Wi-Fi mesh组网技术

Wi-Fi mesh 组网技术

文：徐龙杰，郭宁，郭涛，韩建亭（中国电信股份有限公司上海研究院，上海 200122）

摘要 ：Wi-Fi mesh 是一种适用于大面积或复杂户型的 Wi-Fi 自组网解决方案，为用户提供全覆盖、自切换、易安装的优质无线网络。Wi-Fi mesh 具备自组网、自管理、自修复和自平衡等诸多优点，但现有 Wi-Fi mesh 产品实现方案存在标准不统一、实现复杂、终端能力要求高、无法互通的问题。首先讨论了现有家庭网络中多热点 AP 协同工作的实现情况，接着对当前 Wi-Fi mesh 主流技术进行了分析，重点探讨了家庭 Wi-Fi mesh 的技术方案和对比。进而面向家庭应用场景，为运营商提出了一种模块化、易实现、终端能力需求低且互通性好的 Wi-Fi mesh 技术实现方案。

1 引言：

随着家庭智能终端数量的不断增加，家庭无线网络质量的要求不断提高，家庭 Wi-Fi 无线接 入网络也逐渐从单个接入点（access point，AP） 向多 AP 协同工作的模式转变，而家庭中多个 AP间协同工作的能力是决定家庭无线网络质量的关

键因素，业内当前的解决办法主要有无线中继和 Wi-Fi mesh 网络两种。

**y **无线中继：也称无线扩展器（repeater）， 通过标准的Wi-Fi自动配网协议WPS配对 或用户手工配置的方式，实现主/从 AP 节 点连接通信。

**y **Wi-Fi mesh：是一套系统且功能强大的多 AP 间自组网的实现方案，该方案中多个节 点间通过专用的通信协议实现。

无线中继是一种简单的无线扩展实现方式，多节点间的协同能力有限，无任何无线网络质量 保障的措施，当主 AP 的无线配置信息变更后， 其下联中继器（AP）都需重新配置一遍，用户体 验差；该方式只能算作解决家庭无线网络信号从无到有的一种应急解决办法，作为高质量宽带服务提供者的运营商不会选择该方案，故无线中继 不是本文关注的重点；Wi-Fi mesh 是一种适用于 大面积或较复杂户型的家庭 Wi-Fi 组网方案，它 是一套系统、完整、高质量的多 AP 协同工作实 现方案，但目前业界已推出的 Wi-Fi mesh 产品都 是各个终端或芯片厂商的私有协议，存在标准不统一、兼容性差、不能互通的问题，因此迫切地 需要一种适用于家庭网络的通用 Wi-Fi mesh 解决 方案。

02

**Wi-Fi mesh 技术分析 **

目前面向家庭推出的 Wi-Fi mesh 产品实现技 术，主要是采用 IEEE 802.11S、WDS 和 multi-AP（简称 MAP[1]）3 种技术实现标准，实现家庭多 AP 间的协同工作的需要。

**2.1 IEEE 802.11S **

IEEE 802.11S Wi-Fi 自组网协议标准较为完 整，2006 年被提交至 IEEE，2011 年被正式纳入 标准体系。它适用于多给路由分布式 Wi-Fi 组网 场景，比较适合于企业网、校园网等比较大型的

覆盖场景；还具有跨厂商兼容互通、长期演进、功能完备、家庭内部局域网数据转发去中心化的 优势，其实现的 MAC 帧格式如图 1 所示。由图 1 可知，IEEE 802.11S 是通过扩展 IEEE 802.11 MAC 层实现的六地址数据交换，在 Wi-Fi MAC 层实现路由，实现比较复杂，对终端能力要 求高，开发和维护的成本比较高，普通家庭无线 AP 终端性能无法保障，故产业链高通、博通、 MTK 等大的芯片厂商对 IEEE 802.11S 支持力度 不大，目前采用 IEEE 802.11S 的 Wi-Fi mesh 的产 品并不多，近期在国际的标准组织中也未看到关 于 IEEE 802.11S 技术标准演进推动的新进展。

