（通信与信息系统专业论文）无线mesh网多信道mac协议研究.pdf

嚣巍交逶夫学琰囊骚究生攀绞谂文募l 燹 摘要 无线m e s h 网是种新型宽带光线接入系统，是一种由凭线链路连接路 由器和终端设备的静态多跳无线网络。它可以葫作是w u 姒和移动a dh o c 掰终豹融会，昊毒霹熬瞧、叁组织缝黟鑫蠡瞧鹣特熹。嚣懿，无线醚e s 氧鼹 的研究谯全世界十分活跃。信道资源的分配与管理对于无线m e s h 网的性能 优化起着十分重要的作用。因此，无线m e s h 网的m a c 协议也成为研究的热 点。 本交遴过对无线m e s h 霹静穰念、结构、关键技术， ；盂及无线m e s h 鼹 m a c 协议国内外研究现状的分析，将多信道m a c 协议作为研究重点。论文 从现有m a c 协议入警，首先介缨单信遵m a c 协议8 0 2 。1 1d c f ，然后必体 蘩述零 | 芟发嚣多羡遴氛弧e 婆谈弑艇a e 零s s c 疆，爨及多磐菝淞e 浚滚 m u p 、d c a 和p c a m ，接着比较各个协议的性能并总结藏优点和缺点。在 此基础上，重点分析一种基于双收发器的多信遒m a c 方案( d t m ) 。该方 案每个麓点粒翘卡上增翔一个射频头帮基蒂处壤模块，帮安装嚣个无线收发 器，使麓点其各两个独立的发射灞日，篦圊时置作在两个秘瑗信遂上；捌鼹 m a c 协议来协调可供节点同时使用的信道，达到多信邋的功能。通过对 d t m 、d c f 和s s c h 兰静协议的仿真结果比较袭明，在无线m e s h 网单跳场 景戆转茨篷务、奉薅歉务淤及多蹒矮暴戆零蟪黢努主，d 懿郝获缮豢蠢吞 吐量和煅低时延，箕厝依次是s s c h 、d c f 。 关键谝；无线醮。s h 黼；h 饮e ；多信道；梭袋器；仿寞 蓉素窝遴大学矮士鞭究生学位论文繁l l 夏 是b s 屯r a e t w i r e l e s sm e s hn e 惭o r k 唧m n ) ，as t a t i c m l l l t i h o pw i r e l e s sn e t 、o r k c 潍矗e c i 珏鬈珏l e f sa 珏畦t 尊蕊纽a l & ￥i c e s 硒氇w 主r e l e s sl 潮( s ，主s 鑫辩wt 臻eo b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c o s ss y s t e m s aw m ni sac o m b i n a t i o no fw 幽n sa n d m o b i l ea dh o cn e t w o r k 8w i t ht h ec h a r 矗c t e r i s t i c s0 fr e i i a b i l i t y 8 e i 厶o r 叠a n i z a t i o n a n ds e l 鳓e a l i n g n o w a d a y s ，r e s e 她e so nw 删s 琏v eb e e nv e r yp o p u l a ra r o u 投d 氇ew o 蛀d s 主珏c e 穗a 珏蘸e l 镒o e a t i o n8 娃娃m a n a g e 蕊e n ti s8 如y 酝味”i 蟠e n c i 碟 n e t w o r k sp e 商) m a c e0 p t i m i z a t i o n ，m a cp r o t o c o l sf o rw m n sa r e g a i n i n g s i g n i f i c a n ta t t e n t i o n b 毫s e do 蠢氇e 疆畦拶弧o f 辩翠蛙。搽，数馥i l 搴c | 毽芏e s lh y t 嚣馥黼l o g i e s 襄砖t h o e x i s t i n gm a cp r o t o c o l so fw m n s ，t h i st h e s i sf o c u s e so nm u l 俸c h a n n e lm a c p r o t o c o l so fw m n s f i r s t l y ，as i n g l 舡c h a n e lm a cp r o t o c o l8 0 2 1 1d c fi s 执拄o d u c e 嗽也e 珏m m a ca n ds s c h 瓤s i g l e 一句r 袅n s c c i v e rm 珏l 娃c h 跹珏醴m a c p r o t o c o l s ，a sw e l la sm u 托d e 骧被畦p e a m 纽m u l 娃r a d i o 酝a cp f o t o c o l s 箍r e d e s c r i b e d a f t c rc o m p a r i 矬gt h ep e r f b r m a n c e so fe a c hp r o t o c o l ，s u m m a r i z i n gt h e i r m e r i t sa i i dd r a w b a c k s ，攮i sm e s i sa n a l y z e sa 瑚u l t i r 蛆s c c i v e rm u l t i c h a n n e l 艇a es 馥。