（计算机系统结构专业论文）无线mesh网络环境中多网关路由和切换机制的研究.pdf

摘要 摘要 随着无线通信技术的发展，能够提供移动i n t e m e t 接入的无线网络正逐步改变 着人们的日常生活。目前得到广泛应用的无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k ，w l a n ) 是一种单跳的无线接入网，无线终端均需要通过访问点( a c c e s s p o i n t ，a p ) 接入有线网络。由于单跳无线的传输距离有限，这就限制了w l a n 的覆盖范围。同时，由于a p 需要直接与有线网络相连，导致w l a n 对有线网络 有着严重的依赖性，部署成本较高。为了扩大无线接入网的覆盖范围、降低部署 成本，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 ) 应运而生。 无线m e s h 网络使用多跳连接的方式为宽带网络接入提供了一种新的选择， 作为一种对传统网络拓扑的的革命性技术创新，无线m e s h 网络不但降低了网络 的部署成本，还大大拓展了无线网络的覆盖范围，并减少了对有线网络的依赖， 同时还能提供很高的网络带宽。但是目前的无线m e s h 网络还处于研究阶段，现 有的网络协议和技术无法满足高性能宽带网络的要求。我们还需要针对无线 m e s h 网络自身的特点，对现有协议和技术进行改造，使得无线m e s h 网络所蕴含 的带宽资源得以充分的挖掘。 本文针对无线m e s h 网络的特性，提出了适用于多网关环境的多网关多路径 路由协议。该协议利用无线m e s h 网络非集中式的拓扑结构，以及存在冗余网关 的优势，将终端与多个网关建立映射，以数据流为单位进行网关和路径选择；同 时，又以数据包为单位，进一步实现了包的多路径传输，不但提高了数据传输的 并行度，减小了传输延迟，还充分利用了网络资源，提高了网络效率。 在多网关多路径路由协议的基础上，本文对传统的终端切换策略作出了改 进，将无线m e s h 网络中的终端切换划分为网内切换和网间切换两个级别，分别 采用不同的切换策略进行切换处理。网内切换的切换延迟和网络开销小，优先级 较高；在无法进行网内切换的情况下，才触发网间切换，网间切换的开销较大， 但仍能保证大多数网络应用不被中断。采用网内切换和网间切换相结合的终端切 换策略，不但降低了平均切换延迟，还降低了平均网络开销。 由于无线m e s h 网络没有专门的网络管理机制，而无线网络的拓扑结构变化 也很难控制。当网络拓扑改变时，传统方式是通过链路感知和路由更新被动的进 行调节，其反应速度缓慢，会使当前正在传输的的数据流被迫中断。为了增强无 线m e s h 网络的鲁棒性，本文提出针对网络拓扑变化的网络主动调整机制。在某 些情况下，当网络拓扑发生可预知的改变时，为了尽可能的保证用户当前正在传 输的数据流不被中断，m e s h n 关和m e s h 节点会按照一定的主动调整机制提前进 行相应的调节，使得在拓扑改变时，网络依然能够不受影响的继续运行。 本文对所提出的多网关多路径路由协议、终端切换策略和网络主动调整机制 摘要 进行了大量的仿真实验。验证了无线m e s h 网络中，采用针对m e s h 特性设计的协 议，无论在性能还是效率上都远好于使用传统协议；同时也验证了无线m e s h 网 络相对w l a n 的成本优势、性能优势和稳定性优势。 本文在现有对无线m e s h 网络研究的基础上，合理利用网络特性，提出了高 性能的路由协议、切换策略和主动调整机制，同时在网络仿真方面做出了积极尝 试，对于无线m e s h 网络的路由、切换和鲁棒性的相关研究具有理论指导和实践 意义。 关键词：无线m e s h 网络，多网关多路径路由，终端移动切换，网络主动调整机 制 a b s t r a c t a bs t r a c t w l t l lt h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e s ，w i r e l e s sn e t w o r k s c h a n g e sp e o p l e sd a i l yl i f ed r a m a t i c a l l yb yp r o v i d i n gm o b i l ei n t e m e ta c c e s s n o w w i d e l yu s e dw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ( w l a n ) i sas i n g l e h o pw i r e l e s sa c c e s s n e t w o r k ，a c c e s sp o i n t ( a p ) i sn e e d e db yt h ew i r e l e s st e r m i n a l st oa c c e s sw i r e d n e t w o r k s t r a n s m i s s i o nd i s t a n c eo fs i n g l e - h o pw i r e l e s sn e t w o r kl i m i t st h ec o v e r a g eo f t h ew l a n m e a n w h i l e ，a pn