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基于w 心架构的城市警用网络的研究和实现 摘要 本文研究了无线网状网( w m nw i r e l e s sm e s hn e t w o r k ) 的相应关键技 术及其特点。w m n 由网状路由器节点和客户机节点组成，其中的网状路由器 节点组成了无线网状网的网络骨干，其移动性很小。他们一起为无线网状 网和其他常规无线网络的客户机节点提供网络的无线接入。w m n 技术结合 了中心式控制的蜂窝网与分布式控制的无线自组织网的优点，可有效克服 这两种技术的缺陷并显著提高无线网络的性能，已经成为下一代无线通信 网络的研究热点之一。w m n 可为无线个域网、局域网、校园网、城域网的 一系列应用提供高速无线宽带接入服务。虽然目前w m n 技术发展很快，但 其协议栈各层仍存在许多有待研究的课题。 本论文是特别针对警务工作而进行的研究。目的是研究w 心网络架构， 并依托该网络架构对现有的公安网络进行拓展，使其能够适合公安工作移 动的特点，并最终实现。 论文从分析w 架构入手，根据警务系统特点详细介绍了w m n 无线网 状网以及与之相关的理论技术之知识，论述w m n 在城市警用网络中的可行 性、先进性。在综合分析w 删现有技术特点的前提下，结合实际应用需求， 有针对性提出了自己的解决方法。论文以城市警用w m n 为目标，完善了w m n 路由协议m c r p 的可靠性，分析应用w m n 网络服务质量q o s 的保证模型， 规划设计了w m n 的安全层次和具体方案。论文最后提出了城市警用w m n 的 基本方案和网络架构的初步规划。 基于删架构的城市警用网络系统的实现，将方便公安用户通过各类 移动数据终端进行数据交换，这适用于刑警、治安警、交警、巡警等各类 警务人员，同时基于w m n 架构的网络也可以为公安工作提供高质量的移动 视频监控、语音通信等。 关键字：w m n ，警用，无线路由，无线网络安全，q o s 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。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己经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 日期： 2 垒q2 生旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留或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；本人授权陕西科技大学可以将本学位 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、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名：么磊羔日期： 矸 基于w m n 架构的城市警用网络的研究和实现 1 绪论 1 1 论文的选题背景 公安移动通信自上世纪五十年代末开始至今，取得了长足进展，经历了警用基 本级、警用功能级、警用自动级( 集群) 三个阶段，在公安工作中发挥了积极作用。 特别是改革开放以来，公安通信突飞猛进，在公安业务工作中发挥了越来越大的作 用，在网络建设上，自从公安部发布了以m p t - 1 3 2 7 为基础的模拟集群标准( 公安 移动通信网警用自动级规范) 后，公安集群网的建设得到了快速增长，组建了约1 4 0 0 个系统，7 0 0 0 个信道，3 0 万台终端设备，全国已有三分之二以上的地市建了模拟集 群网，总体运行情况良好。通信设备已成为公安民警必不可少的装备之一。另外， 少量大城市由于业务发展的需要，缓解频率资源紧张等原因，开始使用数字集群系 统，如2 0 0 1 年上海市公安局建成了8 0 0 兆t e t r a 数字集群通信系统，1 8 个基站， 2 0 0 0 多用户终端；北京市公安局拥有2 9 万个手台和车台，加入了正通网，该网也 是8 0 0 兆t e t r a 数字集群网。还有一些城市也正在酝酿上数字集群系统。归纳起 来，我国公安部门已经建立起了不同层次、不同规模、不同频段的专用移动通信系 统，已成为公安工作不可或缺的组成部分。 公安机关的性质、职责和它的工作特点决定了公安机关对在移动状态下快速、 安全、可靠的指挥调度、信息通信的长期需求。实践证明，移动通信在公安机关开 展日常警务、执行各项重大活动和警卫任务的安全保卫，以及处置突发事件中发挥 着不可或缺的重要的保障作用。公安机关也有许多反面教训说明，因为缺乏无线通 信手段而造成工作被动、延误战机，甚至导致民警负伤或牺牲的事件也不乏其例。 近年来，随着金盾工程建设步伐的进度不断加快，公安信息网络建设和信息网络化 的应用也在不断深入与完善，发展各种移动通信技术，将固定点的信息共享与查询 向移动状态下延伸，进而提高一线执法与服务的时效性与准确性，已经成为普及公 安信息应用的迫切需要，一线单位和民警对此需求呼声强烈。