（通信与信息系统专业论文）基于wifi技术的无线mesh网络研究与设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 无线互联网是互联网的一个发展趋势，w i m e s h ( w i r e l e s sm e s h ) 技术的特性使之可以将互联网最大程度上的无线延伸出去，将 w i m e s h 技术应用于移动终端设备，为互联网提供移动性无线网络 平台，符合互联网应用的发展趋势，具有广阔的应用前景。 w i m e s h 技术融合了w i f i 和移动a dh o c 的特点，呈现出便捷 构建宽带无线接入网、高速无线数据传输网的特性，吸引业界投入 大量的资源进行研究，目前已经有众多理论成果和实用的 w m n ( w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ) 产品面世。但是现有的w m n 设备都属 于基础设施型，用于构建准静态的w m n 。受无线接入点的普及度以 及硬件平台的制约，到目前为止，还没有用户型w m n 系统投入使用， 公开报道中也未见有哪家单位开始研发这种系统的消息。 无线通信技术的高速发展、制造工艺的进步以及市场需求，一 方面使得w i m e s h 的应用越来越成熟，越来越多的发达国家和地区 开始采用w m n 方案来实现“无线城市”规划；另一方面使得越来越多 的w i f i 芯片被用于移动终端设备上，这就为研究推出基于w i f i 平台的用户型w m n 系统方案营造了氛围和条件。 本课题遵从i e e e 8 0 2 11sw i m e s h 协议标准，从实际应用场景出 发，通过对w i m e s h 驱动的开发、2 层路由系统的构建以及w i m e s h 通信协议、优化协调策略的设计实现，研发实现了一种基于w i f i 平台的用户型w m n 系统，包括：基于n o k i an 8 0 0w i f i 硬件平台、 m a e m oo s 的w i m e s h 终端设备和配套的基于l i n u xk e r n e l 的 w i m e s h 网关，系统支持w i m e s h 自组网、多跳转发、网络拓扑动 态变化自愈、接入互联网等功能。实验表明，所设计的基于w i f i 平台的用户型w m n 系统满足实用性需求，课题中所采用的思想和技 术移植性强，可以较轻松地移植到其他平台上去。 关键词：w i m e s h ；8 0 2 11s ：m a e m oo s 西南交通大学硕士研究生学位论文第l | 页 _ l _ _ _ _ - _ - _ _ _ - _ _ _ - _ l i _ i _ l _ _ - i - l i - - i - i i i l li lli - - i a b s t r a c t i n t r o d u c i n gw i m e s ht e c h n o l o g yt om o b i l et e r m i n a lt os u p p o r ta w i r e l e s sn e t w o r kp l a t f o r mw i l lm e e tt h ed e v e l o p m e n tt r e n do fi n t e r n e t a n dh a sav e r yg o o da p p l i c a t i o np e r s p e c t i v e w i - m e s ht e c h n o l o g yt h a tc o m b i n e sb o t ht h ea d v a n t a g e so fw i f i a n da dh o ch a ss o m ee x c e l le n t f e a t u r e s ，s u c ha sc o n s t r u c t i n ga b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s sa n dt r a n s m i s s i o nn e t w o r k m a n ye n t e r p r i s e s a n di n s t i t u t e sa r ea t t r a c t e dt om a k ee f f o r t so nr e s e a r c h i n gi t ，i n c l u d i n g t h e o r ya n ds y s t e mp o e t i l ln o w ，m a n ya c h i e v e m e n t sh a v eb e e nm a d e b u ta l lt h ee x i s t i n gw i - m e s hp r o d u c t sa r eu s e dt oc o n s t r u c tq u a s i s t a t i c i n f r a s t r