e e d sd i r e c tc o n n e c t i o nt ot h ew i r e dn e t w o r k ，r e s u l t i n g t h a tw l a nh a ss e r i o u sd e p e n d e n c eo nw i r e dn e t w o r k ，d e p l o y m e n tc o s ti ss t i l lh i g l l t oe x t e n dt h ec o v e r a g eo fw i r e l e s sa c c e s sn e t w o r k sa n dr e d u c et h ed e p l o y m e n tc o s t w i r e l e s sm e s hn e t w o r ki si n t r o d u c e d w i r e l e s sm e s hn e t w o r kp r o v i d e sab r a n dn e ww a yt oa c c e s st h ew i d eb a n d n e t w o r k a sar e v o l u t i o no ft r a d i t i o n a ln e t w o r kt o p o l o g y , w i r e l e s sm e s hn e t w o r kn o t o n l yr e d u c e st h ed e p l o y m e n tc o s t ，b u ta l s oe x t r e m e l ye x t e n d st h ew i r e l e s sn e t w o r k c o v e r a g e i ti si n d e p e n d e n to fc a b l e s ，a n dh a sh i g hp e r f o r m a n c ea tt h es a m et i m e a t p r e s e n t ，t h er e s e a r c ho nw i r e l e s sm e s hn e t w o r ki s s t i l la tt h ev e r yb e g i n n i n g t h e o r i g i n a ln e t w o r kp r o t o c o l sa n dt e c h n i q u e sa r eu n s u i t a b l ei nt h i sn e we n v i r o n m e n t s o ， t h en e w p r o t o c o l sa n dt e c h n i q u e s ，w h i c ha g r e ew i t hw i r e l e s sm e s hn e t w o r kt om a k e u s eo ft h en e t w o r kc a p a c i t y , a r ee a g e r l yd e m a n d e d i nt h i sm a s t e r sd i s s e r t a t i o n ，w ep r e s e n tam u l t i g a t e w a ya n dm u l t i - p a t hr o u t i n g p r o t o c o lw h i c hi sm a i n l yi m p l e m e n t e di nw i r e l e s sm e s hn e t w o r k b e c a u s et h e r ei s a l w a y sn o to n l yo n eg a t e w a yi nw i r e l e s sm e s hn e t w o r k ，o t h e rg a t e w a y sc a l la l s ob e u s e dt oc o m m u n i c a t ew i t hi n t e m e t t h ew i r e l e s st e r m i n a li sm a p p e dt os e v e r a l g a t e w a y s ，a n dd a t as t r e a mc a ns e l e c tt h er a t i o n a lg a t e w a ya n dp a t ht o r o u t e m e a n w h i l e ，t h em u l t i - p a t hr o u t i n gi sb a s e do nd a t ap a c k e t t h i sm u l t i g a t e w a ya n d m u l t i - p a t hr o u t i n gp r o t o c o ld r a m a t i c a l l yi n c r e a s e st h ed e g r e eo fp a r a l l e l i s ma n d i m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo ft h en e t w o r k a f t e rt h ei n v e s t i g a t i o no