（信息与通信工程专业论文）基于无线mesh网络的移动互联网及其安全机制的研究.pdf

摘要 摘要 随着通信技术的发展，未来的网络将为用户提供高带宽、高质量、多业务的服务。 无线移动通信技术随时随地为用户提供接入的特性决定了无线通信将在未来通信网络 中占据重要的位置。未来的通信网络将是一个固定网与无线网高度融合、为用户提供多 种接入方式的移动互联网。无线m e s h 网络技术为移动互联网的发展提供了新思路。因 此，研究无线m e s h 网络对于移动互联网的发展具有重要意义。本文通过对无线m e s h 网络技术的研究，提出一种以无线m e s h 网络作为接入网的移动互联网架构，并对该架 构移动互联网的关键技术做了深入的分析和讨论。 首先本文通过对无线m e s h 网络的相关技术进行研究，提出一种基于无线m e s h 网 络的移动互联网架构，并将这种架构与其他架构进行比较，指出基于无线m e s h 网络的 移动互联网架构的优越性。 然后，结合无线m e s h 网络的特殊形态w i ，a nm e s h 网络进行路由技术的研究， 在详细研究8 0 2 1 1 s 的h w m p 路径选择协议后，分析该协议在按需路径选择机制和先应 式路径选择机制配合上以及在多个m p p 的w l a nm e s h 网络中应用的不足，分别提出 了解决方案，并在此基础上提出一种新的适应多m p p 网络环境的混合路径选择机制 删w m p p 。仿真结果表明，该协议在端到端延时、路由开销等各项性能上均优 于a o d v 和t b r p 协议。 最后，本文分析了基于无线m e s h 网络的移动互联网所面临的安全威胁与安全需求， 对8 0 2 1 1 s 和e m s a 的两种安全机制从性能上进行了比较，指出基于e m s a 的安全体系 更加适应本文所提的架构的移动互联网。 虽然本文在路由协议、安全机制等关键技术的研究是面向w l a nm e s h 网络，但所 提出的路由协议思想和安全策略对于基于无线m e s h 网络的移动互联网具有很强的参考 价值。 关键词：移动互联网无线m e s h 网络i e e e 8 0 2 1 1 s 混合路径选择协议安全机制 a b s t l 认c t a b s t r a c t w i 也l ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，_ t u r en c t w o r kw i l lp r 0 v i d eu s e 硌 w i 也h i 曲b 觚d w i d t l l ，h i 曲- q u a l i t y 觚dm u l t i p i es e r v i c e s w i r c l e s st e c h n o l o g yi sp l a y i l l g 锄 i l l l p o 栅tr o l e i nc o m m u n i c a t i o nn e 柳o r k 觞i t sc h a r a c t e r i s t i c so fa n y t i m e ，卸”r h m c o m m u n i c a t i o n t h e 如t u r ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r kw i l lb ea ni n t e 掣a t e dn e t v v o r ko ff i x e d 粕dm o b i l en e 觚o r l ( sw i t hm u l t i p l ea c c e s sm o d e s w m n ( w i r c l e s sm e s hn e 帆o r k ) p r 0 v i d e sa n l o u g h tf o rm o b i l eln _ 钯m c t ，w h i c hm a k e ss e n s et 0t h er e s e a r c ho fw m n 1 1 1 i sp a p e rp r e s e n t sa 丘a m e w o r ka n ds 仃u c t u r eo fm o b i l ei n t e m c tb a s e d0 nw m n 勰t h e a c c e s sm 铆o r ka n dd o e sr e s e a r c ho nt h ek e yt e c h n o l o g i e so fw m n f i r s t ，t i l i sp a p e rp r c s e n t sa 疗a m e w o r k 锄ds 仃u c m r eo f m o b i