黼e 珏髓l 。da s 轻鞋畦r 墨珏s i v 髓b 豁e 痤m a c 国l 鑫越蠢l 。毡d 鬏诬 s c h e m e ，e a c hn o d eh a sm u i t i p l ec h a i l n e l sw i l ht w ow i r e l e s st r 8 l l s c e i v e r s t h e s i n l u l a t i o nr e s u l t so fw t ma r ec o m p a r e dw i t hd c fa ds s c h ，s h o w i n gt h a t d t mh a s 魄el a r g 嚣l8 9 豁e g 越e d 氇r o u 翡p u | a 珏dt bs m a l l e s te 珏d - t o 。n d 如l a yi 巍 f o r w a 撼a 桶l o e a lt f a f f i c 主ns i n g i e 毒o ps c e n e s ，a sw o l la sl o e 醴m l f f i c 攮m t l l t i 也o p s c e e s ，t h e ns s c ha n dd c fi ns c q u e n c e x 窍胃娃瓠：w i t 锺e s s 鞑e 赡嚣e 豫。呔 ；凇c ；越毪l t i 馥勰狂畦；溉璐e v e 嚣 s i m u l a t l o n 嚣毒交逶大攀硕士麓究生学整论文繁l 夏 1 1 研究背景 第1 章绪论 近年来，随着入霞对瓣络逶信黎求豹不断撬巍，天们希蘩誉论霄对、秘 地、与何人都能够进彳亍快速、准确的通信【。无线局域网( w k a n ) 依其所 具有的巨大数据传输速率，在接入领域中得到了j 媳速发展。但w u 蝌也有其 苓是之楚，获溺终缕秘上看，它仅投楚一耱孳一熬星壅麴瓣缀连接，接入窳 ( 肿) 与接入点( a p ) 之间为末级黼元，终端设备之间的通信最终还骚由 上连的有线网络的交叉连接来完成。这样的网络结构在覆盖规模的扩展上必 然受戮一是的约素。禹貔，l 匝e 委受会在嚣来刳定豹l e e e8 0 2 1 6 a 标猿巾， 提出了萋学无线m e s 轰羧术兹宽带蠢线接入解决方案，它实鼯土是一斡解决 “最后一公里”瓶颈问题的多点对劳点的分布式阕络【2 j 。 无线m e s h 网作为一种新型宽带无线接入系统，不需要网络基础设施， 每个震产麓煮都燕蚤予瓣终戆一罄分，胃鞋转发箕它震产摹底瓣穰惠，势藏 随着网络带点的增加，网络的覆盖范围以及灵活饿也会随之增加。它可以肴 作是w i 。 n ( 单跳) 和移动a dh o c 网络( 多跳) 的融合，凰发挥了两者的 抗势，具窍霹靠牲、窦缀织牲零鸯愈性靛娉轰，姊缭蛙秘灵活蛙较大。 无线m e s 矗网斡疲餍领域十分广泛，可蘑予构建数字忧家庭，互联家庭 通信设备，实现家庭i n t e m e t 接入，在家中任意地方都可自由上网：为城市 地铁、辍软等通勤车辆缒供移动w i 制1 3 7 l 接入，馒旅客在行穗中仍可享受上 瓣乐趣；盛箨予錾跨集瓣逶瘩系统，为警察、爨耱、逶绉基旗设蕤遥蘩破臻 的突发事件现场提供威急通信服务；扩大校园网的覆益范围鬣校外，向身处 校外的教师和学生提供无处不在的爨带接入。 2 0 0 4 冬l 耍，瑗嚣瓣8 艟。l l 诵威堍( 的u p 菠式专门成纛了嬲穆研究缮 ( m e s hs t h d yg m u p ) ，3 胃又成立了网格任务缀( m e s ht a s kg u p ) ，标惠 着无线m e s h 技术正式避上了广泛标准化道路。同年3 月，在美国佛罗里迭 洲奥伦多帮疆开的i e 嚣飘8 0 2i a n m a n 标准委员会全体会议做出决定，搬负 西南藏通大学硕童研究生学位论文第2 页 赏标准制订工作的“m e s hw o r k i n gg r o u p ”拜缀为正式任务维“i e e e8 0 2 1 l s 醒e 蠡n e t 啪献珏( 瘸豁琢魏基8 姚，l l s ) 。今后将虫该任务缎受赛截键l 燃撼 8 0 2 。l l 嬲拨弼凌毙嬲标准趣掺。曼努，其她檬壤麴8 0 2 。1 5 。3 a 、8 0 2 。1 5 。4 载专 用短程通信( d e d i c a t e ds h o r tr a i l g ec o m m u n i c a t i o n s ，d s r c ) 也开始探索如 何通过网格嵌入式谈备辩乏改进其现肖技术。i e e e8 0 2 1 6 已经将网格技术纳入 其酝a 0 艨协议稼臻孛嘲。 援懿，爨潮方式灵活豹秃线黼e 巍霹鹁辑究在垒整暴+ 分活跃。业魂饕 遍认为它是无线网络技术未来的个发展方向，美国n l e c o m m l l i l i c a t i o n s 杂志受是把它评选为2 4 年1 0 火熟门通信技术乏一嘲。 信遂资源的分熬与管理楚无线m e s h 礴翡一个关键闻越，它奁穰大程度 上影镌了鄹终懿性缝。嚣鼓，无线艇o s 巍鼹m a c 蛰议熬臻究毽成蕊 嚣寇瓣热 点【4 】。由乎无线m e s h 网具肖多跳性、分布性、自级性、穆动性的特点，其 m a e 层协议墨传统无线两鲔髂区翱如下： ( 1 ) 多跳逐信 传统嚣线阏络瓣姒e 协议必涉及一翳送镶，将多鹞遴穗交绘籍由游议 解决。