（信号与信息处理专业论文）无线mesh网络路由技术的研究.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学信号与信息处理 题目：无线m e s h 网络路由技术的研究 j i i iii i 1 111 1 1 11i ii y 17 5 5 0 8 2 英文题目：s t u d yo ft h er o u t i n gt e c h n o l o g yi nw i r e l e s sm e s hn e t w o r k 主题词：无线m e s h 网络路由协议延时抖动节点移动性泛洪算法 k e y w o r d s ：w m n ；r o u t i n gp r o t o c o l ；d e l a y ；j i t t e r ；n o d em o b i l i t y ；f l o o d i n g a l g o r i t h m 项目资助：江苏省高校自然科学重大基础研究项目“基于环境感知的异构无线 m e s h 网络体系结构及关键技术研究”，编号：0 6 k j a 5 1 0 0 1 南京邮电大学硕上研究生学位论文摘要 摘要 w m n ( w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ，无线m e s h 网络) 是一种高速率、高容量的多点对多 点网络，是解决“最后一公里”问题的新型分布式网络。w m n 由m a n e t 发展而来，并 承袭了部分w l a n 技术，是i n t e m e t 的无线版本。它具有自组织、自配置、自治愈、频率 效率高、覆盖范围广、可扩展性强及可靠性高等特点。w m n 网络拓扑结构动态变化，且 每个节点都具备路由转发功能，因此无线路由协议对w m n 的性能有着重要影响，是w m n 研究的关键。 基于n s 2 网络模拟平台，本文对四种经典w m n 路由协议d s r 、d s d v 、a o d v 、 t o r a ，进行了性能分析与比较。针对标准a o d v 路由协议存在的问题，提出了a o d v - d ( a o d vb a s e do nd e l a y ) 与a o d v - j ( a o d vb a s e do nj i t t e r ) 两种基于q o s 的改进路由 协议和基于节点移动性的改进路由协议a o d v - n m ( a o d vb a s e do nn o d em o b i l i t y ) 。 a o d v - d 与a d o v - j 扩展了标准a o d v 协议中的邻居表，分别使用延时与抖动作为路由 度量，同时改进了标准a o d v 协议的泛洪算法，使其能够针对链路状态选择性广播r r e q 分组，从而实现q o s 路由的选取。a o d v o n m 在标准a o d v 协议的基础上增加了节点移 动性的探测能力，能够依据节点移动速度有选择的广播r r e q 分组，达到选择稳定链路的 目的。 本文在n s 2 网络模拟平台上实现了这三种新的路由改进协议，仿真结果表明，新协 议在分组投递率、平均端到端延时、路由负荷等方面较标准a o d v 协议均有不同的提升， 具备了较好的网络性能。 关键字：无线m e s h 网络、路由协议、延时、抖动、节点移动性、泛洪算法 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a san e wt y p eo fh i g h - r a t ea n dh i g h - c a p a b i l i t ym u l t i h o pd i s t r i b u t e dn e t w o r k , w i r e l e s s m e s hn e t w o r k ( w m n ) i sc o n s i d e r e dt ob eas o l u t i o nt ot h e ”l a s tm i l e ”i s s u e w m n ，d e r i v i n g f r o mm o b i l ea dh o en e t w o r k ( m a n e t ) a n dw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ( w e a n ) ，i saw i r e l e s s v e r s i o no fi n t e r a c t w m ni sc h a r a c t e r i z e db yd i s t i n g u i s h e df e a t u r e ss u c ha ss e l f - o r g a n i z a t i o n , s e l f - c o n f i g u r a t i o