網狀網

隨著無線網路日益受到歡迎，用戶需要更高的帶寬、更大的覆蓋範圍和更好的可靠性。標準的“點到點”或“點到多點”技術，比如 802.11 和藍牙，都是短距離、直視條件下 (line-of-sight) 的無線網路，有著固有的局限性。隨著額外節點加入網路並分享接入點數據流，這些網路的帶寬會逐漸降低。由於鏈路雜訊和傳輸錯誤，帶寬還會隨著距離增加而降低。多數標準的無線網路在其有效距離內具有“盲區” (dead spot)，這些點呈現出較低的信號質量，這是由於干擾物體或較低的信號強度的緣故。單個故障就可以輕易使整個網路癱瘓。

無線網狀網是低功率的多級跳點 (multihop) 系統，它們處理消息的方式是把信息包從一個節點傳遞到另一個節點，直到信息包到達目的地。點到點網路節點過濾掉所有信息包，只留下自己的信息包，與此不同的是，網狀網節點接收要傳給其它節點的信息包，並把它們再次傳送出去。多跳網路運行方式很象網際網路，並提供從源頭到目的地的多條冗餘通信路徑。如果一條路徑由於硬體故障或干擾而停止工作，網狀網會自動改變信息包的路由，使它們穿過一條替代路徑。圖 1a 是一張示意圖，表示一個傳統的點到多點網路，它配有一個基站或接入點，它們與多個用戶節點通信。圖 1b 顯示了一個網狀網，在任意兩個節點之間具有多條連接路徑。

與傳統的點到點網路相比，網狀網技術的主要優勢之一是每個節點所需的功率大大降低。一個多跳網路節點只需要足夠的發射功率就可以到達相鄰節點；單跳節點必須承擔最大規定距離。在分散式感測器網路等某些應用中，各個節點可以靠得很近，從而使發射器功率極低，電池壽命很長。

低功率節點還有效地增加了總數據容量和網路帶寬。當一個單跳網路中的兩個設備試圖同時發射時，爭用協議會均分數據容量，因而給予每個設備一部分可用帶寬。由於網狀網中的各個節點功率很低，因此位於網路不同部分的設備實際上可以在同一頻率同時發射，而不產生干擾。頻譜的這種復用提高了網路的空間容量。

節點之間的較短距離還帶來了更高的網路帶寬。在任何固定功率級別射頻發射中，雜訊導致的接收錯誤會隨著發射器和接收器之間距離的增加而增加。多數聯網協議使用若干可變糾錯方案，它們犧牲了帶寬以便在較高的雜訊級連續運行。網狀網消除了這個問題，因為它在多條短距離無雜訊數據路徑上發射，而不是在一次大的、具有潛在雜訊的跳躍。

冗餘路徑

網狀網的另一個明顯優點是冗餘路徑，與單跳網路相比，它們帶來了更高的可靠性和數據速率。臨時的本地干擾，比如另一個無線電信號或一個減弱信號的物體，可能會阻止或降低傳統網路中的數據速率；而網狀網技術只是簡單地通過一條未受影響的替代路徑發送數據。同樣，任何一個網狀網節點中的硬體故障不會使網狀網完全失效。網狀網技術的冗餘還提高了有效帶寬，這是因為多個數據流可以同時傳輸。例如，家庭聯網環境可以把視頻數據流從客廳的 DVD 播放器傳輸到卧室的電視機，同時把音頻數據流從家用電腦傳輸到游泳池邊的攜帶型 MP3 播放器。

雖然網狀網技術有這麼多優點，但網路專家們擔心多跳環境中的安全問題。例如，在一個包括多個電腦系統的無線網狀網中，安全的數據可能在到達目的地之前通過多個未授權節點。這種數據暴露可能需要複雜的加密或節點認證來防止泄密。網狀網還可能為黑客提供機會，來替換錯誤的路由信息或引入未授權的流量。當你使用網狀網技術來跨越校園或社區等寬廣區域時，這些安全問題會變得更明顯。

在部署某個新的多跳系統之前，潛在的網狀網用戶和開發者有多項需要定義和實現的硬體要求和軟體要求。例如，網狀網節點收發器的功率應該很低，以便允許頻譜在網路其它部分的復用。雖然一些有趣的工作正在低功率節點中進行，但多數開發者選擇以 802.11 等現有廣泛可用的硬體開始，並創建軟體協議來啟用多跳系統。

