Mesh và Easy Mesh

Mạng WiFi Mesh là gì?

Mạng WiFi Mesh (Wifi lưới) là một hệ thống mạng không dây được thiết kế để cung cấp kết nối internet ổn định và phủ sóng rộng hơn so với các hệ thống WiFi truyền thống. Một mạng WiFi Mesh bao gồm nhiều điểm truy cập (Mesh Point / Mesh AP trong 1 số ngữ cảnh còn gọi là nút mạng (node)) hoạt động cùng nhau để tạo ra một mạng lưới không dây thống nhất.

Hiểu về Mạng Mesh 

Mesh Point (MP): một mesh access point có khả năng tạo mạng lưới sử dụng các giao thức IEEE 802.11 MAC và PHY cho truyền thông không dây, còn được biết đến là một nút mạng lưới. Nút này hỗ trợ khám phá cấu trúc tự động, khám phá đường mạng tự động và chuyển tiếp gói dữ liệu. MPs có thể cung cấp cả dịch vụ mạng lưới và dịch vụ truy cập người dùng.  Tên gọi trong 1 số trường hợp khác là Agent AP.

Mesh point portal (MPP): một MP kết nối với một WMN (Wireless Mesh Network) hoặc mạng loại khác. MP này có chức năng là cổng cho phép các MP giao tiếp với các mạng bên ngoài. Tùy theo thiết kế nhà sản xuất, MPP có thể tích hợp controller và các chức năng khác, một số tên gọi như Root AP, Root node, Controller AP.

Neighboring MP (MP lân cận): một MP trực tiếp giao tiếp với một MP hoặc MPP khác. Ví dụ, trong hình MP2 là Neighboring MP của MP1.

Candidate MP:  MP lân cận mà MP chuẩn bị thiết lập liên kết lưới. 

Peer MP: một MP lân cận đã thiết lập một kết nối mạng lưới với một MP.

Thực thi

Việc thiết lập một liên kết mạng lưới bao gồm việc khám phá mesh point neighbor (mesh lân cận) và quản lý kết nối mạng lưới.

1. Mesh Neighbor Discovery 

Trước khi xây dựng một WMN, một MP cần phải khám phá các MP lân cận. Trên một mạng lưới, mỗi MP thu được thông tin về các MP lân cận thông qua quét chủ động hoặc quét thụ động (active or passive scanning ).

Quét chủ động: MP gửi các khung Yêu cầu thăm dò lưới (Mesh Probe Request frames ) trên mỗi kênh (ngoại trừ các kênh DFS) để lấy thông tin về các AP lân cận.

Quét thụ động: Để có được thông tin MP lân cận, MP sẽ lắng nghe các khung Mesh Beacon được gửi từ các MP lân cận trên mỗi kênh. Khung Beacon chứa thông tin, bao gồm ID lưới.

2. Cập nhật bảng mối quan hệ với các AP lân cận (neighbor relationship table)

Mỗi MP có một bảng quan hệ hàng xóm chứa thông tin về 4 loại node lân cận: common AP neighbors, MP của WMNs khác, candidate MPs và peer MPs. 

Trong chế độ quét thụ động, một MP thêm các thành viên vào bảng quan hệ hàng xóm của mình dựa trên Mesh IDs được mang trong các khung Beacon Mesh nhận được:

• Nếu Mesh ID trong một khung Beacon Mesh là giống như Mesh ID của MP, MP ghi lại thiết bị lân cận như một Candidate MP trong bảng quan hệ hàng xóm.

• Nếu khung Beacon Mesh không chứa bất kỳ Mesh ID nào, MP xác định rằng thiết bị lân cận là một AP lân cận thông thường.

• Nếu Mesh ID trong khung Beacon Mesh khác với Mesh ID của MP, MP xác định rằng MP lân cận là một MP trên một mạng lưới Mạng lưới khác.

