（计算机科学与技术专业论文）铁路无线mesh网络可管理的数据包转发策略的研究.pdf

硕十学位论文 摘要 摘要 基于榕树型拓扑的铁路无线m e s h 网络结合总线型和星型拓扑的 优点，为将宽带i n t e m e t 延伸到铁路沿线提供了一种更为合理的解决 方案。但是，与传统的无线校园和企业网等不同，铁路无线m e s h 网 络的地域跨度通常长达数百上千公里，如何对这种全新的网络形式进 行有效的管理以保证铁路无线m e s h 网络高效的数据通信成为旅客列 车宽带i n t e r n e t 应用的关键问题之一。 由于铁路无线m e s h 网络为支持用户的快速移动性，一般采用二 层的数据包转发方案实现数据通信。为此，本文首先根据i e e e 8 0 2 1 d 2 0 0 4 协议深入分析了二层网桥的基本功能，并基于l i n u x 开 源代码重点剖析了二层数据包转发在l i n u x 内核中的实现和处理流 程。然后通过对铁路无线m e s h 网络的结构和应用需求分析，确定出 传统数据包转发策略和网络管理协议存在的缺点和不足，提出和设计 了一种适合铁路无线m e s h 网络的数据包转发策略，并对选择性数据 包转发、智能化网络管理和邻居节点状态报告机制等关键问题进行了 详细的分析与设计。最后基于l i n u x2 6 1 9 内核源代码对其网桥模块 进行了具体的代码修改与程序设计，对本文提出的数据包转发策略进 行了具体程序实现，并基于嵌入式l i n u x 平台建立了铁路无线m e s h 网络实验床，对改进前后的数据包转发策略进行了深入的实验研究与 功能验证。理论分析和实验结果表明，本文设计的数据包转发策略能 很好的实现管理用户数据包选择性转发，交换控制中心可实现节点 故障的检测与预测，并能及时调整数据包转发路径，同时改进后的铁 路无线m e s h 网络增加的网络开销很小，很好地实现了铁路无线m e s h 网络远程的智能化的网络管理，使铁路无线m e s h 网络保证高效的数 据通信。 关键词无线m e s h 网络，网桥，数据包转发，网络管理 硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t b a s e do nt h eb a n y a n - t r e et o p o l o g yr a i l w a yw i r e l e s sm e s hn e t w o r k h a v i n gt h ea d v a n t a g e so fb u sa n ds t a rt o p o l o g yw h i c hm a k e sb r o a d b a n d i n t e m e tt ob ea l o n gt h er a i l w a yl i n ep r o v i d e sam o r er e a s o n a b l es o l u t i o n h o w e v e r ，u n l i k et r a d i t i o n a lw i r e l e s sc a m p u sa n de n t e r p r i s en e t w o r k s r a i l w a yw i r e l e s sm e s hn e t w o r ku s u a l l yh a st h ec o v e r a g eo fg e o g r a p h i c a l s p a na sl o n ga sh u n d r e d so ft h o u s a n d so fk i l o m e t e r s h o wt om a k et h i s n e wn e t w o r kf o r mt oe n s u r ee f f e c t i v em a n a g e m e n tf o rh i g h l ye f f i c i e n t d a t ac o m m u n i c a t i o n sh a sb e c o m eo n eo ft h ek e yi s s u e so nt h ea p p l i c a t i o n o ft h ei n t e m e tt ot h et r a i n i n s u p p o r to fu s e r s f a s t m o v i n g ，r a i l w a yw i r e l e s sm e s hn e t w o r k g e n e r a l l yr e a l i z e sd a t ac o m m u n i c a t i o n sb ym a cp a c k e tf o r w a r d i n g p r o g r a m t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rf i r s t l yd e e p l ya n a l y s e st h eb a