ft h et r a d i t i o n a lt e r m i n a lh a n d o f fs t r a t e g y , w ed i v i d et h e s i t u a t i o no ft e r m i n a lh a n d o f ft oi n t e r n a lh a n d o f fa n de x t e r n a lh a n d o f f , a n du s et w o d i f f e r e n th a n d o f fs t r a t e g i e st oh a n d l et h e m i n t e r n a lh a n d o f fh a sah i g h e rp r i o r i t ya n d l o w e rh a n d o f fd e l a ya n do v e r h e a dt h a ne x t e r n a lh a n d o f f a ne x t e r n a lh a n d o f fw i l lb e t r i g g e r e dw h e nt h ei n t e r n a lh a n d o f fc a n n o tb eo c c u r r e d a l t h o u g h ，e x t e m a lh a n d o f f h a sh i g h e rh a n d o f fd e l a ya n do v e r h e a d ，i tc a l lm a k es u r et h ed a t as t r e a mn o tb e i n g i n t e r r u p t e d t h ec o m b i n a t i o no ft w oh a n d o f fs t r a t e g i e sn o to n l yb r i n g sd o w nt h e h a n d o f fd e l a y , b u ta l s or e d u c e st h ea v e r a g en e t w o r ko v e r h e a d 一 a b s t r a c t t h e r ei sn oc e n t r a l i z e dm a n a g e m e n tm e c h a n i s mi nw i r e l e s sm e s hn e t w o r k ；t h e c h a n g eo fn e t w o r kt o p o l o g yi sa l s oo u to fc o n t r 0 1 1 1 1 et r a d i t i o n a lm e t h o dt od e a l i n g w i t ht h ec h a n g eo fn e t w o r kt o p o l o h yi sl i n k - a w a r ea n dr o u t i n gu p d a t e 1 1 1 er e s p o n s e i st o os l o wt om a i n t a i nt h ed a t as t r e a m t os t r e n g t h e nt h en e t w o r kr o b u s t n e s sa n d g u a r a n t e et h et r a n s f e r r i n gd a t as t r e a m sb e i n gn o ti n t e r r u p t e d ，t h em e s hg a t e w a y sa n d m e s hr o u t e r ss h o u l db ea d j u s t e dt o t h en e wt o p o l o g yi na d v a n c e a f t e rt h e i m p l o y m e n to fn e t w o r ka c t i v em e d i a t i o n ，d a t as t r e a mw i l ln o tb ei n t e r r u p t e di nm o s t c a s e s n u m b e r so fe x p i r e m e n t sh a v eb e e nd o n et ov e r i f yt h ep r o t o c o l sw h i c hh a v eb e e n c o n c e r n e d ，n l er e s u l t ss h o wt h a tt h e r ei sav i s i b l ei m p r o v e m e n ta f t e ru s i n gt h e p r o t o c o l sw h i c ha r ed e s i g n e df o rw i r e l e s sm e s hn e t w o r k ，a n dw i r e l e s sm e s h n e t w o r ki sd o m i n a n ti np e r f o r m a n c ec o m p a r e dt ow l a n st h e s i ss h o w st h eh i