WiFi EasyMesh 关键技术与标准化进展研究

郭 蕾，曹小波

（中国信息通信研究院，技术与标准研究所，北京 100191）

0 引言

WiFi 产品已经成为人们工作生活不可缺少的一部分,随着家庭网络的发展,智能手机、平板电脑、笔记本电脑、智能家居等产品,主要通过WiFi 接入网络。 移动设备的大量增加,使整个家庭对WiFi 连接的需求日益增大。 传统上,家庭WiFi 部署一般为单个WiFi 接入点,很多情况下无法完全覆盖所需区域,并且,在有遮挡的环境下,会造成信号衰减,严重影响通信质量,即便使用WiFi 扩展器对无线信号进行中继放大,也会存在吞吐量降低、不便于管理等问题。 因此,全覆盖、高效、自配置的WiFi 网络成为迫切需求,推动市场上产生了一些扩展WiFi 范围的解决方案,这些方案一般采用WiFi Mesh 相关技术,通过多个接入点相互连接形成网络。

目前,市场上已有不少通信设备制造商推出了WiFi Mesh 产品,但由于这些WiFi Mesh 产品来自不同制造商,它们多采用各自专有的WiFi Mesh 系统,且这些系统互不兼容,不提供多供应商的互操作性,即不同制造商的WiFi Mesh 产品不能互相通信,用户无法将不同制造商的WiFi Mesh 产品混合使用,只能选择同一制造商的WiFi Mesh 产品进行组网,在这种情况下,WiFi EasyMesh 应运而生,它解决了不同制造商WiFi Mesh设备不能相互通信的问题,使用户可以组装来自不同制造商的WiFi Mesh 设备的网络。

WiFi EasyMesh 是WiFi 联盟的一个认证机制,它定义了易于安装和使用、自适应并具有多供应商互操作性的多接入点家庭和小型办公室WiFi 网络。 这项技术为消费者和运营商在选择WiFi EasyMesh 设备进行家庭网络部署时带来了更大的灵活性。 WiFi EasyMesh由一个控制器和若干个接入点(Access Point,AP）组成WiFi 网络,其中,控制器用来管理网络并协调AP 运作,确保AP 之间互不干扰,从而带来更大、更统一的覆盖范围和更高效的服务。

1 WiFi EasyMesh 关键技术

WiFi 认证 EasyMesh 基于多 AP 规范(Multi-AP Specification）,该规范定义了WiFi AP 之间的控制协议,对AP 加入网络、设置、控制和管理所需的数据对象,以及在多AP 网络内的WiFi 接入点之间路由通信的机制［1］。

1.1 基本架构

WiFi EasyMesh 网络由两种逻辑实体组成:控制器和代理。 控制器可以位于WiFi EasyMesh 网络中任何一个设备中,也可以位于具备多种网络功能的设备中,例如网关设备。 控制器从网络中的所有设备接收度量和能力数据,并控制网络中代理的运行参数,可通过发送控制命令给代理,来改善负载均衡及其他管理功能。另外,它还提供加入网络功能,使AP 设备加入到网络中。 WiFi EasyMesh 网络中的所有设备均可以作为代理,代理执行来自控制器的命令,并将测量结果和能力报告给控制器和网络中的其他代理,同时充当客户端设备的WiFi 接口。

一个WiFi EasyMesh 网络中,只允许有一个控制器,可以有一个或多个代理。 一个WiFi EasyMesh 网络由多个AP 设备组成,一个AP 设备可以只包含一个控制器,或者只包含一个代理,也可以包含一个控制器和一个代理。 AP 设备之间定义了逻辑控制接口,通过该接口进行前传和回传链路的配置和控制。 AP 设备通过回传链路相互连接,回传链路可以使用多种网络技术相互连接而成,包括WiFi(2.4 GHz 和5 GHz 频段）,以太网以及IEEE 1905.1 协议支持的其他技术。 其中,WiFi 因安装方便、灵活而具有更强的吸引力。 手机、笔记本电脑等移动终端设备一般通过标准WiFi 连接到代理,即前传链路,代理通过回程链路将数据传递到目的地。 前传和回传链路可能会使用单独的频段以获得更好的性能,具体取决于设备支持的功能。

