IoT中的WiFi Mesh 网络

Posted 2021-03-05 someone-device

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4 针对IoT应用的WiFi mesh网络

 

4.1 通过多路由器扩展出的mesh网络

 

 

这种网络架构刚刚已经列出，也可以部署给IoT节点来使用，有三部分组成，gateway（由其中一个wifi  mesh路由器充当），mesh 路由器(即WiFi mesh路由器)，以及 IoT节点(client)。

也有人使用这种方式做过实验，结果如下：

• 硬件：TP-LINKMR3020

• WiFi 客户端使用的模块：ESP8266

• 测试：将采集到的数据通过MQTT发送到internet以及通过手机访问Web来产生流量。

 

测试10次，连续发送数据4分钟，结果如下：

 传输速率测试(gateway附近以及较原距离)

 

延时以及丢包统计

 

 4.2  乐鑫 WiFi Mesh方案

 ESP-Mesh方案

 

 

 网络由根节点，中间节点和叶子节点组成：

 

 

• 根节点：根节点是网络中的最高节点，并且是ESP-MESH网络和外部IP网络之间的唯一接口。根节点连接到常规Wi-Fi路由器，并将去往/来自外部IP网络的数据包中继到ESP-MESH网络内的节点。ESP-MESH网络中只能有一个根节点，并且根节点的上游连接只能与路由器建立。参考上图，节点A是网络的根节点。

• 叶子节点：叶子节点是不允许具有任何子节点（无下游连接）的节点。因此，叶节点只能发送或接收自己的数据包，而不能转发其他节点的数据包。如果一个节点位于网络的最大允许层上，则将其分配为叶节点。这样可以防止节点形成任何下游连接，从而确保网络不会增加额外的层。由于任何下游连接都需要softAP接口，因此某些没有softAP接口的节点（仅工作站）也将被分配为叶节点。参考上面的图，节点L / M / N位于网络最大允许层上，因此已经被分配为叶节点。

• 中间父节点：既不是根节点也不是叶节点的连接节点是中间父节点。中间父节点必须具有单个上游连接（单个父节点），但可以具有零个到多个下游连接（零个到多个子节点）。因此，中间父节点可以发送和接收数据包，但也可以转发从其上游和下游连接发送的数据包。参考上图，节点B到J是中间父节点。没有下游连接的中间父节点（例如节点E / F / G / I / J）不等同于叶节点，因为将来仍允许它们形成下游连接。

• 空闲节点：尚未加入网络的节点被分配为空闲节点。空闲节点将尝试在适当的情况下与中间父节点形成上游连接，或尝试成为根节点（请参阅自动根节点选择）。参考上图，节点K和O是空闲节点。

 

路由表

ESP-MESH网络中的每个节点都将维护其单独的路由表，该表用于将ESP-MESH数据包（请参阅ESP-MESH Packet）正确路由到正确的目标节点。特定节点的路由表将由特定节点的子网内所有节点的MAC地址（包括特定节点本身的MAC地址）组成。每个路由表在内部被划分为多个子表，每个子表对应于每个子节点的子网。

 

 

ESP-MESH路由表示例

以上面的图为例，节点B的路由表将由节点B到I的MAC地址组成（即相当于节点B的子网）。节点B的路由表在内部分为两个子表，两个子表包含节点C到F和节点G到I（即分别相当于节点C和G的子网）。

 

ESP-MESH根据以下规则利用路由表确定是应向上游还是向下游转发ESP-MESH数据包。

1.如果数据包的目标MAC地址在当前节点的路由表中，而不是当前节点，则选择包含目标MAC地址的子表，并将数据包向下游转发到与该子表相对应的子节点。

2.如果目标MAC地址不在当前节点的路由表之内，则将数据包向上游转发到当前节点的父节点。重复这样做将导致数据包到达根节点，路由表应包含网络内的所有节点。

 

双向数据流

下图说明了ESP-MESH双向数据流中涉及的各个网络层。

 

由于使用路由表，ESP-MESH能够完全在网状层上处理数据包转发。

 

ESP-Mesh性能：

测试条件：

• 测试节点个数: 100

• 最大下行可连接数6

• 最大级联层数: 6

 

 

以上性能是乐鑫官网的数据，也有人测试了使用10个和16个节点组成的ESP8266 mesh网络的性能:

网络拓扑结构如下:

 

传输速率结果如下：

 

表1列出了平均数据速率测量结果。

例如，在有效载荷为1500字节时，发送方程序设定为每秒发送200条消息。实际上，它只能每秒发送149.6条消息。这是因为载荷太大，ESP8266资源受限，无法处理应有的任务。

 

最后结论：

• 只要两个节点的网络，1跳的延迟是2.49ms，节点增多延迟会增大

•    在16个节点的网络中，当有效数据分别是10和4400字节时，接收端最大传输速率461字节/秒和58字节/秒
•    当payload大于4400字节时，数据会损坏和不完整。
• ESP8266可以应用于IoT。

 

5 未来

尽管WiFi Mesh有很多缺陷，以及没有统一的标准，但WiFi mesh网络在IoT应用中仍然非常值得期待。

 

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