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f t x 路由判据算法在无线网状网中的优化实现 摘要 无线网状网结合了a dh o c 网络和传统无线网络的优点。其核心指 导思想是让网络中的每个节点都可以发送和接收信号，这样节点间的 通信不再需要接入点转接，通过多跳网络的构造，数据可以通过相邻 节点间的转发传送直到目的地，减少了流量拥塞的可能性，使网络性 能大大提高。 本文首先对无线网状网的标准、架构、特点及应用做了研究。接 着对a o d v 这种被动式路由协议进行相关阐述。然后重点描述了 e t x 路由判据算法。找到主要的改进方案是在无线网状网中引入e t x 路由判据，代替了原有的仅仅凭跳数最少确定最优路由的方法。在原 有框架的基础上，对无线网卡驱动程序做出相应修改，加入e t x 模 块，每秒钟传送路由探测报文来测量链路发送及接收数据包的成功概 率，计算出每条链路的e t x 值。在传输数据包的时候，先查询链路 的e t x ，选择e t x 值最小的通路作为最佳路由通信。通过在简单的 实际系统中试验，与原始版本进行比较，可以证明这种方法可以提高 链路传输速率和网络吞吐量，使无线网状网的性能得到提高。最后提 出了对以后进一步研究的方向。 关键字：无线网状网，e t x 路由判据，路由协议，吞吐量 t h eo p t i m i z e di d 仰l e m e t a t i o no fe t xm e t r j cs a i u t h m e t i c i n 厂i r e l e ssm e s hn e t w o r k a b s t r a c t w i r e l e s sm e s hn e t w o r k sc o m b i n ea d v a n t a g e so fa dh o cn e t w o r ka n d t r a d i t i o n a li n f r a s t r u c t u r em o d e i nt h ew i r e l e s sm e s hn e t w o r k t h ec o r e g u i d ev a l u ei st h a te a c hn o d ec a nr e c e i v ea n ds e n ds i g n a l i tm e a n st h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nn o d e sw o n tn e e da pt of o r w a r da n ym o r e d a t a c a nb er o u t e df r o mt h es o u r c en o d et ot h ed e s t i n a t i o no n ei nt h i sk i n do f m u l t i - h o pn e t w o r k i nt h i sw a y , t h ep o s s i b i l i t yo fd a t af l o wc o n g e s t i o ni s r e d u c e d a n dt h en e t w o r kp e r f o r m a n c ei si m p r o v e d t h i sp a p e rf i r s t l yp r e s e n t st h er e s e a r c ho f p r o t o c o l ，a r c h i t e c t u r e ， c h a r a c t e ra n da p p l i c a t i o ni e l a t e dt ow i r e l e s sm e s hn e t w o r k s e c o n d l y , t h e c o n t e n ti se x p l a n a t i o no f a o d v ( a p a s s i v er o u t i n gp r o t o c 0 1 ) a n dt h e n m o r eg r a p h sa r ec o n c e n t r a t e dt od e s c r i b et h ee t xm e t r i ca r i t h m e t i c w e f i n dt h eo p t i m i z e ds c e n a r i oi st oi n t r o d u c ee t xm e t t i c st ow i r e l e s sm e s h n e t w o r kt os u b s t i t u t et h eo r i g i n a lm e t h o dw i t ht h e1 e a s th o pc o u n t s t o g e t h e rw i t hm o d i f y i n gt h ew i r e l e s sn e t w o r kc a r dd r i v e ro fe x i