由乎m a c 忱议与踌由按议彼此透明，逡样的假设可使协议设计棚对 简革。但在嚣线m o s h 网中，相邻节点柏曩影响，一个节点的数擐接收和发 送不仅仅受到相邻跳节点的影响，岛两跳或多跳的节点也有关，例如雾跳 无线潮终串靛稳藏终端翔题。 ( 蛰分毒镑谖毂及多点裂多焱运镶 无线m e s h 网蹙一种分布式网络，没有中心撩制器，设计m a c 层协议时 要考虑它的分布性从而协调所有节点傈证其通储。此外，任何一个m e s h 节 点都魏鼍其鞠邻静艇e 媳繁患遂符逶掊，这整繁点瓣莸建也越7 多点裂多熹 魏逶蕊。 ( 3 ) 嗣络自组性 无线m e s h 网的m a c 协议需黉相关的网络拓扑信息，以便嚣好地协谰与 相邻带煮闺帮多虢麓点闻的遵信，这样静设计冒蔽显著提鬻多跳掰络静僚髓。 莱骜愫溆下，基予糖率控锅翡秘络鸯缝髓优证鬻络藏芥戮，倭褶邻蒂熹鬻静 于扰达到最小，从惩增热网络容爨。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ( 4 ) 移动性 m e s h 节点的移动性引起网络拓扑变化，动态改变网络的构成，影响m a c 协议的性能。为了适应移动性甚至利用移动性【7 1 ，设计m a c 协议时，要使 网络节点能够动态地根据需要相互交换网络拓扑信息。 设计m a c 层协议时需要认真考虑以上四个因素，这样才能得到真正适 合无线m e s h 网的可扩展的m a c 协议。 1 2 国内外研究现状 i e e e8 0 2 1 1 i s 】标准是现有移动网络中应用最广泛的m a c 层协议之一。 无线m c s h 网是融合了w “蝌和移动a dh o c 网络的新型网络结构，因此 8 0 2 1 1m a c 协议也可以提供对无线m e s h 网m a c 层的支持。但无线m e s h 网络具有多跳性、分布性、自组织性和移动性等特点，需要对现有m a c 协 议进行改进，才能使其更好地在无线m e s h 网络中工作。目前无线m e s h 网 m a c 层协议的研究主要集中在对单信道m a c 协议和多信道m a c 协议的研 究上。 i e e e8 0 2 1 1d c f ( 分布式协调功能) 是无线m e s h 网现阶段使用的m a c 协议，它是一种单信道m a c 协议，采用带冲突避免的载波侦听多址访问 ( c s m c a ) 。对于单信道方式，每个节点只有一个无线收发器，任一时刻 它只能有一个业务流，如何安排业务流，从而避免业务冲突，提高网络资源 利用率以及保证q o s ，就成为单信道策略必须解决的问题【5 1 。因此，在无线 m e s h 网中，单信道m a c 协议除了解决隐藏暴露终端问题，还要考虑解决多 种业务和多优先级业务公平接入问题，以及对于实时性要求较高的业务端到 端q o s 保障问题。目前针对单信道m a c 协议的方案主要有三种： ( 1 ) 改进c s m c a 协议【1 2 】【1 3 】。通常是改变c s m a c a 协议的参数，如 竞争窗口大小，退避机制。但这只能增加单跳通信的吞吐量，对于多跳的无 线m e s h 网，端到端的吞吐量仍然很低，因为这些方法并不能降低相邻节点 的竞争性。 ( 2 ) 跨层设计。利用先进的物理层技术实现。这方面主要有两种方案， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 基于定向天线的m a c 协议f 1 4 】【1 5 】和带功率控制的m a c 协议【1 6 ”】【1 8 】【1 9 l 。第一 种方案利用精确的天线波束减少了暴露终端，但由于定向传输，产生了更多 的隐藏终端，此外还会遇到造价、系统复杂性和快速可操作定向天线的实用 性问题。第二种方案为降低功率消耗而设计，同时也减少了暴露终端，因而 增加了无线m e s h 网中频谱的空间复用因子1 2 们。然而，隐藏终端仍然存在， 并且由于低传输功率降低了发现潜在干扰节点的可能性【2 1 】，这个问题可能会 变得更加严重。 ( 3 ) 设计新的m a c 协议。为了从根本上解决多跳网络中低的端到端吞吐 量的问题，并且考虑到随机接入协议如c s m c a 在多跳网络中相对差的可 伸缩性，设计新的基于1 d m c d m a 的m a c 协议1 2 2 l 【捌是一个重要的研究 课题。就目前看来，无线m e s h 网中基于t d m c d m a 的m a c 协议很少。 对于基于8 0 2 1 1 的无线m e s h 网，如何设计一个分布式的t d m a c d m a 的 m a c 协议是一个有趣并富有挑战性的问题。 无线m e s h 网也可以选择多信道m a c 协议，利用f d m a 、t d m a 、c d m a 、 s d m a 等多种多址技术和它们的混合，解决单信遭m a c 协议中存在的问题， 提高网络性能。现有多信道m a c 协议可分为以下三类： ( 1 ) 多信道单收发器m a c 协议 如果考虑造价和兼容性的问题，单收发器用在单频上是最优的硬件平台。 因为节点只有一个收发器，任一时刻每个网络节点上只能有一个活跃的信道。 但不同的节点可以同时工作在不同的信道上，这样就增加了系统容量。如何 协调m e s h 节点在多信道的条件下工作，是多信道单收发器m a c 协议的研究 重点。