n ，s e l f - h e a l i n g ，h i g hs p e c t r a le f f i c i e n c y , w i d ec o v e r a g e ，h i g hs c a l a b i l i t ya n dh i 曲 r e l i a b i l i t y t h en e t w o r ks t r u c t u r eo fw m n i sd y n a m i ca n de v e r yn o d ec a ns e n da n dr e c e i v e s i g n a l st oc o m m u n i c a t ed i r e c t l y 诵t ht h ee q u i v a l e n tn o d e s ，w h i c hm a k e st h er o u t i n gt e c h n o l o g y ak e yp o i n to fw m n w i r e l e s sr o u t i n gp r o t o c o lp e r f o r m sg r e a tf u n c t i o no nt h eo p t i m i z a t i o no f n e t w o r kp e r f o r m a n c e ，a n dt h i st h e s i ss t u d i e dw m n r o u t i n gp r o t o c 0 1 b a s e do nn s 一2p l a t f o r m ，t h ep e r f o r m a n c e so ff o u rt y p i c a lw m n r o u t i n gp r o t o c o l s ，d s r , d s d v , a o d v , t o r a ，w e r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d i no r d e rt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f a o d v , t h r e ek i n d so fn e wi m p r o v e dr o u t i n gp r o t o c o l sw e r ep r o p o s e d ，c a l l e da o d v - d ( a o d v b a s e do nd e l a y ) ，a o d v - j ( a o d vb a s e do nj i t t e r ) a n da o d v - n m ( a o d vb a s e do l ln o d e m o b i l i t y ) r e s p e c t i v e l y a o d v - da n da o d v - ja leq o si m p r o v e dp r o t o c o l s ，w h i c he x t e n dt h e n e i g h b o rt a b l eo fa o d v , b ya d d i n gd e l a ye n t r ya n dj i t t e re n t r yr e s p e c t i v e l y m o r e o v e r , t h e ya l s o m o d i f i e dt h ef l o o d i n ga l g o r i t h m ，a n dt h er r e q p a c k e t sw e r ef l o o d e da c c o r d i n gt ot h el i n ks t a t e a o d v - n mm a k e ss t a n d a r da o d va b l et od e t e c ts p e e do fe a c hn o d e ，a n du s e saf a m i l i a r f l o o d i n ga l g o r i t h ma sa o d v - da n da o d v - j t h e s et h r e en e wi m p r o v e dr o u t i n gp r o t o c o l sw e r ei m p l e m e n t e do nn s - 2p l a t f o r m t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tp a c k e td e l i v e r yr a t e ，a v e r a g ee n d t o - e n dd e l a ya n dr o u t el o a da r e o p