Quản lý kết nối Mạng lưới

Quản lý kết nối Mạng lưới bao gồm hai pha: thiết lập kết nối mạng lưới và giải phóng kết nối mạng lưới. Hai pha này được thực thi bằng ba loại khung Hành động Mạng lưới: Mesh Peering Open, Mesh Peering Confirm và Mesh Peering Close frames .

1. Thiết lập kết nối Mạng lưới

Một MP có thể khởi tạo một kết nối mạng lưới với một Candidate MP. Hai MP là đồng đối tác và trao đổi các Mesh Peering Open và Mesh Peering Confirm để thiết lập một kết nối mạng lưới.

Sau khi hai MP thiết lập một kết nối mạng lưới, bắt đầu giai đoạn thương lượng khóa (key negotiation phase ). Hai MP chỉ có thể chuyển tiếp dữ liệu mạng lưới sau khi thương lượng khóa thành công.

Đường liên kết giữa MP đến MP gọi là backhaul. Wireless backhaul nếu là không dây và Wire backhaul nếu là dùng cáp.

2. Giải phóng kết nối Mạng lưới

Một trong hai MP nào thiết lập một kết nối mạng lưới có thể gửi một khung Mesh Peering Close cho MP khác để giải phóng kết nối mạng lưới. Sau khi nhận được khung Mesh Peering Close , MP khác cần phản hồi bằng một khung Mesh Peering Close.

Định tuyến Mạng lưới

Trên một WMN, có nhiều liên kết mạng lưới giữa bất kỳ nguồn và đích nào và chất lượng truyền của các liên kết mạng lưới này thay đổi tùy theo môi trường xung quanh. Do đó, cần có các giao thức định tuyến trên WMN. Giao thức Lưới Không dây Kết hợp (HWMP - The Hybrid Wireless Mesh Protocol ) được xác định trong tiêu chuẩn 802.11s có thể giải quyết các vấn đề về định tuyến.

Các khung quản lý định tuyến (route management frames) được xác định trong HWMP:

Khung Thông báo Gốc (RANN): được sử dụng để thông báo về sự hiện diện của một MPP.

Một MPP định kỳ broadcast một khung RANN. 

Trong mạng mesh, Khung Thông báo Gốc (RANN - Root Announcement) là một khung được sử dụng để thông báo về sự tồn tại và vị trí của một nút gốc (root node) trong mạng. Nút gốc thường là một nút có vai trò quan trọng, chẳng hạn như cung cấp kết nối với mạng bên ngoài hoặc hoạt động như một điểm trung tâm để quản lý lưu lượng mạng. RANN giúp các nút khác trong mạng biết được vị trí của nút gốc và thiết lập đường đi tối ưu đến nó. 

Khung Yêu cầu Đường (PREQ - Path Request ) và Khung Phản hồi Đường (PREP -  Path Reply ): Trong chế độ định tuyến theo yêu cầu, nút nguồn phát sóng một khung PREQ để thiết lập một đường đến nút đích. Sau khi một MP nhận được khung PREQ, MP phản hồi bằng một khung PREP.

Khung Yêu cầu Đường (PREQ - Path Request)

Khung Yêu cầu Đường (PREQ) được sử dụng để tìm kiếm đường đi từ nguồn đến đích trong mạng. Khi một nút cần gửi dữ liệu đến một nút khác mà không biết đường đi, nó sẽ phát đi một khung PREQ. Các bước cụ thể như sau:

• Khởi tạo: Nút nguồn tạo ra một khung PREQ với thông tin bao gồm địa chỉ nguồn, địa chỉ đích, số thứ tự của gói tin, và các thông tin khác như chỉ số TTL (Time To Live) để giới hạn phạm vi tìm kiếm.

• Broadcast: Khung PREQ được broastcast tới tất cả các nút lân cận.

• Chuyển tiếp: Các nút trung gian nhận được khung PREQ sẽ kiểm tra xem mình có phải là đích đến không. Nếu không, chúng sẽ tiếp tục broadcast PREQ tới các nút lân cận khác sau khi cập nhật thông tin về đường đi.