s i cf u n c t i o n s o ft h em a cb r i d g ea c c o r d i n gt oi e e e8 0 2 1d 2 0 0 4p r o t o c o la n db a s e d o nt h el i n u xo p e ns o u r c ec o d e sf o c u s e so na na n a l y s i so fr e a l i z a t i o na n d p r o c e s s i n go fm a cp a c k e t sf o r w a r d i n gi nt h el i n u xk e r n e l i nt h e f o l l o w i n g ，b yad e t a i l e da n a l y s i so ft h er a i l w a yw i r e l e s sm e s hn e t w o r k s t r u c t u r ea n d a p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t st h ea u t h o rf i n d so u tt h e s h o r t c o m i n g s a n dd e f i c i e n c i e so ft h et r a d i t i o n a l p a c k e tf o r w a r d i n g s t r a t e g i e sa n dt h en e t w o r km a n a g e m e n tp r o t o c o l ；t h i sp a p e rp r o p o s e sa n d d e s i g n sam a cp a c k e tf o r w a r d i n gp o l i c yf o rr a i lw i r e l e s sm e s hn e t w o r k ， t h e nd e s i g na n dd e t a i l e da n a l y s i so nt h ek e yp o i n t ss u c ha ss e l e c t i v e p a c k e tf o r w a r d i n g ，n e i g h b o rn o d e ss t a t u sr e p o r tm e c h a n i s m s ，i n t e l l i g e n t n e t w o r km a n a g e m e n ta n ds oo na r ec a r r i e do u t f i n a l l y ，t h ea u t h o rd o e sa l o to fs p e c i f i cc o d e sc h a n g e sa n dp r o g r a md e s i g no nb r i d g em o d u l e so f t h el i n u x2 6 19k e r n e ls o u r c ec o d e ，a n dt h e na s p e c i f i cp r o g r a m i m p l e m e n t a t i o no ft h ed a t ap a c k e tf o r w a r d i n gp o l i c ya r ep u tf o r w a r d i n t h ee m b e d d e dl i n u xp l a t f o r m ，t h et e s tb e df o rt h er a i l w a yw i r e l e s sm e s h n e t w o r ki sb u i l t ，a n dt h e ne x p e r i m e n tr e s e a r c ha n df u n c t i o n sv e r i f i c a t i o n f o rb e f o r ea n da f t e rt h ei m p r o v e m e n to fp a c k e tf o r w a r d i n gp o l i c yh a v e b e e nt e s t e d t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e d e s i g no fp a c k e tf o r w a r d i n gp o l i c y p u tf o r w a r di nt h ea r t i c l ec a na c h i e v e h 硕士学位论文 a b s t r a c t ag o o dm a n a g e m e n t | u s e rs e l e c t i v e l yf o r w a r d i n gp a c k e t s ，a l s oa