IoT中的WiFi Mesh 網絡

https://mp.weixin.qq.com/s/3LtD0u2HlJieL-KLwVXrbQ

 

 

4 針對IoT應用的WiFi mesh網絡

 

4.1 通過多路由器擴展出的mesh網絡

 

 

這種網絡架構剛剛已經列出，也可以部署給IoT節點來使用，有三部分組成，gateway（由其中一個wifi  mesh路由器充當），mesh 路由器(即WiFi mesh路由器)，以及 IoT節點(client)。

也有人使用這種方式做過實驗，結果如下：

• 硬件：TP-LINKMR3020

• WiFi 客戶端使用的模塊：ESP8266

• 測試：將采集到的數據通過MQTT發送到internet以及通過手機訪問Web來產生流量。

 

測試10次，連續發送數據4分鍾，結果如下：

 傳輸速率測試(gateway附近以及較原距離)

 

延時以及丟包統計

 

 4.2  樂鑫 WiFi Mesh方案

 ESP-Mesh方案

 

 

 網絡由根節點，中間節點和葉子節點組成：

 

 

• 根節點：根節點是網絡中的最高節點，並且是ESP-MESH網絡和外部IP網絡之間的唯一接口。根節點連接到常規Wi-Fi路由器，並將去往/來自外部IP網絡的數據包中繼到ESP-MESH網絡內的節點。ESP-MESH網絡中只能有一個根節點，並且根節點的上游連接只能與路由器建立。參考上圖，節點A是網絡的根節點。

• 葉子節點：葉子節點是不允許具有任何子節點（無下游連接）的節點。因此，葉節點只能發送或接收自己的數據包，而不能轉發其他節點的數據包。如果一個節點位於網絡的最大允許層上，則將其分配為葉節點。這樣可以防止節點形成任何下游連接，從而確保網絡不會增加額外的層。由於任何下游連接都需要softAP接口，因此某些沒有softAP接口的節點（僅工作站）也將被分配為葉節點。參考上面的圖，節點L / M / N位於網絡最大允許層上，因此已經被分配為葉節點。

• 中間父節點：既不是根節點也不是葉節點的連接節點是中間父節點。中間父節點必須具有單個上游連接（單個父節點），但可以具有零個到多個下游連接（零個到多個子節點）。因此，中間父節點可以發送和接收數據包，但也可以轉發從其上游和下游連接發送的數據包。參考上圖，節點B到J是中間父節點。沒有下游連接的中間父節點（例如節點E / F / G / I / J）不等同於葉節點，因為將來仍允許它們形成下游連接。

• 空閑節點：尚未加入網絡的節點被分配為空閑節點。空閑節點將嘗試在適當的情況下與中間父節點形成上游連接，或嘗試成為根節點（請參閱自動根節點選擇）。參考上圖，節點K和O是空閑節點。

 

路由表

ESP-MESH網絡中的每個節點都將維護其單獨的路由表，該表用於將ESP-MESH數據包（請參閱ESP-MESH Packet）正確路由到正確的目標節點。特定節點的路由表將由特定節點的子網內所有節點的MAC地址（包括特定節點本身的MAC地址）組成。每個路由表在內部被划分為多個子表，每個子表對應於每個子節點的子網。

 

 

ESP-MESH路由表示例

以上面的圖為例，節點B的路由表將由節點B到I的MAC地址組成（即相當於節點B的子網）。節點B的路由表在內部分為兩個子表，兩個子表包含節點C到F和節點G到I（即分別相當於節點C和G的子網）。

 

ESP-MESH根據以下規則利用路由表確定是應向上游還是向下游轉發ESP-MESH數據包。

1.如果數據包的目標MAC地址在當前節點的路由表中，而不是當前節點，則選擇包含目標MAC地址的子表，並將數據包向下游轉發到與該子表相對應的子節點。

2.如果目標MAC地址不在當前節點的路由表之內，則將數據包向上游轉發到當前節點的父節點。重復這樣做將導致數據包到達根節點，路由表應包含網絡內的所有節點。

 

雙向數據流

下圖說明了ESP-MESH雙向數據流中涉及的各個網絡層。

 

由於使用路由表，ESP-MESH能夠完全在網狀層上處理數據包轉發。

 

ESP-Mesh性能：

測試條件：

• 測試節點個數: 100

• 最大下行可連接數6

• 最大級聯層數: 6

 

 

以上性能是樂鑫官網的數據，也有人測試了使用10個和16個節點組成的ESP8266 mesh網絡的性能:

網絡拓撲結構如下:

 

傳輸速率結果如下：

 

表1列出了平均數據速率測量結果。

例如，在有效載荷為1500字節時，發送方程序設定為每秒發送200條消息。實際上，它只能每秒發送149.6條消息。這是因為載荷太大，ESP8266資源受限，無法處理應有的任務。

 

最后結論：

• 只要兩個節點的網絡，1跳的延遲是2.49ms，節點增多延遲會增大

•    在16個節點的網絡中，當有效數據分別是10和4400字節時，接收端最大傳輸速率461字節/秒和58字節/秒
•    當payload大於4400字節時，數據會損壞和不完整。
• ESP8266可以應用於IoT。

 

5 未來

盡管WiFi Mesh有很多缺陷，以及沒有統一的標准，但WiFi mesh網絡在IoT應用中仍然非常值得期待。

 

關注公眾號