s tf r a m e ， a ne t xm o d u l ei sa d d e d t h i sm o d u l et a k e sc h a r g eo fs e n d i n gp r o b e p a c k e t se v e r ys e c o n dt om e a s u r et h es u c c e s sr a t i oo fs e n d i n ga n d r e c e i v i n gd a t ap a c k e t s a n dc a l c u l a t et h ee t xv a l u eo fe v e r yl i n k 、e l l t r a n s m i t t i n gd a t a ，t h ef i r s tt h i n gi sl o o k i n gu pt h el i n ke t xv a l u e ，a n d t h e nc h o o s i n gt h ep a t hw i t ht h el e a s te t xv a l u et ob et h eo p t i m i z a t i o n r o u t e t h r o u g ha ni m p l e m e n t i no n es i m p l es y s t e m ，c o m p a r e dt ot h e o r i g i n a lv e r s i o n i ti sp r o v e dt h a tt h i sm e t h o dc a ni n c r e a s et h el i n k t r a n s m i s s i o nr a t ea n di m p r o v en e t w o r kt h r o u g h p u t ，h e n c et oe n h a n c et h e p e r f o r m a n c eo fw i r e l e s sm e s hn e t w o r k a tl a s t ，t h ep a p e rp o i n t st h e f u r t h e rr e s e a r c hd i r e c t i o n k e yw o r d s ：w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ，e t xm e t r i c s ，r o u t i n gp r o t o c o l ， t h r o u g h p u t 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他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。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名：生塑 本人承担一切相关责任。 日期：逊：呈：! 王 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和磁盘，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，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 本人签名：壁匈 1 7 1j 胡：! 监主：! ! 导师签名：善氇氆李蕈一 日期：j 堡墼至j e 一 北京邮电大学硕士论文e t x 路由判据算法在无线网状网中的优化实现 1 1 课题背景 第一章引言 传统的无线网络中，节点间的通信必须先要通过接入点的访问才能完成，也 就是说任何无线网络中的两节点间都不能直接通信。在信息飞速发展的今天，人 们对于无线上网的要求越来越广泛，显然这样的网络架构不可能满足日益增加的 用户需求。为了保证网络吞吐量稳定又不需要额外的成本追加，出现了无线网状 网这种概念。无线网状网最初是为美国军方战争中军事通信的需要而建立的，它 以移动a dh o e 网络的形式出现，致力于满足军事通信中对于宽带数据传输、支 持端到端i p 、支持语音和视频信息、支持不采用g p s 但同样可达相应精确度的 定位要求。健壮性、灵活性和高速率数据传输是无线网状网的重要特征。无线网 状网是基于m 协议的通信技术，它支持多点到多点的网状结构。在无线网状网 中所有节点问都是对等的，它们之间可以无障碍的自由通信，不再需要接入点的 转接。这种思想与a dh o c 网络很相似，只不过在无线网状网中还保存着接入点 的概念，以便与有线网络、其它无线网络以及不同无线网状网连接。这种思想的 出现解决了无线网络中很多瓶颈问题。其中每一个节点都具备自动配置能力，简 化了网络管理维护。在无线网状网中，一旦某一条路由出现问题便可以自动转向 其它链路，不会再因为某一个节点出现故障而造成整个网络的瘫痪，增强了网络 可靠性。如果一个节点离接入点较远时，信号将通过距离较近的另外一个节点转 发给接入点，这样每个单跳的无线链路长度将缩短，所需发射功率相对减小，进 而降低了网络中相邻用户之间的干扰，提高了信道利用率。