f t e r d e t e c t i n go rp r e d i c t i n gn o d ef a i l u r e ，t h es w i t c hc e n t e r c a nm a k et h e t i m e l ya d j u s t m e n tt ot h ed a t ap a c k e tf o r w a r d i n gp a t h a tt h es a m et i m e ， t h i si m p r o v e dn e t w o r ki n c r e a s e sv e r ys m a l lo v e r h e a da n dc a nv e r yw e l l t oa c h i e v eal o n g - d i s t a n c ei n t e l l i g e n tn e t w o r km a n a g e m e n tf o rr a i l w a y w i r e l e s sm e s hn e t w o r kw h i c hc a ne n a b l er a i l w a yw i r e l e s sm e s hn e t w o r k t oe n s u r ee f f i c i e n td a t ac o m m u n i c a t i o n k e yw o r d sw i r e l e s sm e s h n e t w o r k ，b r i d g e ，p a c k e t s f o r w a r d i n g ，n e t w o r km a n a g e m e n t 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：隘芝日期：上坦l 年月监日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期：三巫年三月僵日 硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 我国每年有上十亿旅客在列车上度过数百亿小时与i n t e m e t 隔离的时光，旅 客列车宽带i n t e r n e t 应用研究不仅是提升铁路服务质量的需要，同时也是一个潜 力巨大的市场。但是，在旅客列车上至今还难以提供高效的互联网服务，旅客 列车i n t e m e t 应用成为国内外的研究热点之一。 我国铁路里程长达近1 0 万公里，其中每条铁路线通常长达数百甚至上千公 里，为实现铁路沿线的无线覆盖，需要在铁路沿线部署一系列的w i f i 基站， 对于这些基站的组网方式，目前国外研究主要有星型拓扑和总线型拓扑两种方 式。对于星型拓扑方式，每个w i f i 基站到交换控制中心都要铺设网络线，部 署成本高、施工难度大，实现困难；对于总线型拓扑，虽然部署难度明显降低， 但是，若任一个w i f i 基站出现故障，总线型拓扑都会造成后续节点的集体失 效，网络的健壮性太差。为此，文献 2 提出了一种榕树型拓扑( 如图卜l 所示) ， 该拓扑结合了星型和总线型拓扑的优点，它通过将铁路无线覆盖划分为若干个 区段，区段内的m e s h 节点采用无线链路实现互联，并在每个区段至少部署一 个m e s h 网关节点实现数据汇聚，从而既降低了部署的难度，又提高了网络的 健壮性。 图1 - 1 铁路无线m e s h 网络榕树型拓扑结构示意图 但是，与传统的无线校园和企业网等不同，基于榕树型拓扑的铁路无线 m e s h 网络的地域跨度通常长达数百上千公里，如果缺少一种智能化的网络管理 方法作为支撑显然是不可用的。因此，如何对这种全新的网络形式进行有效的 管理以保证铁路无线m e s h 网络高效的数据通信成为旅客列车宽带i n t e m e t 应 ：； 仉 讥 硕士学位论文第一章绪论 用的关键问题之一。为此，本文将研究铁路无线m e s h 网络的智能化网络管理 方法，并设计一种可管理的数据包转发策略，从而实现： 1 、交换控制中心能够及时地检测出故障节点，以协助网络管理员进行必要 的网络维护： 2 、交换控制中心在检测出故障节点后，能够实时地调整数据包转发路径， 自动维持网络的继续有效运行； 3 、更重要的，交换控制中心能够准确地预测节点故障，并且能够根据预测 信息动态地调整数据包转发路径，从而在节点发生故障之前自动调整数据包转 发路径，使网络以最佳状态高效地运行。 1 2 研究现状及问题 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 ，删) 是一种新型的无线宽带接 入网络，w m n 不同于传统的无线网络，可以看成是w l a n ( 单跳和移动a d h o e 网络( 多跳) h 1 的融合且发挥了两者的优势，具有自组网、自修复、多跳级 联、节点自我管理等智能优势以及移动宽带、无线定位等特点，是一种大容量、 高速率、覆盖范围广的网络，成为无线宽带接入的一种有效手段啼引。