g hp e r f o r m a n c er o u t i n gp r o t o c o la n dh a n d o f fs t r a t e g y a i m i n ga tw i r e l e s sm e s hn e t w o r k t h ec o r r e l a t i v en e t w o r ks i m u l a t i o nh a sb e e n e x p e r i m e n t e d t h i st h e s i sa l s om a k e sr e a s o n a b l er e c o m m e n d a t i o n so nh o wt or o u t i n g p r o t o c o la n dh a n d o f fs t r a t e g yo fw i r e l e s sm e s hn e t w o r k k e yw o r d s ：w i r e l e s sm e s hn e t w o r k , i e e e8 0 2 1 l s ，m u l t i - g a t e w a ya n d m u l t i - p a t hr o u t i n g ，m o b i l et e r m i n a lh a n d o f f , n e t w o r ka c t i v e m e di a t i o n i v 图表索引 图表索引 图i - iw l a n 拓扑结构示意图1 图2 - 1 架构式w m n 体系结构5 图2 - 2 对等式w m n 体系结构6 图2 - 3 混杂式w m n 体系结构6 图2 - 4m e s h 模型示意图8 图2 - 5 帧的6 地址转发过程1 3 图3 1n s 2 体系结构图1 4 图3 - 2 链路1 6 图3 - 3 利用n s - 2 进行网络模拟的过程1 6 图3 4 网络架构示意图1 8 图3 5 无线m e s h 节点模型1 9 图3 - 6 无线终端模型2 1 图3 7 路由器模型2 2 图3 - 8m a t l a b 界面2 2 图3 9 无线节点部署2 3 图3 - 1 0 生成t c l 脚本2 3 图3 - 1 1n a m 示意图2 6 图4 1 具有多网关的无线m e s h 网络：2 7 图4 2 路由生成过程示意图3 0 图4 3 路由测试场景3 l 图4 - 4 测试结果对比3 2 图5 - 1i m e s h 架构图3 4 图5 2i m e s h - - 层切换流程3 5 图5 3i m e s h 切换流程3 6 图5 - 4m o b i m e s h 架构图3 7 图5 5a r 结构示意图3 8 图5 6m o b i m e s h 网络的i p 配置3 8 图5 7 终端初始接入流程4 2 图5 8 网内切换流程4 5 图5 9 网间切换流程4 7 图5 一1 0 网内切换场景4 8 图5 1 1 网间切换场景4 9 图6 - 1 网关h a 功能标识5 1 图6 2m e s h 网关主动离线流程5 2 图6 3m e s h 节点主动离线流程5 4 图6 4 网络拓扑主动调整机制测试场景5 5 v i 图表索弓 图6 - 5m e s h 网关主动离线测试5 5 图6 6m e s h 节点主动离线测试5 6 表2 一la i r t i m el i n km e t r i c 计算公式元素定义1 1 表2 - 2 帧的6 地址结构定义1 2 表4 一l 路由表结构示意图2 9 表4 - 2 网关通告2 9 表4 - 3 流的多网关传输3 0 表5 1 网内切换测试结果4 8 表5 2 网间切换测试结果5 0 i 论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的 成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰 写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按 有关规定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，可以将学位论文编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 加7 年r 月2 ，日 第一章堵论 第一章绪论 随着科技的不断发展，无线通讯技术已然渗透到人们生活的各个角落。从我 们早已熟悉的移动电话到日渐成熟的无线上同，人们似乎总是追不及待的希望 摆脱线缆的束缚。不仅仅是在通信领域，甚至诸如无线电力传输这样令人叹为观 止的新技术也诞生在世人面前。可以毫不夸张地说人类正在进入一个全新的 无线时代。 1 1 研究背景 局域网( l 。 n ) 通常使用同轴电缆或取纹线将多台计算机或终端连接成网络。 无线局域网( w l a n ) ( rb r u n o e t a l 2 0 0 5 ) 则突破了传统l a n 中线缆的束缚， 采用无线射频传输技术将终端连成网络，不但具备传统有线网络的所有功能，还 支持移动和漫游，可以为用户随时随地的提供网络连接。1 9 9 7 年6 月第一个w l a n 标准i e e e8 0 2 1 1 ( i e e e s t a t d a r d ，1 9 9 7 ) 正式颁布实施，为w l a n 的物理层和m a c 层提供了统一的标准。