l ei n t e m e tb 髓c d0 nw i r c l e s s m e s hn e t w o r k 邪t i l ea c c e s sn e t w o r k ac o m p a r i s o n 锄o n gs e v e r a ld i f f c r c n ts 仉j c t u r e so f m o b i l ei n t e m e tp o i n t st h a tm o b i l ei n t e m e tb a s e do nw 俐h a s s u p e r i o r i t y s e c o n d ，r o u t i n gt c c h n o l o g y i ss t u d i e db a s e do nw l a nm e s hn e 帆。比w h i c hi sa p a n i c u l 对卿l eo f 帅心a na n a l y s i si sg i v e na b o u tt h eh 胛p r o t o c o ip e 疵m 锄c e r n l e p a p e rp o i n t so u tt h a t8 0 2 1lss t a n d a r dd o e sn o tg i v eam e t h o df o rt h et w oo n - d e m a n d 锄d p m a c t i v er o u t i n gm o d e st oc o o p e r a t ee 佑c i e n t l y na l s op o i n t so u tt h a tt i l eh w 田d o e s n tf i t f o rt l l em u l t i 小仰ps y s t c m t h i sp a p e rp r e s e n t san e wp a t hs e l e c t i o np r o t o c o ln a m e d 舢w m p pw h hi sp r 0 v e dt og e tt h eb e t t e rn e 晰o r k i n gp e r f o m a i l c e 锄d 勘- dd e l a y ， r o u t i n gl o a d 锄dt l l r o u g h o u t ，f i n a l l y ，n l ep a p c r 觚a l y z e ss e c u r i t yt h r e a t sa n ds e c u r i 妙n e e d si nt h en e w 鱼m l e w o r k h e 舱，t w os e c u r i 哆m e c h a n i s m s _ 一8 0 2 11sa n de m s a ，a r er e s e a r c h e d a tl a 鸭n l ep a p e r p o i n t so u tt h e c u r i t ys y s t e mb a s e do ne m s a i sm o r es u i t a b l ef o rt h em o b i l ei n t c m c ts y s t e m b yc o m p a r i n gt h e 铆0p r o t o c o l s p e r f b r m a n c e a l t i l o u 曲t h er c s e a r c ho nt h ek e yt e c h n o l o g i e so fw m n i nt h i sp a p e ri sb 懿e do nw l a n m e s hn c t w o r l 【s ，i ta l s oh 雏g r c a tr e f e r e n c ev a l u ef o rt h em o b i l ei n t e r n e tb 邪e do nw m n k e yw o r d s ： m o b i l ei n t e m e t ，w i r e l e s sm e s hn e m o r k ，l e e e 8 0 2 1ls ，h y b r i dp a t h s e l e c t i o np r o t o c o l ， s e c u r i 够m e c h a n i s m i i l 图目录 图目录 图l l移动互联网结构图2 图2 一l基础设施主干无线m e s h 网络结构8 图2 - 2客户端无线m e s h 网络结构8 图2 - 3 混合无线m e s h 网络结构9 图2 - 4 传统w l a n 网络拓扑结构图1 2 图2 5w l a nm e s h 网络结构1 3 图2 6 基于无线m e s h 网络的移动互联网架构1 6 图3 - l 源节点s 与目的节点d 之间的拓扑结构2 2 图3 2 先应式路由协议2 3 图3 3 按需路由协议2 4 图3 - 4a o d v 路由建立机制2 5 图3 - 5d s r 路由建立过程。