目前主要 观点认为，w m n 是一种由无线链路连接路由器和终端设备的静态无线网络，是 i n t e m e t 的无线版本。 传统的无线接入技术中，主要采用点到点或者点到多点的拓扑结构。这种 拓扑结构中一般都存在一个中心节点，例如移动通信系统中的基站n 1 、8 0 2 1 1 无线局域网( w l a n ) 中的接入点( a p ) 随等等。中心节点与各个无线终端通过单 跳无线链路相连，控制各无线终端对无线网络的访问；同时，又通过有线链路 与有线骨干网相连，提供到骨干网的连接。而在无线m e s h 网络中，采用网状 m e s h 拓扑结构，是一种多点到多点网络拓扑结构。在这种m e s h 网络结构中， 各网络节点通过相邻其它网络节点，以无线多跳方式相连。 在w m n 中，节点由m e s h 网关( m e s h g a t e w a y ) 、m e s h 路由器( m e s hr o u t e r s ) 与m e s h 客户端( m e s hc l i e n t s ) 组成，前者具有路由转发能力，可作为网关或网 桥接入其它网络，通常固定并外接电源旧1 。后者诸如手提电脑、手机、p d a n 伽 等装有无线网卡、天线的用户终端，具有一定的分组转发功能，但不具备网关 功能，支持移动，可由电池供电。w m n 的系统结构根据节点功能的不同分为3 类：骨干网m e s h 结构、客户端m e s h 结构、混合结构1 。 骨干网m e s h 结构是由m e s h 路由器网状互连形成的，无线m e s h 骨干网再 通过其中的m e s h 路由器与外部网络相连。m e s h 路由器除了具有传统的无线路 由器的网关、中继功能外，还具有支持m e s h 网络互连的路由功能，可以通过 2 硕士学位论文第一章绪论 无线多跳通信，以低得多的发射功率获得同样的无线覆盖范围。客户端m e s h 结构是由m e s h 用户端之间互连构成一个小型对等通信网络，在用户设备间提 供点到点的服务。这种结构实际上就是一个a d - h o c 网络，可以在没有或不便使 用现有的网络基础设施的情况下提供一种通信支撑。m e s h 客户端可以通过 m e s h 路由器接入骨干m e s h 网络形成m e s h 网络的混合结构n 刳，这种结构提供 与其它一些网络结构的连接，增强了连接性，扩大了覆盖范围。 部署传统无线网络时，人们总是苦恼于难以寻找到合适的有线接入点，尤 其在空旷、缺乏铜线光纤等有线资源的室外环境中，问题更加明显。无线m e s h 网络的出现在很大程度上解决了这一问题：传统w l a n 中，每一个a p 都需要 通过有线接入点连接到有线局域网；而无线m e s h 网络由一组呈网状分布的无 线a p 组成，只需要设置部分a p 通过有线接入点连接到宽带骨干网就足够了， 至于a p 与a p 之间则采用点对点方式通过无线中继链路互联，这大大减少了对 有线资源的需求，极大便利了无线网络的部署n 引。无线m e s h 技术优点不仅于 此，它在覆盖区域、移动漫游等方面与传统w l a n 相比较同样有着明显的优势。 对如何实现无线m e s h 网络内部以及与以太网等有线网络之间的数据通信， i e e e8 0 2 1 1 s 1 草案标准提出了两种基本方式：二层的数据包转发和三层的数据 包路由。 1 2 1 三层的数据包路由 当前，业界的无线m e s h 网体系结构不尽相同，无线中继链路路由选择的 方法是其主要区别之一。这里的路由指的是如何选择一条路径将用户的无线数 据回传到有线网络。在无线m e s h 网络中，可能存在多条数据回传路径，那么 如何从中选择一条最优路径或相对最优路径呢? 国内外对该问题的研究主要集 中在三层的数据包路由。当前业界和学术界主要有三种做法：沿用有线网络中 普遍采用的路由协议、采用移动a d h o c 网络中开发的路由协议和开发专用的 无线m e s h 网络路由协议3 种技术路线。 1 、沿用有线网络中普遍采用的路由协议 主要有o s p f ( o p e ns h o r t e s tp a t hf i s r t ，开放最短路径优先) n 副、r i p ( r o u t i n g i n f o r m a t i o np r o t o c o l ，路由信息协议) n 酣等链路状态、距离向量协议。o s p f 采 用链路状态协议算法，每个路由器维护一个相同的链路状态数据库，保存整个 a s ( a u t o n o m o u ss y s t e m ，自治系统) 的拓扑结构( a s 不划分情况下) 。一旦 每个路由器有了完整的链路状态数据库，该路由器就可以自己为根，构造最短 路径树，然后再根据最短路径构造路由表。对于大型的网络，为了进一步减少 路由协议通信流量，利于管理和计算，o s p f 将整个a s 划分为若干个区域，区 硕士学位论文 第一章绪论 域内的路由器维护一个相同的链路状态数据库，保存该区域的拓扑结构。o s p f 路由器相互间交换信息，但交换的信息不是路由，而是链路状态 。