但无论是现有的模拟 集群网还是数字集群网，相对于公安一线单位和部门的实际工作需要而言都存在不 同程度上的问题，如网络通信质量无法保障( 存在盲区) 、通信信道利用率底、距离 短、传输速率太低( 1 2 0 0 b i t s ) 等。 无线网格网w m n ( w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ) 是一种新型的无线宽带接入网络，它 融合了无线局域网( w i r e l e s sl a n ，w l a n ) 和a dh o e 网络的优势，是一种大容量、 高速率、覆盖范围广的网络，成为宽带接入的有效手段，正在成为一种解决移动通 信“最后一公里”的有利网络结构。 陕西科技大学硕士学位论文 1 2 论文研究的目的和意义 1 2 1 目的 根据国家公安信息化工程( 即”金盾工程”) 的建设要求，结合公安系统的实际 工作需要，深入研究无线m e s h 网络结构特点，发掘其技术上的优势，构建一个网 状结构的无线网络，建设一套经济合理、资源优化的覆盖城市各主要街道和重点地 区的无线宽带城域网络，为公安队伍的各项工作提供强有力的信息化支撑手段，从 而大大提高公安队伍的战斗力。本论文旨在依托无线m e s h 网络，探讨研究无线m e s h 网络应用于警用领域的可行性，并针对警用领域的特点分别就无线m e s h 网络的路 由协议，q o s 、安全保密、网络框架等进行研究实施。 1 2 2 意义 无线m e s h 网络相对于传统的数字移动网络有以下优点： 1 、无线多跳网络无线m e s h 网络的目标是在不牺牲信道容量的情况下，扩展现 有无线网络的覆盖范围。另一个目标是在不具有直接视距无线链路的用户之间，提供 非视距连接。为了实现这些目标，不可避免的要采用多跳m e s h 网络。多跳m e s h 网络 架构中，无线链路间更短、发射功率更小、节点间干扰更少和频率重用效率更高，这 样可以在不牺牲信道容量的前提下获得更高的系统容量。 2 、多种类型的网络接入。m e s h 网络中，既支持无线终端接入骨干网，又支持无 线终端之间的对等网络通信。此外，把无线m e s h 网技术与其他无线网络相结合，可以 通过无线m e s h 网给这些无线网络的终端用户提供无线接入业务。 3 、可靠性大大增强。m e s h 网络采用的网络拓扑结构避免了点对多点星型结构， 如8 0 2 1 1 w l a n 和蜂窝网等由于集中控制方式而出现的业务汇聚、中心网络拥塞以及 干扰、单点故障，而需要额外的可靠性投资成本。 4 、具有冲突保护机制。m e s h 可对产生碰撞的链路进行识别，同时选择可选链 路与本身链路之间的夹角为钝角，减轻了链路间的干扰。 5 、简化链路设计。无线m e s h 网络通常只需要较短的单跳无线链路，所以不需 要安装天线塔，天线通常安装在屋顶、电线杆和灯柱上，这样一方面降低了天线假 设的成本( 传输距离与性能) ，另一方面降低了发射功率，减小了不同系统间的干扰 和网络自身的干扰，最终简化了无线链路的设计。 6 、非视距传输( n l o s ) 。利用无线m e s h 技术可以很容易实现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 2 基于w m n 架构的城市警用网络的研究和实现 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。 7 、组网灵活，维护方便。由于m e s h 网络自身的特点，如果需要拓展网络结构， 只需在相应的地方加上无线路由或智能接入单元等少量设备，即可完成网络结构扩 展，m e s h 网络的路由特性使得网络的升级扩容等工作丝毫不影响网络的正常使用， 提高了网络的柔韧性和可行性。 8 、投资成本底，风险小。无线m e s h 网络初建成本底，无线路由等智能接入单 元等基础设备小巧、易安装和维护，不需要像无线蜂窝系统那样的基站，无论是建 设还是维护成本均低廉的多。而m e s h 网络一旦投入运行，网络自身的可伸缩性、 易扩容、自动配置和应用范围广等优势更将系统的运行成本保持在一个非常底的水 平。 正是基予以上的特点，m e s h 网络可给城市各类警务活动提供无缝、安全、可靠 和长期的网络互联。当出现突发事件时，城市中的警务单位可在第一时间通过这个 无线移动宽带网络得到相关的资料，无论该单位是在什么地方、移动还是是静止 交通警察也可在车辆、驾驶人员的检查工作时，通过m e s h 网络接入相关数据库进 行人员、车辆的核对，刑事警察、治安警察等警种也可以同样方式获取、查询相应 的资料。另外，城区中的无线监视器等传感设备也可通过m e s h 网络将感应资料传 递给需要掌握的部门和单位，包括移动中的警务车辆，同时这些无线传感设备所感 应到的资料给各类案件的侦察提供了第一手的资料，为案件的侦破带来了极大的方 便。目前，社会治安状况随着社会经济的发展变得更加复杂，如何在有限的警力和 资源情况下，使公安工作可以更好的适应社会发展、工作效率更高效等问题已急需 解决，在这些问题中，公安信息通信效率低下一直是妨碍公安工作的一个重要方面。 将m e s h 网络应用于公安警务活动可以很好的解决现有公安信息通信的种种弊端， 为公安警务活动提供一个高效率、无处不在的公安网状网。 