t i m i z e db yt h en e wp r o t o c o l s k e yw o r d s ：w m n ；r o u t i n gp r o t o c o l ；d e l a y ；j i t t e r ；n o d em o b i l i t y ；f l o o d i n ga l g o r i t h m i i 南京邮电大学硕上研究生学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 专用术语注释表v i 第一章绪论1 1 1 课题背景1 1 2 本文研究内容及主要创新点2 1 3 论文结构与安排3 第二章无线m e s h 网络体系结构4 2 1 无线m e s h 网络的起源与发展4 2 2 无线m e s h 网络的网络结构5 2 2 1 客户端结构6 2 2 2 骨干网结构7 2 2 3 混合结构8 2 3 无线m e s h 网络的特点9 2 3 1 无线m e s h 网络的优势9 2 3 2 无线m e s h 网络存在的问题1 0 2 4 无线m e s h 网络的应用1 1 2 5 无线m e s h 网络与其他无线网络的比较1 4 2 5 1 无线m e s h 网络与蜂窝网络的比较1 4 2 5 2 无线m e s h 网络与w l a n ( w i f i ) 的比较1 5 2 5 3 无线m e s h 网络与w i m a x 的比较1 5 2 5 4 无线m e s h 网络与移动a dh o c 网的比较1 6 2 6 本章小结1 7 第三章无线m e s h 网络中的路由技术1 8 3 1 无线m e s h 网络路由协议概述1 8 3 2 单信道无线m e s h 网络路由协议1 9 3 2 1 表驱动路由协议2 0 i l l 南京邮电大学硕士研究生学位论文目录 3 2 2 按需路由协议2 2 3 2 3 混合路由协议2 4 3 3 多信道无线m e s h 网络路由协议2 6 3 4 无线m e s h 网络的q o s 路由2 8 3 5 典型无线m e s h 网络路由协议的仿真及其性能分析2 9 3 5 1n s - 2 仿真平台简介2 9 3 5 2 仿真场景的建立3 2 3 5 3 性能评估指标3 3 3 5 4 仿真结果与性能分析3 4 3 6 本章小结3 8 第四章两种新的基于a o d v 的q o s 路由改进方案3 9 4 1a o d v 路由协议研究3 9 4 1 1 协议描述3 9 4 1 2a o d v 协议在n s 一2 仿真平台的实现4 2 4 2 基于延时的a o d v 路由协议的改进4 9 4 3 基于抖动的a o d v 路由协议的改进5 2 4 4 改进方案在n s - 2 平台的实现5 3 4 4 1 基于延时的路由方案的实现5 3 4 4 2 基于抖动的路由方案的实现5 7 4 5 改进方案性能分析5 9 4 5 1 仿真场景的建立5 9 4 5 2 仿真结果与性能分析6 0 4 6 本章小结6 2 第五章一种新的基于节点移动性的a o d v 改进方案6 3 5 1 基于节点移动性的算法思想6 3 5 2 基于n s 一2 平台的实现6 4 5 3 改进方案性能分析6 6 5 3 1 仿真场景的建立6 6 5 3 2 仿真结果与性能分析6 7 5 4 本章小结7 0 i v 南京邮电人学硕士研究生学位论文目录 第六章总结与展望7 1 6 1 本文主要成果7 l 6 2 未来工作展望7 1 致谢7 3 攻读硕士学位期间的研究成果7 4 参考文献7 5 v 南京邮电大学硕： ：研究生学位论文 专用术语注释表 a b r a o d v a o d v d a o d v j a o d v - n m a o m d v 姆 c b r p c g s r d r p d s d v d s r f s r g s r h s r h o m e r f h w m p i a i 冲 i e r p l c c 僵a n e t m a o d v 专用术语注释表 a s s o s i a t i v i t yb a s e dr o u t i n g a dh o eo nd e m a n dd i s t a n c ev e c t o r a o d vb a s e do nd e l a y a o d vb a s e do nj i t t e r a o d vb a s e do nn o d em o b i l i t y a dh o co n - d e m a n dm u l t i p a t hd i s t a n c ev e c t o r a c c e s sp o i n t c l u s t e rb a s e dr o u t i n gp r o t o c o l c l u s t e r h