網狀網代表了低成本、高帶寬技術，用於提供“最後一公里”即社區級通信基礎設施。例如，網狀網在安裝於燈柱、建築物、車輛和最終用戶設備上的節點之間使用多跳路由，來為用戶提供全社區範圍的網際網路接入。其網狀架構支持固定寬頻連接和移動寬頻連接，這是由於它結合了一種自組 (ad hoc) 對等路由技術和一種專有的 QDMA（正交分割多址）無線電協議。QDMA 無線電技術使用直接序列擴展頻譜，工作於 2.4GHz ISM（工業、科學及醫療）頻帶。當你向網路添加設備或從網路中取出設備時，MeshNetworks 公司的軟體可以發現和共享路由信息，並重新配置數據路徑。MeshNetworks 公司把其技術提供給 OEM 們，提供形式為 ASIC 晶元，它配有內置路由技術、QoS（服務質量）管理和精確定位技術。除了硅晶元以外，MeshNetworks 公司還提供 PCMCIA 形式的無線數據機卡和固定位置路由器。MWR-6300 是一種安裝於燈柱的路由器，用於在客戶端數量增加時，保證大面積地域、校園或建築物內部應用中的無線覆蓋範圍。

免費的網狀網軟體

LocustWorld 公司提供一種免費的軟體包，來幫助實現覆蓋社區的網狀網。該公司的 MeshAP 是一個開放源代碼軟體項目，運行於 Linux 操作系統，並可以把任何兼容 x86 的 PC 轉變為網狀網客戶端、轉發器、網關和接入點。LocustWorld MeshAP 提供遠程管理演演算法、安全演演算法和接入演演算法，來支持各種網狀網路由功能。在相鄰節點建立通信時，它會通過簽名的數字證書來核實對方節點的身份。然後，它會設置一個 2048 比特、密鑰加密的數據流。該軟體包括多種功能，使操作者可以決定他們允許哪些人進入網路。授權用戶可以是為永久服務付費的用戶，也可以是臨時用戶，後者用一種提供固定長度聯機時間的票進行登錄。該程序還為每名用戶維護帶寬概要，以便在網路上分配數據配額和優先權。當用戶消耗網際網路帶寬時，他們會用盡自己的配額，而當他們消耗配額時，他們的優先權會下降。這樣，新用戶可以獲得比那些一直在佔用服務的用戶更高的優先權，而公平份額是由可用帶寬資源組成的。一旦用戶超過了自己的配額，該用戶不會被禁止訪問，但他將不再能夠獲得對服務的優先訪問。為了簡化網狀網設置，LocustWorld 公司還提供諮詢服務和硬體，比如 400 美元的 MeshBox，這是一種專用路由設備，預先裝載了 MeshAP 軟體。

Tropos Networks 公司提供一種寬頻蜂窩 Wi-Fi 網狀聯網系統，它為電信運營商、網路運營商和服務提供商們實現城市級寬頻無線數據覆蓋提供了方便。它的無線網狀網系統使居民和遊客能夠從服務區的任何地方訪問網際網路，只要他們擁有配備標準 Wi-Fi 網路連接的客戶端設備。嵌入於每個 Wi-Fi 單元中的網路操作系統提供了關鍵的智能。它實現了網狀網技術的自我組織和自我復原。當提供商增加新單元時，自動發現和最優路徑選擇會無縫地把它們集成到網路中。服務提供商們通過在網路中的任何地方簡單地連接更多的有線回程鏈路，就能夠擴大總容量。Tropos Networks 公司提供室內和室外 Wi-Fi 單元設備，以及操作系統和網路管理軟體。目前有多種蜂窩 Wi-Fi 系統、服務和支持選項，一般情況下，成本約為每平方公里 7722 至 19305 美元，這取決於地理狀況和射頻環境。

最初的一些網狀網研究的資金來源於軍事應用，並用於支持軍事應用。例如，戰場上的移動網路需要很高的數據速率、很低的被檢出概率和防止人為干擾的能力。mitre 公司一直在從事移動網狀網方面的工作，這種網路是一種開放源代碼的自組網路系統，它使用戶能夠在無線環境中交換信息，無需固定式基礎設施。每個用戶都可以一邊自由移動，一邊互相通信。任何兩名用戶之間的通信路徑都可以穿越多條無線鏈路，並且無線電設備可以是不同類型的，從而使不同類型的鏈路能夠成為同一自組網路的一部分。由於節點是移動的，因此拓撲結構是動態的，並且網路必須不斷掃描鏈路和構建通信路徑。在自組網路內部，每個節點都作為路由器，並為其它節點轉發信息包。Mitre 公司為某個網頁提供主機，你可以從該網頁下載移動網狀網軟體，地址是www.mitre.org/work/tech_transfer/mobilemesh/index.html。