而且节点通信时需要来回切换信道，信道切换产生的时延会导致系统 性能迅速下降。此类协议的典型代表是m m a c 【2 4 】协议和s s c h 【2 5 】协议。 ( 2 ) 多信道多收发器m a c 协议 多信道多收发器m a c 协议中，1 个射频包含多个平行的射频头和基带处 理模块，用于支持多个同步信道。但在物理层之上，只有一个m a c 层来协 调多信道的功能。如何在这种物理层平台上设计一个高效的m a c 协议，是 研究的关键问题。本文重点分析的多信道m a c 协议d t m 就属于此类协议。 ( 3 ) 多射频m a c 协议 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 在这种方案里，每个网络节点配置多个网卡，每个网卡带有独立的m a c 层和物理层，可使用不同的频段，如8 0 2 1 1 a ，8 0 2 1 1 b ，8 0 2 1 1 9 ，节点在这 些频段上的通信是完全独立的，可以同时进行。实际上，一个频段上可以同 时容纳多个信道，但为了简化设计和应用，在每个频段上都只使用了一个信 道。其主要缺点在于网络中每个节点需配置多个独立网卡，造价高，节点结 构更加复杂。现有的多信道m a c 协议中，多射频统一协议( m u p ：m u l t i r a d i o u n i f i c a t i o np r o t o c 0 1 ) 【2 6 】、动态信道分配协议( d c a ：d v n 锄i cc h a n n e l a s s i 弘m e n t ) 【2 7 1 、基于主信道分配的m a c 协议( p c a m ：p r i m a r yc h a i l l l c l 舢s i 辨m e n t b a s e dm a c ) 1 2 8 l 可归入这种类型。 1 3 论文研究内容与组织结构 本文将详细介绍无线m e s h 网及其目前所用的m a c 协议，讨论现有m a c 协议的优点和缺点。在此基础上，重点分析一种基于双收发器的多信道m a c 协议( d t m ) 。该协议里的节点配置一个带有双收发器的网卡，可选择一个 频段下的多个同步信道同时使用，从而增加网络端到端的吞吐量，减小延迟， 使系统性能得到提高。论文使用n s 2 【2 9 】仿真软件对d t m 及其它m a c 协议 进行仿真，通过仿真结果比较备个方案的性能，并对性能上的差异进行定性 分析。仿真结果表明，在无线m e s h 网单跳场景的转发业务、本地业务以及 多跳场景的本地业务上，所比较的方案中，d t m 都获得最高吞吐量和最低 时延。 论文共由五个部分组成。第一章是绪论，介绍研究背景、国内外研究现 状、论文的基本结构及仿真工具。第二章介绍无线m e s h 网及其网络结构， 与i e e e8 0 2 1 1w h 、n 和移动a dh o c 网络进行比较，并阐明无线m e s h 网广 泛的应用前景。论文的第三章详细分析已有文献中的单信道和多信道m a c 协议，比较其性能并指出优缺点。在第四章中，首先基于双收发器的d t m 方案，重点分析阐述其工作原理，然后仿真d t m 、i 髓e8 0 2 1 1d c f 和s s c h 三种协议在m e s h 网单跳场景和多跳场景中的性能，比较仿真结果，并进行 相应的分析和讨论。最后总结本文的研究工作，提出未来工作展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 4 仿真工具 通信网络仿真，就是用计算机程序对通信网络进行模型化，通过程序的 运行模拟通信网络的运行过程。它是通信网络设计的重要环节，也是网络性 能分析的关键。我们需要的仿真工具是一个与操作系统无关的平台，它可以 屏蔽对操作系统的实际访问，且能近乎真实地模拟各个层次上的网络环境。 1 4 1n s 2 仿真器概述 n s 2 【2 9 】【3 0 l 【3 l 】 3 2 】【矧是免费的用于网络研究的离散事件仿真器，在u n i x 平台 上开发，最新版本是n s 2 2 9 。n s 2 最早出现在1 9 8 9 年，起源于一个名为r e a i ， 的网络仿真器。后来，h w r e n c eb e r k e l e yn a t i o n a ll a b o r a t o r y 实验室的n e t w o r k r e s e a r c hg m u d 工作组对r e a i 进行了修改，得到u 惦ln e t w o r ks i m u l a t o i ， 即n s 的第一版。之后，u cb e r k e l e y 的m e s h 研究组对u q b l 继续改进，将它的 版本提高到2 1 b 7 a 。1 9 9 5 年，n s 2 的开发获得了d a r p a 的n t 项目的支持。 目前，n s 2 的开发由d a r p a 的s a m a n 项目和n s f 的c o n s e r 项目共同支持。 n s 2 中包含了大量的来自其他研究者的贡献，包括u c bd a e d a l l l s 和c m u m o n a r c h 项目，以及s u n 微系统公司的无线模块的代码。 