**2.2 WDS **

无线分布式系统（wireless distribution system， WDS）是无线连接两个接入点的协议。WDS 最初 在无线应用领域中，是无线基站与无线基站之间 进行联系通信的系统。IEEE 802.11 协议定义的 Wi-Fi MAC 层数据帧结构中有预留 4 个地址域， 基于 WDS 的 mesh 链路采用四地址或三地址与 802.11 持一致，即当 ToDS 和 FromDS 为 1 时，采 用四地址格式；当 ToDS 为 0，FromDS 为 1 时， 采用三地址格式，如图 2 所示。

由图 2 可知，toDS 和 fromDS 为 1 时， WDS MAC 帧携带的是四地址（addr 1~addr 4）的信息。

基于 WDS 的实现方案特性，决定了基于 WDS 的 Wi-Fi mesh 产品实现容易，终端能力要求低，故随着无线应用家庭化的普及，WDS 已经快速被应用到家用无线 AP 产品上，并被用户所接受，当前市场上主流的 Wi-Fi mesh 产品大都是基 于该标准。

但因三地址格式只支持 AP 和 station 之间传 输数据，在 AP 和 AP 之间下行数据目的地址会丢失导致无法传输到目的STA。只能依赖于IP路由， 但是非 IP 的数据分组依旧无法传输。故只能采用WDS 四地址格式传输，数据帧只与MAC层相关， 数据不需要上 IP 层处理，效率高，但是 WDS 只规定了数据格式，并未规定 AP 和 AP 之间如何建立连接和交换密钥，各厂商的实现方式各不一样。故基于 WDS 的Wi-Fi mesh 协议同样存在互通性 和标准不完全统一的问题，仍需优化解决。2017 年Wi-Fi 联盟（WFA）成立了一个基于 WDS模式的MAP技术讨论组，重点研究该问题，从而产生了MAP 标准协议。

2.3 MAP

MAP重点解决基于WDS协议不同厂商 Wi-Fi mesh 产品间的互通性的问题，WFA在2018年发布了用于家庭网络自组网的 MAP 标 准协议，并且作为 WAF easy mesh 的互通性认证标准。MAP Wi-Fi mesh 实现方案的 MAC 帧 格式，如图3 所示。

由图3可知，MAP是在 WDS 四地址基础上 的应用，其 MAC 层也是四地址格式，并采用 IE1905.1[2]协议实现 mesh 网络中各个节点间的信息互通。

（1）MAP 协议组网后也会涉及 AP 之间的数据传输，并且 MAP 采用的数据为 IEEE 1905.1 数据，非 IP 数据，故只能采用四地址 进行传输。其数据格式和 WDS 四地址数据格式完全一致。 （2）MAP 额外规定了 AP 和 AP 之间如何建立连接和交换密钥，其规定采用 AP 的 station 接 口和上行 AP 的回传 BSS 连接，连接成功后如果 两个设备都支持 MAP，则后续的数据传输采用四 地址格式传输，从而解决了兼容性的问题。

2.4 方案比较

Wi-Fi mesh 实现技术方案比较见表 1。

由表 1 可知：基于 IEEE 802.11S 的 Wi-Fi 自 组网协议标准较为完整，具有跨厂商兼容互通、数据转发去中心化的优势，适用于大面积多路由 的分布式 Wi-Fi 组网场景，但它采用六地址方式， 实现复杂，硬件能力要求高，开发和维护成本高，产业链厂商的支持力度小，且技术标准的演进缓慢；WDS 主要是无线连接两个接入（AP）的协议，采用三/四地址方式，实现简单，硬件能力需求低，但 WDS 协议只定义了数据格式，节点间如何连接，密钥如何交换等没有定义，终端厂商只能在 WDS 的基础上改造自己的私有组网协议，互通性存在问题；MAP 协议是由 WFA 提出基于四地址WDS协议的通用Wi-Fi mesh实现方案，其实现简单，终端能力要求适中互通性好，产业链的支持力度大，更适用于家庭网络应用 场景。

