WiFi EasyMesh 關鍵技術與標準化進展研究

郭 蕾，曹小波

（中國信息通信研究院，技術與標準研究所，北京 100191）

0 引言

WiFi 產品已經成為人們工作生活不可缺少的一部分,隨著家庭網絡的發展,智能手機、平板電腦、筆記本電腦、智能家居等產品,主要通過WiFi 接入網絡。 移動設備的大量增加,使整個家庭對WiFi 連接的需求日益增大。 傳統上,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域,并且,在有遮擋的環境下,會造成信號衰減,嚴重影響通信質量,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 網絡成為迫切需求,推動市場上產生了一些擴展WiFi 范圍的解決方案,這些方案一般采用WiFi Mesh 相關技術,通過多個接入點相互連接形成網絡。

目前,市場上已有不少通信設備制造商推出了WiFi Mesh 產品,但由于這些WiFi Mesh 產品來自不同制造商,它們多采用各自專有的WiFi Mesh 系統,且這些系統互不兼容,不提供多供應商的互操作性,即不同制造商的WiFi Mesh 產品不能互相通信,用戶無法將不同制造商的WiFi Mesh 產品混合使用,只能選擇同一制造商的WiFi Mesh 產品進行組網,在這種情況下,WiFi EasyMesh 應運而生,它解決了不同制造商WiFi Mesh設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 設備的網絡。

WiFi EasyMesh 是WiFi 聯盟的一個認證機制,它定義了易于安裝和使用、自適應并具有多供應商互操作性的多接入點家庭和小型辦公室WiFi 網絡。 這項技術為消費者和運營商在選擇WiFi EasyMesh 設備進行家庭網絡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 網絡,其中,控制器用來管理網絡并協調AP 運作,確保AP 之間互不干擾,從而帶來更大、更統一的覆蓋范圍和更高效的服務。

1 WiFi EasyMesh 關鍵技術

WiFi 認證 EasyMesh 基于多 AP 規范(Multi-AP Specification）,該規范定義了WiFi AP 之間的控制協議,對AP 加入網絡、設置、控制和管理所需的數據對象,以及在多AP 網絡內的WiFi 接入點之間路由通信的機制［1］。

1.1 基本架構

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

一個WiFi EasyMesh 網絡中,只允許有一個控制器,可以有一個或多個代理。 一個WiFi EasyMesh 網絡由多個AP 設備組成,一個AP 設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 設備通過回傳鏈路相互連接,回傳鏈路可以使用多種網絡技術相互連接而成,包括WiFi(2.4 GHz 和5 GHz 頻段）,以太網以及IEEE 1905.1 協議支持的其他技術。 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備一般通過標準WiFi 連接到代理,即前傳鏈路,代理通過回程鏈路將數據傳遞到目的地。 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,具體取決于設備支持的功能。

具有代理的AP 設備,包含用于關聯客戶終端的前傳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 關聯形成WiFi 回傳鏈路。 具有代理功能的AP 設備與網絡中的一個或多個AP 設備節點相互關聯形成樹狀拓撲,確保在多AP 網絡中的任何兩個AP 設備之間建立一條回傳路徑。

WiFi EasyMesh 網絡可以根據網絡條件對前傳和回傳路徑進行調整,使控制器可以有效管理流量路由,從而提高網絡性能。 代理可以使用多個頻段和信道來管理網絡流量。 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、發現及配置過程

AP 接入是WiFi EasyMesh 代理設備通過WiFi 或有線連接與WiFi EasyMesh 網絡建立數據鏈路連接的過程。 多AP 規范定義了一種方法,使具有代理和回程STA 功能的AP 設備可以接入WiFi EasyMesh 網絡。 該方法基于IEEE 1905.1 協議規定的按鈕配置方法,并在此基礎上進行了擴展,包括對AP 代理支持WPS 條件的規定、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 設備接入網絡的請求/應答流程中,用來表明該AP 設備所具有的BSS配置,例如是否支持前傳/回傳基站子系統(Base Station Subsystem,BSS）、回程 STA 等功能。

