Jak funguje mesh. A vyřeší můj problém s WiFi? | Kapitola 2

Nejdříve něco k pojmům a zkratkám. V mesh sítích můžeme najít prvky mesh point (MP), mesh access point (MAP), mesh portal point (MPP). MP je plnohodnotný účastník služby WLAN mesh. MAP umí funkci MP, ale zároveň slouží pro připojení klientů, kterým poskytuje síťové služby. MPP je bod, který propojuje síť mesh s jinou sítí. Těmto všem budu říkat stanice (STA). Zařízení připojená do sítě (notebooky, tablety, mobily) budu nazývat klienty. 

Standard mesh sítě je definován 802.11s. Zkušenější čtenáři teď zpozorněli – ano, rodina standardů (protokolů) 802.11 se zabývá bezdrátovými sítěmi. Tedy skutečná WiFi mesh, tak jak ji známe a je prezentována a prodávána, existuje pouze v bezdrátové variantě. A tu si nyní spolu rozebereme. Od tohoto okamžiku v textu použitý název mesh bude znamenat bezdrátovou mesh síť ve smyslu standardu 802.11s.

A jak to vlastně celé funguje? Podobně jako AP ve WiFi síti vysílá tzv. beacon frame, který obsahuje informace o jeho nastavení, vysílají stanice mesh tzv. mesh station’s beacon, který přenáší informace o mesh síti a pomáhá jiným stanicím mesh síť detekovat a připojit se k ní. Stanice mesh se navzájem detekují na základě pasivního skenování (posloucháním beacon), nebo aktivního skenování (probe frame transmission). Tyto rámce obsahují Mesh ID (název mesh sítě), konfigurační prvek nabízející služby sítě a parametry vysílající stanice mesh. Toto umožňuje vyhledávat vhodné partnery, vybírat vhodnou cestu a metriku. Na základě těchto informací se stanoví nejrychlejší cesta. Výpočet cesty opět zabere nějaký čas, čím více hopů, tím delší čas. Teprve poté je zahájen vlastní přenos dat. V podstatě jde o činnost podobnou routování v klasické síti. U mesh je to protokol HWMP (Hybrid Wireless Mesh Protocol). Při velkém počtu připojených klientů  však může nastat komplikace přenosu – zvláště u stanic uprostřed sítě. Tak může dojít u některých stanic k přetížení. Toto mesh síť musí umět detekovat.

Příklad výpočtu vhodné cesty: na obrázku jsou tři klienti připojení do mesh sítě obsahující osm stanic. Klient X chce poslat data klientu Y. Stanice č. 7 je zrovna v tomto okamžiku mimo provoz. Výpočet obsahuje tři cesty, kde modrá barva značí nejrychlejší cestu, zelená záložní cestu (všimněte si pokusu spočítat záložní cestu přes nefunkční stanici č.7) a červená značí broadcast cestu (vysílání pro všechny klienty).

i Zdroj: Zheyu

Přetížení sítě

Co se stane při přetížení sítě? Rozložení provozu mezi stanicemi mesh je nerovnoměrné. Stanice na okraji mesh sítě detekují nečinnost, zatímco stanice uprostřed mohou být přetíženy (např. v předchozím obrázku stanice 5 a 6).  Toto není nijak ošetřeno, stanice slepě přenášejí co nejvíce paketů bez ohledu na to, kolik jich dosáhne cíle. Pokud dojde k přetížení, začnou přetížené stanice uprostřed sítě datové rámce zahazovat. To je ale nevýhodné, protože zahozený rámec už prošel polovinu cesty. Každá stanice aktivně sleduje využití místního kanálu. Pokud zjistí přetížení, upozorní sousední stanice. Sousedním stanicím posílá žádost / potvrzení o řízení přetížení (unicast). Pokud zjistí přetížení v sousední stanici, posílá oznámení o přetížení (broadcast). Dotčené stanice poté upraví rychlost provozu.

Přístup k médiu - standardní řešení WLAN pomocí AP je v dnešní době řízeno pokročilým managementem. Sousední AP mohou vysílat na jiném kmitočtu, v jiném pásmu, nebo se vůbec  nemusí „vidět“. U mesh sítě je to jinak, tam sousední stanice musí vysílat na stejném kmitočtu. A díky tomu se toto prostředí stává mnohem náchylnější k rušení. A kromě toho se v mesh síti přenáší jak lokálně generovaný provoz (management sítě), tak předávaná data. To může způsobit přesycení sítě.