n s 2 针对有线、无线网络( 也包括局域网、卫星网络) 上t c p 、路由、 数据链路、组播协议，以及网络q o s 、各种队列等的仿真提供了大量的支持。 同时提供了跟踪和显示仿真结果以及网络拓扑生成等很多工具。用一句话概 括这个软件的功能就是：它可以在一台计算机上动态仿真一个网络的运行。 目前，n s 2 还在发展当中，并不是一个完善的成品。虽然n s 2 包含的构 件库已经相当丰富，但是不可能包括所有特定用户所需要的模块。而且，软 件中的b u g 还在不断被发现和改正。n s 2 用户必须自己去核实是否因为软件 中的b u g 而造成了他们仿真结果的错误。n s 2 提供给用户一组测试和演示的 程序，用来自动对所安装的软件进行测试。同时用户也需要了解自己的研究 中需要的仿真特性，在n s 2 中究竟提供了没有。这些细节问题在n s 2 手册【3 0 】 中有详细的描述。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 4 2n s 2 基本结构 n s 2 的结构是面向对象的，由c + + 和o t c l 两种语言写成。c + + 类实现底 层的计算、操作，比如说路由计算、数据包的接收丢弃等等。o t c i 类在高层 配置节点、拓扑图，提供用户接口，调用c + + 代码完成实际工作。 由于效率的原因，n s 2 将数据路径实现和控制路径实现分离。为了降低 分组和事件的处理时间( 并非仿真时间) ，数据路径中事件调度器和基本的网 络元件对象由c + + 写成并编译。0 t d 联接为相应的每c + + 对象( 但不是全部) 产生一个匹配的o t c l 对象，并且使得c + + 对象中指定的控制功能和可配置的 变量表现为o t d 对应对象中的成员函数和数据成员。通过这种方式，n s 2 将 c + + 对象的控制权交给o t c l 。n s 2 也允许向与c + + 对象联接的o t c l 对象增加 成员函数和数据成员。c + + 对象如果不需要在仿真中控制或者不被其他对象 在内部调用，则不需要联接到o t c l 。类似地，一个对象( 不在数据路径上) 可以完全在0 t c l 中实现。图1 1 是c + + 和0 t c l 中对象等级的一个实例。 图1 - 1c + + 与o t c l 中的对象结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 从用户使用的角度看( 如图1 2 ) ，n s 2 则是由面向对象的t c l ( 0 t c l ) 脚 本解释器，以及事件调度器、网络元件对象库和网络设置对象库等组成。换 句话说，用户在设置和仿真一个网络的时候应该用o t d 脚本初始化事件调度 器，使用对象库中的网络对象和管道功能设置网络拓扑，然后通过事件调度 器通知业务源何时开始和结束分组的传输。 i 器嚣卜 0 t c i 。带面向对象 一仿真结果卜一结果分析 l 仿真程序r 卜 扩展的1 h 解释器 腑仿真器摩 事件调度器对象 网络元件对象 网络设置帮助 叫璺m 模块( 管道模块) i 动画显示 图1 2n s 2 软件仿真的基本过程 图1 - 3 表示了n s 2 概要的结构。在图中普通用户( 非n s 2 开发者) 可以 认为站在左下角，使用0 t c l 库中的仿真器对象，在t c l 中设计和运行仿真程 序。事件调度器和大多数网络元件用c + + 实现，但是通过由t c l c l 实现的 o t c l 联接使它们在0 t c l 可用。所有这些构成了n s 2 带有网络仿真器库的 o t c i 解释器。 事件 调度器 n s 2 1 u c l ， 网络 0 t c l _ _ _ _ - _ _ _ _ 元件 t d i i 图1 3n s 2 软件的结构 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 1 4 3n s 2 的安装与运行 n s 2 软件在u n i x 系统上开发，因此f r c e b s d 、“n u x 、s u n o s 、s o l a r i s 等u n i x 和类u n i x 系统是安装n s 2 的最佳平台。当然，n s 2 也可以安装并运 行在w i n d o w s9 x 2 0 0 0 ) ( p 平台上，但需要安装c y g w i n 插件。由于在u i x 上 有很多n s 2 的辅助工具软件和用户提供的源代码资源，所以推荐用户在 u n i x 平台上使用n s 2 。我们以r e dh a tl i n u x9 0 平台为基础，介绍n s 2 的 安装。 n s 2 的主要模块包括1 c l 、t k 、o t d 、t c l c l 、n s 、t c l d e b u g 、n a m 和x g r a p h 等，其中前五个为必选模块，其余的模块则是可选择的。n s 2 的用户可以使 用两种方式从其主页上下载安装。一种方式是单个模块下载，然后逐个编译、 安装。这种安装方式下，各个模块的安装是有顺序的，用户应该按照主页上 模块排列的顺序依次编译、安装。 另一种方式称为“a 1 1 i 一o n e ”，n s 2 的开发者已经将用户可能需要的模 块都打成一个安装包，并且准备好了编译文件。这种方式对于初学者来说是 非常方便的。下面就说明怎样以“a 1 1 i n o n e ”的方式安装n s 2 。