建立二層連接后,網絡將啟動協議,使控制器和代理能夠相互發現。 該協議在IEEE 1905.1 協議中規定的AP 自動配置搜索/應答流程基礎上進行了擴展,規定了控制器應與IEEE 1905.1 協議中規定的注冊器功能位于同一物理設備中。 按照IEEE 1905.1 協議規定的AP 自動配置流程,AP 代理發送消息搜索控制器,控制器收到該消息后,檢測到消息中搜索服務為控制器且搜索角色為注冊器,則進行應答。

另外,該協議還對IEEE 1905.1 規定的拓撲發現協議、拓撲通告消息進行了擴展,通過“拓撲查詢/應答消息”交互流程,發現多AP 設備提供的具體能力,通過“拓撲通告消息”,使代理快速獲取無線終端關聯/取消關聯的信息。 代理或控制器發送“拓撲查詢消息”給AP 設備,AP 設備回復消息表明所支持的服務,若支持代理服務,需回復其當前所運行的BSS 及其所關聯的所有無線終端數量、MAC 地址等信息。 如果無線終端與AP 設備關聯或取消關聯,該AP 設備應發送“拓撲通告消息”到網絡中的鄰居設備,表明該無線終端的MAC 地址、詳細關聯事件、該 AP 設備所在 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,回復帶有 M2 的“AP 自動配置 WSC 消息”完成安全信息協商及 AP 的 BSS 配置［2］。 圖 2 對AP 接入網絡、發現以及AP 自動配置消息交互流程進行了說明。

圖2 AP 接入網絡、發現以及自動配置消息交互流程

1.3 網絡運行機制

WiFi EasyMesh 除了具有促進網絡中多AP 的優化配置的能力,還包括創建和維護自動優化網絡所需的機制,使網絡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、回傳優化等功能實現。

1.3.1 代理上報能力信息

AP 控制器通過發送查詢消息,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聯移動終端鏈路度量報告等信息。 控制器還通過與代理交互,獲取關聯到相應代理的移動終端的能力信息,了解網絡條件,控制代理執行信道切換、降低發送功率等操作,來維護最優網絡性能。

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,請求代理執行信道掃描,以了解每個代理檢測到的無線環境及BSS,并向代理發送配置信息,對代理相關頻段進行配置,包括操作類、信道及發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絡響應能力。 為了滿足不同地區的監管要求,控制器可以請求代理執行信道可用性檢查(Channel Availability Check,CAC）或提供其CAC 狀態。代理根據請求執行CAC 操作,然后向控制器報告CAC信息。

1.3.3 鏈路度量

多AP 技術規范定義了網絡鏈路度量信息傳送相關協議,包括回傳鏈路度量、每個AP 度量及批量STA度量、每個STA 度量信息的協議。 其中,回傳鏈路度量規定了用于多AP 設備傳送回傳鏈路度量信息的協議,使用1905.1 標準規定的鏈路度量信息傳遞協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 度量規定了用于代理傳送每個AP 度量信息的協議,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 度量信息規定了AP 代理基于每個STA 傳送鏈路度量信息的協議,另外,代理還利用IEEE 802.11 信標報告測量,報告有關網絡運行狀況的度量,包括代理與其關聯客戶端之間的鏈接質量。

WiFi EasyMesh 補充了WiFi 數據元素,幫助運營商收集網絡信息,以便更主動地識別和解決WiFi 網絡問題。 這些鏈路度量收集方法協同工作, 使 WiFi EasyMesh 網絡能夠適應網絡動態,進而為用戶提供更一致的WiFi 體驗。

1.3.4 移動終端引導

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

1.3.5 回傳優化

WiFi EasyMesh 智能化的一個重要功能是回傳優化,它能夠更好地管理AP 設備之間的連接。 控制器可以為AP 設備之間的回程連接選擇最佳路徑、頻段和信道,以優化網絡資源,它通過發送“回傳引導請求消息”,使代理將其回傳STA 切換關聯到另一個BSS 或進行信道切換。