1 3 国内外发展状况 2 0 0 4 年1 月，1 e e e 8 0 2 1 1 w o r k i n g g r o u p 正式专门成立了网格研究组( m e s hs t u d y g r o u p ) ，同年3 月又成立了网格任务组( m e s ht a s kg r o u p ) ，标志着w m n 技术正 式迈上了广泛标准化道路。另外，其他标准如8 0 2 1 5 3 a 、8 0 2 1 5 4 和专用短程通信 ( d e d i c a t e ds h o r tr a n 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 设备来改进其现有技术，i e e e 8 0 2 1 6 已经将网格技术纳入其m a c 层协议标准中。 1 、应用基础理论与技术研究 近1 0 来，包括移动a dh o c 网络和w m n 在内的许多研究，已经取得了众多成 果，主要有以下方面： 路由协议的研究。协议的核心是适应网络无中心控制和网络时变的特征； 3 陕西科技大学硕士学位论文 媒体接入控制( m a c ) 协议的研究。主要是解决隐藏终端和提高接入能力等 问题，如m a c a 协议、控制信道和数据信道分裂的双信道方案和基于定向天线的 m a c 协议等； 在网络连接性方面，主要的背景是无线传感器网络，探讨问题的核心是节点密 度与分布问题； 在多播组播协议、t c p 协议、地址和带宽等网络资源分配、功率( 节能) 控 制、安全性问题、分布式算法，q o s 等方面有一些研究成果，但各部分的数量相对 较少； 一些针对w m n 的协议和系统仿真与实验研究有了一些新的结果。在短距离 a dh o c 网络的构建上，最近一些学者正在研究蓝牙散射网关键技术。 2 、专利技术 与w m n 相关的专利目前主要掌握在一些美国公司及研究机构手中。例如 m e s h n e t w o r k s 公司2 0 0 2 年6 月获得专利。为端到端和端到基础设施的通信网络提 供无线业务消息存储转发的系统和方法”。该专利提出了一种实现不在彼此传输范围 内的移动节点和无线基础设施部件间进行无线通信的系统和方法，基本思想是利用 了中间移动节点所具有的存储转发信息的能力2 0 0 4 年4 月，该公司获得专利“无 线端到端a dh o c 网络路由中对i p 地址到n l a c 地址映射及所存在网关的自动配置 和发现的系统和方法”。该专利的主要思想是采用一个h a s h 函数将i p 地址变换为一 个6 字节的m a c 地址，并附加在路由广播中主动传输给其他节点。此外，摩托罗 拉公司在2 0 0 3 年1 0 月获得专乖j “在a dh o c 网格网络中提高服务效率的方法和设 备”，其中涉及在w m n 中增强业务有效性的通信系统与设备。c a l y 公司于2 0 0 2 年 3 月获得专利“网格无线网络中包数据通信协议”，其中主要涉及网格无线网络节点 之间包数据的通信方法。 3 、应用系统集成 近年来，由于无线数据通信需求的推动，加上半导体、计算机等相关电子技术 领域的快速发展，短距离无线通信技术也经历了一个快速发展的阶段，w l a n 技术、 蓝牙技术、移动a dh o c 网络技术和超宽带( u l t r a w i d eb a n d u w b ) 技术等取得了 令人瞩目的成就。一般认为，未来的4 g 系统网络是各种不同网络拓扑结构的集成， 其中包括未来的蜂窝移动通信网络、卫星网络、公共电话交换网络、w l a n 、移动a d h o c 网络等，这些网络均集成到因特网骨干网或通过删n 集成到因特网中，而删n 可看作“因特网的无线版”。可见，w m n 将是未来无线通信领域重大技术革新。 d 、国内已开始研究应用 研究方面，国内目前主要工作集中在相关协议的仿真研究上，除个别机构参与 了部分标准制定外，基本上弱化了无线m e s h 网标准制定的话语权，一些研究工作没 能完全跟上国际主流趋势。国内迫切需要开展基于相关标准的无线m e s h 网关键技术 的研究，在协议的算法设计和原型系统研究上取得具有自主知识产权的创新性成果， 4 基于w m n 架构的城市警用网络的研究和实现 并为参与国际标准制定和相应国内标准的制定奠定基础。应用方面，目前在一些实 验系统和小型商业应用系统中已经成功应用，效果明显，少数国内院校已经在校园 内组建了m e s h 网络提供使用。无线m e s h 网建设从单个的点覆盖，到小区、校园的 片覆盖已经有很多的成功案例。 1 4 论文的研究工作内容 本文研究的内容是w m n 的相应关键技术，如w m n 的网络路由协议、q o s 保障、 安全保障以及w m n 架构的网络应用于城市警用的可行性，并在此基础上研究和实现 网络应用。 本论文的工作主要有： 1 通过对m e s h 网络的系统分析，了解m e s h 网络的特点及其优势，研究如何进 行无线警用技术开发应用。 2 熟悉并掌握无线m e s h 网络相关技术和特点，讨论了无线m e s h 网中的关键技术， 并在此基础上分析了其应用前景，研究其实施过程和最终应用性能情况，并在实践 中进行警用w m n 技术的攻关、实验。 