圖1, 傳統無線網路基於星形拓撲結構，是單跳點的通訊，易受局部RF的干擾（a）；網狀網拓撲結構中的每個節點都可直接與相近的節點通訊，自動選擇路徑並分送數據(b)。

隨時隨地的互連

網狀網可以從英特爾公司的一項新的射頻計劃獲得長期推動力。"Radio Free Intel" 是該公司的遠景規劃，是把低成本無線電功能集成到它製造的每件硅產品中。這些無線電設備將形成通信與計算匯聚的技術基礎。該公司的遠景規劃是把通信功能從今天的 PDA、筆記本電腦和手機延伸到消費電子產品、家電、傢具、甚至服裝。英特爾公司還與加利福尼亞大學伯克利分校合作，研究一種特殊類型的網狀網。在 Intel Research Berkeley Lab 進行的初期工作已經生產出了小型感測器節點，它們可以組成自我配置、低成本的自適應網路。該公司把硅技術方面的進步與通信網路研究結合起來，使數千個稱為微粒 (mote) 的微型嵌入式感測器件能夠自行固定和無線連接，同時耗用極低的功率。

crossbow Technology 公司擴大了微粒方面的工作，它提供一系列感測器和工具，它們使人們能夠迅速開發無線感測器網路，用於監視和檢測各種目標，比如敵軍人員或化學武器威脅。Crossbow Technology 公司正在與加利福尼亞大學伯克利分校計算機科學系的研究人員協作，生產 Mica 系列。Mica 架構包括多種感測器模塊和無線通信處理器模塊。Mica 能夠檢測超輕微的振動、雜訊和磁干擾，以及常規的光、溫度和鄰近度。它還包括一種感測器介面埠，它使系統能夠包含化學感測器、生物感測器和其它專門的感測器。處理器模塊運行一種非常小的操作系統，稱為 tinyos，並與其它 Mica 感測器節點或某個無線電基站雙向通信。Crossbow 公司已經開發了幾代 Mica 系列，包括硬幣大小的 MICA2DOT（圖2）。結合一些模塊就可以製造出監視系統，這些模塊成本為 150 至 300 美元，這取決於感測器類型和批量。

圖2, Crossbow Technology公司提供一種無線網狀網感測器單元，用於檢測振動、磁擾、光線、溫度和距離等參數

與此類似，Ember 公司為 OEM 和系統集成商們提供無線電晶元、網狀聯網軟體和支持工具，用於感測應用和控制應用。EmberNet Protocol Stack 包括自我復原、網狀路由和發現軟體，以及發表服務和訂閱服務。該堆棧只需要 20KB 程序存儲器和 4KB 的RAM，包括信息包緩存。利用 EmberNet API，開發者們能夠管理加密密鑰和加密方式，並能夠打開或關閉加密。有些客戶擔心嚴酷的射頻環境中的干擾，對於這些客戶，Ember 公司提供幾種無線電選項，包括若干擴展頻譜模塊，它們工作於無需許可證的 ISM 頻帶。Ember 公司還提供一種評估工具包，用於演示這些無線電晶元和 EmberNet 嵌入式聯網軟體的性能。該工具包中包括硬體樣本、若干應用和一種基於 PC 的評價平台。這種價格為 4950 美元的 EM1020 評估工具包包括 12 個即插即用、電池供電的網狀網節點、網路管理軟體和若干應用樣本。

與傳統的固定基礎設施無線網路相比，網狀網技術為網路用戶提供了更大的覆蓋範圍、更高的吞吐率和更好的故障恢復性能。雖然使安全流量流過相鄰節點會帶來潛在威脅，但尖端的加密技術應該能提供必要的安全保障。網狀聯網簡直就是網際網路的微型版，具有網際網路的所有優點和危險。預計這種多跳點技術會穩定發展。

雖然使安全流量流過相鄰節點會帶來潛在威脅，但尖端的加密技術應該能提供必要的安全保障。