2 5 图3 6w l a nm e s h 网络数据流量2 8 图4 - lw l a nm e s h 网络通信模型3l 图4 - 2r m - a o d v 模式数据转发3 3 图4 - 3t b r p 模式节点处理数据流程3 3 图4 4t b i 心模式数据转发3 4 图4 5m e s h 数据帧处理流程3 5 图4 6 混合路径选择机制- i 原与目的节点在同一网络3 6 图4 - 7 混合路径选择机制源与目的节点不在同一网络3 6 图4 8 多m p p 系统中数据回环的产生3 7 图4 9m e s h 数据帧处理流程3 8 图4 1 0 鼢以a o d l v 路由建立流程图3 9 图4 1 1t b r p 状态机4 0 图4 1 2w l a nm e s h 网络实例4 l 图4 1 3m m h w m p p 算法4 3 图4 1 4a c t i o n 帧格式与定义。4 4 图4 1 5p r e q 帧格式。4 4 图4 1 6p r e p 帧格式4 5 图4 1 7p i 也r 帧格式4 5 图4 18p r e p a c k 帧格式4 5 图4 1 9ra n n 帧格式4 6 图4 2 0d a t a 帧格式4 6 图4 2 l 仿真原型4 9 i 东南大学硕士论文 4 2 2 仿真拓扑固定场景1 5 0 4 2 3 仿真结果端到端时延1 5 0 4 2 4 仿真结果端到端时延2 ：。5 l 4 2 5 仿真结果协议开销5 2 4 2 6 仿真结果吞吐量5 2 5 1网络层次与安全攻击。5 5 5 28 0 2 1 1 i 协议结构图。5 7 5 3r s n a 建立过程5 7 5 48 0 2 1 x 认证过程5 9 5 5 四步握手过程。5 9 5 68 0 2 1 1i 密钥体系6 1 5 7w l a nm e s h 网络认证服务器。6 4 5 8 集中式认证过程。6 4 5 9 分布式认证过程6 5 5 1 08 0 2 1 1 s 四次握手过程。6 6 5 1 1基于e m s a 的安全体系6 7 5 1 2e m s a 密钥体系6 8 5 1 3 新m p 节点接入过程6 9 5 1 4 初始e m s a 认证过程7 0 5 1 5 二次e m s a 认证过程。7 0 5 1 6 密钥持有者安全握手过程7 0 v i 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 表目录 表目录 表3 1路径选择m e t r i c 参数取值表。2 1 表3 2 三种加密协议比较6 0 表3 3 对路由的攻击方式6 2 表4 1 源节点目的节点的路径3 2 表4 2 两种路由机制性能比较3 2 表4 3 标识位定义4 2 表4 - 4m p 路由表项4 6 表4 5m p 邻居表项4 7 表4 - 6m p p 代理表项4 7 表4 7m p p 表项4 8 表4 8 预先树表项4 8 表5 18 0 2 1 l i 与e m s a 性能对比j 7 l l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文 的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签确畸新繇蝴 绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景 随着社会的进步、通信与网络技术的日益发展，人们对方便、灵活、快捷的通信 方式要求越来越高。目前，各种各样的通信技术应用在人们的生活之中。通信网，按照 功能的不同，可以分成电话网、数据通信网、有线电视网、移动通信网等；按照信息传 输媒介的不同，可以分为有线通信网和无线通信网；按照通信技术的不同，可以分为以 太网、a 网、蜂窝网、w i m a x 网、w l a n 、a dh o c 网络等。近些年来， 在整个通 信网络技术领域中，无线网络通信技术是其中发展最为迅猛的技术之一，蜂窝移动通信 系统、3 g 通信系统、w l a n 、移动a dh o c 等无线通信新技术纷纷出现，这些新技术的 出现，极大的方便了人们的生活，使得人们可以摆脱有线的束缚，实现任意地点通信。 移动通信和互联网经过了十年的发展，在最近几年里，它们成为当今世界发展最快、市 场潜力最大、前景最诱人的两大业务。