e a dg a t e w a ys w i t c hr o u t i n gp r o t o c o l d y n a m i cr o u t i n gp r o t o c o l d e s t i n a t i o n - s e q u e n c e dd i s t a n c ev e c t o r d y n a m i cs o u r c er o u t i n g f i s h e y es t a t er o u t i n g g l o b a ls t a t er o u t i n g h i e r a r c h i c a ls t a t er o u t i n g h o m er a d i of r e q u e n c y h y b r i dw i r e l e s sm e s hp r o t o c o l i n t r a z o n er o u t i n gp r o t o c o l i n t e r z o n er o u t i n gp r o t o c o l l e a s tc l u s t e rc h a n g e m o b i l ea dh o cn e t w o r k m u l t i c a s ta dh o co n d e m a n dd i s t a n c ev e c t o r m cm e s hc l i e n t m c r p m p 2 m p m r m u l t i c h a n n e lr o u t i n gp r o t o c o l m u l t i p l ep e e rt om u l t i p l ep e e r m e s hr o u t e r v i 基于关联性路由协议 按需距离矢量协议 基于延时的a o d v 基于抖动的a o d v 基于节点移动性的a o d v 多径a o d v 接入点 基于簇的路由协议 簇首网关交换协议 动态路由协议 基于目的序号距离矢量协议 动态源路由协议 鱼眼状态路由协议 全局状态路由协议 分层状态路由协议 家庭无线网 混合无线m e s h 路由协议 区内路由协议 区间路由协议 最小簇变化 移动a dh o c 网络 多播a o d v m e s h 客户端 多信道路由协议 多点到多点 m e s h 路由器 南京邮电大学硕士研究生学位论文 专用术语注释表 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多射频链路质量源路由协议 n l o s n o n l i g h to fs i g h t 非视距 n s 2n e t w o r ks i m u l a t o rv e r s i o n2网络模拟器第二版 o s p f o p e ns h o r t e s tp a t hf i r s t开放最短路径优先 p 2 pp e e r - t o p e e r点对点 p r np a c k e tr a d i on e t w o r k 分组无线网 q o sq u a l i t yo fs e r v i c e 服务质量 r e r r r o u t ee r r o r路由错误分组 r f i d r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n射频识别 r i p r o u t i n gi n f o r m a t i o np r o t o c o l路由信息协议 r r e pr o u t er e p l y路由应答分组 r r e q r o u t er e q u e s t路由请求分组 r t r o u t i n gt a b l e 路由表 s d us e r v i c ed a t au n i t服务数据单元 s r p s t a t i cr o u t i n gp r o t o c o l静态路由协议 s s r s i g n a ls t a b i l i t yr o u t i n g基于信号稳定性路由协议 t o r a t e m p o r a l l yo r d e r e dl b u t i n ga l g o r i t h m临时按序路由协议 t t l t i m e t ol i v e 生命周期 v i n tv i r t u a li n t e r n e t w o r kt e s t b e d 虚拟互联网络测试平台 v o i pv o i c eo v e ri n t e r n e tp r o t o c o l 网络电话 v p nv i r t u a lp r i v a t en e t w o r k 虚拟专用网 w i f i