假定安装的 n s 2 版本是2 2 9 ，安装文件n s a l l i n o n c 2 2 9 t a r g z 已经存在于l l o m e 目录下。 在这里“”表示回车，$ 表示s h e l l 提示符。安装结束后，系统会提示 用户进行配置路径文件和环境变量。 n s 2 的运行方法有以下两种： ( 1 ) 命令行方式，输入“n s ”，进入n s 2 的命令行环境，然后直接输 入各种指令来交互运行n s 2 。如： 输入命令： n s v c r s i o n 返回版本号：2 2 8 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 ( 2 ) 脚本方式，指定一个脚本文件( + t c l 文件) ，让n s 2 执行。如： n s 因为脚本文件定义了整个模拟的过程，可以对网络的拓扑结构、数据的 收发过程等事件作细致的描述，所以我们通常使用方法2 来运行n s 2 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 第2 章无线m e s h 网 无线网络技术的发展日新月异，各种8 0 2 1 1 x 标准不断被更新，新的无 线网络架构和技术也不断被提出。近年来，w u 小在接入领域中得到了迅速 发展，依其所具有的巨大数据传输速率，w n 被认为是3 g 或后3 g 移动 数据通信部分的一个主要竞争对手。但w l a n 也有其不足之处，其中最主 要的一个便是接入点( a p ) 的覆盖范围较为有限，若要在一个相对较大的区 域提供无线覆盖，就需要在该地区内配置多个接入点，因而增加了建设基于 w u 、n 的公共宽带网的成本。虽然人们对此提出了一些解决方法，如通过多 种无线技术的共存来提高无线的覆盖和位置的适应性等等但这些方法中大 多是以增加接入点或降低网络运行效率为代价p “。因此人们把目光转向一种 全新的网络结构一一无线m c s h 网，它的核心指导思想是让网络中的每个节 点都可以发送和接收信号，从而使传统的w l a n 一直存在的可伸缩性低和健 壮性差等诸多问题迎刃而解。无线m e s h 网是一项能够实现灵活组网的技术， 它的出现，代表无线网络技术的又一大跨越，有极为广阔的应用前景。 2 1 无线埘e s h 网简介 2 1 1 无线m e 8 h 网定义 无线m e s h 网是一种多跳、具有自组织和自愈特点的新型宽带无线网络 结构，即一种高容量、高速率的分布式网络。它一度曾是一项军方技术，随 着人们对8 0 2 1 1 “8 0 2 1 1 b 和8 0 2 1 1 9 等“n 技术了解的深入，m 骼h 网络 才逐步成为企业界和消费者瞩目的焦点。w m n 不同于传统的无线网络，可 以看成是w l a n 和移动a dh o c 网络的融合，且发挥了两者的优势。 目前主要观点认为，无线m c s h 网是一种由无线链路连接路由器和终端 设备的静态多跳无线网络，网络中的任何无线设备节点都可以同时作为a p 设备的静态多跳无线网络，网络中的任何无线设备节点都可以同时作为a p 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 和路由器，每个节点都可以发送和接收信号，与一个或者多个对等节点进行 直接通信。这种结构的最大好处在于：如果最近的a _ p 由于流量过大而导致 拥塞的话，那么数据包可以自动路由到一个通信流量较小的邻近节点进行传 输。依此类推，数据包还可以根据网络的情况，继续路由到与之最近的下一 个节点进行传输，直至到达最终目的节点为止。 目前人们熟知的h t c m e t 架构就是一个m e s h 网络结构的典型例子。接入 i n t e m e t 的用户位于网络边缘，他们通过网络内部的路由器和节点相互连接， 当任意两个节点之间的一条链路失效后，路由器会经由一个或多个别的路由 器找到一条替代路径。例如，当我们发送一封电子邮件时，电子邮件并不是 直接到达收件人的信箱中，而是通过路由器从一个服务器转发到另外一个服 务器，最后经过多次路由转发才到达用户的信箱。在转发的过程中，路由器 一般会选择效率最高的传输路径，以便电子邮件能够尽快到达用户信箱。因 此，无线m e s h 网可以看作是e m e t 的一种无线版本。 带有无线网卡的传统终端设备( 如台式电脑，笔记本电脑，p d a 等) 可 以与无线m e s h 路由器直接相连，而没有无线网卡的用户则可通过以太网与 无线m e s h 路由器连接，从而接入无线m e s h 网。这样，无线m e s h 网可以提 供给用户的随时随地“永远在线”的网络接入服务。此外，m e s h 路由器的网 关网桥功能使得无线m e s h 网能连接到多种网络，如蜂窝网，无线传感器网， w i f i ，w i m a x l 3 8 】，w i m e d i a f 3 9 l 网络。因此，通过一个综合的无线m e s h 网， 现有网络用户能享受到更多样化的服务。 2 1 2 无线m e s h 网与w l a n 、a dh o c 网络的区别 无线m e s h 网是一种特殊的w u k n ，本质上则是一种a dh o c 网络。 