而且信号能够有效避 开障碍物，使消息传送畅通无阻，彻底消除盲区。无线网状网的组网方式在家庭、 企业和公共场所中都具有广阔的应用前景，又与现有网络广泛兼容，支持性能非 常强大，势必成为业界研究新热点。其中使用许多前瞻技术，无穷的潜力蕴含着 无限的研究和开发价值。 1 2 课题目标 无线网状网虽然有诸多好处但是由于实现上并没有普遍且成熟的范例，使其 性能并没有完全发挥。而且为了实现上的灵活多变，在目前的草案中，有些技术 北京邮电大学硕士论文 e t x 路由判据算法在无线网状网中的优化实现 比如所使用路由和其衡量协议，并没有完全确定，在实现中完全可以使用更优化 又符合无线网状网特点的手段改进现有状况，使其在吞吐量和传输速度上都有很 大空间可以提高。为了整体增强传输效率，减少丢包率，本文在研究了无线网状 网协议，路由协议，路由判据标准以及分布式管理原理之后，针对路由方面存在 的潜在研究点，使用动态路由协议a o d v ，用新型路由判据e t x 描述邻居链路 状态，代替原有只单单使用跳数作为路由好坏的衡量。在无线网状网原有架构上 做出修改，底层无线网卡驱动和上层的路由程序都做了不同程度上的改进。最后 提高了无线网状网的传输速率，使其性能充分支持多种实际应用程序的运行。 1 3 课题主要研究内容 本次课题的内容是基于l i n u x 下的无线网状网路由优化研究及实现，主要包 括以下几方面内容： l 、熟悉l i n u x 操作环境，学习与掌握l i n u x 系统的安装、基本操作和命令，以 及c v s 版本维护方面相关内容。 2 、阅读( l i n u xd e v i c ed d v e r 一书，学习l i n u x 下无线网卡驱动编写。 3 、阅读无线网状网草案，a o d v 协议，路由判据e t x 、e t t ，分布式管理等无 线网状网相关技术文档。 4 、整理现有代码流程，学习现有代码的安装及执行全过程，掌握重要参数意义。 5 、针对网络路由应用特点，找出改进方法，对比改进前后性能，并编写测试脚 本进行测试。 1 4 论文安排 第一章是引言，介绍背景和目标。 第二章是原理与技术，介绍无线网状网相关物理层、m a c 层标准和使用技术， 分类和应用实例。 第三章是无线网状网的整体实现框架，介绍硬件及软件环境，报文格式，无线网 状网模块之间的联系，所使用路由协议和路由判据。 第四章是无线网状网路由判据的改进方案，给出改进思想，通信流程，添加修改 主要数据结构，以及代码设计方案和其流程图。 第五章是路由改进方案对吞吐量影响的评估，把改进后的网络性能与之前未改进 版本进行比较。 第六章是总结与展望，总结课题完成情况，以及对以后工作的展望。 北京邮电大学硕士论文 e t x 路由判据算法在无线网状网中的优化实现 2 1 网络架构模式划分 第二章原理与技术 2 1 1 基础架构模式网络( i n f r a s t r u c t u r em o d e ) 基础架构模式无线网络( 如图2 1 所示) 具备有接入点( a p ) 和对外有线 的网路，任何的网络节点必须通过a p 来转发数据，也就是说所有通信用户都是 把数据包先发送给a p ，再由a p 送往正确目的地。在基础架构模式下，如果a p 工作不正常或者是损坏，将会导致整个无线网络无法运作，通信用户之间也由于 a p 的毁坏，造成无法侦测到对方的存在，以至于造成整个网络瘫痪。所以在基 础架构模式下所讲的通信范围是以a p 的可通信范围为准，不在a p 通信范围内 的节点，就无法传送与接收数据包。 图2 - 1 基础架构模式无线网络 2 1 2 随意无线模式网络( a dh o cm o d en e t w o r k ) 比照基础架构模式，a dh o c 网路架构( 如图2 2 所示) 是一种点对点的传 输模式，在此无线网络的架构中，可让单一设备或工作站( w i r e l e s ss t a t i o n ；s t a ) 直接进行点对点沟通，不需要额外增设无线基站，因此较为节省成本。a dh o c 网络下的通信用户，以通讯用户本身的通信能力为基准，若功率不足就无法得知 其它通信用户的存在，所以a dh o c 网路下所称的通信范围，与基础架构模式所 提到的通信范围不同；一般而言，a dh o c 网路并不是指全部通信用户所构成的 通信范围，而是针对每一个通信用户的可通信范围。 北京邮电大学硕士论文e t x 路由判据算法在无线网状网中的优化实现 ，甭蕊、 ( ：嗲岁一二：芝蝣 图2 - 2a d h o c 模式无线网络 2 1 3 移动随意无线网络( m o b i l ea dh o cn e t w o r k ；m a n e t ) 在临时性小型会场的无线网络布置里，使用a dh o c 网络已经足够，但对于 中、大型会场，a dh o e 网络往往不能胜任，必须藉由基础架构模式的无线网路 才能达到彼此通信的目的：但是如果因为某些原因，导致a p 突然间不能正常工 作，对于已架设会场内的架构，想要更换新的a p ，是一件相当麻烦的事。 