随着无线技术和标准的发展，i e e e8 0 21 1 i 作组又推出了 i e e e8 0 2l i b ( i e e e ，2 4 g h z ) 、i e e e8 0 2 1 l a ( i e e e ，5 g h z ) 、i e e e8 0 2 1 1 9 等一 系列标准，同时还出现了蓝牙( 正b e8 0 21 5 ) 、w i m a x ( i e e e8 0 21 6 ) 、u w b 等标准。然而，当前应用最为广泛、产品化程度最高的无线标准还是使用2 4 g h z 开放频段的i e e e8 0 2 1 1b ，g 标准。 基本的w l a n 拓扑结构分为集中式拓扑和分布式拓扑( 刘宁，1 9 9 6 ) ，如图 1 1 所示。 i 豆 图l - 1w l a n 拓扑结构示意图 在集中式拓扑结构中，无线接入点( a p ) 通常作为网络的中心控制节点，任 意两个无线终端节点问的通信必须通过这个中心节点，同时中心节点还可以控制 和管理终端节点对网络的访问。集中式拓扑结掏的特点是网络性能相对较好、都 第一章绪论 署简单；缺点是存在中心节点，如果中心节点出现故障，会引起整个网络瘫痪。 在分布式拓扑结构中，任意两个相邻的无线节点都可以直接通信。利用其中 一个无线节点作为网关即可实现与有线网络相连接。分布式拓扑结构特点是成本 低、组织灵活、不存在中心控制节点。但由于节点自身的独立性和随意性，在网 络规模增大时，信道竞争将限制网络的性能。同时由于缺乏集中控制机制，对规 模较大的网络进行管理也比较困难。 由于分布式拓扑结构的网络效率相对较低，所能承载的用户数量有限，因此 目前w l a n 网络中广泛使用的拓扑结构均为集中式拓扑结构。由于w l a n 可以不 受地理条件限制的组建计算机网络，因此具有有线网络不可取代的优势。但是， 由于在w l a n 的集中式拓扑结构中，无线终端只能和a p 通信，而a p 又必须与有 线网络相连接，这样就极大的制约了w l a n 的覆盖范围。当前集中式拓扑w l a n 的应用一般只局限在小范围场景，而且周围必须有固定线路以便a p 能够连入有 线网络。 要实现真正的“永远在线”，人们还需要覆盖范围更广、连接更加便捷的无 线接入手段。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 ) ( i a nf a k y i l d i z ，e ta 1 2 0 0 5 ) 作为一种对传统w l a n 的革命性技术创新，可以有效解决w l a n 的“痼疾”， 将w l a n 的应用范围从“热点”扩展到“热区，并减少了对有线网络的依赖。 无线m e s h 网络是一种多跳网络，它与传统的单跳网络的最大不同之处在于无 线m e s h 网络中的a p 不仅提供用户接入功能，还可以转发无线信号。多个a p 构成 一个网状结构，信号在网内从一个a p 路由到另一个a p ，最后通过与固定线路相 连的a p 传送到有线网络。此时原本只具有简单的无线接入功能的a p 就演化成拥 有接入和路由功能的m e s h 路由器( m e s hr o u t e r ) ；而与固定线路相连的m e s h 路 由器，也称作m e s h 网关。 无线m e s h 网络的优势非常明显，首先它免除了每个a p 必须分别接入有线网 络的不便；其次无线m e s h n 络的部署更加容易，只需要安置一些m e s h 路由器就 可以使网络覆盖范围从“局域”扩大到“城域”；而且网络的性能和覆盖范围还 可以随需求的增加随时拓展，以提供高质量的无线宽带接入服务。 由于无线m e s h 网络无论是在电路、无线频段，还是在用户终端设备方面，均 与i e e e8 0 2 1 1 协议规范相兼容，因此，原本支持i e e e8 0 2 1 1 相关标准的终端在 无线m e s h 网络中仍然可以继续使用，大幅节省了用户投资，这为无线m e s h n 络 的推广带来了极大的优势。 1 2 研究现状 无线m e s h 网络概念于2 0 0 3 年左右被正式提出，众多高校和研究机构纷纷投身 其中，研究主要集中在对原有i e e e8 0 2 1 1 数据链路层的改造和提出适合无线 2 第一章绪论 m e s h 网络特性的路由协议上。 在无线m e s h 网络中，链路传输数据时会由于共享信道等原因对邻近的其他链路 产生影响，因此无线m e s h 网络的m a c 层协议较之w l a n 之类的单跳无线网络存 在着一些新的需要解决的问题。在无线m e s h 网络中不存在中央控制机制，因此 m a c 协议需要能支持分布式的协同通信，具备网络自组织功能，能够适应由于 站点移动或故障而带来的拓扑改变。目前m a c 相关研究可分为单信道m a c 协议 和多信道m a c 协议两大类。 由于无线m e s h 网络与无线a d h o c 网络同属无线多跳网状结构，部分针对无线 a d - h o c 网络所提出的路由协议也能够应用在无线m e s h 网络中，例如常见的a o d v ( a dh o co n d e m a n dd i s t a n c ev e c t o rr o u t i n g ) ( c h a r l e se p e r k i n s ，e ta 1 19 9 9 ) 、 d s r ( d y n a m i cs o u r c er o u t i n g ) ( d a v i db j o h n s o n e ta 1 2 0 0 1 ) 等。