u c t u r em o d ew m ns y s t e m o nc o n d i t i o no ft h el o wc o v e r a g e a r e ao fw i r e l e s sa c c e s sp o i n t sa n dl e s sh a r d w a r ep l a t f o r m ，u s e rm o d e w m ns y s t e mh a s n tb e e ne x p l o i t e d n on e w sc a nb es e e ni n p u b l i c r e p o r to nr e s e a r c ho fu s e rm o d ew i r e l e s sm e s ht e c h n o l o g y w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ， m a n u f a c t u r i n ge n g i n e e r i n ga n dr e q u i r e m e n to fm a r k e t ，w i m e s h t e c h n o l o g yb e c o m e sr i p e ra n dr i p e r ，m a n yd e v e l o p e dc o u n t r i e sa n da r e a b e g i nt ot a k ew m na st h ep r e f e r r e dp l a nt or e a l i z e w i r e le s sc i t y f u r t h e r m o r e ，w i r e l e s s a c c e s s p o i n t s a r e g r a d u a l l yb e i n g u s e d e v e r y w h e r e i na d d i t i o n ，m o r ea n dm o r et e r m i n a l st a k ew i f ic h i p sa s a c c e s s o r i e s a 1 lt h e s ef a c t o r se s t a b l i s h a g o o d a t m o s p h e r e f o r i n t r o d u c i n gu s e rm o d ew m ns y s t e m t h i sp r o j e c ti s p r o c e s s e du p o ni e e e8 0 2 11ss t a n d a r dp r o t o c 0 1 t h et a s k si n c l u d ed e s i g no faw i m e s ht e r m i n a la n dt h ec o r r e s p o n d i n g w i m e s hg a t e w a y ，w h i c hc o n s i s t so f d e v e l o p i n g w i m e s h d r i v e r ， c o n s t r u c t i n gr o u t i n gs y s t e mt h a tw o r k su n d e rm a cl a y e r ，d e s i g n i n g w i - m e s hc o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n d p o l i c i e s ，w h i c h a r eu s e df o r o p t i m i z i n ga n dc o o r d i n a t i n gs y s t e m t h ew i m e s ht e r m i n a ld e v i c ei s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 if 页 -ii 一i i i i _ d e s i g n e db a s e do nn o k i an 8 0 0 ，w h i c hi st h eh a r d w a r ep l a t f o r ma d o p t e d i n t h i sp r o j e c t ，m a e m oo si n s i d e ，s u p p o r t i n gs u b n e ts e l f - o r g a n i z i n g ， s e l f - h e a l i n g ，m u l t i h o p p i n g d a t a t r a n s m i s s i o n ，a n de t c w i m e s h g a t e w a yi sa l s od e s i g n e db a s e do nl