• Lưu trữ: Mỗi nút trung gian lưu lại thông tin về nút phát sóng PREQ tới nó để sau này sử dụng cho việc truyền ngược lại khung PREP.

 Khung Phản hồi Đường (PREP - Path Reply)

Khung Phản hồi Đường (PREP) được sử dụng để phản hồi lại khung PREQ khi đường đi từ nguồn đến đích đã được tìm thấy. Các bước cụ thể như sau:

• Khởi tạo: Khi khung PREQ tới được nút đích hoặc một nút trung gian có đường đi tới đích, khung PREP sẽ được khởi tạo. Khung PREP chứa thông tin về đường đi ngược lại từ đích đến nguồn.

• Truyền ngược: Khung PREP được truyền ngược lại theo đường đã lưu trữ trong các nút trung gian khi khung PREQ đi qua. Mỗi nút trung gian khi nhận được khung PREP sẽ cập nhật bảng định tuyến của mình để biết đường đi tới đích.

• Xác nhận: Khi khung PREP tới được nút nguồn, đường đi từ nguồn tới đích đã được thiết lập và các gói dữ liệu có thể bắt đầu được gửi theo đường này.

Zero Touch Configuration

Trên WMN sử dụng kiến ​​trúc WLAN tập trung (AC+Fit AP), chỉ cần thực hiện một số cấu hình quản lý MP trên AC (Access Controller) mà không cần phải đăng nhập vào MP. Các MP sau đó có thể kết nối với AC. Chức năng này tạo điều kiện thuận lợi cho việc triển khai một số lượng lớn MP. 

1. Sau khi MP1 được bật, nó sẽ trao đổi các khung Mesh Peering Open và Mesh Peering Confirm với MP2, được liên kết với AC bằng cách sử dụng thông tin bao gồm default mesh ID và khóa chia sẻ trước (pre-shared key ). MP1 thiết lập kết nối lưới không an toàn tạm thời với MP2 và thiết lập tuyến đường tới MPP.

2. MP1 lấy địa chỉ IP và địa chỉ IP của AC từ máy chủ DHCP thông qua kết nối lưới.

3. MP1 phát hiện và liên kết với AC thông qua kết nối lưới và thiết lập đường hầm CAPWAP để lấy cấu hình từ AC.

4. Sau khi MP1 có được cấu hình mới, nó sẽ gửi khung Mesh Peering Close để phá bỏ kết nối lưới tạm thời không an toàn.

5. Trao đổi MP1 Mesh Peering Open và Mesh Peering Confirm khung với MP2 bằng cách sử dụng cấu hình lưới mới để đàm phán khóa. Sau khi MP1 và MP2 thương lượng khóa để liên lạc, hai MP sẽ thiết lập một liên kết lưới an toàn chính thức.

6. Nếu MP1 không thể thiết lập liên kết Mesh với MP2 trong một thời gian dài, MP1 sẽ khôi phục cấu hình mặc định và bắt đầu lại từ bước 1.

easy mesh

EasyMesh là một tiêu chuẩn mở và linh hoạt cho mạng lưới Wi-Fi mesh, được phát triển bởi Wi-Fi Alliance. Nó cho phép các thiết bị từ nhiều nhà sản xuất khác nhau tương thích và hoạt động cùng nhau trong một mạng lưới mesh, giúp tạo ra một môi trường Wi-Fi mạnh mẽ và phủ sóng rộng lớn hơn. 

EasyMesh dựa trên tiêu chuẩn IEEE 1905.1 của Viện Tiêu chuẩn Điện tử và Điện (IEEE). Tiêu chuẩn này được phát triển để hỗ trợ việc kết nối các thiết bị mạng lưới không dây từ nhiều nhà sản xuất khác nhau trong một mạng lưới mạng mesh, mang lại sự linh hoạt và tương thích giữa các sản phẩm từ các nhà sản xuất khác nhau.