r i p 基于 距离矢量算法，它使用u d p 报文来交换路由信息，使用跳数来衡量到达目的地 的距离。每个运行r i p 的路由器管理一个路由选择数据库，该路由选择数据库 包含了网络所有可到达的目的地的一个路由项。r i p 中的路由更新是通过定时 广播实现的，默认情况下路由器每隔3 0 秒向其相邻路由器广播一次报文( 即本 地路由表) ，报文包含的信息来自路由器当前的路由选择数据库。每个报文由一 对信息组成，即学d 网络地址和表示到达目的的网络的跳数n8 1 。相邻路由器收 到报文后对自己的路由表进行维护、更新，选择一条最佳路由再向其相邻的网 络广播更新信息，最终使更新后的路由达到全局有效。 在无线网络中，网络性能同发送成功概率息息相关，一个好的路由算法必 须兼顾减少路由跳数以及降低某条链路上p a c k e te r r o r 的概率。在这个意义上， 传统的有线路由协议并不适合于无线m e s h 路由，因为它通常无法考虑一条无 线链路上p a c k e te r r o r 的概率。从实现的复杂性考虑，沿用传统有线路由协议是 最快捷的方式。在m e s h 网络规模有限的前提下，这些路由协议能够较好地满 足性能需求。但是，这种路由协议往往难以充分考虑到无线传输的特殊性，也 没有考虑到用户的快速移动性。 2 、采用移动a d h o c 网络中开发的路由协议 无线自组网a d - h o c 与无线m e s h 网络具有无线多跳传输等共同特性，借用 a d h o c 网络业已相对成熟的路由协议也是一种较为快捷的方式，主要有d s r ( 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) n 引、d s d v ( d e s t i n a t i o n s e q u e n c e d d i s t a n c ev e c t o r ，基于目的序号距离矢量协议) 啪1 和a o d v ( a dh o co nd e m a n d d i s t a n c ev e c t o r ，按需距离矢量协议) 乜等。d s r 协议是一种基于源路由方式的 按需路由协议，当发送者发送报文时，将在数据报文头部携带到达目的节点的 路由信息，该路由信息由网络中的若干节点地址组成，源节点的数据报文就通 过这些节点的中继转发到达目的节点。d s r 主要包括路由发现和路由维护两个 过程，路由发现过程主要用于帮助源节点获得到达目的节点的路由，路由维护 用来监测当前路由的可用情况心羽。d s d v 使用的是简单的距离矢量 ( d i s t a n c e v e c t o r ，简称d v ) 路由算法，距离矢量算法累加网络距离，并维护 网络拓扑信息数据库。d s d v 定期直接传送各自路由表的所有信息给邻居( r i p 协议默认是3 0 秒) 。网络中的路由器都需要维护一个路由表，路由表项的内容 包括目的节点、跳数和目的序号，周期性与邻节点交换路由信息，来更新路由 表，并将这些路由信息连同自己的本地路由信息发送给其他邻居，这样一级一 级地传递下去以达到全网同步。每个路由器都不了解整个网络拓扑，它们只知 4 硕士学位论文 第一章绪论 道与自己直接相连的网络情况，并根据从邻居得到的路由信息更新自己的路由 表。它所有的信息都靠道听途说，它相信所有邻居告诉它的所有信息，只在这 些邻居中选择最优的来采用，类似于“传话”这个游戏。a o d v 是d s d v 协议 的改进。为了找到通往目的节点的路由，源端将广播一个路由请求分组，邻居 节点依次向周围节点广播此分组直到该分组被转发到一个已知的目的节点路由 信息的中间节点或目的节点本身。一个节点将丢弃重复收到的请求分组，路由 分组中的序列号用来防止路由环路，并能判断中间节点是否响应了相应的路由 请求。当节点转发路由请求分组时，它会将其上游节点的标志l d 录入路由表， 从目的节点到源节点的反向路由乜引。但源端移动时，它会重新发起路由发现过 程；如果中间节点移动，那么与其相邻的节点会发现链路失效并向其上游节点 发送链路失效消息并一直传到源节点，而后源节点根据情况重新发起路由发现 过程心4 。从本质上来说，a o d v 是d s r 和d s d v 的结合。它借用了路由发现 的基本的按需机制和d s r 中的路由维护，再加上逐条路由，序列号和d s d v 中的周期性的信标。 这些路由协议比较充分地考虑了无线网络的传输特性，兼顾减少路由跳数 和降低无线链路的误码率。但是，拓扑结构的易变性和节能往往是其重点考虑 的问题，并且它一般不需要为快速移动的用户提供不问断的网络连接。 3 、开发专用的无线m e s h 网络路由协议 近年来，根据无线m e s h 网络拓扑结构相对稳定和无线多跳传输的特点， 相继开发了一系列无线m e s h 网络专用的路由协议，如微软公司提出的 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 ，多模链路质量源路由协议) 晗5 6 1 和摩托罗拉公司提出的p w r p ( p r e d i c t i v ew i r e l e s sr o u t i n gp r o t o c o l ，可预 测无线路由协议) 乜引。