但是，这些 a d h o c 路由协议主要关注路由的可用性，并没有考虑传输质量的问题，因此在实 际应用中性能往往差强人意。无线m e s h 网络的目的是提供高质量的宽带i n t e m e t 接入，因此对传输质量有更高的要求。 无线链路的不稳定性对传输性能的影响十分显著，因此，设计合理的链路质 量度量标准( m e t r i c ) 做为选路依据显得尤为重要。近年来研究工作者已经发表 了一些关于多跳无线网络链路m e t r i c 的工作，例如e t x ( e x p e c t e dt r a n s m i s s i o n c o u n t ) ( d d e c o u t o ，e ta 1 2 0 0 3 ) 、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 ) ( r d r a v e s e ta 1 2 0 0 4 ) 等。有t m e t r i c 做为基础，进而提出 了l q s r ( l i n kq u a l i t ys o u r c er o u t i n g ) ( r d r a v e s ，e ta 1 2 0 0 4 ) 等一系列应用 在多跳无线网络的路由协议。但是，由于无线m e s h l 网络特殊的拓扑特性和层次 化结构，目前的路由协议还远远没有发挥出网络所蕴含的巨大潜力。 1 3 本文所做工作和章节安排 本文基于无线m e s h 网络环境，利用网络中存在多网关和冗余链路特性，提出 了适用于无线m e s h 网络的多网关多路径路由协议；在此基础上，对传统的终端 切换策略进行了改进，同时针对网络拓扑变化给出了网络主动调整机制。 为验证上述协议和策略，我们利用n s 2 网络仿真软件开发了无线m e s h n 络仿 真环境，在该环境中可以通过添加模块和修改算法来测试各种协议的性能。 仿真实验表明，本文所提出的多网关多路径路由协议比其他路由协议更能发 挥无线m e s h 网络的潜在性能；建立在路由协议上的切换策略和主动调整机制， 能最大限度提升用户体验。 整篇论文的组织结构如下： 第一章为绪论，简要介绍本文的研究背景和研究现状并简要论述本文所做工 3 第一章绪论 作。 第二章为背景知识介绍，主要分为无线m e s h 网络和i e e e8 0 2 1 1 s 协议两个部 分进行介绍。 第三章为n s 2 网络仿真平台介绍，对本文性能测试所使用的仿真软件以及在 其上的二次开发情况进行了详细介绍。 第四章是路由协议研究，主要描述了本文提出的多网关多路径路由算法。 第五章为终端切换研究，对现有终端切换策略进行了介绍和分析，并给出了 改进后的终端切换方案。 第六章给出了网络主动调整机制，在网络拓扑发生可预知改变时，提前对网 关和中间节点进行调节，以保证网络的正常运行。 第七章为本文的总结和对今后工作的展望。 4 第二章无线m e s h 网络基本介绍 本章简要介绍了无线m e s h 网络的基本知识以及关于无线m e s h 圈j 络的晕新标 准草案脚8 0 2 1 l s ( m e e p 8 0 2 1 l s , 2 0 0 5 ) 的一些主要内容。 2 1 无线m e s h 网络相关知识介绍 无线m e s h 同络利用多跳无线眄状拓扑提供到i n e r t a c t 的宽带接入多跳的拓 扑结构不仅更加降低7 对有线网络的依赣，而且大幅增加了无线m 铭h 舟络的覆 盖范圉使得无线m 酏网络相对与传统的无线鼹络有了革命性的改变和发展 无线懒网络中各节点闻通过无线连接形成席状拓扑，m o s h 节点可以分为 m 融路出器和h 缸s h 终靖两类，有的m 碰路由器还兼具舟关的功能，负责与有线 网络通信。m e s h 终端设备具有多样性，普通p c 、笔记本电脑、p d a 、廿电话等 等都可以成为m e s h 终端设备。 无线m e s h 舟络根据结构可分为槊构式无线m e s h q 络、对等式无线m e s h 网络 以及混杂式无线m e s h 阿络三类。 。二：二， ，。要终j 蹴。i 。、触。，豆 ，聱。0 ：! 一薹、警一善! 豆毒。i 却，惠。，。燕：二：“ 第= 章无拽m c n 弼络基奉舟绍 2 1 1 2 对等式无线m e s h 两络 各无线终端之间采用a d - h o c 技术对等地连接起来形成无线网状网络，该类型 的无线m e s h 网络也就是通常所说的移动自组织网络( m a n e t ，m o b i l ea dh o c n e t w o r k ) 。对等式无线m e s h 弼络对终端设备的要求较架构式无线m e s h 网络高， 为了形成自组织无线m e s h 网络终端设备需要具各路由以及网关等功能。对等 式无线m e s h 网络结构如图2 2 所示。 冈 。黔一、苴 豆 2 1 i 3 混合式无线m e s h 暖j 络 混合式无线m e s h l 司络结合了架构式和对等式无线m e s h 网络两种结构的特 点，m e s h 终端能够直接接入m e s h 主干或通过其他i 约m e s h 节点接入，其结构如 图2 3 所示。 “ 一， 蹴蹦。，桫 妙i 。