移动随意无线网络( 如图2 3 所示) 它是个可以扩大通信范围的技术，其技 术是针对a dh o e 网络进行改进，依然不需要a p 的架设，就能达到彼此通信的 效果。概其原理是将路由概念加入到有线网络中，让数据包能够通过其它节点帮 忙转送，所使用的方法是在每个移动节点( m o b i l en o d e ) 中都存有一张快速路由 表，当移动节点收到数据包时，会根据它所拥有的路由找到下一个节点，把数据 包传送出去，直到传送到目的地为止。m a n e t 的通信范围是a dh o c 网络的合 集，也因此扩大了移动通信范围。 利用m a n e t 的技术，能够轻松地在临时性会场上架设起互相沟通的内部网 络，可通信的范围比原本a dh o c 网路的范围大，且也不需要特别去架设a p 以 增加传输距雕。如果事先就是使用m a n e t 网路，只要任何人在任何时间想要加 入此无线网路，设定一下就可以使用无线网路的资源了，亦能增加网路的通信范 围。 ，影王蘑、 o 、姒s 弘珐，j 图2 - 3 移动随意模式无线网络 2 1 4 无线网状网络( w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ；w m n ) 尢线例状刚络( 如图2 4 所示) t j 视为足一种混合式的兀线例路，尤线网状 网络f i j 特色在于它包含了移动随意模式“期f j 架构模式这二种无线网络的优点， 恻络巾的节点( m e s ha c c e s sp o i n t ；m a p ) 包含了这：种模式。侄基础架构模 中，无线网状川节点当接入点( a c c e s sp o i n t ；a p ) 使用，j ! 负责_ 【! 通信户连接， 进行数据的接收与发送；在随意架构模式r h 这些无线网状网1 i ，。? 、i 部分r , f 肖作转 发节点( f o r w a r dn o d e ) ，它们之i 、i l j 4 目互通信使用a dh o c 模式，换句话说，个 尢线网状网节点在尤线网路上是扮演个桥接器的功能给通信用户。 m a p 卡要山无线网状路m ( w i r e l e s sm e s hr o u t i n g ；w m r ) 来决定路由，如 果无线网状网的w m r 采用。个没有效率的路由协议，那无线网状网将会获得 很差的效z - 匕e , 和扩充性，由此可见w m r 的选择对无线网状网路而言是非常重要 的。 m p 2 2 无线网状网标准 ， 、 ，m a p s i a m p 图2 4 无线网状网 s t a m p 北京邮电大学硕十论文 e t x 路由判据算法在无线网状网中的优化实现 2 2 1i e e e8 0 2 11 无线网状网 目前i e e e 8 0 2 1 1 无线网络可以达到1 1 m b p s ( 8 0 2 1 l b ) 和5 4 m b p s ( 8 0 2 1 l a g ) 的峰值速率。供应商希望使用、i f i 技术可以降低布置和维护建筑物内以太网线 的负担。现在有很多无线网状网的学术试验床和商用调度都使用了i e e e 8 0 2 1 l 无线局域网的技术。但是无线网状网的现状还停留在无线局域网上世纪九十年代 早期发展的同等水平，而且他们的造价昂贵并属于私人所有。此外，8 0 2 1 1 的 a dh o c 网络模式协议对于多跳和无线网状网是远远不够的，由于在m a c 层缺 乏稳定性造成比较差的网络性能。i e e e 8 0 2 1 1 已经成立了一个叫做8 0 2 1 1 s 的工 作小组，来标准化延伸服务区( e s s ) 。8 0 2 1 l s 针对无线网状网的m a c 和p h y 层，使其延伸覆盖到无故障点。在这种网络里，8 0 2 1 l 蜂窝无线局域网接入点用 一种路由器式的逐跳方式把信息依次地中继。 w i f i 无线网状网可以使用两种基本模式实现：基础架构模式和客户模式。 前者称为基础e s s 无线网状网，在这种模式下，接入点通过无线链路互相联通 来保证自动拓扑学习和动态路由配置。用户和接入点相联系，不需要知道无线网 状网的存在。基础架构无线网状网创建了接入点之间或无线路由器之间的回程连 接。这样就在扩大了网络覆盖范围和提高网络可靠性的同时降低了系统的回程费 用。从接入点的角度看，基础架构无线网状网还在它们之问形成了a dh o c 网络。 另外一种无线网状网的方式是客户无线网状网，它是一个三层的独立基础服务区 ( i b s s ) ，在网络中所有的设备都使用口路由运行在a dh o c 模式。在这种情况 下，接入点和客户端并没有区分。客户无线网状网在所有的客户设备之间维护了 无线对等网络，而且不需要任何基础架构。所有的客户都可以互相通信。为了最 大化无线网状网能提供的好处，在单独一个网络中，需要同时并发和无缝的支持 这两种模式。 图2 - 58 0 2 1 i s 草案a d h o e 方式多跳w l a n 网状网拓扑 2 2 2i e e e8 0 2 15 无线网状网 i e e e 8 0 2 1 5 3 a 标准是基于多频带o f d m 联盟( m b o a ) 使用超宽带( i n 阳) 的物理层来达到4 8 0 m b p s 的传输速率。