w i r e l e s sf i d e l i t y无线高保真技术 w i m a x w o r l d w i d e i n t e r o p e r a b i l i t y f o rm i c r o w a v e 微波存取全球互通 a c c e s s 、儿a nw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k w m n w r p z h l s z r p w i r e l e s sm e s hn e t w o r k w i r e l e s sr o u t i n gp r o t o c o l z o n e b a s e dh i e r a r c h i c a ll i n ks t a t e z o n er o u t i n gp r o t o c o l v l i 无线局域网 无线m e s h 网络 无线路由协议 域分层链路状态协议 区域路由协议 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 随着生活方式的变革，有线网络已远远不能满足人们工作学习娱乐等方面的需要。近 年来移动通信技术得到了迅速普及，各种无线网络顺其自然地踏上了人们的生活舞台。蜂 窝移动通信系统，w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ，无线局域网) 【1 1 ，蓝牙技术，h o m e r f ( h o m er a d i of r e q u e n c y ，家庭无线网) ，卫星通信等新技术纷纷涌现，大大推动了无线通 信技术的发展。 传统的无线网络为用户提供“最后一公罩 的无线接入服务，在语音接入方面取得了 巨大的成功。在实际应用中，传统无线网络暴露出了许多不足。利用空间资源复用概念的 蜂窝移动通信系统在一定程度上缓解了用户业务与系统资源的矛盾，但从投资效益角度 看，它只适合有永久用户业务需求的地区。w l a n 能够有效延伸i m e m e t 的覆盖范围，被 认为是3 g ( 3 r dg e n e r a t i o n ，第三代移动通信技术) 或3 g 后移动通信部分的一个主要竞争 对手。w l a n 最主要的不足是a p ( a c c e s sp o i n t ，接入点) 的覆盖范围有限，大范围的区 域覆盖将付出巨大的建设成本。m a n e t ( m o b i l ea dh o en e t w o r k ，移动a dh o e 网络或移 动自组织网络) 随着军事通信的需求而发展起来，但由于应用环境和技术成本等原因【2 】， 并不适合直接应用于民用通信领域。 无线网络的下一步发展目标是为用户提供更高的传输速率，以支持各种宽带业务接 入，特别是高速i n t e m e t 业务的接入。随着m a n e t 的发展，一种新兴的具有极大潜力的 无线宽带接入技术引起了学术界和宽带接入市场的关注，这就是w m n ( w i r e l e s sm e s h n e t w o r k ，无线m e s h 网络，又称为无线网状网、无线网格网等) 【3 ，4 1 。人们希望通过这种 全新的网络结构来克服传统无线网络的固有缺点，实现无线宽带领域中的一次变革。 w m n 由m a n e t 发展而来，是m a n e t 的一种特殊形态，可以看成是w l a n 和 m a n e t 技术的融合。它不同于传统的单跳无线网络，是一种高容量、高速率的分布式网 络，具有无中心、多跳路由、自组织等特性。w m n 以实现无线通信与i p 技术的融合为宗 旨，允许多个网络同时存在、不同网络自动区分，其拓扑结构动态可变，具有多跳和动态 路由能力。w m n 具备很强的扩展性和兼容性，可与其他无线网络结合，建网方便快捷， 成本低，能为无线个域网、校园网甚至城域网提供无线宽带接入服务，并提高无线接入系 统的带宽容量及通信可靠性。鉴于w m n 的广阔应用前景，对它的研究具有重要的理论意 l 南京邮电大学硕上研究生学位论文第一章绪论 义和实际意义。目前，w m n 研究在全世界十分活跃，w m n 结构已经被纳入到8 0 2 1 6 ， 8 0 2 1 6 e ，8 0 2 1 l s 等标准中，且逐渐进入民用商业化研发和应用阶段。 1 2 本文研究内容及主要创新点 路由技术是w m n 的关键技术之一，对w m n 的网络性能起着重要作用。由于节点的 移动，w m n 的网络拓扑结构常常处于变化之中，因此路由选择问题较有线网络与传统无 线网络更为复杂。w m n 路由协议基本等同于m a n e t 路由协议，但需要针对w m n 的特 点设计专门的高效路由协议。