m r l q s r 是多信道w m n 路由协议，采用一种新的路 由性月- - q 匕。广d p u d 据，称为加权累计传输时间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 d t r a n s m i s s i o nt i m e ) 。在w m n 中，每个节点多个收发器应该是一种首选的体系 结构，因为这样不用修改m a c 协议就能够实现网络容量的增加，m r l q s r 正 是在这一点的基础上提出的。w c e t t 综合考虑了带宽等链路性能参数以及最 小跳数等因素。因此该协议能在吞吐量与延时之间获得一种平衡。是在传统的 d s r 路由协议的基础上进行改进的，但它又不同于d s r 协议。该协议不但需 要获得路径中节点和其邻居链路相关状态信息，而且还要综合链路状态信息来 评价链路质量的优劣，形成自身的路由准则。p w r p 应用于“w i f i 蜂窝网络户 外系统”的私有路由协议，通过比较数据误包率以及其它网络条件来选择特定环 境下的最优路径。该协议是基于o s p f 协议改进的，选择可以达到最大吞吐量 的路径来传输到达有线网关的信息，减少了射频干扰、路径故障以及业务载荷 硕士学位论文 第一章绪论 等因素的影响，适用于大规模的网络，具有路由开销小等优点。这些路由协议 一般综合考虑吞吐量、路由跳数、射频干扰、路径故障以及业务载荷等因素， 提高了无线m e s h 网络大规模组网的能力。但是，这些路由协议主要针对接入 位置相对固定或游牧式的网络环境而设计。 对于移动式的网络环境，当无线m e s h 网络采用三层的数据包路由时，m e s h 节点间的切换将涉及到三层切换。文献 2 8 】对快速移动i p v 6 算法进行实验研究 发现，每次三层切换将导致数秒的网络中断。显然，这对于需要为旅客列车提 供不间断宽带i n t e m e t 应用的铁路无线m e s h 网络是不可接受的。 1 2 2 二层的数据包转发 随着车载i n t e m e t 应用研究的不断深入，二层数据包转发对快速移动性支持 的优势逐渐得到了重视。文献 2 9 1 研究发现，由于频繁的路由重建将导致高延 迟和高丢包率，传统的三层路由协议如a o d v 和d s r 等不适合于快速移动的 a d - h o c 网络，提出采用二层的数据包转发。针对多跳m e s h 网络的组网问题， 文献 3 0 1 也类似地提出了采用m a c 网桥的二层转发方案。由于8 0 2 1 1m a c 层 数据帧格式的差异，i e e e 于2 0 0 4 年重新修订8 0 2 1 d 标准并推出8 0 2 1 d 2 0 0 4 ， 增加了对8 0 2 1 1 协议的桥接支持，从而为基于二层数据包转发的无线m e s h 网络组网方式提供了底层的标准支持。 但是，对于铁路无线m e s h 网络这种多出口总线结构、无线跳数多、用户 移动速度快、m e s h 节点间切换频繁的应用场景，这些二层转发方案都未予考虑。 为此，本文将针对铁路无线m e s h 网络的应用需求与特点，在8 0 2 1 d 2 0 0 4 的基 础上设计一种更为合适的二层数据包转发策略。 1 3 本文的主要工作和内容安排 本文将在全面分析铁路无线m e s h 网络的结构和应用需求之后，结合最小 生成树算法，提出了包含选择性数据包转发、智能化网络管理和邻居节点状态 报告机制三个功能的可管理的数据包转发策略，在此基础上，选择一个合适的 研究与开发平台i ，i n u 】【平台，设计一种更适合于无线跳数多、多出口总线 结构以及用户移动速度快的铁路无线m e s h 网络二层数据包转发程序，并搭建 实验床进行性能测试与功能验证。论文组织结构如下： 第一章介绍了课题的研究背景，分析了当前无线m e s h 网络路由转发的国 内外发展现状以及论文的主要工作和内容安排。 第二章讨论了无线m e s h 网络的背景，比较了无线m e s h 网络的节点结构和 它与w l a n 、a dh o e 网络的区别，重点分析了无线m e s h 网络的特点和在交通 6 硕士学位论文 第一章绪论 领域的应用。 第三章分析了i e e e8 0 2 1 dm a c 层局域网桥协议，着重讨论了网桥在l i n u x 系统中处理数据包的整个流程和网桥的关键函数，并在此基础上提出当前网桥 存在的问题和不足，为铁路无线m e s h 网络数据包转发策略的设计奠定了基础。 第四章研究了铁路无线m e s h 网络的结构和应用需求，指出了传统数据包 转发策略和网络管理协议存在的缺点和不足，提出并设计了一种适合铁路无线 m e s h 网络的可管理的数据包转发策略，并对选择性数据包转发、智能化网络管 理和邻居节点状态报告机制进行了理论分析，在此基础上，对l i n u x2 6 1 9 内 核网桥源代码做了大量的修改，并对数据包转发策略的数据结构和应用程序进 行了具体的程序设计与实现。 