它们的增长速度是任何预测家未曾预料到的。迄 今，全球移动用户已超过1 5 亿，互联网用户也已逾7 亿。在中国，移动通信用户总数 超过3 6 亿，互联网用户总数则超过1 亿。这一历史上从来没有过的高速增长现象反 映了随着时代与技术的进步，人类对移动性和信息的需求急剧上升。 不同网络应用场景不同，网络覆盖范围不同，为用户提供的业务不同。多种网络 技术的出现与发展使得信息交流与传递越来越快捷。不同的网络有着各自的使用范围。 随着技术的发展，人们对通信的要求也随之增加，越来越多的人希望在移动的过程中高 速地接入互联网，希望通过同一终端获得不同网络的服务。网络融合、业务融合和接入 综合将成为未来网络的发展发向。 目前，无线网络还是作为有线网络的补充手段，但是它逐步被更多的用户所认同 和接受，以无线网络为承载逐步开展各种应用业务。无线网与有线网各有优势，未来无 线网络与有线网络的融合是大势所趋，移动网络与固定网络互联互通，真正达到“任何 人能够在任何时间、任何地点以任何方式与任何人通信”的目的。 1 1 1 移动互联网的概念 移动通信与互联网两种技术的结合产生移动互联网，随着人们对通信需求的提高， 移动互联网技术已成为当前国际上的研究热点，既包含终端又包括移动子网的互联网称 为移动互联网络【1 1 。 目前存在两种移动互联网的概念【2 】：窄带移动互联网和宽带移动互联网。窄带移动 互联网，又称为w a p 移动互联网，采用w a p 协议，为终端( 主要是手机) 提供上网业 务，如中国移动通过c m w a p 网关接入w a p 移动互联网；宽带移动互联网，移动终端 通过宽带无线通信网络采用h ，几p 协议接入公共互联网，与固网宽带用户相比仅仅是接 入网络不同，业务是相同的，如中国移动的g p r s 、中国联通的c d m a l x 提供的互联网 接入服务。当前所理解的移动互联网主要指以2 g 3 g 技术为基础的移动通信网与互联网 l 东南大学硕士论文 融合，为移动终端用户提供互联网业务。 随着无线通信技术的发展，w i m a x 、w l a n 等移动通信技术日益成为无线通信领 域的热门话题，身处不同网络的用户如何相互通信，特别是使用无线移动网络的用户如 何连接上i n t e m e t 是我们进一步要解决的问题。无线通信领域的技术发展速度加快，技 术竞争加剧，而且随着这些技术商用化或标准化进程的加快，移动宽带化和宽带移动的 趋势已经愈加明显。未来的无线通信将呈现网络日趋融合、多种接入技术综合应用、新 业务不断推出的发展趋势。顺应这一发展趋势，相关行业将逐步融合，通过一系列新的 技术、新的业务和应用来满足市场的需求。因此，移动互联网是一个融合固定网络和 各种无线移动网络的互联网，涉及宽带接入和分布网络，包括宽带有线接入、宽带无线 局域网、移动宽带系统和交换式广播网络。与传统通信技术相比，移动互联网可以在不 同的固定、无线平台和跨越不同频带的网络中提供无线服务，可以在任何地方用宽带接 入互联网，实现网络融合、业务融和、接入综合，是固定网与移动网在数据交换、业务 上的融合，包括各种无线移动通信网络与有线通信网络的互联通信。当前，主要是无线 移动通信网络与i n t e m e t 网络的融合，即将蜂窝移动通信网、w l a n 、移动a dh o c 网络 等无线网络和有线i n t e m e t 网连接起来，解决大覆盖范围，高数据速率和低成本的问题 为用户提供“永远在线”。 移动互联网 i j ，1 一“j - j 图l - 1 移动互联网结构图 移动互联网具有多方面的优势：融合多种网络具有不同的网络资源，向不同的用户 提供不同的服务，更好的满足网络用户多样性的需求；融合多种网络可以扩大网络的覆 盖范围，使得网络具有更强的可扩展性；用户在移动过程中，能够按照需要接入系统， 保持良好的无缝连接能力，保证数据传输的高质量、高速率；提高网络的可靠性、抗攻 击能力等。 1 1 2 移动互联网的研究现状 现阶段，对于移动互联网技术的研究，国内外的研究机构也进行了一些有益的探索。 如对移动终端协议m i p v 6 【3 1 的研究和子网移动n e m o 【4 】( n e 铆o r km o b i i 时，子网移动性) 协议的研究。如何实现种类繁多的不同网络的无缝连接如蜂窝网络和w l a n 、蜂窝网和 移动a dh o c 网络的融合也是目前国际上一个研究的热点。 2 绪论 w l a n 由于其能够提供较高的数据传输速率被用来与蜂窝网进行融合，作为蜂窝网 在热点地区的高速数据传输网，为用户提供高速数据服务，它通常作为蜂窝网的末端子 网或可独立工作的网络，因此只需考虑网间的鉴权、切换等问题。