具有代理的AP 设备,包含用于关联客户终端的前传AP。 在支持WiFi 回传链路的情况下,还包含回传传送地址指令(Spike-Triggered Average,STA）,与上游前传AP 关联形成WiFi 回传链路。 具有代理功能的AP 设备与网络中的一个或多个AP 设备节点相互关联形成树状拓扑,确保在多AP 网络中的任何两个AP 设备之间建立一条回传路径。

WiFi EasyMesh 网络可以根据网络条件对前传和回传路径进行调整,使控制器可以有效管理流量路由,从而提高网络性能。 代理可以使用多个频段和信道来管理网络流量。 图 1 为 WiFi EasyMesh 的一种典型拓扑。

图1 WiFi EasyMesh 的一种典型拓扑

1.2 AP 接入、发现及配置过程

AP 接入是WiFi EasyMesh 代理设备通过WiFi 或有线连接与WiFi EasyMesh 网络建立数据链路连接的过程。 多AP 规范定义了一种方法,使具有代理和回程STA 功能的AP 设备可以接入WiFi EasyMesh 网络。 该方法基于IEEE 1905.1 协议规定的按钮配置方法,并在此基础上进行了扩展,包括对AP 代理支持WPS 条件的规定、定义了多AP 信息元素格式以及AP 扩展子元素,这些信息元素及扩展子元素在AP 设备接入网络的请求/应答流程中,用来表明该AP 设备所具有的BSS配置,例如是否支持前传/回传基站子系统(Base Station Subsystem,BSS）、回程 STA 等功能。

建立二层连接后,网络将启动协议,使控制器和代理能够相互发现。 该协议在IEEE 1905.1 协议中规定的AP 自动配置搜索/应答流程基础上进行了扩展,规定了控制器应与IEEE 1905.1 协议中规定的注册器功能位于同一物理设备中。 按照IEEE 1905.1 协议规定的AP 自动配置流程,AP 代理发送消息搜索控制器,控制器收到该消息后,检测到消息中搜索服务为控制器且搜索角色为注册器,则进行应答。

另外,该协议还对IEEE 1905.1 规定的拓扑发现协议、拓扑通告消息进行了扩展,通过“拓扑查询/应答消息”交互流程,发现多AP 设备提供的具体能力,通过“拓扑通告消息”,使代理快速获取无线终端关联/取消关联的信息。 代理或控制器发送“拓扑查询消息”给AP 设备,AP 设备回复消息表明所支持的服务,若支持代理服务,需回复其当前所运行的BSS 及其所关联的所有无线终端数量、MAC 地址等信息。 如果无线终端与AP 设备关联或取消关联,该AP 设备应发送“拓扑通告消息”到网络中的邻居设备,表明该无线终端的MAC 地址、详细关联事件、该 AP 设备所在 BSSID 等信息。

AP 配置过程是扩展了IEEE 1905.1 中的AP 自动配置过程,代理通过发送“AP 自动配置WSC 消息”开始进行配置,消息中包括该AP 支持的频段、频宽、频段所支持的BSS 最大数量、信道等AP 频段基本能力信息以及M1 消息。 控制器收到包含M1 的“AP 自动配置WSC 消息”后,回复带有 M2 的“AP 自动配置 WSC 消息”完成安全信息协商及 AP 的 BSS 配置［2］。 图 2 对AP 接入网络、发现以及AP 自动配置消息交互流程进行了说明。

图2 AP 接入网络、发现以及自动配置消息交互流程

1.3 网络运行机制

WiFi EasyMesh 除了具有促进网络中多AP 的优化配置的能力,还包括创建和维护自动优化网络所需的机制,使网络尽可能提高性能并改善移动终端漫游。这些机制主要通过代理上报能力信息、信道选择、链路度量、移动终端引导、回传优化等功能实现。