3 依据i e e e 8 0 2 系列标准，规划和设计使用于警用无线网络的路由协议 4 无线m e s h 网络中q o s 保障模型。 5 探索无线m e s h 网络所可能的安全要素，设计可靠安全无线m e s h 网络模型： 6 以城市警用网络为目标，通过无线m e s h 架构实现网络设计建设。 5 陕西科技大学硕士学位论文 2w m n 及相关技术 2 1 w m n 概述 无线m e s h 网络( 无线网状网络一删n ) 也称为“多跳( m u l t i h o p ) ”网络，它是 一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术。 在传统的无线局域网( w l a n ) 中，每个客户端均通过一条与a p ( a c c e s s p o i n t ) 相连的无线链路来访问网络，用户如果要进行相互通信的话，必须首先访问一个固 定的接入点( a p ) ，这种网络结构被称为单跳网络。而在无线m e s h 网络中，任何无线 设备节点都可以同时作为a p 和路由器，网络中的每个节点都可以发送和接收信号， 每个节点都可以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，那么数据可以自动重新路由到一个通 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，直到到达最终目的地为止。这样的访问方 式就是多跳访问。 其实人们熟知的i n t e r n e t 就是一个m e s h 网络的典型例子。例如，当我们发送 一份e - m a i l 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，以便使电子邮件能够尽快到达 用户的信箱。 与传统的交换式网络相比，无线m e s h 网络去掉了节点之间的布线需求，但仍具 有分布式网络所提供的冗余机制和重新路由功能。在无线m e s h 网络里，如果要添加 新的设备，只需要简单地接上电源就可以了，它可以自动进行自我配置，并确定最 佳的多跳传输路径。添加或移动设备时，网络能够自动发现拓扑变化，并自动调整 通信路由，以获取最有效的传输路径。 2 2 w m n 网络结构 一般来讲，w m n 由客户节点、m e s h 路由器节点和网关节点组成。但根据网络配 置具体情况，w m n 不一定包含以上所有类型的节点。通常m e s h 客户节点可以是笔记 本电脑、p d a 、w i - f i 手机、r f i d 阅读器和无线传感器等，这些客户节点可以分为两 类：一类是普通的节点，它们不具有信息转发功能，只是做为普通终端设备接入网 络；另一类节点既具有普通终端的接入功能，又具有路由和信息转发功能，但通常 这类设备不具有网关或网桥节点功能。 w m n 的网络结构大致可以分为以下三类。 1 、平面网络结构 6 基于w m n 架构的城市警用网络的研究和实现 这种结构的删n 网络中所有的节点为对等结构，具有完全一致的特性，即每个 节点均包含相同的m a c 、路由、管理和安全等协议，既具有客户端节点的功能，又 具有转发业务的路由器功能。这种结构适用于节点数目较少且不需要接入到核心网 络的应用。 图2 - 1 删n 平面结构 f i 9 2 1p l a n a rc o n s t r u c t i o no fw l 唧 。 平面网络结构也称为终端设备网络结构，网络中的节点是具有m e s h 路由器功能 的增强性终端用户设备。这是一种任意网状的拓扑结构，节点可以任意移动，网络 拓扑结构会动态变化，在任一时刻，终端客户设备可以在不需要其他基础设施的条 件下独立运行，支持较高移动速率的移动终端，快速形成宽带网络。 2 、多级网络结构 图2 2 所示为删n 典型的多级结构，分为上下两层部分。在这种结构中，终端 节点可以是普通的手机、p d a 、笔记本电脑等。这些终端节点设备通过m e s h 路由器 接入到上层m e s h 结构的网络中，实现网络节点的互连互通。 该结构在接入点( m e s h 路由器) 与终端用户之间形成无线回路。移动终端通过 m e s h 路由器的路由选择和中继功能与网关节点形成无线链路，网关节点通过路由选 择及管理控制等功能为移动终端选择与目的节点通信的最佳路径，从而形成无线回 路。同时移动终端通过网关节点也可与其他网络相连，从而实现无线宽带接入。这 样的结构降低了系统建设成本，同时也提高了网络覆盖率和可靠性。这种结构的另 一个优点是网络可以兼容市场上已有的设备，但缺点是任意两个终端节点之间不具 备直接通信的能力。 。 7 幽2 2 删n 分级结构 f i 9 2 - 2h i b e r a r c h yo fw m n 3 、混合网络结构 这种结构中，终端节点已不是目前市面上仅仅支持w l a n 的普通设备，而是增加 了具有转发和路由功能的m e s h 设备，设备之间可以直接通信。一般来说终端设备需 要同时支持接入上层m e s h 路由器和本层网络对等节点的功能。 