蜂窝网络和w l a n 相融合的主要系统是通用分组无线业务( g p r s ) 网与w l a n 的融合以及通用移动通信系 统m s ) 与w l a n 的融合。目前融合方案的重点主要放在路由、切换等方面，实现安 全的主要做法是在网络边缘设置网关。 由于移动a dh 0 c 网络独特的结构特点，它与蜂窝网络的融合结构有多种不同方案。 一是以蜂窝网为主干网，移动a dh 0 c 网络作为边沿子网辅助蜂窝网提供服务，这类方 法主要是利用移动a dh o c 网络来充分利用蜂窝网的频率资源：二是用蜂窝网的带外信 号对作为本地主干网的移动a dh o c 网络进行管理，充分发挥移动a dh o c 网络的优点， 通过蜂窝网的集中控制使a dh o c 工作得更加稳定；三是在蜂窝网中引入多跳路由协议 来减少基站数、增加覆盖范围。 近年来，人们已经就移动互联网的网络融合问题相继提出了不同的解决方案。 e s l r i 的b r a 【n 研究组就w l a n 与通用移动通信系统叫m t s ) 融合问题提出了松耦 合和紧耦合两种方案【5 】，松耦合方案是将w l a n 作为3 g 移动接入网的补充，直接数 据接入到外部分组数据网进行1 p 网或者因特网，而不接入3 g 的核心网。将3 g 业务 与和w l a n 业务从逻辑上进行分离，通过移动i p 技术实现w l a n 和3 g 切换过程中 的位置管理和认证、授权、计费，w l a n 标准基本不变，只需3 g p p 允许认证协议在 链路层使用可扩展认证协议e a p 和a a a 作为传输机制。不过这要求蜂窝网中提供新 的设备一与w l a n 互连的a a a 服务器。紧耦合方案将w l a n 无线接口作为3 g 的 承载者，将w l a n 作为一个接入网直接连接到3 g 的核心网，这要求在w l a n 系统中 实现3 g 网络的协议栈和接口。 3 g p p 【6 j 对3 g 与w l a n 的互通可行性进行了研究，并在r 6 中将3 g 和、轧a n 的互 通问题作为一项单独的工作进行，研究并定制标准。3 g p p 提出了从简单的互通到完全 无缝融合的六种互联场景，分别是：统一计费和客户服务，基于3 g 系统的接入控制和 计费、w l a n 接入3 g 网络分组域业务、业务的连续性、无缝业务、接入3 g 电路交换 业务。 另外，d r i v e 项目研究了蜂窝网和广播网的融合问题：w n m g l a s s 则从用户的角 度研究了m ，a n 与u m t s 的融合；m o b y d i c k 重点探讨了在i p v 6 网络体系下的移动 网络和w l a n 的融合问题。 这些项目为移动互联网的实现提供了思路和方法，但是这些项目仅仅是实现对诸多 无线网络中两种网络的融合。随着无线通信技术的发展，无线m e s h 网络技术的提出为 移动互联网的实现提供了新的方法与途径。无线m e s h 网络是一种源于移动a dh o c 网络 技术，具有动态的多跳网络拓扑结构，自组织、自配置、自愈的无线网络。网络中每个 节点只和邻近节点进行通信，都具有路由功能，节点之间可以通过多跳路由。无线网状 网可以和多种宽带无线技术结合，如w i f i 、w i m a x 、3 g 移动通信技术等结合，组成 3 东倒大学硕士论文 一个含有多跳无线链路的无线m e s h 网络。通过无线m e s h 网络技术可以实现网络覆盖 范围的扩大、不同网络的连接，实现无线与有线的相互通信。 1 2 研究意义 多种无线通信技术发挥着各自的优势，不同无线网络有着各自的应用场景。移动互 联网将不同的无线网络和i n t e m e t 网络融合，充分发挥不同网络的优势，扩大网络的覆 盖范围，为网络中用户提供多业务、更高质量的服务，满足用户的需要。应该说，移动 互联网是未来网络发展的趋势与方向。 目前对移动互联网的研究主要停留在针对两种网络的融合上，尤其是集中在具有典 型互补特性的3 g 和w l a n 之间，譬如3 g p p 和3 g p p 2 的融合、3 g 蜂窝网与w l a n 的融合，而对于多网络的融合，如w i m a x 、传感器网络等其他网络的融合尚未有可行 的架构和方案；在已有的研究中主要集中在实现和性能方面，对于网络安全方面的研究 很少。移动互联网尚未有相关的标准体系，对于移动互联网的研究才刚刚开始，国内外 的研究还不多，因此具有广阔的研究空间。 研究移动互联网相关技术具有重要的理论和实践意义。移动互联网如何实现移动终 端接入互联网是移动互联网首先要解决的问题；安全问题是移动互联网的关键，制约着 移动互联网的实际应用的推广。