i n u xk e r n e lf o rc o n n e c t i n gw i m e s h s u b n e tt oi n t e r n e t t e s tr e s u l ts h o w st h a tt h es y s t e mi sg o o d t h ei d e aa n dt e c h n o l o g y u s e di nt h i sp r o j e c th a sg o o dp o r t a b i l i t ya n dc a nb er e a l i z e de a s i l yi n o t h e rp l a t f o r m s k e y w o r d ：w i - m e s h ；8 0 2 1 1s ：m a e m oo s 西南交通大学硕士研究生学位论文第v 页 5 1 用户型w 1 m e s h 系统的测试配置6 1 5 2 用户型w i m e s h 系统的测试与分析6 3 5 3 小结6 5 结论6 8 参考文献7 0 致谢7 3 攻读硕士学位期间完成与发表的论文、著作及科研成果7 4 图表目录 图1 1 传统w m n 的典型拓扑结构2 图1 2 对等式w m n 架构3 图1 3 混杂式w m n 架构5 图1 4w i f i 与m e s h 关注趋势对比6 图1 5 全球对w i f i 手机的关注度7 图1 6 论文组织结构10 图2 13 3 矩阵w i m e s h 网络1 1 图2 2 驱动管理层数据接收信令控制流程13 图2 3 驱动管理层数据接收信令控制流程14 图2 4n 8 0 0 的w i m e s h 系统协议栈架构15 图2 5 以太帧格式1 6 图2 - 6m e s h 帧格式初步设计1 7 图2 7 广播泛洪1 7 图2 8m e s h 帧格式18 图3 1n o k i an 8 0 0 实物图2 0 图3 2m a e m o 系统底层架构2 1 图3 3n 8 0 0 的w i m e s h 系统架构2 2 图3 - 4c x 31 10 xw l a n 驱动数据发送流程2 5 西南交通大学硕士研究生学位论文第v f 页 图3 5c x 31 10 xw l a n 驱动回调函数处理流程2 6 图3 - 6c x 3l10 xw i m e s h 驱动主要数据接收函数处理过程31 图3 7c x 31 10 xw i m e s h 驱动主要数据发送函数处理过程3 2 图3 8 虚链路示意图3 3 图3 9a o d v 的软件架构3 7 图3 1 0r r e o 的接收处理流程，4 1 图3 11 路由表更新处理流程4 2 图3 12r r e p 消息的接收处理流程4 3 图3 13h e l l o 消息的接收处理流程4 4 图3 1 4r o o ta n n o u n c e m e n t 接收处理流程4 9 图4 1w i m e s h 网络通过网关连入互联网5 3 图4 2 网关实现多个w i m e s h 网络通过互联网相连5 3 图4 3w i m e s h 网关的系统架构5 5 图4 4w i m e s h 网关的系统协议栈架构5 7 图5 1w i m e s h 子网测试示意图6 3 图5 2 基于w i f i 的w m n 系统吞吐量测试6 6 图5 3 基于w i f i 的w m n 系统传输时延测试6 7 表3 1w i m e s h 驱动接口函数( 或变量) 表5 0 表3 2w i m e s h 路由系统接口函数( 或变量) 表5 0 表5 1 基于w i f i 的w m n 系统测试结果说明6 6 表5 2w i m e s h 网络性能测试结果统计6 7 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密z 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名l 小b 参 醐：1 。“ 指导老师签智f 老垒堑2 e l 期：纠多夕3 - 矗r 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研 究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究 做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 ) 课题概念上 本课题属于创新性类型，按照最新的i e e e 8 0 2 1 1s 标准协议开 发，截至目前为止，还没有在公开报道中见到有基于w i f i 平台的用 户型无线m e s h 网络系统的研发信息，市面上更是没有相关产品。 2 ) 设计思想上 本课题的w i m e s h 系统虽然基于w i f i 技术平台开发，但在设计 思想上采用的是与具体无线物理平台无关的模块化系统设计实现方 式，各个模块通过相互间接口通信协调工作，这种系统实现思想使 得本课题中所用到的思路方法可以很轻松的移植到其它无线硬件平 台或者系统平台，也有利于系统的后续拓展设计。 