图2 3w n 混合结构 f i 9 2 3h y b r i ds t r u c t u r eo fw m n 上述w m n 的三种结构显示了w m n 可以在一个广阔的区域实现多跳方式无线通信 8 基于w i v i n 架构的城市警用网络的研究和实现 的优势。在w m n 的应用中，移动终端可以与其他网络连接，实现无线宽带接入，或 者又可于其他用户直接进行通信，并且可以作为中间路由转发器转发数据，所以， w m n 不仅可以看做是w l a n 与a dh o c 网络融和的一种网络，也可以看做是无线版的 广域网。 值得一提的是，w m n 因其非可视传输模式下的高容量( 近5 0 k m 的覆盖距离以及 高达7 0 m s 的带宽) 等优势，目前呈现出蓬勃发展的势头。 2 3w m n 网络由协议 从路由分析和设计的角度来看，w m n 路由具有以下特点： ( 1 ) 可移动性。w m n 网络中的各个节点应该可以具有一定的移动性，m r ( m o b i l e r o u t e r ) 或者m c ( m e s hc l i e n t ) 均是可移动的。 ( 2 ) 能量约束性。w m n 网络中，各个m r 、m c 由于具有了可移动性，大多由电 池系统为动力，所以在路由协议的设计上应该考虑一种低能耗和高效率的路 由协议。 ( 3 ) 业务模式。w m n 网络中可以是不同的节点间的相互通信，也可以是节点通 过w m n 网关与其它网络节点的联系，那么w m n 路由的协议设计也应该考 虑到网络数据通信所使用的时间和带宽所带来的问题，例如质量和效率的平 衡性。 2 3 1w m n 路由协议分类 根据w m n 路由所应具有的特点，结合目前已实用的一些w m n 路由方案，可 大致分为以下几中类型： 多判断路由 许多已有路由协议均使用最小跳数作为判断依据。但研究表明，该种路由判断 在大多数情况下并非有效，对于两节点之间满足最小跳原则的路径，由于干扰冲突 和通信距离等因素，链路性能可能会很差，网络吞吐量也将变的很差。并且，一旦 链路遇到干扰冲突时，这种路由也往往不是最优路由。 多信道路由 在w m n 中，使用多信道的方式有很多种，如单收发器多信道、多收发器多信 道等，研究和实际使用情况表明，它们都可以在w m n 网络的吞吐量、减缓信道延 时、提供高带宽等主要指标上获得较大的提高。m r l q r s 协议是该类协议中得一 个典型代表。 多径路由 由于w m n 中所有的网络节点通过路由协议共享网络资源，因此，w m n 路由 必须满足负载均衡这一要求。目前有两种办法解决：一是通过路由发现机制在业务 9 陕西科技大学硕士学位论文 业务流建立阶段“绕过”拥塞区；二是利用路由维护机制，在发现链路拥塞时自动 选择其他路径进行数据传输。多径路由协议在源节点和目的节点间实现了多条路径 选择，可以很好避免单路径时网络拥塞和震荡的影响，还可以在充分利用带宽资源 的同时实现负载均衡、路由容错等。由于多径路由的上述特点，所以对其的研究目 前是个热点方向。 分级路由 随着网络规模的增大，传统的利用广播机制来进行路由查找的方法会消耗很多 网络资源。同时，由于大规模网络建立路径将花费很长时间，使端到端的延时变大， 一旦路径建立，由于路径变化又需要消耗很大的网络资源，才能进行路由重建。因 此针对网络不同层面和部分按照所需通信延时和带宽等因素采用分级路由方式，可 以很好的解决网络资源的消耗过快，但该方法将使的路由设计边得异常复杂。 跨层路由 以往的路由研究和设计工作大多集中在网络的第三层上，但对于w m n ，因为 网络的时变特性，路由性能并不理想，所以可以从第二层上提取一些状态参数信息 作为路由判断依据，可以考虑合并m a c 与路由层之间的一些功能。 此外目前已经有了类似的跨层研究成果，提出了从网络底层采集路由判断的方 法来进行路由选择，其中考虑到了m a c 冲突、包传输率与数据成功传输率等参数。 协议中根据这些判断选择具有较少冲突发生、数据传输可靠及传输高效率的路径。 跨层设计可以使路由协议收集到节点底层的实际传输情况，从而作出正确的路 径选择，这对网络性能的提高有很大的意义。目前，该方向的研究也是个热点。 q o s 路由 为用户提供q o s 保证也是当前研究的一大热点。特别是对于实时业务，如何提 供q o s 支持是w m n 中迫切解决的问题。q o s 路由的主要思想是首先选择满足用户 各种q o s 要求的到达耳的节点的路经，其次，在路径建立后，若当前路径已经不能 满足用户q o s 需求，那么节点需要寻找新的路由。 基于地理位置信息的路由 与基于拓扑的网络路由协议相比，基于地理位置信息的路由参考节点的地理位 置信息来传递数据包，这种路由需要依靠g p s 等类似的设备，从而增加了成本与复 杂性，并且获得目的节点的位置信息位置还要给网络带来很的开销。 2 3 2 多射频链路质量源路由( m r - l q s r ) 协议 m r l q s r ( m u l t i r a d i ol i n k q u a l i t ys o u r c er o u t i n g ) 协议是微软公司研发的多 信道w m n 协议，它采用一种新的路由性能判断依据，称为加权的累计传输时间 ( w c e t t ，w e i g h t e dc u m u l a t i v ee x p e c t e dt r a n s m i s s i o nt i m e ) 。