2 WiFi EasyMesh 標準化進展

WiFi 認證 EasyMesh 基于多 AP 技術規范,2017 年8 月,WiFi 聯盟向WiFi 聯盟成員發布了該規范170828版本草案(Multi-AP Technical Specification Version 171212 DRAFT）,定義了WiFi AP 之間的控制協議,以及對多個AP 加入網絡、設置、控制和管理所需的數據對象,還定義了在多AP 網絡內的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 網絡部署中實現來自不同供應商的WiFi AP 之間的互操作性。

2018 年6 月,WiFi 聯盟正式發布多 AP 規范1.0版本(Multi-AP Specification Version 1.0）,并將其作為WiFi 認證EasyMesh 的技術規范。

2019 年 12 月,WiFi 聯盟發布了多 AP 規范 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 數據流量分離

將每個SSID 的流量劃分為VLAN,在共享互聯網接入的同時,實現專用和來賓網絡的安全分離。

2.2 增強移動終端引導

通過WiFi 認證敏捷多頻段技術,引導用戶移動終端從一個WiFi 接入點移動到另一個更優的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 認證數據元素提供從WiFi 數據元素收集來自所有連接接入點的診斷數據,例如網絡分析和關鍵性能指標,改進服務提供商的設備管理。

2.4 協同信道可用性

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,通過協同信道掃描優化可用信道的使用,以支持使用5GHz DFS 信道,充分利用可用DFS 信道,減少網絡中斷,使網絡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 聯盟推出多 AP 規范 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和完整性校驗［2］。

國內方面, 中國通信標準化協會( China Communications Standards Association,CCSA）已于2021年發布了行業標準《基于公用電信網的寬帶客戶智能網關 第10 部分:無線mesh 組網技術要求》,規定了寬帶客戶網絡中,mesh 設備的組網協議功能、傳輸性能、接口和管理等要求［3］,其組網協議遵從了WiFi 聯盟的多AP 規范2.0 版本。 但該標準對mesh 網絡規格和功能進行了定義,未規定互通協議和接口層面的技術細節,為了解決互通層面的關鍵技術和空白難點,以引導運營商和設備廠商的所有無線設備實現更好的組網便利性,CCSA 計劃制定行業標準《基于公用電信網的寬帶客戶智能網關 第14 部分:無線mesh 組網互通技術要求》,并已于2021 年完成立項。

3 結語

目前,WiFi Mesh 相關標準主要有IEEE 802.11s 和WiFi 聯盟的多AP 協議,IEEE 802.11s 協議較完整,功能完備,但實現比較復雜,實現成本高；WiFi 聯盟的多AP 協議實現相對簡單,且它為WiFi EasyMesh 認證提供技術標準,通過認證的設備可實現跨平臺Mesh 通信部署,提供多供應商的互操作性,另外,在多AP 技術標準中新增加的診斷功能,其最終迭代目標是使WiFi EasyMesh 網絡成為完全自動化的主動式網絡維護系統,這將為未來運營商管理維護WiFi Mesh 網絡帶來極大便利,相比之下,WiFi EasyMesh 為更優的選擇。

另外,WiFi 網絡技術迅速發展,性能不斷提升,在經歷了5 代WiFi 技術發展后,WiFi 6 成為當前熱門技術,開始進入更多接入點和消費產品,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,包括有許多無線設備的家庭環境,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 產品開始融入WiFi 6,以滿足無線網絡需求。 目前,已有部分WiFi EasyMesh 的WiFi 6 產品推出,例如,NETGEAR推出了雙頻WiFi 6 Mesh 系統,并通過WiFi EasyMesh認證；諾基亞也推出了一款支持通過認證的 EasyMesh無線組網功能的路由器,能夠幫助用戶輕松建立WiFi 6 網絡；中興通訊發布了業界首款完成WiFi 6 認證并支持EasyMesh 的光銅雙模家庭網關。 由此可見,與WiFi 6 相結合是WiFi Mesh 當前發展趨勢之一。

另一方面,WiFi 網絡技術還在持續不斷迅速發展,雖然WiFi 6 還未大范圍普及,WiFi 7 已在研發,可以預見,WiFi EasyMesh 網絡也會緊跟新技術的腳步,得到更高速度和性能的提升。