翻吾知 1 哆“ 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1w m n 技术及其国内外现状 无线m e s h 网络( w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ，w m n ) ，被称为廉价的 “l a s tm i l e ”( 最后一英里) 宽带接入方案，它利用多跳无线网状结构 为移动用户提供宽带接入。它是w l a n 与移动a dh o c 网络的结合， 与w l a n 不同的是w m n 是多跳的无线网络，站点之间可以对等地进 行直接通信，不再需要通过a p 转发，且能够提供更大的覆盖范围； 相对于移动a dh o c 来说，由于具有固定且电源充足的主干路由器，所 以w m n 对移动性和能耗问题的考虑较少 i - 1 2 1 5 8 1 。 w m n 的典型拓扑结构如图1 1 所示。 ( 1 ) m e s h 路由器，包括m p ( m e s hp o i n t ) 和m a p ( m e s ha c c e s s p o i n t ) ，对应图1 1 中的m e s hr o u t e r ，其中m p 提供单纯的无线路由 器数据转发功能，而m a p 还具备对m e s h 终端的无线接入功能。 ( 2 ) m e s h 终端，对应图1 1 中m e s hr o u t e r 所组建的m e s h 网络 下层设备，一般为用户直接使用的设备，如带m a p 接入支持类型无 线网卡的p d a 、l a p t o p 、p c 等。 ( 3 ) m e s h 网关( m e s hp o r t a l ) ，w m n 中m e s h 网关可以有多个， 是w m n 与异构网( 如i n t e r n e t ) 的连接点，提供路由和网关功能。 按架构体系的不同w m n 分为架构式、对等式和混杂式三类【5 引。 ( 1 ) 架构式w m n 传统w m n 的典型拓扑架构即为架构式w m n ，如图1 1 所示，架 构式w m n 中，m e s h 终端通过m a p 接入w m n ，由m e s hr o u t e r 和 m e s h 网关负责路由转发，形成骨干网和终端接入层的严格划分。由于 存在专用的骨干路由以及数据传输结构，架构式w m n 的传输质量能 够得到较好的保障，适用于需要高带宽、高稳定性的应用场景。 ( 2 ) 对等式w m n 如图1 2 所示，对等式w m n 中各个m e s h 终端之间对等地连接起 来形成无线网络，与移动a dh o c 网络类似，所以移动a dh o c 网络也 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 可以归类于w m n 的一种特殊的形式。由于w m n 的自组织、自愈合、 数据多跳转发等特性，对等式w m n 中的m e s h 终端需要具备路由功 能。由于这种架构的w m n 构造非常灵活，适用于临时紧急场景下的 应用，但是受设各自身硬件资源的限制，以及组网设备问处理能力的 差异，加上设各位置变化频繁，架构式w m n 的通信质量难以得到很 好的保障。 图1 - 1 传统w m n 的典型拓扑结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 哂 7 零二肾 f 7 、j 蛰一蓟一 图1 - 2 对等式w m n 袈构 ( 3 ) 混杂式w m n 如图1 3 所示，这种类型的w m n 结合了架构式和对等式w m n 两种体系结构的特点，在这种体系架构中m e s h 终端既可以接入m e s h 主干网，也可以接入其它的m e s h 终端。混杂式w m n 兼具架构式 w m n 的稳定性和对等式w m n 的灵活性，将成为w m n 未来的发展 方向，但是因其结构的复杂性也带来了更多需要研究的问题。本课 题研究实现的w m n 系统属于图1 3 中标记1 部分内容。 技术标准化是大规模应用所必需的重要环节。无线m e s h 网络标 准目前散见于i e e e 8 0 2 1 1s 、8 0 2 15 1 2 3 4 、8 0 2 16 d 等标准草案中 【1 3 】。目前国际标准化组织，特别是i e e e 正在致力于与学术界共同推 动无线m e s h 网的标准化工作，在i e e e 8 0 2 1 1s l6 d 16 e 2 0 15 5 等标 准中均规范了m e s h 组网技术，在网络第2 协议层中完成接入控制、 网状组网、路由、链路拥塞控制、快速移动、切换支持和安全认证 等功能【2 1 。a z a l e a 科技首席技术官赵福勇称，预计无线m e s h 网技术 标准颁布半年以后将会有大规模的设备供应和商业应用情形出现【4 】。 