无线m e s h 网与w l a n 的区别有以下几个方面： 一在拓扑结构上，w l a n 是典型的点对多点单跳网络，最后一跳的接入 采用无线方式，终端节点必须借助a p 进行通信，数据不可转发。而无线m e s h 网无网络基础设施，是多跳无线网络，可实现网络自形成、自伸缩、自愈和 自诊断等。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 一在网络设备上，w “n 的a _ p 负责终端设备的接入，其他网络特征与 有线u 小相同，而无线m e s h 网的所有中间节点均须承担其他节点的信息转 发功能，即具有路由器和中继器功能。 一在路由协议上，w l 采用固定路由，而无线m e s h 网则采用动态路 由，路由冗余和自愈能力强。 一在覆盖范围上，w u n 可在较小的范围内提供高速数据服务( 8 0 2 1 1 b 可达1 1 m b i t ，s ，8 0 2 1 l a 可达5 4 m b i t ，s ) ，但典型情况下w l a l n 接入点的覆盖 范围仅限于几百米，因此如果想在大范围内应用w l a n 这种高速率的服务模 式，成本将非常商。而对于无线m e s h 网，则可以通过无线路由器对数据进 行不断转发，直至把它们送至目的节点，从而把接入点的覆盖服务延伸到几 公里远。无线m e s h 网的显著特点就是可以在大范围内实现高速通信。 无线m e s h 网与移动a dh o c 网络的主要区别在于： 一在拓扑结构上。无线m e s h 网与移动a dh o c 网络均是点对点网络，拓 扑结构相似。但无线m e s h 网大多数节点基本静态不移动，拓扑变化较小。 一在路由技术上。无线m e s h 网基于其应用的定位，强调的是吞吐量和 稳定性等性能，而移动a dh o c 网络则更注重可靠性、鲁棒性和安全性等。 一在业务模式上。由于两种网络设计目的不同，无线m e s h 网着重的是 用户节点的接入功能，而移动a dh o c 网是实现用户节点之间的交互通信，因 此，无线m e s h 网的主要业务是来往于n t 啪e t 网关的业务，移动a dh o c 网 络则是相邻节点之间的业务流。 2 1 3 无线m e s h 网的优势 与传统无线相比，无线m e s h 网络具有以下五个优势： ( 1 ) 快速部署和易于安装。安装m c s h 节点非常简单，将设备从包装盒里 取出来，接上电源就行了。由于安装简单，用户很容易增加新的节点来扩大 无线网络的覆盖范围和网络容量。在无线m e s h 网络中，不是每个m e s h 节点 都需要有线电缆连接，这是它与有线a p 最大的不同。 m e s h 的设计目标就 是将有线设备和有线a p 的数量降至最低，因此大大降低了总成本和安装时 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 间。无线m e s h 网络的配置和其他网管功能与传统w u 埘相同，用户可以将 使用w l a n 的经验轻松应用到m e s h 网络。 ( 2 ) 非视距传输( n l o s ) 。利用无线m e s h 技术很容易实现n l o s 配置，因 此在室外和公共场所有着广泛的应用前景。与发射台有直接视距的用户先接 收无线信号，然后再将接收到的信号转发给非直接视距的用户。按照这种方 式，信号能够自动选择最佳路径不断从一个用户跳转到另一个用户，并最终 到达无直接视距的目标用户。这样，具有直接视距的用户实际上为没有直接 视距的邻近用户提供了无线宽带访问功能。无线m e s h 网络能够非视距传输 的特性大大扩展了无线宽带的应用领域和覆盖范围。 ( 3 ) 健壮性【3 5 1 。网络的健壮性通常利用多路由器传输数据来实现。如果 某个路由器发生故障，信息由其他路由器通过备用路径传送。无线m e s h 网 络比单跳网络更加健壮，因为它不依赖于某一个单一节点的性能。在单跳网 络中，如果某一个节点出现故障，整个网络也就随之瘫痪。而在无线m e s h 网络结构中，每个节点都储存一条或几条传送数据的路径。如果最近的节点 出现故障或者受到干扰，数据包将自动路由到备用路径继续进行传输，整个 网络的运行不会受到影响。 ( 4 ) 结构灵活。w u n 是单跳网络，网内设备必须共享a p 。如果几个设 备要同时访问网络，就可能产生通信拥塞并导致系统运行速度降低。而在多 跳的无线m e s h 网络中，设备可以通过不同的节点同时连接到网络，因此不 会导致系统性能的降低。 ( 5 ) 通信负载平衡功能。无线m e s h 网络中的每个设备都有多个传输路径 可用，网络可以根据每个节点的通信负载情况动态地分配通信路由，从而有 效地避免了节点的通信拥塞。而目前单跳网络并不能动态地处理通信干扰和 接入点的超载问题。 ( 6 ) 高带宽。无线通信的物理特性决定了通信传输的距离越短就越容易获 得高带宽，因为随着无线传输距离的增加，各种干扰和其他导致数据丢失的 因素也随之增加。因此选择经多个短跳来传输数据将是获得更高网- 络带宽的 一种有效方法，而这正是无线m e s h 网络的优势所在。 嚣枣交蘧大学颈士鞲究生学位论文筹15 页 2 2 无线m e s h 网的网络结构 无线m e s h 网的拓扑结构呈格衡状，整个网络出m e s h 路哟器和m e s h 终 端设备用户两个部分构成【”l 。 