本文提出一种以无线m e s h 网络为接入网的移动互联网 架构，讨论该架构下需要解决的技术问题，并着重研究移动互联网架构中无线m e s h 网 络的路由问题和安全问题，结合w l a nm e s h 技术提出一种新的路径选择协议，对 8 0 2 1 l s 的接入认证机制和e m s a 接入认证机制进行详细的分析，并从协议性能上进行 比较，指出e m s a 接入认证机制更适合子无线m e s h 网络架构。本文所做的这些研究工 作希望能为移动互联网的发展做出一些贡献。 1 。3 本文主要工作及行文安排 本文在研究无线m e s h 网络技术的基础上，提出了一种采用无线m e s h 网络为接入 骨干网的移动互联网架构，讨论该架构下需要解决的技术问题，并着重研究作为接入骨 干网的无线m e s h 网络的路由问题和安全问题，给出相关的技术实现方案。 1 3 1 本文主要内容 本论文的主要内容如下： 首先研究与分析了无线m e s h 网络的相关技术，提出基于无线m e s h 网络的移动互 联网架构，以无线m e s h 网络为接入网实现不同无线网络向互联网的接入，对这种架构 的移动互联网和现有的移动互联网架构进行分析比较，指出基于无线m e s h 网络的移动 互联网架构的优势，并分析采取该架构所要解决的技术问题。 然后结合无线m e s h 网络的特殊形态w l a nm e s h 网络进行路由技术的研究， 在详细介绍8 0 2 1 l s 的h w m p 路径选择协议后分析该协议在按需路径选择机制和先应式 路径选择机制配合上以及在多个m p p 的w l a nm e s h 网络中应用的不足，分别提出解 绪论 决方案，并在此基础上提出一种新的适应多m p p 网络环境的混合路径选择机制 舢肌佃p 。仿真结果表明，该协议在端到端延时、路由开销等各项性能上均优 于a o d v 和t b l t p 。 最后本文分析了基于无线m e s h 网络的移动互联网所面临的安全威胁与安全需求， 分析了w l a nm e s h 网络所特有的双向认证、角色切换等问题，介绍8 0 2 1 1 s 和e m s a 的两种安全机制，对两种安全机制从性能上进行比较，指出e m s a 机制更加适应本文所 提的架构的移动互联网。 1 3 2 本文行文安排 本文行文安排如下： 首先比较与分析了对移动互联网的两种看法与理解，并指出未来网络发展发向 移动互联网的范围与概念，介绍了当前移动互联网技术的研究现状，让读者对于移动互 联网有一个初步的了解。 第二章概要的介绍了无线m e s h 网络的结构、特性、应用场景与发展现状等；提出 一种基于无线m e s h 网络的移动互联网架构，并与传统移动互联网进行比较基于无线 m e s h 网络架构的优势，最后给出采用该架构需要解决的技术问题。 第三章对无线m e s h 网络的关键技术进行研究，特别关注无线m e s h 网络路由技术， 研究无线m e s h 网络的路由权值和路由算法，并结合w l a nm e s h 网络研究了8 0 2 1 1 s 路 径选择权值和h w m p 协议。 第四章主要是对h w m p 协议的改进和仿真。首先对h w m p 协议在按需路径选择机 制和先应式路径选择机制配合上以及在多个m p p 的w l a nm e s h 网络中会产生数据回 环的问题，给出改进办法，提出一种新的适应与多m p p 通信环境的路径选择协议 艄w m p ，给出m m h w m p p 协议的具体算法和实现，最后给出n s 2 仿真结 果，并结合结果对进行了分析。 第五章主要对移动互联网由于采用无线m e s h 网络架构所带来的安全问题进行研 究，指出系统存在特有的安全需求。安全接入认证机制是维护网络安全的关键，因此， 第五章主要对8 0 2 1 l s 的认证机制和e m s a 认证机制从协议性能上进行分析比较，指出 基于e m s a 认证机制的安全体系是适合无线m e s h 网络结构的。 最后，本文对全文内容进行总结，并提出未来进一步研究内容。 5 第二章基于无线m 髂h 网络的移动互联网模型 第2 章基于无线m e s h 网络的移动互联网模型 随着通信技术的发展，越来越多的网络类型为用户提供接入和通信服务，人们对通信的要求也 越来越高，下一步网络发展的目标是为用户提供更便捷的接入方式和广泛和更高的速率满足对带宽 的需求为满足不同用户对不同业务需求，针对不同业务的接入系统融合到全m 核心网的移动互联 网系统将成为未来网络发展的方向，它实现不同无线网络与有线网络的互联，为用户提供随时随地 多业务的通信服务无线m e s h 网络技术的发展为移动互联网的发展提出了新的方法无线m e s h 网 络技术是由移动a dh 0 c 技术发展来而，具有多跳、自组织、自愈等特点，采用无线m e s h 网络组网 的移动互联网实现了不同网络的融合，为用户提供多业务的服务，扩大网络覆盖范围，降低网络建 设成本，大大提高了网络容量，组网灵活 2 1 无线m e s h 网络介绍 随着通信技术的发展，各种新的无线网络架构和技术不断被提出，满足日益增长的 通信需求。