1.3.1 代理上报能力信息

AP 控制器通过发送查询消息,查询AP 代理支持的所有频段的能力信息,包括其支持的频段、带宽、信道以及是否支持未关联移动终端链路度量报告等信息。 控制器还通过与代理交互,获取关联到相应代理的移动终端的能力信息,了解网络条件,控制代理执行信道切换、降低发送功率等操作,来维护最优网络性能。

1.3.2 信道选择

控制器通过和代理交互信息,查询代理的首选信道信息,请求代理执行信道扫描,以了解每个代理检测到的无线环境及BSS,并向代理发送配置信息,对代理相关频段进行配置,包括操作类、信道及发射功率的首选项和限制。 控制器可以选择将一些本地操作决策委托给代理以提高网络响应能力。 为了满足不同地区的监管要求,控制器可以请求代理执行信道可用性检查(Channel Availability Check,CAC）或提供其CAC 状态。代理根据请求执行CAC 操作,然后向控制器报告CAC信息。

1.3.3 链路度量

多AP 技术规范定义了网络链路度量信息传送相关协议,包括回传链路度量、每个AP 度量及批量STA度量、每个STA 度量信息的协议。 其中,回传链路度量规定了用于多AP 设备传送回传链路度量信息的协议,使用1905.1 标准规定的链路度量信息传递协议来查询和报告回传链路的度量信息；每个AP 度量及批量STA 度量规定了用于代理传送每个AP 度量信息的协议,控制器与代理交互信息,获取正在运行的每个BSS度量信息；每个STA 度量信息规定了AP 代理基于每个STA 传送链路度量信息的协议,另外,代理还利用IEEE 802.11 信标报告测量,报告有关网络运行状况的度量,包括代理与其关联客户端之间的链接质量。

WiFi EasyMesh 补充了WiFi 数据元素,帮助运营商收集网络信息,以便更主动地识别和解决WiFi 网络问题。 这些链路度量收集方法协同工作, 使 WiFi EasyMesh 网络能够适应网络动态,进而为用户提供更一致的WiFi 体验。

1.3.4 移动终端引导

控制器可以通过收集WiFi 环境的关键信息,有效地管理网络资源,包括可以选择发送控制消息对移动终端进行引导,即引导移动终端将其连接从一个代理切换到另一个代理,或者引导到最合适的频段、信道,以达到优化AP 代理负载平衡并优化客户端漫游的目的。

1.3.5 回传优化

WiFi EasyMesh 智能化的一个重要功能是回传优化,它能够更好地管理AP 设备之间的连接。 控制器可以为AP 设备之间的回程连接选择最佳路径、频段和信道,以优化网络资源,它通过发送“回传引导请求消息”,使代理将其回传STA 切换关联到另一个BSS 或进行信道切换。

2 WiFi EasyMesh 标准化进展

WiFi 认证 EasyMesh 基于多 AP 技术规范,2017 年8 月,WiFi 联盟向WiFi 联盟成员发布了该规范170828版本草案(Multi-AP Technical Specification Version 171212 DRAFT）,定义了WiFi AP 之间的控制协议,以及对多个AP 加入网络、设置、控制和管理所需的数据对象,还定义了在多AP 网络内的WiFi 接入点之间路由通信的机制。 目的是在包含多个接入点的WiFi 网络部署中实现来自不同供应商的WiFi AP 之间的互操作性。

2018 年6 月,WiFi 联盟正式发布多 AP 规范1.0版本(Multi-AP Specification Version 1.0）,并将其作为WiFi 认证EasyMesh 的技术规范。

2019 年 12 月,WiFi 联盟发布了多 AP 规范 2.0 版本(Multi-AP Specification Version 2.0）,增加了一些运营商和最终用户需要的基本功能,主要包括以下方面。