m e s h 路由器( m r ：m e s hr o u t e r ) 嗣l l 寸具裔光线路由器秘无线a p 的功 链。终梵辫蠡器，它魏底层赘m e s l l 终臻设备( 帮雳户) 疆傲努缢路由秘转 发，转发分组信息的路由根据当时w 使用的节点配置临时决患，即实现动恣 路由。作为a p ，m r 熊将无线网络接入核心网，并且将各个无线客户端避接 裂一踅，袋装毫无线弼冬熬终蠛设螽汲遮建酝酞共享竣，鬻熬资源。莼瓠， 它还具有瞬管功能，实现对m e s h 网络的控制和管理。利用多跳通信方式， m r 使用比传统无线路由器低得多的功率，达到相同的覆盖辩围。m r 通常 安装在专髑诗算枫系统 、约强a ( 骥辩按洚臻囊算法) 窝a o d v a d 魏o e 按需距离矢量路由协议) f 4 1 l 【辎。微软公司最近提出了一种多射频收发器、多 跳无线网络的路由协议m r l q s r ( m u n i 。r a d i ol i n k q u a l i t vs o u r c e r o u t i n g ) ，童要愚想是农d s r 协议的基础上采用最大吞吐量潦剐【4 3 l ，以满慰 无线m e 蛾瓣高吞睦纛静簧求。 除上述关键技术以外，无线m e 8 h 网中还需爨解决商用化时的一些问题， 例如：如何识别新加入用户节点的辫份并对空中传输的用户数据进行加密， 虢搽涯秃线糙e 矗羁熬安全性；魏侮掇供一夺楚零瓣奏覆霹垒鹣逶露营璞( 聚 置、监控、计费等) ；程使用同一频段时，无线m e s h 网如何与其他系统( 如 点到多点阉定宽带无线接入网、无线局域网等) 接存等。 2 。4 无线蘩e s h 网豹应用 无线m e s h 网络在家庭、企业、公共场所、镏能交通等诸多领域都具肖 广瘸豹寝溺舞景。 ( 1 ) 躲庭 m e s h 技术的一个墼簧用处就是用于构建家庭无线网络。家庭式无线 m e 巍霹不霉要复杂戆蠢线窝安装遗程，胃驳连接奁式规、笔谗本电弦羁掌上 电脑、h d w 、d v d 横放器、游戏撩翩台，戳及其他各种消费类电子设餐。 在家庭m e s h 网络中，备种家用电器既是网上的用户，也作为网络基础设施 的组成部分为其他设铸提供接入服务。当家用电器增多 于，撼种组网方式埘 淡捷供燹多耱容量窝爨犬瓣覆盖藏满。 ( 2 ) 企业 目前，企业的无线遥信系统大都采用传统蜂窝电话式无线链路，为用户 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 提供点到点和点到多点传输。无线m c s h 网络则不同，它允许网络用户共享 带宽，消除了目前单跳网络的瓶颈，并且能够实现网络负载的动态平衡。相 对于有线网络，无线m e s h 网络组网更容易，配置更灵活，安装和使用成本 更低。尤其是对于那些需要经常移动接入点的企业，无线m e s h 网的多跳结 构和灵活配置将非常有利于网络拓扑结构的调整和升级。 ( 3 ) 学校 校园无线网规模巨大，不仅地域范围大，用户多，而且通信量也大，与 一般企业用户相比会更多地使用多媒体。二是网络覆盖的要求高，网络必须 能够实现室内、室外、礼堂、宿舍、图书馆、公共场所之间的无缝漫游。三 是负载平衡非常重要，由于学生经常要集中活动，当学生同时在某个位置使 用网络时就可能发生通信拥塞现象。解决这些问题的传统方法是在室内高密 度安装a p ，而在室外安装的a p 数量则很少。但校园网用户需求变化较大， 经常需要增加新a p 或调整a p 的部署位置，成本增加很大。而使用m e s h 方 式组网，不仅易于实现网络的结构升级和调整，而且能够实现室外和室内之 间的无缝漫游。2 0 0 4 年，北电( n o r t e l ) 网络公司在台湾台北大学及周边商 业地区建立了一个m e s h 网络试验网，支持多媒体应用，还可以演示一些先 进的应用，如w i f i 语音o v e ri p ，时速5 0 公里的无缝切换等【4 3 1 。 ( 4 ) 医院 由于医院建筑物的构造密集又复杂，一些区域还要防止电磁辐射，因此 是安装无线网络难度最大的领域之一。医院的网络有两个主要特点：一是布 线比较困难。在传统组网方式中，需要在建筑物上穿墙凿洞才能布线，这显 然不利于网络拓扑结构的变化。二是对网络的健壮性要求很高。查d 果医院里 有重要的活动( 如手术) ，网络任何可能的故障郁将会带来灾难性的后果。采 用无线m e s h 组网则是解决这些问题的理想方案。如果要对医院无线网络拓 扑进行调整，只需移动现有m e s h 节点的位置或安装新的m e s h 节点，过程非 常简单。而无线m e s h 网的健壮性和高带宽也使它更适合于在医院中部署。 ( 5 ) 旅游休闲场所 无线m e s h 网适合于地理位置偏远、布线困难，而又需要为用户提供宽 带无线i n t e m e t 访问的地方，如旅游场所、度假村、汽车旅馆等。m e s h 能够 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 以最低的成本为这些场所提供宽带服务。 ( 6 ) 应急通信场所 对于那些需要快速部署或临时安装网络的地方，如展览会、交易会、灾 难救援、通信基础设施遭受破坏的突发事件现场，m e s h 网络是最经济有效的 组网方法。例如，在地震现场，通信基础设施遭到破坏，利用m e s h 组网能 使救援工作迅速展开。 ( 7