w c e t t 综合考虑带 宽等链路性能参数，以及最小跳数等因素。该协议能在吞吐量与延时之间取得一种 基于w m n 架构的城市警用网络的研究和实现 平衡，是一种累计传输时间的判断和链路状态源路由协议( l q s rl i n l 【q u a l i t y s o u r c er o u t i n g ) 的结合。这种路由协议在设计的时候主要参考以下相关链路状态作 为路由的判断。 跳数( h o p h o p c o u n t ) 即最短路由，一旦网络的拓扑结构清晰，那么很容易就计算出源节点到目的节 点之间的最小跳数，这种判断实现简单，但缺点是没有考虑网络带宽和丢包现象， 并且不能最大化数据流的吞吐量，如若有两条路径，第一条为可靠或高速的两跳路 径，第二条为易断或低速的一跳路径，根据h o p 的判断，将选择跳数少的路径，即 第二条。 单跳往返时间( r t t p e r - h o pr o u n d t r i p t i m e ) 这种判断依据的是邻居间单播探测包的方法来对往返时间进行测试。为了计算 r t t 值，节点每5 0 0 m s 发送一个单播探测包给邻居节点，该包携带时间标记。邻居 节点收到探测包后，立即进行回复，并把探测包中的时间标记回送给源节点。通过 该方法，发送节点可以获得与不同邻居的往返时间。该节点利用一个指数权重来获 得邻居r t t 的平均值，即r t t 的加权平均值。r t t 值反映了很多链路质量因子的 变化。首先，如果每个节点或者邻居节点都处于忙状态，探测包或者探测回复将因 排队延迟导致测得的r 1 广r 值比较大。其次，如果每个节点或者邻居节点都处于闲状 态，探测包或者探测回复将因信道竞争导致延迟，再一次使得r t t 值比较大。第三， 该判断没有明确考虑链路的带宽和传输速率，使用多大的探测包不至于对网络的开 销产生影响不明确。最后，在网络中因负载独立的判断引起网络的不稳定是一个众 所周知的问题，即“自干扰”也会使得r 丌值变的增大。总之，该方法不太适于大 密度网络应用。 单跳包对延时( p k t p a i rp e r - h o pp a c k e rp a i rd e l a y ) 该判断是通过发往某邻居的一对连续探测包的分析统计来获得的，这可以避免 r t t 因队列延迟而产生的失真。该判断的计算方法是，节点需要每2 s 发送一对探测 包给邻节点，第一个探测包较小，第二个探测包较大。邻居节点接受数据包，计算 其时间差，并将该信息回送给源节点。发送节点为每个邻居维护一个指数权重的滑 动平均延迟。此类路由算法的目标是选择延时之和最小的路径。 与r t t 相似，单跳包对延时的判断反映了很多链路质量因子的变化。如果存在 较高的包丢失，第二个探测包需要重传，其邻居节点的接收时间差必定增大。如果 与邻居节点间带宽较小，第二个包将花费更多的时间在传输上，这也将导致接受时 间差的增大。如果邻居节点上有业务数据正在传输，仍将导致接收时间差增大，因 为探测包需要进行信道竞争。 单跳包对延时相对与r ，丌的主要优点是不受队列延迟的影响，因为两个数据包 的队列延迟相等。另，由于第二个数据包较大，使得该判断方法比r t t 对链路的带 宽更敏感。 l l 陕西科技大学硕士学位论文 这种方法也有一定的缺点。首先，起开销远远大于r 丌判断，因为邻居间需要 发送两个数据包，并且第二个数据包较大。第二，不能完全解决“自干扰”问题。 例如，a 、b 、c 三个无线节点组成一个两跳，且a 通过b 向c 发送数据。如果在 a 到b 之间已经存在一个队列，那么该连接的判断测试将不受队列的影响，因为探 测包的延时相等。但考虑b 到c 的连接，节点b 在从a 接收数据包的同时不能接 收c 所发的数据包。这种情况下就会出现信到竞争，这将增加b 到c 的p k e p a i r 值， 等效的增加了a 到c 的p k t p a i r 值。虽然如此，单跳包对延时相对与r 1 广r 的“白干 扰”，问题却小的多了。 期望传输计数( e t xe x p e c t e dt r a n s m i s s i o nc o u n t ) 该判断通过测试节点间广播包的丢包率来估计单播数据包的传输次数。为了计 算e t x ，节点每秒广播一个探测包，该探测包包括在前l o s 内从邻居接收到的探测 包情况。基于这种探测包，节点分别计算出本节点到邻居节点和邻居节点到本节点 链路的探测包丢包率，并运用这些信息估算出单播数据包的重传次数。 e x t 有着很多优点。因为节点以广播包代替以往的单播包，在很大程度上减小 了网络开销。该判断几乎没有延迟，所以没有自干扰现象。 这种方法的主要缺点是，广播探测包很小，并且以最小速率来进行传输，这与 高速情况下的丢包现象不同。另外，该方法并没有直接考虑链路负载和数据传输率， 一个超负荷的链路可能根本就很少丢包，而两个具有不同传输率的链路却可能有相 同的丢包率。 