Tìm hiểu về Mesh Network

April 19, 2019

Mặc dù bạn có thể đã nghe nhiều về nó trong thời gian qua, mesh network (hay còn gọi là meshnet) thực sự đã xuất hiện từ lâu. Nó không phải là một sự cường điệu về công nghệ tạm thời. Nó có những lợi ích đáng kể sẽ đưa chúng ta đến một bước gần hơn với một thế giới kết nối liền mạch giữa con người và vạn vật. Nhưng công nghệ đằng sau những mỹ từ đó là gì? Bài viết này sẽ trả lời các câu hỏi phổ biến về meshnet. Hầu hết mọi người cần hình dung bối cảnh để hiểu đầy đủ các khái niệm mà người ta chưa bao giờ nghe thấy trước đó. Vì vậy, để giải thích rõ hơn về cấu trúc liên kết mạng meshnet là gì, bài viết này sẽ giải thích bức tranh lớn hơn, được minh họa bằng những sơ đồ trực quan.

Mô hình OSI - 7 lớp

Chúng ta bắt đầu nói về internet, mạng và các kết nối giữa các thiết bị. Do đó, điều quan trọng là phải giới thiệu mô hình OSI, một mô hình tham chiếu cho cách thức giao tiếp hệ thống trên mạng. Quá trình giao tiếp này có thể được chia thành bảy nhóm chức năng có liên quan riêng biệt. Trong một mạng, tất cả các thiết bị, còn được gọi là các nút (node), sử dụng bảy lớp đó để liên lạc với nhau. Mỗi lớp trong mô hình OSI phục vụ lớp trên nó, theo thứ tự phục vụ lớp trên nó. Ví dụ, khi thông tin được trao đổi giữa các nút, quy trình sẽ hoạt động như sau: một luồng dữ liệu lưu thông qua các lớp (7 lớp theo OSI) của máy đã gửi thông tin, sau đó nó truyền qua mạng và cuối cùng lưu thông qua các lớp của thiết bị người nhận. Vậy điều này có liên quan đến bài viết này? Trong ngữ cảnh của các meshnet, mô hình này được sử dụng trong các hệ thống hoạt động trên mạng. Do đó, các lớp quan trọng nhất sẽ được thảo luận là các lớp phương tiện, lớp 3 trở xuống, được mô tả sau.

Cấu trúc liên kết (topology) — Ring, Bus, Tree, Star and Mesh

Trước khi xem cách các nút hoạt động với mô hình OSI, điều quan trọng đầu tiên là xác định cấu trúc liên kết là gì và giải thích meshnet phải làm gì với nó. Cấu trúc liên kết là nói đến đến bố cục ảo (nó không phải là bố cục vật lý) của các thiết bị được kết nối với nhau trên mạng máy tính. Ví dụ, máy tính trên mạng trường trung học có thể được sắp xếp theo vòng tròn trong lớp học, nhưng nó không phải là cấu trúc liên kết vòng. Các cấu trúc liên kết hiện hữu khác nhau được tổ chức như sau: cấu trúc liên kết bus, vòng (ring), cây (tree), ngôi sao (star) và lưới (mesh). Đương nhiên, chúng cũng có thể được kết hợp để tạo thành cấu trúc liên kết lai, nhưng bài viết này sẽ không đề cập đến khía cạnh đó.

Chúng ta muốn hiểu cấu trúc liên kết lưới (mesh topology) là gì và để giải thích, chúng ta sẽ tiến hành so sánh nó với cấu trúc liên kết được sử dụng nhiều nhất hiện nay. Cấu trúc liên kết đó là ngôi sao, trong đó các thiết bị được kết nối với một điểm truy cập trung tâm (mạng tập trung). Ngược lại, trên mạng lưới, các nút kết nối trực tiếp với nhau (mạng phi tập trung). Hai sơ đồ dưới đây minh họa hai ví dụ này.