另外直序序列u w b ( d s u w b ) 声称可 北京邮电人学硕士论文e t x 路由判据算法在无线网状网中的优化实现 以达到1 3 g b p s 的速度。这预示着通信距离大概1 0 米或更短的个人网络( p a n ) 有着相当高的吞吐量。 u w b 网络相比其他的无线网具备很多优点，比如说，隐蔽通信、低功率和 费用需要、精确的定位信息以及额外的高带宽。但是，通信距离是比较有限。但 据称无线网状网将是u w b 无线电系统的应用杀手锏。m b o a 提出了与原来i e e e 8 0 2 1 5 3 a m a c 协议完全背离的新m a c 层，加入了为无线网状网和移动性强有 力的支持，奠定了u w b 进军企业网络的基础。 i e e e 8 0 2 1 5 4 是为遥感勘测制定的低传输速率、长电池寿命以及低设备造价 需要的标准。z i g b e e 联盟正在策划更高级的协议，可以在全世界范围内没有授 权的频段上执行8 0 2 1 5 4 m a c 和p h y 层协议。在2 4 g h z ( 1 6 个信道) 上的纯 数据率可以达到2 5 0 k b p s ，4 0 k b p s 在9 1 5 m h z ( 1 0 个信道) 上，在8 6 8 m h z ( 一 个信道) 时大概为2 0 k b p s 。z i g b e e 网络层提供了多样网络拓扑，其中包括星型、 树型以及网状。在无线网状网的拓扑下，一个叫做协调者的特殊节点负责发起网 络，选择关键的网络参数。路由算法使用请求应答式协议来排除次优路由。最 近，一个新的工作组，i e e e 8 0 2 1 5 5 开始确定p h y 和m a c 层的机制使无线阿 状网融合到无线个人网络中。 2 2 - 3i e e e 8 0 2 1 6 无线网状网 i e e e 8 0 2 1 1 网络满足了在局部区域内的数据服务( 例如，最后几百米) ，而 i e e e 8 0 2 1 6 致力于在城域网中提供宽带无线接入( 例如，最后一公里) ，它提供 面向q o s 通信的点到多点连接来扩展光纤主干网。最原始的8 0 2 1 6 标准运行在 1 0 6 6 g h z 的频段上需要直线排列的发射塔。8 0 2 1 6 a 扩展协议在2 0 0 3 年一月批 准，使用了2 i i g h z 的低频段，支持非直线排列连接。使用8 0 2 1 6 a 协议，载波 可以连接更多的用户在一个发射塔上，从而减少了服务费用。为了使高速移动的 用户连接到因特网上，研究专家正在制定i e e e 8 0 2 1 6 协议的另一扩展版本， 8 0 2 1 6 e 。w i m a x 是商业化成熟的8 0 2 1 6 标准。它主要是解决许多邻居离得太 远以至于不能通过网线或是d s l 接收到因特网连接，还有在某处布置或是升级 宽带容量造价过高的情况。相比通过网线或是d s l 接入，w i m a x 可以提供给 用户更高的带宽或是更便宜的价格。 在现有标准草案中，8 0 2 1 6 无线网状网有以下的限制： 由于集中调度的信息结构，8 0 2 1 6 无线网状网只能是有限的规模，大概只能 支持1 0 0 个左右的用户。 8 0 2 1 6 无线网状网是基于无连接的m a c ，所以很难保证实时业务的q o s 。 两跳以外的节点都假定不会互相干扰。所以8 0 2 1 6 无线网状网存在着隐终端 问题。 北京邮电大学硕士论文 e t x 路由判据算法在无线网状网中的优化实现 为了加强8 0 2 1 6 无线网状网，标准委员会已经收到了很多提议。其中m e s h a dh o c 委员会正致力于调查改进无线网状网性能的研究。得出结论：只需要一 小部分的无线网状网结构，就可以得到单个基站覆盖下网络性能大规模的提高。 但是8 0 2 1 6 无线网状网仍然存在着非常严峻的问题。例如：同步问题，链路选 择问题以及发射功率和数据传输速率间折中的问题等。 图88 0 2 1 6 ( w t m a x ) 与网状结构的结合 图2 - 68 0 2 1 6 ( w i m a x ) 与网状结构的结合 本文主要研究基于i e e e 8 0 2 1 1 无线网状网的路由判据算法实现及优化。以 下省去i e e e 8 0 2 1 1 ，简称无线网状网。有关i e e e 8 0 2 1 1 无线网状网相关内容参 看下一章。 2 3 无线网状网协议【1 9 1 此协议详细描述了无线网状网的结构，将支持非常宽泛的实现场景。其中包 括，家庭网络、办公室网络、公共接入网以及公共安全网，但并不局限于此。其 中每一个应用场景都可以有它独特的优化需要，但是在所有这些领域中还是有很 大一部分基于无线局域网和8 0 2 1 1 规定的共同特点。协议文件的着眼点在于不 需要管理机制的无线网状网。协议详细规定了目标应用中所有通用的特征，机动 的定义了可选择的路由协议和对每一个场景的优化，这样有利于日后在扩展性能 上的更新。 2 3 1 术语 w l a nm e s h ( 无线网状网) ：无线网状网是以i e e e 8 0 2 1 l 为基础的无线分 布区域( w d s ) ，它是分布区域的一部分。