Ač se pojmy přesycení a přetížení zdají stejné, není tomu tak. Pokusíme se to srovnat opět s provozem. Přetížení můžeme chápat jako provoz na D1, houstne a houstne až se zastaví. V tomto případě nezbývá, než některá auta „zahodit“, část jich poslat jinou cestou mimo dálnici, a tím uvolnit provoz. Přesycení můžeme chápat podobně, jako když jedeme nakoupit v předvánoční době do supermarketu a chceme se dostat na parkoviště. Protože je parkoviště plné, je závora dole a my se tam nedostaneme. A musíme čekat do doby, než někdo z parkoviště odjede a místo uvolní.

Šetříme energii s power managementem. Ten je třeba v sítích (nejen) mesh řešit proto, že obsahují velké množství stanic. A není žádoucí, aby stanice nedotčené přenosem dat spotřebovávaly energii. Zůstává zachována technologie TIM/DTIM/ATIM, která by měla být vylepšena. V podstatě to znamená, že stanice bez provozu obdrží rámec, ve kterém je jí povoleno přejít do stavu snížené potřeby (spánek). V tomto stavu nemůže vysílat ani přijímat. Automaticky se probudí před vysláním mesh station’s beacon. Stanice jsou časově synchronizovány, takže ví, kdy se má probudit. Tato technologie přešla ze sítí WLAN řešených pomocí AP.

Porovnejme si rozdíly mezi klasickou WLAN řešenou pomocí AP (CLI = klient)

i Zdroj: Springer

a WLAN řešenou pomocí mesh (802.11s):

i Zdroj: Springer

Proč se nepoužívá mesh v profesionálních sítích? Pokud vezmeme v potaz čistě ekonomické hledisko, pak se podívejte na následující obrázek. Z něj je patrné, že plocha pokrytá třemi AP je větší než plocha pokrytá třemi MAP. Pro pokrytí stejné plochy tedy musíme koupit více mesh stanic, které jsou více než dvakrát dražší. Na druhou stranu pro klasické řešení pomocí AP potřebujeme kabeláž a aktivní prvky (switche). Pro domácnost nás vyjde PoE switch + 100 metrů kabelu cat5e levněji než koupě dalších dvou mesh stanic pro stejné pokrytí. A při pokrytí velkých prostor by byl rozdíl obrovský. Námitka, že při mesh řešení nemusím tahat kabely, zde neobstojí. Ke každé stanici mesh musíme nějak přivést napájení. Dejme tomu, že místo padesáti obyčejných AP musíme mít 75 mesh stanic. To obnáší sedm zásuvkových obvodů po deseti zásuvkách (více nelze). Cena metru kabelu 2,5 mm² je více než dvakrát vyšší než cena metru cat5e. Každý zásuvkový obvod musí mít jistič. A zatímco LAN kabel může natáhnout a nakrimpovat prakticky cvičená opice, zásuvky a rozváděč musí zapojit minimálně osoba poučená pod dohledem osoby znalé. Toto vše ještě musí projít revizí. To je ekonomický důvod, proč se mesh v profesionálním řešení nepoužívá.

i Zdroj: PCTuning.cz

Další důvod je provozní. Vezměme si např. letiště. Je to ideální příklad, protože je to v podstatě malé město na několika km². Je zde optika, metalika i WiFi. Vše, nač si vzpomeneme – osvětlení, klimatizace, odbavení, informační tabule, kamery, meteo – tohle vše je propojeno sítí. Koncentrace AP je v každém prostoru jiná. Nejvyšší počet lidí připojujících se k WiFi je v odletové hale, kde si čekající na odlet mohou krátit čas brouzdáním po internetu, pracovními záležitostmi, sledováním videí, sociálními sítěmi. Zde je nutno navýšit počet AP, protože jeden AP, i když má potřebný dosah, nám 500 zařízení neobslouží. Takže nezbývá než pokrýt prostor velkým množstvím AP, které tak vysílají přes sebe. To lze částečně omezit snížením vysílacího výkonu (opravdu nepotřebujeme signál až na druhém konci ranveje). Dále se omezí počet klientů připojených na jeden AP. Může se zdát, že zde by bylo použití mesh ideální, ale není tomu tak. 

Co potřebujeme po AP? Přijmi rámec od klienta a co nejrychleji ho předej do LAN sítě jejíž kapacita vše zvládne. Pokud signál od klienta zeslábne pod danou mez, odpoj ho. Zkouší-li se připojit klient nad max. počet povolených klientů, aktivně jej odmítni. Rámec pro klienta, který už je odpojen, zahoď. Co naopak nepotřebujeme, je zbytečně zatěžovat WiFi dalším provozem jako jsou mesh operace, např. vysílání probe frame transmission, počítání optimální cesty (kde za 20 ms může být všechno jinak), výstrahy o přetížení, vyšší počet hopů apod. A to je provozní důvod.