l q s r 是一个在d r s ( d y n a m i cs o u r c er o u t i n g 动态源路由协议) 基础上提出 的源路由链路状态路由协议，包括4 个部分： 邻节点的发现； 为节点到邻节点的链路进行权重分配； 节点间信息传送； 通过链路权信息来查找到达目的节点的最优路径。 m r l q s r 协议是在l q s r 基础上运用w c e t t 判断依据而实现的，m r l o s r 协议在进行路由选择时，综合考虑了链接的错误传输率与带宽等因素，路径的判断 依照链路的权重进行了组合，这种判断除了可以明确反映共道干扰对吞吐量变化的 影响，还对互不干扰的信道之间有无干扰进行了一定的反映。m r l q s r 为每个链 接分配了一个权重，即链路上传输s 大小的数据包所需的传输次数。该传输次数依 赖于错误传输率与带宽。假设一个从x 节点到y 节点的链接i ，若己知如何计算该 链路的期望传输时间( e t te x p e c t e dt r a n s l a t i o nt i m e ) ，则该链路的e t t 值表示为 e t t ，。对于一个n 跳路径，路径使用了k 个信道，数据在信道j 上的传输时间之和 表示为x j ： x j = y e 珥 1 j k ( 1 ) 谈跳相：谢上 基于w m n 架构的城市警用网络的研究和实现 路径的总吞吐量将受限于瓶颈信道，该信道拥有最大的x ， w c e l 广r = m 缸z ；( 2 ) 】j 衅 为了较好的进行路径判断，w c e t r 对上述公式的结果进行加权平均。 w c e t t = ( 卜b ) y e 珏+ b m a x x 。 o b 1 钎 “，“ 由上公式可以看出，w c e t t 是一个全局优化和个体化之间的平衡，公式的第 一部分是整条链路的传输延时，反映了路径全局资源的消耗程度。第二部分反映了 不同节点集，这些节点集的属性直接影响该路经的网络吞吐量。加权平均可以在两 者之问获得某种平衡，避免了整个网络出现过载的情况。1 3 是一个可调因子，如果 需要提高信道的利用率，简单的最小化资源消耗即可，即设置b = o 。 2 4 w m n 的q o s 相关技术 从w m n 自身特性来讲，w m n 是一种高容量、高速率、多信道、多跳性的分 布式网络，由此带来的无线多跳网络中q o s 问题是_ 二个非常复杂和关键的技术。 鉴于w m n 支持多种业务，包括视频类、v o l p 类及因特网等业务，其q o s 一 般采取以下几种方法综合使用。 1 ) 记帐：不同质量的业务按照不同的价格来控制网络资源与用户之间的供需关 系。 2 ) 资源预留：q o s 要求在源和终点之间的路径上，在通信持续时间内保留一定 的带宽和相关的延迟优先权。 3 ) 流量控制：当用户发送超过业务合同允许的数据时，网络按照一定的规则对 过量数据进行丢弃或者将过量数据部分降低优先级。 4 1 优先登记排队：在源和终点之间的每个路由器或交换机上按照相应的规则 ( q o s 需求) 将业务进行排队，达到合同参数。 网络中的q o s 无法保证的原因主要有网络资源不足和物理信道质量较差。网络 资源不足会使业务发生拥塞，而采用冗余编码、增大信号强度和更换路由等方法在 提高信道质量的同时将会加重网络的拥塞。w m n 中q o s 保证的基本方法一般有下 面几种： 1 ) 综合服务模型( i n t s e r vi n t e g r a t e ds e r v i c e ) 。 综合业务模型是i e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 提出的。在综合业务体系 机构中，提出了3 种服务等级。除了原来的尽力而为服务外，i n t s e r v 还以每个流( 单 独的或汇聚的) 为基础提供了两种端到端的面向实时传输的服务，即质量保证型服 务( g u a r a n t e e d s e r v i c e ) 和可控负载型服务( c o n t r o l l e dl o a ds e r v i c e ) 。i n t s e r v 最 主要的优点是它提供的服务等级与在多服务网络环境中提供的广泛的不同的应用类 型匹配。 一方面质量保证型服务特别适合支持对时间要求严格、不可忍受延迟的应用， 另一方面，对时间要求不严格，可忍受延迟的应用和一些自适应应用，有可控负载 型服务支持。i n t s e r v 没有改变尽力而为服务类型，也没有改变网络中的转发机制， 这考虑了网络结构的可扩展性。也允许那些没有及时更新得以支持i n t s e r v 的终端用 户可以接收来自任何i n t s e r v 等级的数据。 2 1 区分服务类型( d i f f s e r vd i f f e r e n c i a t e ds e r v i c e ) d i f f s e r v 模型处理的对象不是单独的应用数据流，而是具有相同q o s 要求的流 的聚积。它使用i p 报头中标准化的d s c p ( d i f f s e r vc o d ep o i n t ) 字段来标记分组 要求的q o s ，启用d i f f s e r v 的路由器使用d s c p 指定的p h b p e rb o pb e h a v i o r ) 来传 输分组，p h b 是d i f f s e r v 节点对具有相同d s c p 的分组采用外部可见的转发行为， 可以通过访问资源优先权或通信性能特征来指定p h b d i f f s e r v 使用i p v 4 报头中的t o s 字段，重命名为d s 字段。