiFi Mesh 當(dāng)前發(fā)展趨勢之一。

另一方面,WiFi 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還在持續(xù)不斷迅速發(fā)展,雖然WiFi 6 還未大范圍普及,WiFi 7 已在研發(fā),可以預(yù)見,WiFi EasyMesh 網(wǎng)絡(luò)也會緊跟新技術(shù)的腳步,得到更高速度和性能的提升。