Vì vậy, điều này có nghĩa là gì? Trong cấu trúc liên kết sao, điểm trung tâm phải xử lý tất cả lưu lượng trong mạng. Nó cũng phải chuyển tiếp thông tin đến các điểm đến thay mặt cho các nguồn. Ngược lại, trên cấu trúc liên kết mạng lưới, các nút cho phép giao tiếp điểm-đến-điểm hoặc ngang hàng (P2P). Điều này loại bỏ sự cần thiết một đối tượng trung tâm. Bạn có thể tưởng tượng ra, những bố cục khác nhau này có cả ưu điểm và nhược điểm trong việc sử dụng mạng. Những điều này sẽ được thảo luận chi tiết sau.

Kết nối đa vận & đơn vận

Bây giờ chúng ta xác định bối cảnh lớn hơn, xem xét kỹ hơn về các nút. Ở đây chúng ta đề cập đến lớp 1 của mô hình OSI. Một cái gì đó khác nhau giữa các nhà cung cấp mesh network là liệu họ hỗ trợ kết nối đa vận hay đơn vận. Trước đây, điều này có nghĩa là các mạng lưới có thể được triển khai đồng thời trên một số loại sóng vô tuyến (Công nghệ truy cập vô tuyến - Radio Access Technology RAT) (ví dụ: Bluetooth, WIFI, mạng di động, vv.) Trong trường hợp này, chúng được cho là đa vận. Các thiết bị có phạm vi truy cập vào Bluetooth, Wi-Fi và sóng nhà mạng, ví dụ như điện thoại thông minh ngày nay, tất cả cách thức kết nối đến nút mà có hỗ trợ nền tảng kết nối. Điều này được thực hiện bằng cách tải xuống các bộ công cụ phát triển phần mềm của thiết bị, còn được gọi là SDK, hỗ trợ đa vận mesh.

Hiển nhiên là một nút có quyền truy cập vào các loại sóng khác nhau là thực tế hơn nhiều. Tuy nhiên, nó cũng có thể tốn kém hơn và khó phát triển hơn. Rõ ràng, trong tương lai, người ta có thể mong đợi nút đa nền tảng với các loại sóng khác nhau sẽ hiện hữu.

Mesh Network

Từ những cấu trúc liên kết, chúng ta đi sâu hơn và nói cụ thể hơn về các meshnet. Để bắt đầu, một meshnet đề cập đến một cấu trúc xen kẽ. Trong mạng, nó đề cập đến nhiều nút liên kết mà có thể thiết lập những liên kết để kết nối tới các nút khác. Vì tất cả các nút được kết nối trong một mạng biến động, các thiết bị có thể hoạt động như bộ định tuyến và chuyển tiếp lưu lượng đến nút khác. Điều này cho phép nội dung nhảy cóc giữa chúng cho đến khi tới đích.

Giao thức định tuyến (Routing Protocol)

Cách thức lưu lượng đi qua hoặc cách giao tiếp của các nút được gọi là giao thức định tuyến. Nó tham chiếu đến lớp 3 của mô hình OSI. Phân loại Giao thức định tuyến meshnet hiện được phân loại theo ba giao thức chính: chủ động, phản ứng hoặc lai. Các loại giao thức này khác nhau đối với hầu hết các phần trên mô hình mà chúng sử dụng để thực thực thi tìm ra mạng. Điều này cuối cùng dẫn đến kết quả về hiệu suất và quy mô.

Giao thức chủ động và giao thức phản ứng

Giao thức chủ động giữ một quá trình khám phá liên tục. Các nút của nó tự động thông báo cho nhau về các thay đổi tuyến (đường dẫn), ví dụ, lỗi nút gây ra việc định tuyến lại luồng. Nó đáp ứng tốt với các liên kết gãy. Do đó, nó tự phục hồi: nó dẻo dai hơn và có khả năng phục hồi sau thất bại. Các giao thức chủ động thực hiện tốt hơn trong các kịch bản tĩnh, trong đó các đường dẫn mạng hiếm khi hoặc không bao giờ thay đổi. Trong kịch bản các đường dẫn thay đổi nhanh với tốc độ nút cao (môi trường động), nó sẽ sử dụng nhiều tài nguyên hơn, gây ra lưu lượng mạng, tăng xung đột và giảm băng thông, trong số những thứ khác. Để giữ chi phí thấp, do đó cần phải chọn một giao thức phù hợp với môi trường.