基于以下原因，w m n 路由协议的研究一直是一个热点： ( 1 ) 为进一步改善路由性能，需要采用新的路由度量来进行路由选择； ( 2 ) 现有的路由协议在可扩展性上有局限性； ( 3 ) 传统的网络体系结构各个层次之间都是相互透明的，只是通过层间的接口传递 s d u ( s e r v i c ed a t au n i t ，服务数据单元) ，但研究表明采用跨层设计能够进一步提高路由 协议的性能，所以w m n 路由协议的跨层设计是一个研究热点。 目前，国内外对m a n e t 的自组织算法和路由算法有非常多研究，但对于m a n e t 和 w m n 还没有正式的路由协议标准。本课题主要目的是研究适应于w m n 特点的快速、准 确、高效和可扩展的动态路由技术。本文的研究内容主要包括以下四个方面： ( 1 ) 详细介绍w m n 的演进过程、网络结构、网络特点等，并将其与传统无线网络 进行了比较； ( 2 ) 针对w m n 网络的特点阐述了w m n 路由技术的现状、发展趋势以及设计原则 与特性； ( 3 ) 分析当前w m n 路由协议，并基于n s 2 网络模拟平台，分析并比较了d s r 、 d s d v 、a o d v 、t o r a 这四种经典w m n 路由协议的性能，阐明了各自的适用环境； ( 4 ) 重点研究a o d v 协议的原理与实现方式，结合w m n 的特点在标准a o d v 的基 础上进行改进与拓展，使其支持q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ，服务质量) 机制以及节点移动性 管理，以此带来网络性能的提升，并保证网络稳定高效运行。新的改进协议对提高w m n 的网络性能具有重要的实际意义和应用价值。 本文的创新主要包括以下两点： ( 1 ) 针对标准a o d v 协议不支持q o s 的问题，扩展了a o d v 协议的邻居管理机制， 使其支持延时与抖动的两种路由度量，同时改进了标准a o d v 协议的泛洪机制，提升了路 由协议的延时、平均路由负荷、分组投递率等网络性能。 2 南京邮电大学硕上研究生学位论文第一章绪论 ( 2 ) 针对w m n 中网络节点动态移动的问题，为标准a o d v 协议添加了节点移动性 侦测能力，使其能够根据节点移动性选择稳定路由，该方式能够在n s 2 平台上快速扩展 实现，仿真结果表明新协议较标准a o d v 协议具备更好的性能表现。 1 3 论文结构与安排 本文的结构安排如下： 第一章，作为绪论，介绍了研究背景，阐述本文主要研究内容与创新点，简述本文总 体组织结构。 第二章，介绍w m n 的起源与发展、网络结构及特点、应用范围等，并阐明了w m n 与传统无线网络的区别与联系。 第三章，对w m n 的路由协议进行研究，分析了w m n 路由特点，分别介绍了单信道 w m n 路由协议与多信道w m n 路由协议，同时对本文所涉及的q o s 路由做出了相应阐述。 最后介绍了本文所使用的仿真工具n s 2 网络模拟平台，并对d s r 、d s d v 、a o d v 、t o r a 这四种经典w m n 路由协议进行了性能分析。 第四章，基于标准a o d v 路由协议，提出了使用延时及抖动作为路由判据的两种新的 q o s 改进方案。本章给出了两种新的改进协议在n s 一2 网络模拟平台的具体实现方法，并 将两种新路由协议与标准a o d v 协议进行了性能分析与比较。 第五章，基于标准a o d v 路由协议，提出了使用节点移动性作为路由判据的新的改进 协议a o d v - n m 。对新协议在n s 2 网络模拟平台的具体实现方法，本章做出了阐述，并 将a o d v - n m 与标准a o d v 协议进行了性能分析与比较。 第六章，总结与展望。对本文工作进行了总结，并对进一步的研究给出了展望。 南京邮电大学硕上研究生学位论文第二章无线m e s h 网络体系结构 第二章无线m e s h 网络体系结构 w m n 5 】采用多跳的宽带无线网络结构，是一种高容量、高速率、低功耗、低成本的分 布式网络。“m e s h 的原意就是指网络中所有节点都互相连接，i n t e r n e t 的构架其实就是一 个m e s h 网络的结构，w m n 可视为i n t e m e t 的无线版本。w m n 由无线链路连接路由器和 终端设备，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信来维持网状网络的连通 性，其本质上是一种m a n e t 【5 ，6 ，7 8 】。w m n 自组织、自配置和自治愈的特点可带来诸多好 处，例如降低前期投资、方便网络维护、提高健壮性与服务区覆盖，这对于用户非常具有 吸引力。w m n 被认为是可以解决“最后一英里瓶颈问题的新型分布式网络。 2 1 无线m e s h 网络的起源与发展 w m n 这个名词大约出现在2 0 世纪9 0 年代中期以后，近年来引起了人们的特别关注。 w m n 的研究起源于m a n e t 的发展。