03

基于 MAP 的 Wi-Fi mesh 实现方案

Wi-Fi 联盟推出的 MAP 实现方案解决了 基于 WDS 方案产品互通性的问题，也是采用四地址[3]的实现方案与 IEEE 802.11 Wi-Fi 的四地址保持一致，实现简单，通用性又好，故该方案很快获得了产业链各大芯片及终端厂商 的支持，并在 Wi-Fi 联盟内很快完成主流 Wi-Fi 芯片厂商间设备的互通性测试。MAP 方案定义 了设备间的通信协议和标准，解决了 Wi-Fi mesh 网络中 AP 间的互通性问题，但 MAP 并 未定义设备底层MAC层与上层应用层的接口， 该部分都是各厂商自己实现。运营商为其宽带用户提供的智能组网业务，除了需要实现不同厂商 Wi-Fi mesh 设备间的互通外，还需要统一各厂商的 Wi-Fi mesh 能力（自组网、新节点加 入的操作方法和流程等） 、统一App或本地Web 页面的管理控制、统一云平台的接入管理，因此，运营商提供的 Wi-Fi mesh 产品只完成底层设备间互通的标准协议是不够的，还需要统一 组网终端 MAC 层与应用层部分的接口，因此， 本文提出了基于 MAP 的通用 Wi-Fi mesh 实现方案。

3.1

软件架构

基于 MAP 的通用 Wi-Fi mesh 实现方案软件 实现架构，如图 4 所示。

由图 4 可知，基于 MAP 的 Wi-Fi mesh 软件 实现架构，从底到上可分成：Wi-Fi 驱动层、MAC 层和应用层，具体如下。

Wi-Fi 驱动层：是 Wi-Fi 模块基本能力层，主要是指 IEEE 所定义的标准 IEEE 802.11k、IEEE 802.11v、IEEE 802.11r、IEEE 802.11u 等能力。

MAC 层：主要是指基于 MAP 框架协议的 mesh 能力实现层，主要包括：MAP驱动适配器、1905 Framework 框架协议和网络节点的设备加载、身份识别、角色定义、节点选择、频段切换、负载均衡等 mesh 特性的能力实现模块。应用层：是 mesh 网络节点的上层应用层，主要包括本地管理服务（local manager service）实现模块等。

3.2

协议标准

基于 MAP 的 Wi-Fi mesh 通用实现方案，家 庭网络节点的 Wi-Fi mesh 能力实现集中在 MAC 层，采用通用的 MAP 标准协议实现。

3.3

节点角色

基于 MAP 的通用 Wi-Fi mesh 实现技术方 案，节点的角色包括 Wi-Fi mesh 主节点 MAP 控制器（Controller）和 Wi-Fi mesh 子节点 MAP 代理（Agent）两类，与 MAP 标准协议定义的 一致。

3.4

网络拓扑

为了提升家庭Wi-Fi mesh网络的工作效率， 降低对 Wi-Fi mesh 终端处理能力的要求，本方 案继续采用MAP标准定义的树状或链状的网络 结构。

3.5

Wi-Fi mesh 能力

针对 MAP 标准协议没有明确或定义的 WPS 控制、角色选择、频段切换、节点（AP）选择、 链路优化[4]和负载均衡等功能模块部分，本方案统一明确和定义具体的规则和处理机制，使得运营商所采购的产品不仅能够实现互通，还能够做 到统一的处理规则和用户体验。

3.6

实现接口

Wi-Fi mesh 网络中各设备间的外部通信接口 采用 MAP 的标准定义的节点间的外部（Mo）接 口（详见图 4）；Wi-Fi mesh 网络节点终端 mesh能力与本地应用服务之间的内部（Mi）接口（详 见图 4），如：终端角节点角色的设置、网络拓扑 查看接口等，MAP 协议中没有定义，需要新增。该类接口的定义示例，见表 2 和表 3。

04

** 结束语 **

本文提出的基于 MAP 的 Wi-Fi mesh 实现方 案，Wi-Fi mesh 网络节点间的通信采用通用 MAP 的通信协议，解决了不同厂商 Wi-Fi mesh 终端的 互通和兼容性问题；基于 MAC 层的四地址 WDS 实现方式，实现简单，对终端的处理能力需求适 中，当前主流家用吉比特双频路由器（AP）的 Wi-Fi 芯片都能满足，容易得到芯片及终端厂商 的积极响应；基于 MAP 的 Wi-Fi mesh 实现方案 的 mesh 能力实现在 MAC 层，其与外部设备间 的通信接口协议和与本地的终端管理服务系统的接口都已定义，易于模块化，便于运营商或芯片厂商统一提供该部分的通用能力实现模块，大大降低终端厂商的开发工作量和成本。因此， 基于 MAP 的 Wi-Fi mesh 实现方案，是为运营商 提供的一套面向家庭 Wi-Fi mesh 网络的理想解 决方案。