Thay vào đó, giao thức phản ứng thiết lập các tuyến theo yêu cầu. Đối với mỗi kết nối, họ phải hỏi toàn bộ mạng để tìm kiếm đường dẫn chính xác. Do đó, các mạng phản ứng có quy mô tốt hơn, nhưng mất nhiều thời gian hơn để thiết lập kết nối vì các đường dẫn có thể không được biết trước.

Giao thức lai kế thừa các đặc điểm từ các giao thức chủ động và phản ứng, do đó có tên. Chúng thường được sử dụng cho các trường hợp cụ thể hơn trong đó các nhược điểm chủ động và phản ứng rất rõ rệt hoặc không mong muốn. Các giao thức lai điều chỉnh theo các điều kiện trong đó một trong hai kỹ thuật là thuận lợi.

Lưới (mesh) một phần và lưới đầy đủ

Với các meshnet, có hai cách sắp xếp kết nối: cấu trúc liên kết lưới (mesh) đầy đủ hoặc cấu trúc liên kết lưới một phần. Điều này liên quan đến lớp 3 của mô hình OSI. Khi nói đến mạng mesh toàn bộ, mỗi nút được kết nối trực tiếp với tất cả các nút khác trong mạng. Ngược lại, mạng mesh một phần là khi chỉ một số nút được kết nối với tất cả các nút khác và các nút khác trên mạng chỉ được kết nối với các nút mà chúng trao đổi nhiều dữ liệu nhất. Một lần nữa, hình ảnh dưới đây minh họa cho ví dụ này.

Một lần nữa, điều này có nghĩa là gì? Trong trường hợp một nút bị lỗi, mạng có các đặc tính tự phục hồi. Sau cùng định tuyến lại lưu lượng mạng phù hợp, không có sự gián đoạn trong dịch vụ hoặc rắc rối cho người dùng. Cấu trúc liên kết lưới đầy đủ dày đặc hơn vì nó đòi hỏi nhiều nút hơn. Có nhiều nút hơn có nghĩa là mạng dự phòng tốt hơn, nhưng điều đó cũng có nghĩa là việc xây dựng lưới của bạn sẽ tốn kém hơn. Liên kết lưới đầy đủ thường được sử dụng cho các mạng cơ sở trong khi cấu trúc liên kết lưới một phần, ít dày hơn, thường được tìm thấy trong các mạng con được kết nối với mạng cơ sở có liên kết lưới đầy đủ.

Ưu điểm của meshnet

Không còn vấn đề về điểm yếu đơn lẻ trên mạng, đó là vấn đề trong cấu trúc liên kết sao (và thậm chí tệ hơn đối với cấu trúc liên kết bus). Nếu một nút không thể hoạt động được nữa, mạng có khả năng định tuyến lại cho phép nó vẫn giao tiếp giữa các nút còn lại.
Làm sập mạng không thể trừ khi có một loại thảm họa trên toàn thế giới quét sạch tất cả các thiết bị điện tử.
Mạng hoạt động với cơ sở hạ tầng tối thiểu và do đó có thể được triển khai nhanh hơn với chi phí thấp hơn so với cơ sở hạ tầng truyền thống.
Vì các thiết bị trong mạng lưới có thể truyền lại tín hiệu xa hơn, chúng có khả năng kết nối hàng ngàn cảm biến trên một khu vực rộng (ví dụ: thành phố). Các trường hợp khác bao gồm hoạt động ở những khu vực có đông người (ví dụ: buổi hòa nhạc, lễ hội, v.v.) hoặc kết nối các thiết bị ở vùng sâu vùng xa (ví dụ: trên núi hoặc trong giao thông công cộng dưới mặt đất), và nhiều, nhiều hơn nữa.
Không có sự tập trung trong một mạng lưới. Vì lý do đó, một số người so sánh nó với những gì mà Internet đã mang lại trong những ngày đầu tiên: địa phương hóa, ẩn danh, dựa trên người dùng, giao tiếp an toàn.