该字段按预定规则 加以定义，使下行节点通过识别d s 字段，获取足够的信息来处理到达的数据包，并 将他们正确转发给下一节点，把复杂的q o s 保证通过d s 字段转化为p h b 。当数据包 进入边界节点时，首先根据五元组或其他标识手段进行分组到流的区分，并把分类 结果传给计量器分析，计量器对流的特性进行测量( 如速率，突发长度等) ，将流统 计信息传给标记器和整形丢包器，调整这两个模块的数据；分类后的数据包进入标 记器，打上相应的d s c p 值( 也可能是i p 优先级或路由器内部的q o s 组) ，同时送入 整形丢包模块中，整形可以平缓突发通信，对超过平均速率的分组进行排队或置入 缓存，当业务流超出一定程度时则丢弃；当流量进入内部节点后，判断对分组采取 何种p h b ，同一行为聚合体的分组按相同的方法处理，通过队列调度( 如f i f o ，w f q 等) ，完成对不同p h b 的区分。 i n t s e r v 模型由于是基于流的与状态相关的服务模型，随着流数目的增加，状 态信息的数量将比例增大，所以可扩展性较差。但由于服务的粒度是每个流，所以 能提供有绝对保证的q o s 。d i f f s e r v 模型最大的优点在于扩展性能好，d i f f s e r v 服 务的粒度不再是每个流，而是比流更“粗”的粒度。实际应用中，可以将两者有机 的结合在一起，在网络的边缘区域使用i n t s e r v 模型，在网络的核心区域使用d i f f s e r v 模型。 3 1 资源预留协议( r s v pr e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) r s v p 协议用于点到点通信和点到多点通信的因特网环境中多媒体用户对网络 资源的预留，是一种基于接收端，由接收端发起的资源预留协议。不同的接收端对 q o s 要求可能不同，由它向发送端指明所希望接收的数据流的q o s 参数。在通信双 方已经建立了的路径上，通过源端发出的p a t h 消息和接收端发出的r e s v 消息进行 动态的q o s 协商，达到资源预留的目的。为了维持预留资源，r s v p 协议使路由器或 交换节点维持在一个“软状态”( s o f ts t a t e ) ，这个状态周期性地由p a t h 和r e s v 1 4 基于w m n 架构的城市警用网络的研究和实现 消息来更新，也可以由拆卸消息来取消。如果在一段时间内没有收到更新报文，预 留的资源也将被取消。 r s v p 协议的资源预留请求由流量说明( f l o w s p e c ) 和过滤器说明( f i l t e r s p e c ) 来定义。流量说明以定量的形式指定服务需要的q o s ，如最大延时，平均吞吐量， 最大突发率等。过滤器说明定义了资源预留需要的分组数据的格式。流量说明和过 滤器说明一起被称为流量描述器( f o l wd e s c r i p t o r ) 。除了流量描述器，资源“预 留类型”也与资源的请求有关。r s v p 定义了以下几种预留类型： 通配过滤器( w f w i l d c a r d f i l t e r ) 类型：该类型的每段链路有一条资源 “管道”，可被本次会话的所有发送者使用。管道大小为所有接收者对此链 路的最大资源请求，独立于发送者的数量。这种类型特别适合于用户都能收 发数据的多对、多组通道。 固定过滤器( f f f i x e d f i l t e r ) 类型：这种类型是对特定的发送者预留 的资源，不能被其它的发送者共享，并且不能改变资源的预留量。 动态过滤器( d f d y n 锄i c f i l t e r ) 类型：这种类型允许接收者修改它的 发送源，而不需要额外的准入控制。 r s v p 将具有一定目的和传输层协议的数据流称为会话( s e s s i o n ) ，并独立处理 每个会话。r s v p 的会话由相应的目的地址、传输层协议和会话端口来识别。r s v p 包括两类最基本的控制分组：p a t h ( 控制) 类分组和r e s v ( 预留) 类分组p a t h , 类分组由数据源端发出，r e s v 则由数据接收端作为对p a t h 路径中各网络元素的 资源，要求沿p a t h 分组设置的路径返回。如果接收端不需要资源预留，则不返回 r e s v 分组，而直接沿相应的路径接收来自源端的信息。 图2 - 4r s v p 建立预留的过程 f i 9 2 - 4r s v pb u i l dc o u l e eo fo b l i g a t e r s v p 只是一个信令协议，用来帮助建立端主机和路由器的资源保留状态。资源 和服务管理算法主要依赖于所支持的服务级别。r s v p l 将两个应用程序间的i p 流当 作网络层的“连接”来处理，它在i p 层提供