m a n e t 是一种特殊的对等式网络，是移动节点动 态临时组建的自组织网络，能够不依赖于现存基础设施或集中管理。m a n e t 中节点地位 平等，不仅具有普通终端的功能，而且能够利用自身无线收发设备交换信息，各节点可自 由进入或脱离网络而不会导致整个网络瘫痪，通过中间节点中继转发则可实现相距较远节 点之间的通信。m a n e t 具备临时组网、快速展开、无控制中心、抗毁性强等特点，常用 于特别的通信场景，如战场通信，抢险救灾等。 2 0 世纪7 0 年代，报文交换技术出现。为满足战场生存的军事需求，d a r p a ( d e f e n e e a d v a n c e dr e a r e hp r o j e c t sa g e n c y ，美国国防部高级研究计划局) 资助了p r n ( p a c k e tr a d i o n e t w o r k ，分组无线网) 的研究，即让报文交换技术在不受固定或有线的基础设施限制的 环境下运行。自组织能力是这种网络区别于其他商业蜂窝系统的基本特征，结构上，这种 网络由动态变化且任意分布的一系列移动节点组成，节点之间通过无线方式互连，不依赖 于任何已有的网络基础设施。d a r p a 的这项研究将分组交换网络的概念引伸到广播网络 的范畴，开辟了m a n e t 研发的先河。 1 9 9 7 年，d a r p a 开始组织战场鲁棒战术移动通信系统的研发。在投入大量资金、持 续6 年多的研发之后，有关m a n e t 的一些理论与技术问题得以解决，从而彻底改变了传 统构建无线网络的规则。d a r p a 的目标包括：无传统的通信基础设施；采用多跳转发的 传输机制；宽带数据速率；端到端的i p 支持；支持话音、数据、视频等多种业务；内置定 4 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第二章无线m e s h 网络体系结构 位系统( 非g p s ) ；支持高达2 5 0 英里小时的移动速度。m a n e t 关键技术的攻克，使其 逐渐成为移动通信领域的热点，并取得了令人瞩目的成果 9 1 。其中，i t t ( i n t e r n a t i o n a l t e l e p h o n ea n d t e l e g r a p hc o r p o r a t i o n ，美国国际电话电报公司) 持有了其中的核心的自主知 识产权技术。 m a n e t 在经过一段时间的快速发展后，人们开始理智的思考其深层次的问题。 m a n e t 的应用环境和技术成本等因素决定了它并不适合直接应用于民用通信领域：最大 的民用通信业务应该是包括v o i p ( v o i c eo v e ri n t e r n e tp r o t o c o l ，网络电话) 业务在内的 i n t e m e t 业务，民用通信用户的移动性也远远低于军事通信用户。所以为了能够实现无线通 信中无处不在( u b i q u i t o u s ) 的通信目标，需要基于m a n e t 技术，开发一种完全适用于 民用的无线多跳网络技术，于是，w m n 就随着这一需求应运而生【l o l 。 2 0 0 0 年初，m e s hn e t w o r k s 公司购买了i t t 公司为美国军方研发的战术移动通信系统 的部分专利技术，由此开发了一系列具备自主知识产权的w m n 民用产品，这些产品定位 于移动性较小或静止的m a n e t ，在市场上获得了极大的成功。至此，m a n e t 的商业化 进程开始显现，w m n 的概念得到人们的推崇。2 0 0 2 年，i n t e l 开始关注并认可m a n e t 技 术。2 0 0 5 年，m o t o r o l a 公司极为看好m e s h n e t w o r k s 公司的发展，成功将其收于麾下。于 此同时，n o k i a 、t r o p o s 、s k y p i l o t 、r a d i a n tn e t w o r k s 和f i r e t i d e 等多家公司开发的w m n 产品相继问世，一些传统的电信设备制造商，如n o r t e l ，c i s c o 也推出了相关解决方案【1 0 , 1 1 1 。 从此，w m n 进入了飞速发展的时期【1 2 】，同时也给m a n e t 的发展注入了新的活力。传统 意义上的m a n e t 朝着两个方向发展：一个是以军事等专业或行业应用为背景，仍沿着传 统的技术路线发展：另一个是以普通商业应用为目的，以i n t e r n e t 业务为主要传输内容， 逐步沿着w m n 方向发展。 2 2 无线m e s h 网络的网络结构 传统无线接入网络主要分为点到点或点到多点结构。在点到多点结构中，一般都有一 个中心节点与骨干网直接相连，如移动通信系统中的基站，w l a n 中的a p 。