无线m e s h 网络作为一种新型的宽带无线网络技术，网络节点之间自动建立 维护m e s h 连接，是一种高容量、易维护、可靠的多跳网络【7 】，受到越来越多的关注与 广泛的应用。 2 1 1 无线m e s h 网络结构 无线m e s h 网络中由两种类型节点组成：m e s h 路由器( m e s hi b u 白盯) 和m e s h 客户 端( m e s hc l i e n t ) 。 m e s h 路由器同时具有无线路由器和无线接入点的功能。作为接入点，m e s h 路由 器将多个无线客户端连接在一起，无线终端设备可以通过m e s h 路由器接入无线网络， 共享网络资源；作为无线路由器，除了具有传统无线路由器的网关网桥的功能外，m e s h 路由器之间网格状连接，支持m e s h 网络的路由功能，维护路由信息，为底层的m e s h 终端设备提供分组路由与数据转发。m e s h 路由器可以具有多个相同无线接口或不同的 无线接口，与多个相邻节点进行通信。源节点和目的节点可以通过多个m e s h 路由器转 发进行数据通信，所以，利用多跳通信方式，可以使用多个m e s h 路由器实现传统无线 路由器相同的覆盖范围，而每个m e s h 路由器的功率比传统无线路由器低的多。此外， m e s h 路由器还具有网管功能，实现对m e s h 网络的配置和管理。 m e s h 客户端作为用户终端，运行为终端用户提供的相关的应用程序，同时具有m e s h 互连的功能，运行m e s h 路由协议，实现路由发现、路由维护等相关功能。与m e s h 路 由器不同，m e s h 客户端不具有网关网桥的功能。 无线m e s h 网络根据节点功能的不同分为三种类型结构： l - 基础设施主干无线m e s h 网络结构( i n 行a s 咖c t u r e b a c k b o n ew 仪) 基础设施主干无线m e s h 网络结构如图2 1 所示，虚线表示无线链路，实线表示有 线链路。无线m e s h 网络基础设施结构中存在两种m e s h 路由器：带网关网桥功能的 7 东南大学硕士论文 m e s h 路由器和一般m e s h 路由器。带网关网桥功能的m e s h 路由器为其他接入网提供接 入上层网络服务，m e s h 路由器节点共同组成自组织、多跳、网状的基础网络结构，通 过带网关功能的m e s h 路由器接入i n t e m e t 中，为移动客户终端提供网络服务。m e s h 路 由器之间采用相同或不同的无线技术建立链路。 图2 - 1基础设施主干无线m e s h 网络结构 基础设施主干无线m e s h 网络为不同无线网络的互联提供基础结构，如图2 1 所示， 带以太网接口的客户端通过以太连接m e s h 路由器；使用相同无线技术的客户端通过无 线接口直接与m e s h 路由器相连；使用不同无线技术的客户端，如图中所示的蜂窝网络 的客户终端、w l a n 网络的客户终端等，通过与m e s h 路由器以太接口互连的基站进行 网络接入；无线m e s h 网络通过带网关的m e s h 路由器与i n t e m e t 链接。通过无线m e s h 网络基础设施结构实现多种无线网络和i p 核心网的融合。 2 客户端无线m e s h 网络结构( c l i e n tw m n ) 客户端无线m e s h 网络是无线m e s h 网络结构中最简单的一种，其结构如图2 2 所 示，网络无需m e s h 路由器而仅由客户端节点组成，客户端节点在提供终端用户应用的 同时实现点对点的网状互连，为对等结构，具有完全一致的特性，完成路由和配置功能。 客户端无线m e s h 网络本质上是一个移动a dh o c 网络，适用于节点数据少且不需要 接入到核心网络的应用场合。m e s h 客户端通过自身配置的无线接口通过无线信道的连 接形成点对点的网络，网络内节点可以任意移动，导致网络拓扑结构随之变化，具有自 组织自愈的特点。在客户端无线m e s h 网络中，发向嘲内节点的数据包通过多个节点转 发到目的地。通常，客户端无线m e s h 网络中的节点使用同一种无线技术。 客户瑙w m n 图2 2 客户端无线m e s h 网络结构 3 第二章基于无线m e s h 网络的移动互联网模型 3 混合无线m e s h 网络结构( h y b r i d 恻) 混合无线m e s h 网络是一种两层结构，由基础设施主干无线m e s h 网络和客户端无 线m e s h 网络混合而成。