它包括两个或两个以上的无线网状网 节点，这些节点之间通过i e e e 8 0 2 1 1 链路相互连接，并通过无线网状网服务相 互通信。一个无线网状网可以不支持或是支持多个入口节点( 网状网入口) ，有 自动化拓扑学习功能，并且可以动态路由选择( 包括多跳) 。 北京邮电大学硕：论文 e t x 路由判据算法在无线网状网中的优化实现 w l a nm e s hs e r v i c e s ( 无线网状网服务) ：无线网状网所提供的服务支持无 线网状网的控制、管理和运行，它包括在无线网状网范围内的节点间运输m a c 服务数据单元( m s d u s ) 。无线网状网的服务是对分布式系统服务( d s s ) 的补 充。 m e s hp o i n t ( 无线网状网节点) ：可以是任何一个i e e e 8 0 2 1 1 实体，这些实 体符合i e e e 8 0 2 1 1 媒介接入控制( m a c ) ，并且有到无线媒介( w m ) 的物理层 ( p h y ) 接口。这些实体在无线网状网范围内，支持无线网状网业务。 m e s ha p ( 无线网状网接入点) ：任何一个是无线网状网节点又是接入点的 实体。 m e s hp o r t a l ( 无线网状网入口) ：m a c 服务数据单元的出口，从同一分布式 系统的其它部分或是非8 0 2 1 1 的网络进入和离开无线网状网的点。一个无线网 状网入口可以由8 0 2 1 1 入口配置。 m e s hl i n k ( 无线网状网链路) ：在两个无线网状网节点间的双向i e e e 8 0 2 1 1 链路。 l i i l l ( m e t r i c ( 链路衡量) ：一种用来描述无线网状网路由中一段链路性能、 质量、合格与否的标准。无线网状网链路衡量可以在路由衡量的计算中使用。 m e s hp a t h ( 无线网状网路由) ：从源节点到目的节点间无线网状网链路的连 接。 m e s hp a t hs e l e c t i o n ( 无线网状网路由选择) ：选择无线网状网路由的过程。 p a t hm e t r i c ( 路由衡量) ：无线网状网路由选择使用的标准。 m e s h t o p o l o g y ( 无线网状网拓扑) ：在一个无线网状网中包含所有节点和链 路的拓扑图。 m e s hn e i g h b o u r ( 无线网状网邻居) ：通过无线网状网链路与一个无线网状 网节点直接相连接的任何一个其它节点。 m e s hu n i c a s t ( 无线网状网单播) ：在一个无线网状网内传输m a c 服务数据 单元到单个节点的机制。 m e s hm u l t i c a s t ( 无线网状网多播) ：在一个无线网状网内传输m a c 服务数 据单元到一组节点的机制。 m e s hb r o a d c a s t ( 无线网状网广播) ：在一个无线网状网内传输m a c 服务数 据单元到所有节点的机制。 2 3 2m a c 帧格式 2 3 2 1 数据帧格式 无线网状网结点间传递的数据帧以8 0 2 1 1 1 9 9 9 的四地址格式为基础，使用 8 0 2 1 l e 的q o s 报头和一个新的无线网状网转发控制报头。帧格式如下： 北京邮电大学硕：e 论文e t x 路由判据算法在无线网状网中的优化实现 表2 - 1 无线网状网数据帧格式 o c t e t s ：26662620 2 3 14 2 2 f r a m ed ua d d r e sa d d r e sa d d r e s s e q a d d r e s q o sb o d y f c c o n t r o lrsls2s3c o n t r os4c o n t r os ll ；m a ch e a d e r； l - 一一一_ - - 一_ - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 。- - - - - - - - - _ - - - - - - - - - - - - 2 3 2 1 1 数据帧分类表示 表2 - 2 无线网状网数据帧分类 功能序列控制a d d r e s s1a d d r e s s2a d d r e s sa d d r e s s4 t o d sf r o m d s 3 节点到节 o0r a = d as ab s s dn f 久 点( a d h o c ) 接入点到 0lr a = d ab s s i ds an a 节点 节点到接 1or a = b s s i ds ad an a 入点 接入点到 l1r a翻d as a 接入点 源地址( s a ) ：发送报文的原始地址。 目的地址( d a ) ：数据包的最终接受者地址。 发送地址( t a ) ：数据包当前发送者地址( 可能是中间节点) 。 接收地址( r a ) ：数据包当前接收者地址( 可能为中间节点) 。 基本服务区标识符( b s s i d ) ：一般为在基础架构基本服务区内接入点的m a c 地址，或是为a dh o e 随意分配的i d 号。 