传统的无线 网络属于单跳网络，节点必须访问中心接入节点才能进行无线连接，即使相邻的两个节点 也需通过中心节点才能通信。 w m n 是一种新型的宽带无线分布式接入网络，与传统的无线网络有较大的不同。 w m n 采用网状结构，也被称为m p 2 m p ( m u l t i p l ep e e rt om u l t i p l ep e e r ，多点到多点) 系 统。任何无线节点( 终端或基站) 都可以经过多跳与一个或多个对等节点直接通信。用户 5 南京邮电大学硕上研究生学位论文第二章无线m e s h 网络体系结构 可通过多跳方式接入骨干网：若最近的a p 因流量过大而导致拥塞，数据可以自动路由到 通信流量较小的邻近节点传输。以此类推，数据包还可根据网络情况，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。多跳方式能极大降低网络扩展的成 本并且避免了中心节点故障，传统w l a n 一直存在的可伸缩性低和健壮性差等诸多问题 由此迎刃而解。 w m n 一般由m r ( m e s hr o u t e r ，m e s h 路由器) 和m c ( m e s hc l i e n t ，m e s h 客户端) 组成。m r 可以是普通p c ，也可以是专用的嵌入式系统( a i 等) 等设备。它有多个有 线与无线接口，具备了传统有线路由器的网关和转发功能，能将各个无线客户端连接到一 起，并实现核心网接入。此外，它还具备网管功能，实现w m n 的管理和控制。利用多跳 通信方式，m r 能够以较传统无线路由器低的多的功率达到相同的覆盖范围。 m c 可以是笔记本电脑、手机、p d a ( p e r s o n a ld i g i t a l a s s i s t a n t ，个人数字助理) 等装 备了无线网卡的用户终端设备，也可以是i p 电话、r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ， 射频识别) 阅读器和无线传感器等其他无线设备。m c 无需具备网关和网桥功能，按功能 可分为两类：一类只作为普通终端接入网络，不具有路由功能；另一类既具备接入功能， 又兼具了无线路由器的功能，通常所说的m c 即指该类客户端。m c 只有一个无线接口， 比m r 简单的多，在配置上也更为灵活。 根据节点功能划分，删的拓扑结构可以分成3 类：客户端结构( c l i e n t sw m n ) 、 骨干网结构( b a c k b o n ew m n ) 、混合结构( h y b r i dw m n ) 1 3 】【1 4 】。 2 2 1 客户端结构 便携计算机 念一一 手机够二二 p d a 对 i i i i f 、 、 、 ， 计算机 便携计算机pd 图2 1 无线m e s h 网络客户端结构 6 手机 塑塞坚皇盔兰堡主婴塞生堂竺堡奎笙三童垄垡坚! 坐塑垒箜墨笪塑 w m n 的客户端结构【1 3 】是最简单的一种结构，也称为平面结构，如图2 1 所示。在客 户端结构中，所有节点都是对等关系，每个节点包含相同的m a c 、路由、管理和安全等 协议。由于组成网络的各节点不需要网关或中继功能，所以这种无线网络中无需m r ，网 内的节点能够形成任意网状的拓扑结构。在这种环境下，由于节点的无线通信覆盖范围有 限，两个无法直接通信的用户终端可以借助其他终端的分组转发功能进行数据通信，而不 需要借助其他基础设施。 客户端结构的m e s h 网络本质上是一个m a n e t ，适用于节点数据较少且不需要接入 到核心网络的应用场合，它在没有或无法使用现有网络基础设施的情况下提供一种通信支 撑环境。 2 2 2 骨干网结构 l i n t o n e r _ i 美 国h 瞅 图2 2 无线m e s h 网络骨干网结构 m e s h 网络的骨干网结构【1 3 】也称为多级结构，分为上层和下层两个部分，如图2 2 所示。 m r 组成一个可以自配置和自愈的网络作为骨干网，下层的终端节点通过m r 接入到上层 m e s h 结构的网络中，实现节点的互连互通。m r 提供路由选择和中继功能，为客户节点提 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第_ 二苹无线m e s h 网络体系结构 供一条连接到网关节点的无线链路。如果普通客户端具有与m r 相同的无线技术，则可以 直接建立通信；若所用的无线技术不同，则不同的客户端需要先接入与m r 具有相同无线 技术的基站，再与m r 相连。网关节点通过路由选择和管理控制等功能为移动终端选择与 其他网络节点通信的最佳路径，并可连接i n t e m e t ，实现无线宽带接入。 骨干网m e s h 结构是最普通的应用类型，例如可以建立一个社区网，m r 安置在社区 的楼顶，用户在家