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點，但現有 Wi-Fi mesh 產品實現方案存在標準不統一、實現復雜、終端能力要求高、無法互通的問題。首先討論了現有家庭網絡中多熱點 AP 協同工作的實現情況，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、終端能力需求低且互通性好的 Wi-Fi mesh 技術實現方案。

1 引言：

隨著家庭智能終端數量的不斷增加，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 協同工作的模式轉變，而家庭中多個 AP間協同工作的能力是決定家庭無線網絡質量的關

鍵因素，業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自動配網協議WPS配對 或用戶手工配置的方式，實現主/從 AP 節 點連接通信。

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

無線中繼是一種簡單的無線擴展實現方式，多節點間的協同能力有限，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、完整、高質量的多 AP 協同工作實 現方案，但目前業界已推出的 Wi-Fi mesh 產品都 是各個終端或芯片廠商的私有協議，存在標準不統一、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。

02

**Wi-Fi mesh 技術分析 **

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

**2.1 IEEE 802.11S **

IEEE 802.11S Wi-Fi 自組網協議標準較為完 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、家庭內部局域網數據轉發去中心化的 優勢，其實現的 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 層實現的六地址數據交換，在 Wi-Fi MAC 層實現路由，實現比較復雜，對終端能力要 求高，開發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（wireless distribution system， WDS）是無線連接兩個接入點的協議。WDS 最初 在無線應用領域中，是無線基站與無線基站之間 進行聯系通信的系統。IEEE 802.11 協議定義的 Wi-Fi MAC 層數據幀結構中有預留 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，FromDS 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 的實現方案特性，決定了基于 WDS 的 Wi-Fi mesh 產品實現容易，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 輸數據，在 AP 和 AP 之間下行數據目的地址會丟失導致無法傳輸到目的STA。只能依賴于IP路由， 但是非 IP 的數據分組依舊無法傳輸。故只能采用WDS 四地址格式傳輸，數據幀只與MAC層相關， 數據不需要上 IP 層處理，效率高，但是 WDS 只規定了數據格式，并未規定 AP 和 AP 之間如何建立連接和交換密鑰，各廠商的實現方式各不一樣。故基于 WDS 的Wi-Fi mesh 協議同樣存在互通性 和標準不完全統一的問題，仍需優化解決。2017 年Wi-Fi 聯盟（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 標準協議。

2.3 MAP

MAP重點解決基于WDS協議不同廠商 Wi-Fi mesh 產品間的互通性的問題，WFA在2018年發布了用于家庭網絡自組網的 MAP 標 準協議，并且作為 WAF easy mesh 的互通性認證標準。MAP Wi-Fi mesh 實現方案的 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]協議實現 mesh 網絡中各個節點間的信息互通。

（1）MAP 協議組網后也會涉及 AP 之間的數據傳輸，并且 MAP 采用的數據為 IEEE 1905.1 數據，非 IP 數據，故只能采用四地址 進行傳輸。其數據格式和 WDS 四地址數據格式完全一致。 （2）MAP 額外規定了 AP 和 AP 之間如何建立連接和交換密鑰，其規定采用 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，則后續的數據傳輸采用四 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 組網協議標準較為完整，具有跨廠商兼容互通、數據轉發去中心化的優勢，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， 實現復雜，硬件能力要求高，開發和維護成本高，產業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）的協議，采用三/四地址方式，實現簡單，硬件能力需求低，但 WDS 協議只定義了數據格式，節點間如何連接，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議，互通性存在問題；MAP 協議是由 WFA 提出基于四地址WDS協議的通用Wi-Fi mesh實現方案，其實現簡單，終端能力要求適中互通性好，產業鏈的支持力度大，更適用于家庭網絡應用 場景。

03

基于 MAP 的 Wi-Fi mesh 實現方案

Wi-Fi 聯盟推出的 MAP 實現方案解決了 基于 WDS 方案產品互通性的問題，也是采用四地址[3]的實現方案與 IEEE 802.11 Wi-Fi 的四地址保持一致，實現簡單，通用性又好，故該方案很快獲得了產業鏈各大芯片及終端廠商 的支持，并在 Wi-Fi 聯盟內很快完成主流 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。運營商為其寬帶用戶提供的智能組網業務，除了需要實現不同廠商 Wi-Fi mesh 設備間的互通外，還需要統一各廠商的 Wi-Fi mesh 能力（自組網、新節點加 入的操作方法和流程等） 、統一App或本地Web 頁面的管理控制、統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議是不夠的，還需要統一 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 實現方案。

3.1

軟件架構

基于 MAP 的通用 Wi-Fi mesh 實現方案軟件 實現架構，如圖 4 所示。

由圖 4 可知，基于 MAP 的 Wi-Fi mesh 軟件 實現架構，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 框架協議的 mesh 能力實現層，主要包括：MAP驅動適配器、1905 Framework 框架協議和網絡節點的設備加載、身份識別、角色定義、節點選擇、頻段切換、負載均衡等 mesh 特性的能力實現模塊。應用層：是 mesh 網絡節點的上層應用層，主要包括本地管理服務（local manager service）實現模塊等。

3.2

協議標準

基于 MAP 的 Wi-Fi mesh 通用實現方案，家 庭網絡節點的 Wi-Fi mesh 能力實現集中在 MAC 層，采用通用的 MAP 標準協議實現。

3.3

節點角色

基于 MAP 的通用 Wi-Fi mesh 實現技術方 案，節點的角色包括 Wi-Fi mesh 主節點 MAP 控制器（Controller）和 Wi-Fi mesh 子節點 MAP 代理（Agent）兩類，與 MAP 標準協議定義的 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 標準協議沒有明確或定義的 WPS 控制、角色選擇、頻段切換、節點（AP）選擇、 鏈路優化[4]和負載均衡等功能模塊部分，本方案統一明確和定義具體的規則和處理機制，使得運營商所采購的產品不僅能夠實現互通，還能夠做 到統一的處理規則和用戶體驗。

3.6

實現接口

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

04

** 結束語 **

本文提出的基于 MAP 的 Wi-Fi mesh 實現方 案，Wi-Fi mesh 網絡節點間的通信采用通用 MAP 的通信協議，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 實現方式，實現簡單，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 實現方案 的 mesh 能力實現在 MAC 層，其與外部設備間 的通信接口協議和與本地的終端管理服務系統的接口都已定義，易于模塊化，便于運營商或芯片廠商統一提供該部分的通用能力實現模塊，大大降低終端廠商的開發工作量和成本。因此， 基于 MAP 的 Wi-Fi mesh 實現方案，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。