2.1 数据流量分离

将每个SSID 的流量划分为VLAN,在共享互联网接入的同时,实现专用和来宾网络的安全分离。

2.2 增强移动终端引导

通过WiFi 认证敏捷多频段技术,引导用户移动终端从一个WiFi 接入点移动到另一个更优的WiFi 接入点,改善其漫游体验。

2.3 诊断支持

以控制器为中心通过WiFi 认证数据元素提供从WiFi 数据元素收集来自所有连接接入点的诊断数据,例如网络分析和关键性能指标,改进服务提供商的设备管理。

2.4 协同信道可用性

通过控制器控制代理扫描特定信道(包括DFS 信道）,全面了解信道使用情况,通过协同信道扫描优化可用信道的使用,以支持使用5GHz DFS 信道,充分利用可用DFS 信道,减少网络中断,使网络的每次部署都使用最佳信道。

2.5 使用SAE 增强回程安全性

在回传中增加了对等同步认证的支持,带来了更强大的身份验证机制,提高了加密强度,并且要求使用受保护的管理帧,抵抗离线字典攻击。

2020 年 12 月,WiFi 联盟推出多 AP 规范 V3.0 版本,丰富了更多的控制特性,尤其增加了安全特性,为控制消息添加了授权和完整性校验［2］。

国内方面, 中国通信标准化协会( China Communications Standards Association,CCSA）已于2021年发布了行业标准《基于公用电信网的宽带客户智能网关 第10 部分:无线mesh 组网技术要求》,规定了宽带客户网络中,mesh 设备的组网协议功能、传输性能、接口和管理等要求［3］,其组网协议遵从了WiFi 联盟的多AP 规范2.0 版本。 但该标准对mesh 网络规格和功能进行了定义,未规定互通协议和接口层面的技术细节,为了解决互通层面的关键技术和空白难点,以引导运营商和设备厂商的所有无线设备实现更好的组网便利性,CCSA 计划制定行业标准《基于公用电信网的宽带客户智能网关 第14 部分:无线mesh 组网互通技术要求》,并已于2021 年完成立项。

3 结语

目前,WiFi Mesh 相关标准主要有IEEE 802.11s 和WiFi 联盟的多AP 协议,IEEE 802.11s 协议较完整,功能完备,但实现比较复杂,实现成本高；WiFi 联盟的多AP 协议实现相对简单,且它为WiFi EasyMesh 认证提供技术标准,通过认证的设备可实现跨平台Mesh 通信部署,提供多供应商的互操作性,另外,在多AP 技术标准中新增加的诊断功能,其最终迭代目标是使WiFi EasyMesh 网络成为完全自动化的主动式网络维护系统,这将为未来运营商管理维护WiFi Mesh 网络带来极大便利,相比之下,WiFi EasyMesh 为更优的选择。

另外,WiFi 网络技术迅速发展,性能不断提升,在经历了5 代WiFi 技术发展后,WiFi 6 成为当前热门技术,开始进入更多接入点和消费产品,以提高其速度和性能,并且能够满足多用户、密集场景下的接入需求,包括有许多无线设备的家庭环境,但与此同时也对其覆盖范围有了更高需求。 WiFi EasyMesh 可满足此需求,为场景每个区域提供可靠的WiFi 覆盖,因此,各种厂商已纷纷推出WiFi Mesh 解决方案,一批Mesh 产品开始融入WiFi 6,以满足无线网络需求。 目前,已有部分WiFi EasyMesh 的WiFi 6 产品推出,例如,NETGEAR推出了双频WiFi 6 Mesh 系统,并通过WiFi EasyMesh认证；诺基亚也推出了一款支持通过认证的 EasyMesh无线组网功能的路由器,能够帮助用户轻松建立WiFi 6 网络；中兴通讯发布了业界首款完成WiFi 6 认证并支持EasyMesh 的光铜双模家庭网关。 由此可见,与WiFi 6 相结合是WiFi Mesh 当前发展趋势之一。

另一方面,WiFi 网络技术还在持续不断迅速发展,虽然WiFi 6 还未大范围普及,WiFi 7 已在研发,可以预见,WiFi EasyMesh 网络也会紧跟新技术的脚步,得到更高速度和性能的提升。