第五章在嵌入式l i n u x 平台下搭建铁路无线m e s h 网络实验床，对第四章的 理论研究成果进行了性能测试和具体的功能验证。 最后一章是结论与展望。 7 硕士学位论文第二章无线m e s h 网络简介 第二章无线m e s h 网络简介 2 1 无线m e s h 网络的背景 近年来，随着人们对网络通信需求的不断提高，人们希望不论何时、何地、 与何人都能够进行快速、准确的通信。为了提高工作效率，并且克服现有通信系 统的缺点，达到通信的“无所不在”，人们提出了一种新型的宽带无线网络结构 无线m e s h 网阳2 瑚1 。 w m n 是移动a dh o c 网络的一种特殊形态，它的早期研究均源于移动a d h o c 网络的研究与开发，它是一种高容量高速率的分布式网络，不同于传统的无 线网络，可以看成是一种w l a n 和a dh o c 网络的融合，且发挥了两者的优势， 作为一种可以解决“最后一公里”瓶颈问题的新型网络结构1 ，w m n 被写入了 i e e e 8 0 2 16 ( 即w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s w i m a x ) 无线城域网 ( w i r e l e s sm u n i c i p a la r e an e t w o r k ，w m a n ) 标准中口5 1 。( i e e e 在2 0 0 3 年1 月制定 了8 0 2 1 6 标准，后又推出了8 0 2 1 6 e 版本，该标准具有很多优势，例如，提供 q o s 保证机制、提高系统的安全性、提供高速率的数据传输、支持网状结构、使 用智能天线技术等。因此8 0 2 1 6 被看作下一代的无线宽带接入标准。) 2 0 0 4 年1 月，i e e e8 0 2 1 1w o r k i n gg r o u p 正式专门成立了网状研究组( m e s h s t u d yg r o u p ) ，同年3 月又成立了网状任务组( 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啪1 。另外，其它标准如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 ) 7 1 也开始探索如何通 过网状嵌入式设备来改进其现有技术，i e e e 8 0 2 1 6 己经将网状技术纳入其m a c 层协议标准中啪】。 在应用基础理论与技术研究上，近1 0 年来，包括移动a dh o c 网络和w m n 在内，已经取得了众多成果，主要有以下方面：( 1 ) 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。代表成果有d s d v 、a o d v 、d s r 、 等。最近，微软公司提出了一种多无线收发器、多跳无线网络的路由协议 m r l q s r ，主要思想是在d s r 协议的基础上采用最大吞吐率准则，已经开始考 虑w m n 的特征。( 2 ) m a c 协议的研究曲引。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h 叫、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。( 3 ) 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h “4 2 1 。( 4 ) 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 硕士学位论文 第二章无线m e s h 网络简介 等方面有一些研究成果，但各部分的数量相对较少n 副。( 5 ) 在一些协议和系统仿 真与实验研究上，特别针对w m n ，最近有一些新的结果h 射。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 2 无线m e s h 网络的概念 2 2 1w m n 的定义 w m n 是一种多跳、具有自组织和自愈特点的宽带无线网络结构，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 a h 射、 8 0 2 1 1 b 6 1 和8 0 2 1 1 9 h 7 1 等l a n 技术了解的深入，w m n 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 ( 单跳) 和移动 a dh o c 网络( 多跳) 的融合，且发挥了两者的优势。 目前主要观点认为，w m n 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 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。依次类推，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。 