Nhược điểm của meshnet

Thị trường và áp lực quy định làm cho mạng lưới khó triển khai.
Meshnet có thể thay thế các nhà cung cấp Wi-Fi, nhà mạng cung cấp sóng điện thoại và những người trung gian khác cung cấp kết nối cho mọi người. Kết quả là người trung gian thua cuộc nên đối với họ không có động lực tài chính để phát triển công nghệ này.
Meshnet khó khăn để quản lý và khắc phục sự cố. Đối với các mạng lớn, người ta cần một công nghệ lưới mạnh mẽ để làm nó đáng giá. Điều này có thể khó tìm.
Tuổi thọ pin ảnh hưởng đến sự sẵn có của các nút. Chẳng hạn, một chiếc điện thoại hết pin có thể làm gián đoạn mạng, gây ra nhiều chi phí định tuyến hơn và độ tin cậy thấp hơn.
Chi phí triển khai đôi khi có thể có vấn đề trong một số tình huống nhất định. Tuy nhiên, nó có thể được giải quyết bằng cách tải xuống bộ công cụ phát triển phần mềm, còn được gọi là SDK, cho phép bạn trở thành nút tham gia trong toàn bộ meshnet thay vì xây dựng từ đầu.

Phạm vi ứng dụng

Không có cơ quan chức năng trong một mạng lưới. Cơ hội phi tập trung này mở ra khả năng của hàng trăm hình thức công nghệ và ý tưởng kinh doanh mới sẽ phá vỡ thị trường. Đặc biệt với lĩnh vực sắp ra mắt của IoT - Internet of Things, meshnet sẽ bắt đầu có những qui mô khổng lồ. Các trường hợp sử dụng từ đo sáng thông minh đến phân cụm đối tượng. Mọi người cũng dự đoán rằng mesh network sẽ được tìm thấy trong các lĩnh vực nơi việc thực hiện các quy tắc an toàn mạnh mẽ đang gia tăng. Ví dụ như trong logistics, khai thác, dầu khí, tiện ích và năng lượng. Một sự gia tăng trong việc sử dụng meshnet trong ứng dụng thương mại nhẹ cũng được kì vọng. Ví dụ như chẳng những nhà kho lớn, nông nghiệp, trung tâm phân phối, mà còn có kết nối từ xe đến xe v.v… Điều này là do các khu vực để phủ sóng Wi-Fi truyền thống quá lớn và tốn kém để kết nối với cơ sở hạ tầng truyền thống. Nhưng quan trọng nhất, công nghệ này có tiềm năng rất lớn cho mục đích nhân đạo. Trong trường hợp có bão hoặc động đất, cơ sở hạ tầng địa phương thường bị hư hỏng khiến mọi người mất phương tiện liên lạc. Meshnet cho phép kết nối không bị ảnh hưởng trong những tình huống này. Một ví dụ khác là bơm thủ công cho nước. Khi chúng bị hư hại, mọi người có thể mất nhiều tháng mà không có nước. Với mạng IoT và meshnet, cộng đồng địa phương có thể sửa chữa máy bơm chỉ trong vài ngày.

Theo:

[- hackernoon] (https://hackernoon.com/9-things-you-need-to-know-about-mesh-networks-f61a77e5751a ) | [backup link] (https://keybase.pub/magicstone1412/web/skywirex/post-reference/tim-hieu-ve-mesh-network/hackernoon.com-9%20Things%20You%20Need%20To%20Know%20About%20MeshNetworks.pdf)