w i m e s h 是一项时新的无线组网技术，因出色的性能，w m n 一 出现就受到业界的青睐，许多高校、企业和研究机构都投入大量的 资金、人力进行m e s h 协议和设备研发，研究内容从物理层到应用层， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 贯穿整个无线网络架构，并深入到各个方面，包括流量控制研究、 路由研究、切换、网络安全研究等等 1 - 3 9 】【5 4 _ 56 1 ，以期提高w m n 的 性能。国际上比较有影响力的w m n 研究项目及解决方案主要有以 下几个 5 4 - 5 8 】： ( 1 ) 美国麻省理工学院的r o o f n e t 。这是一个基于l i n u x 平台 开发的w m n ，网络规模为3 0 5 0 个节点，节点配置为8 0 2 1l b 、a dh o c 模式，以及专门的全向天线。该项目组已经开发出一套开源的商业 w m n 解决方案l o c u s t w o r l dm e s h a p 。 ( 2 ) 美国纽约卅l 立大学石溪分校研究的h y a c i n t h ，这是一个基 于i e e e 8 0 2 1 1 的多信道w m n ，系统原型的网络规模为10 个节点， 节点配置为8 0 2 1la 的网卡，可以同时使用2 个互不干扰的信道，整 个网络共使用5 个信道。 ( 3 ) 乔治亚工学院的b w n m e s h 。原型系统的网络规模为15 个节点，节点配置模式为8 0 2 1 1 b g 。 还有m i c r o s o f t 、i n t e l 、n o r t e l 、m e s h n e t w o r k 、t r o p o sn e t w o r k s 、 p a c k e t h o p 、k i y o n 等都推出了自己的w m n 解决方案，国内的北京 大学、清华大学、中国科技大学、北京邮电大学、西南交通大学、 西安电子科技大学、上海交通大学也都投入了资源进行w m n 研究， 主要定位在w m n 的网络管理、部署实测、路由协议、m a c 协议、 流量控制、接入控制、切换、网络安全等方面，都产生了相关研究 成果。 设备研发方面，各种w m n 产品也陆续上市，如诺基亚公司开 发推出了无线路由器，可以安装在屋顶上，从而形成没有基站的网 络，其产品目前已经获得超过5 0 家运营商的青睐，他们将借此建立 以订户为基础的高速无线网络【54 1 。美国s k yp i l o t 公司将智能天线技 术应用于w m n ，可以使频率再利用，从而大大提高了频谱的利用效 率【l 。美国m e s hn e t w o r k 公司已经开发出了相关的无线硬件和智能 路由软件。业界著名的w i m e s h 开发商如s t r i x 、b s t i 、a z a l e a 等都 有优秀的产品面世。w m n 产品的应用也逐渐在世界范围内，特别是 在发达地区，向着普及化的方向发展，这其中包括：指定使用无线 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 m e s h 网技术的新加坡“智能国家”计划，“移动台北”计划，以及约3 0 0 个美国城市。业内比较著名的是旧金山和费城的无线城市计划也都 采用无线m e s h 网技术l 】。 基于w l a n 的w m n 研究近年来也是如火如荼，这是由于w l a n 平台的应用范围在被逐渐推广，个人p c 、l a p t o p 、p d a 、游戏掌机 等都开始支持w l a n ，可以成为w l a n w m n 的标准终端，而w l a n 技术本身也在应用中变成熟，成为一个比较稳定可靠的w m n 无线 承载平台、加上w i f i 无线网卡价格低廉，w l a n w m n 成为炙手可 热的研究对象。 卫。| ：一r 一事 划了瑚 好。 、酽 1 2 课题背景 图1 3 混杂式w m n 架构 蛹t m ：勰：裂“ 刈 w 卜f i 在无线接入领域上的发展有目共睹，但是受基站覆盖范围 的限制，用其建设公众宽带网成本会很高 t3 ，w i m e s h 技术的出现就 西南交通大学硕士研究生学位论文第g 页 解决了这一问题，w m n 中的每个节点部具备路由器的功能，支持指 定无线模式终端的接入、多跳转发、网络拓扑结构动态自愈，而且网 内带宽高f 1 - ix ，可将有线网络高效的无线延伸，扩容灵活、方便。 按照组网设备的不同将w i m e s h 网络分为基础设施型和终端用户 型两种【1 ，但是到目前为止，市场上存在的w i m e s h 产品都用于构建 前者，却没有一款w i m e s h 终端用户型设备 5 45 6 ，这主要是由于用户 型w i - m e s h 系统的开发必须要先找到一种合适的无线平台，这种无线 平台要求适用于终端设备。显然就已有的无线技术和市场情况来看， w i f i 是非常不错的选择，而在w i f i 在终端设备上的应用形成规模， 以及w i m e s h 技术趋于成熟之前，开发基于w i f i 平台的w i m e s h 系 统也是没有多大市场的。 