2 3 2 2 无线网状网管理帧 相邻的无线网状网节点间应该支持8 0 2 1 1 管理帧的交换。管理帧头有两个 地址域，d a 和s a 。d a 域是接收节点的m a c 地址( 一跳传输) ，而s a 是发送 节点的m a c 地址( 一跳传输) 。b s s i d 域应该设为通配符值( 在两节点间传输 管理帧时不使用b s s i d 值) 表2 - 3 无线网状网管理帧格式 o c t e t s ：226 6620 2 3 1 2 4 lf r a m e d u r a t i o nd as ab s s i d s e q f r a m eb o d yf c s ic o n t r o lc o n t r o l m a ch e a d e rj - - - - - - - 。- _ - - - - - - - - - - - - - _ - - - - - - 。 2 3 2 2 1 特殊管理帧类型 其中包括b e a c o n 帧、联合请求帧、联合请求应答帧、路由探测请求帧、路 由探测应答帧，这些帧的格式都是在帧的主体部分在原来8 0 2 1 1 的基础上增加 北京邮电大学硕士论文 e t x 路由判据算法在无线网状网中的优化实现 了关于无线网状网的内容。 2 3 3 无线网状网 2 3 3 1 目标 此处描述的网络拓扑和支持的协议是以没有集中管理模块的无线网状网为 目标。比如：一个没有被服务提供商配置完整的小型媒体网络，它必须要自行配 置。所以要具备以下功能： 使用中范围或是覆盖面扩大以及灵活性增强( 与基本标准相比较而言) 可靠的性能 无缝的安全性 在设备之间采用多媒体传输 电池设备具备高效的发射功率 向后兼容性 保证相互工作中的协同工作能力 2 3 3 2 运作模式 在如今的8 0 2 1 l 协议中，一般来说介入点是直接连在有线网络上( 例如： 8 0 2 3 ) ，只是简单的提供到客户设备的无线连通性而没有实现自身的无线连接。 另一方面，客户设备只是和8 0 2 1 1 的一般站点类似，他们必须通过接入点才能 获得到网络的连接。这样所有的客户节点必须依赖于它所依附的接入点。如果网 络规模较小，也许网络还可以承受，但是一旦网络规模扩大，接入点的将超负荷 工作，极有可能造成严重的丢包现象。如果还想把网络性能维持到可接受水平势 必要增加接入点的数量，这样又造成了网络造价的增加。为了解决这个问题，出 现了无线网状网这个技术。 在网络中的接入点与它们的邻居之间应该能够实现对等无线链路来建立一 个无线网状网的回程构造，其中不需要借助于接入点本身连接的有线网络连接。 而且在无线网状网中的客户节点也要能和自己的邻居以及接入点间建立对等无 线连接。这样，这些客户节点也可以提供接入点的功能让那些传统的站点可以接 入网络。在这里把所有的无线节点分成两大类：无线网状网节点是那些提供无线 网状网能力的节点和非无线网状网节点包括那些简单的客户端( s t a ) 。无线网 状网的节点还可以选择性的提供接入点服务。无线网状网服务可以用逻辑m a c 接口来实现，它和原有的m a c 接口相互独立。 无线网状网中支持功率控制设备。这种功能与具体实现方式有关，如果所有 的节点和接入点只是携带主干网络，那么就不能使用功率限制。但是如果一些节 点只能和它们的邻居通信或者是有些不转发信息的节点，就可以对它们实行功率 控制。当无线网状网节点采取功率控制它将发出消息。如果它的邻居不支持功率 北京邮电大学硕士论文e t x 路由判据算法在无线网状网中的优化实现 控制，它可以采取两种方法。一种是不与这个功率控制的节点通信但是仍然设置 为功率控制模式，另一种是不采用功率控制机制而且继续与这个邻居通信。是否 采用功率控制模式要考虑到相对于通信范围的功率制，此选择可以动态改变。 2 3 3 3 无线网状网的多信道运行 无线网状网拓扑中可能包括拥有一个或是多个天线接1 ：3 的节点，在这些节点 就可以使用一个或多个信道进行通信。在同一时间，一个节点只能运行在一个信 道上，但是根据动态频率选择在无线网状网的寿命内可以转换频道的选择。这种 信道选择的拓扑结构可能是多样的。可以所有节点同时使用一个信道，也可以有 一些节点使用多个信道作为不同信道节点间的桥接，还可以所有节点都使用不同 的信道，这就给网络的连接提供了很大的灵活性。 2 3 3 4 无线网状网与其它网络的连接 无线网状网是一个功能上与传统8 0 2 类型局域网相同的二层网络。这就意味 着从功能上说在其他网络和更高层协议来说无线网状网就等价为一个广播以太 网。其中多有的节点和接入点就仿佛是直接连接在链路层上。为了使无线网状网 表现为8 0 2 类型的局域网一样，它就必须可以通过二层网桥和三层i n t e m e t 和其 他网络互相连接。两个无线网状网可以通过8 0 2 3 局域网段桥接。这种情况下每 一个无线网状网配置的节点都当作一个网桥，使用标准网桥协议( 例如，8 0 2 1 d ) 来连接无线网状网和另一个局域网。也可以使用3 层路由连接无线网状网。在这 里无线网状网的入口要执行i p 网管路由器的功能，使整个网络出现多个互相连 接的子网。同时一个或多个8 0 2 1 l s 无线网状网可以通过入口相互连接。 