上层网络为基础设旌主干无线m e s h 网络，为下层网络和i r l t e m e t 提供互联的基础结构；下层网络为客户端无线m e s h 网络，m e s h 客户端之间以a dh o c 方式连接通信，需同时支持接入m e s h 路由器的功能和本层网络中对等节点的功能。 并jo 刺w m n 图2 - 3 混合无线m e s h 网络结构 这三种无线m e s h 网络结构，基础设施结构减少系统往返成本，增加了网络覆盖范 围，提供多条通信链路，增强了网络的可靠性；客户端无线m e s h 网络为客户端之间形 成对等的a dh o c 网络，客户端节点互为路由中继，可以实现多跳的路由转发，客户端 节点可以快速移动；混合无线m e s h 网络结构将基础设施和客户端型两种网络优势互补， 基础结构提供不同网络( 如i n t c m e t 、m ，a n 、蜂窝网、传感器网络等) 的互连，客户 端的路由能力提供更好的连通性和更大的覆盖范围。在实际组网应用配置中，将网络分 为三级，底层基于删的客户端网络模式的网状结构，节点移动和拓扑变化较大，支 持传统的a dh o c 用户终端；中间层基于基础设施模式的网状结构，节点移动和拓扑变 化较小，支持更高的数据传输了，且可靠性相对较高；上层是对传统宽带无线域网接入 点连接组网的支持，最终通过这些接入点连接到因特网或者其他不同的网络。因此， 删拥有比a dh o c 网络和无线域网更灵活的结构。 2 1 2 无线m e s h 网络的特性 无线m e s h 网络是一种具有自组织、自形成和自治愈能力的多跳无线网络，m e s h 连接的特性使无线m e s h 网络具有其他无线网络所不具有的特性【7 j ，具体描述如下： 1 支持a dh o c 连接通信方式，具有自组织、自愈的能力 无线m e s h 网络是由a dh o c 网络发展而来的相对静态的无线网络，具有自组织、自 配置、自治愈的特点，能够自动的将各个节点组织起来建立一个多点对多点的网络并维 持网络的m e s h 连通性。无线m e s h 网络存在大量的网络拓扑，在构建网络拓扑时能够 提供多条通信链路，具有更高的冗余度，在不考虑无线链路相互干扰的情况下，网络的 9 东南大学硕士论文 连接性更强，当有某个路径断开时，无线m e s h 网络能够自动寻找其他的路径进行通信。 因此，网络的容错性大大增加。正是由于m e s h 网络灵活的网络架构，简单的部署与配 置，较强的鲁棒性增强了无线m e s h 网络的网络性能。 2 多跳通信方式 无线m e s h 网络的个目标是以不牺牲信道容量为代价而扩展无线网络的覆盖范 围，为用户提供非视距范围的连接，因此多跳的通信方式是不可或缺的。无线m e s h 网 络中，源节点和目标节点的通信通过多个节点进行转发，由于节点间距很短，每个节点 只需保持较低的发射功率即可建立连接，因此，无线m e s h 网络能够保持原有的信道容 量而通过增加信息转发的跳数扩展覆盖范围。 3 节点移动性不同 无线m e s h 网络中有两种类型节点，节点移动性依赖于节点的类型。m e s h 路由器在 网络部署时基本固定下来，移动性小，而m e s h 客户端可以是固定的也可以是移动的。 节点选择使用路由协议时，要充分考虑到不同节点的移动性。 4 节点消耗功率由节点类型决定 m e s h 路由器一般对能量消耗没有严格的要求，而m e s h 客户端需要一个在能量使用 上比较有效的协议。譬如，一个支持m e s h 的传感器往往需要尽可能的降低通信协议的 能量消耗。因此为m e s h 路由器优化的m a c 协议和路由协议可能对m e s h 客户端并不合 适。 5 提供多种网络访问方式 无线m e s h 网络提供对i n t e m e t 的访问，提供对等网络之间的相互通信，通过无线 m e s h 网络融合的不同网络下的客户终端可以不经过i p 核心网的介入通过无线m e s h 网 络直接进行通信。 6 与现有无线网络的兼容性和互操作性。 无线m e s h 网络作为一种网络架构，需要采用具体的无线技术来实现。譬如，基于 i e e e 8 0 2 n 技术构建的无线m e s h 网络必须能够兼容i e e e 8 0 2 1 1 标准以支持传统w t f i 客户端，基于i e e e 8 0 2 1 6 技术构建的无线m e s h 网络必须能够兼容i e e e 8 0 2 1 6 标准以 支持w i m a x 客户端。 无线m e s h 网络的特性为其带来诸多好处，如降低前期投资、网络维护方便、健壮 性和可靠的服务区覆盖等；因为其自组织和自配置能力，w m n 可以做到增量部署。作 为无线技术，无线m e s