w 1 4 io m e s h # t i。 o ：羔一： p o 一一一k 一= 3 c 一：；冀。 蚋赫赫舯 n 目7 1 月t 小肌n m 屯h 机洲尸批 图1 4w i f i 与m e s h 关注趋势对比 随着无线技术以及电子制造工艺的高速发展，兼有膨胀迅速的无 线通信市场需求，现在研发基于w i f i 平台的w i m e s h 移动终端设备 以及系统已经具备了比较成熟的条件。 首先，全球对w i f i 与m e s h 技术的关注情况如图1 4 所示。其中 a 点为“北电成功推动m e s hw l a n 无线网络全球新标准”事件带来的 一次搜索高峰，b 点的低潮是由于“融合应用拷问无线m e s h 网”事件引 起【5 ”。从图中可以看出，全球对m e s h 的关注度普遍超过w i f i ，而 新闻引用量m e s h 则占尽优势，在0 7 年6 月份左右w i f i 的搜索量首 次与m e s h 的搜索量扯平，这是由于a p p l e 推出了对传统手机具有颠 覆意义的i p h o n e ，w i f i 为该手机的强大互联网支持功能提供了优秀 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 的平台，人们对i p h o n e 的关注导致了对w i f i 的聚焦，也暗示着w i f i 将成为手机标配的趋势，w i f i 联盟称，0 7 年w i f i 芯片销售量将达 到3 亿，超过9 的w i - f i 芯片将被用在双模式手机中，并预计到2 0 1 1 或2 0 1 2 年，三分之一的w i f i 芯片将被应用在手机中【5 ”。全球对w i f i 手机的关注趋势如图1 5 所示【 】。而这些正是在为基于w i f i 的 w i m e s h 终端设备开发创造基础软、硬件平台以及市场推广条件。 o w mm o b i l ep h o n e g$gmi f “ 图l - 5 全球对w i f i 手机的关注度 从图1 - 5 可以看出，0 7 年6 月份开始w i f i 手机开始被全球关注， 表明了w i f i 手机开始步入新纪元。 从国内外w m n 的现状可以见，终端用户型w m n 系统大区域互 联以及与i n t e r n e t 互通所需的基础设施型w i m e s h 网络正在普及，使 得w i - m e s h 终端设备的适用性受区域限制的程度趋于浅淡化。 另外，2 0 0 7 年6 月a p p l e 依靠i p h o n e 闯迸手机界，悄然掀起了 一场手机变革，将人们的手机观念引到一个全新的方向，手机成了一 个蜂窝通信、娱乐、互联网通信的集合体”“，g o o g l e 牵头的“手机开 放联盟”推出的g p h o n e 和i p h o n e 是类似的产品，不过更增加了开源的 精神，使得每个人都可以定制自己的操作系统，而这一切对传统手机 行业来说好比是一颗重磅炸弹，就连手机巨头n o k i a 都感受到了压力， 频频出招应付这种新势力带来的冲击。无论如何，i p h o n e 和g p h o n e 都代表了手机的发展方向，那就是和i n t e r n e t 融合，传统手机必将向 这个方向转型、靠拢。通过w i m e s h 将i n t e r n e t 最大限度的延伸到移 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 动终端设备上不仅符合i n t e r n e t 的发展趋势，而且加载w i m e s h 技术 支持后，移动终端可以不依赖w i m a p ( w i r e l e s sm e s ha c c e s sp o i n t ) 、 蜂窝网3 g b 3 g 基站等无线基础设施自动建立w i m e s h 子网p 】，此子 网也可以像基础设施模式w i m e s h 网络一样为普通的11b g 无线设备 提供接入以及2 层数据通道，通过w i m e s h 网关的桥接，可以将其它 类型的网络如互联网、传感器网络、微微网等与之融合，进而实现多 类型网络间的数据通信。“w i m e s h 网关p o r t a l 加其他类型网络”和 “w i m a p ”都可以将多个w i m e s h 子网互联，建立大区域的w i m e s h 网络。所以在移动终端设备上加载w i m e s h 技术支持后能使得设备支 持许多新增类型业务，如虚拟社区、数字集群、资源共享、流媒体业 务等等。w i m e s h 可以强劲的升级传统移动终端设备的无线功能，而 且基于w i m e s h 平台可以开发许多对消费者极具吸引力的新型业务， 将来w i m e s h 成为移动终端的标配也是很有可能的。 综上所述可总结如下几点： ( 1 ) w i m e s h 技术逐渐趋于成熟，但是已经应用的w m n 产品均 属于基础设施型。 ( 2 ) 基于w i f i 平台的用户型w m n 系统已经逐渐凸显潜在的应 用需求。 ( 3 ) 设计开发基于w i f i 的用户型w m n 系统已经具备了比较成 熟的软硬件条件和良好的应用环境。 另外，本课题在设计实现过程中不修改w i f i 平台固有的硬件结 构和网络协议栈架构的w i f i 部分，w i m e s h 功能的被设计成2 5 层 实体架设到w i f i 协议栈的m a c 层上，而路由系统模块则被设计成 独立的形式，运行在系统内核，因此设计中所采用的思想和技术并不 依赖于特定的无线或系统平台，很容易移植到其它平台上去，建立相 应的w i m e s h 网络系统，比如用到w i m a x 上去就可以建立基于 i e e e 8 0 2 16 的城域m e s h 系统，因此本课题具备技术移植性强的特点。 1 3 论文主要研究方法及结构安排 本课题的研究内容为：依照i e e e 8 0 2 1 1s 标准协议，以w i f i 为 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 技术平台，设计实现一种用户型w i m e s h 系统，并通过系统自带网 络工具和d a e m o 应用程序验证所设计系统的w i m e s h 基本特性，如： 自组网功能、网络拓扑动态自愈功能、无线多跳数据传输功能、与 异构网( 本课题中设计为i n t e r n e t ) 互联功能等。 完成课题所采用的方法概述如下： ( 1 ) 采用i e e e8 0 2 1 ls 作为设计所遵循的要求和规范。 ( 2 ) 选择n o k i an 8 0 0 作为系统平台，利用其w i f i 功能作为设 计实现w i m e s h 的无线射频基础，通过开发w i m e s h 协议栈( 信令 交互机制和数据帧结构) 、w i m e s h 驱动、符合i e e e 8 0 2 11s 的h w m p 路由系统、w i m e s h 驱动模块和路由系统模块间的通信接口，实现 w i m e s h 终端p o c 。 ( 3 ) 选择l i n u xo s 的、带有无线网卡的p c 或者l a p t o p 作为系 统平台，开发实现支持所开发的w i 。m e s h 终端的可接入i n t e r n e t 的 g a t e w a yp o c 。 ( 4 ) 在( 2 ) 、( 3 ) 的开发过程中进行阶段性的u t ( 单元测试) ， 保证系统开发的良性进展。 ( 5 ) 进行系统综合测试，优化系统性能。 本文首先介绍课题背景，国内外w i m e s h 系统的研究现状，课 题意义，研究内容以及研究方法，然后阐述基于w i f i 的w i m e s h 系统通信协议设计，接下来介绍课题设计所采用的开发环境， w i m e s h 移动终端设计过程，网关设计过程，紧接着是对所设计系 统的测试、分析，最后一部分是对全文的总结以及对以后工作的展 望。基于此，安排论文的组织结构如图1 6 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 图1 6 论文组织结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 第2 章w i m e s h 系统的通信协议分析设计 w i - m e s h 通信协议是设计实现w i - m e s h 系统的必要前提，本章重点描述 基于w l - f i 平台的w i - m e s h 系统的通信协议设计，包括信令交互机制设计和 帧结构设计。 2 1w i m e s h 系统的信令机制设计 一套合理设计的信令交互机制是w i m e s h 系统正常工作的保证。 w i m e s h 技术在移动终端上的实现在很大程度上与移动a d h o c 类 似，其中的w i m e s h 自组网是最重要的部分之一，所谓w i m e s h 自 组网是指当2 个以上的w i m e s h 终端设各放在一个特定的范围内将 自动成网，设备闻互联互通。这个自组织w i m e s h 子网将通过网关 连到异构网，从而形成一个典型的用户型w i m e s h 系统。 ，一一好 ：冬窘专 图2 - 13 3 矩阵w i m e s h 网络 而w i m e s h 系统具备的如自组两、自愈、数据多跳转发、接入 嚼姻 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 异构网等等特性则是靠w i m e s h 通信协议来控制实现的。