2 3 4 正交频分复用( o f d m ) 技术 无线网状网的物理层可以采用正交频分复用( o f d m ) 技术。o f d m 技术是 将高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较低的若干个正交子信道 中，在每个子信道上进行窄带调制和传输，这样减少了子信道之间的相互干扰。 每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的频率选择性 衰落是平坦的，大大消除了符号间干扰。所采用的数字信息调制有时间差分移相 键控( t d p s k ) 和频率差分移相键控( f d p s k ) ，以快速傅罩叶变换( i f f t 和 f f t ) 算法实施数字信息调制和解调功能。由于无线信道的频率选择性，所有的 子信道不会同时处于深的衰落中，因此可以通过动态比特分配以及动态子信道分 配的方法，利用信噪比高的子信道提升系统性能。由于窄带干扰只能影响- d , 部 分子载波，因此o f d m 系统在某种程度上能抵抗这种干扰。o f d m 结合分集、 时空编码、干扰和信道间干扰抑制以及智能天线技术，最大程度提高系统性能， 使无线网状网性能得到进一步优化。 北京邮电大学硕上论文e t x 路由判据算法在无线网状网中的优化实现 2 3 5 隐藏终端问题处理技术 由于无线网状网采用无线传输媒质，因此它与其它无线传输网一样，不可避 免地存在隐藏终端和暴露终端问题。由于无线媒质的特殊性，隐藏终端问题都可 能发生，都会导致信号碰撞的发生。目前可通过i e e e 8 0 2 1 l 中的r t s c t s 协议 ( 请求发送允许发送协议) 来避免，但并不能完全解决隐藏终端和暴露终端问 题。尽管通过握手机制可以减少隐藏终端问题中冲突的概率和时间，但仍存在节 点之间控制报文的冲突，而且不能解决暴露终端问题。事实上，无线网状网可看 作为简化的a dh o c 网络，因此可根据a dh o c 网络中的一些已有的成熟的方案 来解决隐藏终端和暴露终端问题。 2 4 路由协议 无线网状网采用二层路由选择和转发，即其中的路由过程是在链路层完成。 这里定义了两种可以应用在8 0 2 1 1 s 网络上的路由选择协议。为了保证所有 8 0 2 1 l s 设备的互操作性，必须要实现2 4 1 节定义的默认路由选择协议。2 4 z 节定义的是另一个可选的附加路由选择协议。8 0 2 1 1 s 扩展路由选择架构应该能 够实现以上或者其他路由选择协议。 2 4 1a o d v 路由协议 “无线网状网路由选择”和“无线网状网转发”等术语是用来描述在链路层无 线网状网节点间一跳或多跳路由的选择以及在这些路由问数据帧的转发。路由选 择信息也是在链路层传输，使用8 0 2 1 1 管理帧( m m p d u s ) 。无线网状网路由选 择服务包括邻居发现基本管理信息、局部链路状态度量和维护、以及一个活跃路 由选择协议证明。尽管每个设备能够支持多种机制，但每个无线网状网内只使用 一种方法来确定路由。协议中规定带路由判据的a o d v 路由选择协议为默认协 议。 2 4 1 1 概述 a o d v 算法为建立和维护a dh o c 网络的移动节点提供了动态、自启动以及 多条路由功能。它使移动节点能够快速的获得到新目的地的路由，而且不需要节 点保存不在现行通信中的路由，是一种被动路由协议。并允许移动节点对网络拓 扑中链路的损坏和改变做出及时响应。由于a o d v 协议是闭环操作，并且避免 了贝尔曼福特算法中“计算到无穷大”的问题，所以在a dh o c 网络拓扑发生变化 时( 尤其是在有新的节点移动到此网络的情况) ，它能够提供快速收敛。当链路 发生损坏，a o d v 算法会通知那些受影响的节点把使用这条损坏链路的路由记 为失效。 北京邮电大学硕士论文 e t x 路由判据算法在无线网状网中的优化实现 为每一个路由条目使用了一个叫做目的地序列号的号码是a o d v 算法中一 个与众不同的特点。这个目的地序列号是由目的地生成的，它包含在目的地发送 给请求路由节点的所有的路由信息中。使用目的地序列号可以保证闭环操作而且 非常容易编程实现。在对于同一目的地有两条不同的路由选择时，路由请求节点 要选择有最大序列号的那条路由做最终使用。 a o d v 协议定义了三种消息，它们分别是：路由请求消息( r r e q s ) ，路由 应答消息( r r e p s ) 以及路由报错消息( r e r r s ) 。这些消息通过u d p 报文接收， 而且使用普通的p 报头处理。所以，举例说，发起路由请求的节点使用自己的 i p 地址作为消息的源i p 地址。对于广播消息，使用i p 限制广播地址 ( 2 5 5 2 5 5 2 5 5 2 5 5 ) 。这就意味着这样的消息不会被盲目的转发。但是，a o d v 协议的操作需要广泛的散布确定的消息( 例如r r e q 消息) ，甚至会传遍整个 a dh o e 网络。散布这些r r e q 消息的时间范围由i p 报头的t t l 位规定。在这 里是不需要分片的。 只要是通信连接的两个终点间存在有效的路由，那么a o d v 协议就完全不 会执行任何