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 1 、w i m a x h 引、 w i m e d i a 畸0 】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 2 1w m n 与w l a n 、a d h o e 网络的区别 w m n 与w l a n 的区别有以下几个方面： 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w m n 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。 在网络设备上，w l a n 的a p 负责终端设备的接入，其它网络特征与有线l a n 相同，而w m n 的所有节点均能承担本地接入与其他节点的信息转发功能，即具 9 硕士学位论文 第二章无线m e s h 网络简介 有路由器和中继器功能。 在路由协议上，w l a n 采用固定路由，而w m n 则采用动态路由，路由冗余 和自愈能力强。 在覆盖范围上，w l a 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 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 非常高。而对于w m n ，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。w m n 的显著特点 就是可以在大范围内实现高速通信。 在w l a n 中，两个彼此相邻的设备不能直接通信，必须借助a p 的接入与 转发，如图2 1 所示。 图2 - 1t r a d i t i o n a lw i f in e t w o r kt o p o l o g y ：”h u b a n d s p o k e ”m o d e l w m n 与移动a dh o c 网络的主要区别在于： 在拓扑结构上，w m n 与移动a dh o c 网络均是点对点网络，拓扑结构相似。 但w m n 大多数节点基本静态不移动，拓扑变化较小。在路由协议上，w m n 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。在业务模式上，由于两种网络设计目的不同，w m n 侧重的是用户节点的接入功能，而移动a dh o c 网络是实现用户节点之间的交互 通信，因此w m n 的主要业务是来往于i n t e r n 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 3 无线m e s h 网络的结构与节点结构 通常我们可以把无线网络结构分成两种：一种是点到多点的星型网络，如 1 0 硕士学位论文 第二章无线m e s h 网络简介 i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网；一种是点对点的网状网络，如移动a dh o c 网络。实际 上，无线m e s h 吸收了星型与网状两种网络的优点，是对两者的一种无缝融合， 这种融合是通过在网络节点上执行w m r ( w i r e l e s sm e s hr o u t i n g ) 协议来完成的。 无线m e s h 与传统无线星型网络的差别在于：无线m e s h 采用了对等式的网络拓 扑，需要在一种分散式网络环境中进行构建。如图2 2 所示，无线m e s h 中主要 存在着两种网络实体：移动节点( m n ) 与接入点( a p ) ，与传统点对多点网络不同， 无线m e s h 的每个节点都具备路由选择的功能，而且每个节点只与其邻近节点进 行通信，在网络中m n 既是业务的使用者又是业务的提供者，也就是说它具有数 据的转发功能，可以向网络中的其它节点( m n 或a p ) 转发它所接收到的数据包， 因而无线m e s h 也是一种自组织和自管理网。 网 图2 - 2 无线m e s h 结构示意图 图2 3 是无线m e s h 的协议栈，从图2 3 中可以看出，为了提供多次反射无 线路由功能，a p 和m n 都执行w m r 路由协议。而且为了实现与i p 的兼容， w m r 被作为一中间层协议放置在m a c 层和i p 层之间，这样在不需要对其它协 议层做太大改动的情况下便可很好地执行w m r 协议。因此w m r 能够较好地工 作于现有的各种无线标准( 如i e e e8 0 2 1 l b ，i e e e8 0 2 1 l e ) 和现有的多数应用中。 移动节点( m n ) 接入点( a p ) 有线链路 应用层 t c p i p w m r m a c 物理层 i ! 无线链路 图2 - 3 基于w m r 的无线m e s h 协议栈 l l 硕士学位论文第二章无线m e s h 网络简介 从集成的无线模块数量来看，无线m e s h 节点