以3 木3 矩 阵终端用户w i m e s h 网为例，当9 个w i m e s h 移动终端设备和 w i m e s h 网关按照如图2 1 所示的方位摆定后，且满足下列条件： 仅n 4 、n 2 在n 1 的一跳范围内 仅n1 、n 3 、n 5 在n 2 的一跳范围内 仅n 2 、n 6 在n 3 的一跳范围内 仅nl 、n 5 、n 7 在n 4 的一跳范围内 仅n 2 、n 4 、n 6 、n 8 在n 5 的一跳范围内 仅n 3 、n 5 、n 9 在n 6 的一跳范围内 仅n 4 、n 8 在n 7 的一跳范围内 仅n 5 、n 7 、n 9 在n 8 的一跳范围内 仅n 6 、n 8 在n 9 的一跳范围内 至少有一个w i m e s h 移动终端设备和w i m e s h 网关在相互的有 效无线覆盖范围内。 则w i m e s h 的路由模块会自动建立收敛的路由系统，把这10 个 设备按照图2 1 中所示的虚线连接成逻辑w i m e s h 网络，网络中的 每个设备都支持数据转发，彼此可以连通。另外，此网络具备拓扑 动态变化自愈功能，所以支持设备的移动性，网内设备可以自由移 动，w i m e s h 功能会主动重构网络，保证设备间的通信。 要达到以上目的，一方面要有合理有效的数据帧格式设计，这个 将在下一小节介绍；另一方面则依靠信令交互机制来控制数据操作 以及流程。数据接收到设备后，首先借助于w i f i 平台的固有协议机 制，完成在w i f i 平台层面上的数据流向控制，当数据进入网络系统 2 5 层的w i m e s h 数据管理层后，该层的信令机制将首先过滤非网内 数据帧，具体实现方式是通过帧头上的帧类型来识别，对于w i m e s h 网络数据帧，则按照w i m e s h 信令机制来控制对数据的操作，其中 w i m e s h 驱动管理层的核心信令机制如图2 2 ，图2 3 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 图2 2 驱动管理层数据接收信令控制流程 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 i _ _ _ i _ _ - l _ - - _ - - _ l _ _ - _ i l - - l _ l l l i _ - i i- - - l - - - l _ _ _ _ _ - 图2 - 3 驱动管理层数据接收信令控制流程 本设计中的w i m e s h 搭建于w i f i 平台，所以主要的m a c 层以 下通信信令交互机制与w i f i 相同，m a c 层以上部分则与t c p i p 协议相同，总体信令机制组成结构可由协议栈架构表现，如图2 4 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 图2 - 4n 8 0 0 的w i m e s h 系统协议栈架构 所设计的核心信令机制部分在w i m e s h 网络系统的2 5 层，对 应图2 - 4 中的w i m e s h 数据管理协议层，以及路由控制管理帧的处 理信令机制所在的w i m e s h 路由控制协议层。分别用于控制w i m e s h 普通数据帧以及w i m e s h 路由管理帧的流向以及操作，保证w i m e s h 系统正常工作。信令机制的控制细节在后面的w i m e s h 驱动设计部 分以及路由系统设计部分阐述。 2 2w i m e s h 系统的数据帧结构设计 w i m e s h 网络实际上是一个私有的专网，要正常进行网络拓扑结 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 构管理以及数据通信，必须过滤邻近标准8 0 2 11b g 设备带来的干扰， 为此需要设计一套私有的通信协议来使得w i m e s h 网络屏蔽掉标准 8 0 2 1 l 数据帧。合理的设计是系统正确、高效工作的关键。本设计 中的w i m e s h 驱动管理层嵌入在w i f i 驱动中，位于m a c 层的上端， 下面结合对w i f i 无线网卡驱动的主要工作流程分析对协议栈中的 数据处理流程进行简单的分析认识，并设计w i m e s h 通信协议。 ( 1 ) 收数据过程 无线网卡接收到数据包后，将其存贮在设备内存的一个缓冲区 中，然后向主机发生硬件中断，通知数据包已经到达。中断处理程 序根据数据包的大小分配缓冲区s kb u f f ，中断处理程序通过d m a 方式将设备内存的数据包拷贝到新分配的s kb u f f 结构的缓冲区中， 并调用相关函数对硬件帧头进行判别，以确定该数据包所属的协议 类型，中断处理程序调用n e t i fr x ( ) 函数通知上层协议栈新的数据包 已经到来，并把包注入c p u 接收队列，并激活网络软中断。软件中 断处理函数从队列中提前第一包，确定在数据链路层中的数据包的 网络层协议编号。之后调用网络层协议的适当函数，对数据包按协 议分发。 ( 2 ) 发数据过程 驱动的数据发送过程相对于接收过程要简单，数据包通过一系列 协议栈后加上相应的字段头，到达m a c 层后交由h a r ds t a r tx m i t ( ) 函数进行发送，在发送的过程中有相应的机制参与协调控制，如队 列、锁同步等。