i j “豌 7 j 奎豢? 嫩。一嫩，蹴 i 曩 目且= ? 矗 14、 蛩2 - 3 摁杂式w m n 体系结构 架构式无线m e s h 网络由于存在专用的主干路由结构，其传输性能能够得到 较好的保障，更适用于需要高带宽、高稳定性的i n t e r n e t 连接的场景；对等式无线 m e s h 网l 络构造灵活，更适用于临时紧急场景，但是终端设备问处理能力差异较 大，通信质量无法得到较好的保障；混合式无线m e s b 网络兼具前两者的优点， 将是未来发展的主流。 第二章无线m e s h 网络基本介绍 2 1 2 无线m e s h 网络的特点 无线m e s h 网络作为一种新型的网络有着自己的一些特征，同时网状的拓扑 结构使其与传统的无线a dh o c 网络有着很多相似之处。无线m e s h 网络所具有的 特征如下： 1 ) 多跳无线网状拓扑：多跳无线网状拓扑结构的采用能够扩大网络覆盖范 围，能够提供视线不可达( n l o s ，n o l l e 1 i n e o f - s i g h t ) 的无线网络接入， 避免由于障碍物阻隔造成的无线覆盖死角； 2 ) 不同类型的节点对移动性和能耗的需求不同：m e s h 路由器及网关通常是 固定的且具有可靠的电源供应，而m e s h 终端则既可以是较固定的节点也 可以是移动性较强的节点，对能耗的限制也应随终端的种类而变化； 3 ) 提供多种类型的网络访问：无线m e s h 网络提供基于主干网的网络访问以 及基于p 2 p ( p e e r - t o p e e r ) 的网络访问，无线m e s h 网络内部节点间的通 信既可以像w l a n 一样通过网关进行，也可以直接以a d h o c 的方式进行 通信： 4 ) 与现存无线网络技术兼容：无线m e s h 网络应该能够兼容目前已有的 w i f i 、w i m a x 等设备，能够与其他的无线网络实现通信； 5 ) 具备自组织、自愈合能力：无线m e s h 网络布设简单，支持节点的自由加 入和离开，具备a d h o c 网络的自组织、自愈合能力； 6 ) 无线m e s h 网络与无线a d h o c 网络的不同之处在于：无线m e s h 网络更关心 网络的吞吐率、带宽等服务质量的保证，而a d h o c 网络更关心网络的可 用性；传输性能的优化是无线m e s h 网络中所研究的主要问题，而a d h o c 网络中则更关注移动性等问题。 2 1 3 无线m e s h 网络的相关标准 为了支持无线多跳网状环境下的通信，目前已有很多标准制定工作组投入无 线m e s h 网络相关标准的制定之中。 1 ) i e e e8 0 2 1 l s ：该标准属于i e e e8 0 2 1 1 协议族。其目标是提供 e s s ( e x t e n d e ds e r v i c es e om e s h ( j h a u s e r , i e e e8 0 2 1 1 0 3 7 5 9 r 2 ) ，使访 问点a p 之间能够建立无线连接，支持自动拓扑识别和动态路由配置。其 基本思想是通过扩展i e e e8 0 2 1 im a c 协议，采用r a d i o 感知的度量标准 在自配置的多跳拓扑结构上实现对广播组播以及单播传输的支持。 2 ) i e e e8 0 2 1 6 a ：i e e e8 0 2 1 6 - 1 - 作组成立于1 9 9 9 年，目标是提供无线城域 网的宽带接入( c e k l u n d ，e ta 1 2 0 0 2 ) 。i e e e8 0 2 1 6 采用大于1 0 g h z 的频 带通信，采用p m p ( p o i n t - t o m u l t i p o i n t ) 结构。为了提供n l o s 的传输以 7 第二章无线m e s h 网络基本介绍 弥补p 结构的不足，i e e e8 0 2 1 6 a 标准采用基于时分多路复用( t d m a ) 的m a c 协议来支持m e s h 模式，以提供多跳无线传输。类似于当年的 w i f i ，致力于推动基于i e e e8 0 2 1 6 的宽带无线网络广泛部署的w i m a x 联盟已经成立。 3 ) i e e e8 0 2 2 0 ( m a r kk l e r e r , h t t p ：w w w i e e e 8 0 2 o r g 2 0 ) ：i e e e8 0 2 2 0 工作 组于2 0 0 2 年1 2 月成立，该工作组致力于基于c e l l u l a r 技术制定能够提供普 适移动宽带接入的无线通信标准。该标准能够支持室内或室外的m e s h 网 络结构。该标准将提供高速移动中的节点之间的通信，车载网络将是其 最具针对性的场景。 4 ) i e e e8 0 2 1 5 5 ( w p a n ，h t t p ：w w w i e e e 8 0 2 o r e , 1 5 ) ：i e e e8 0 2 1 5 0 工作组 致力于制定能提供短距离移动通信的标准，该标准族主要针对w p a n ( w i r e l e s sp e r s o n a l a r e a n e t w o r k ) 。8 0 2 1 5 5 将采用u w b ( u l t r a w i d e b a n d ) 技术通信。u w b 在短距离内能够提供极高的带宽，非常适用于家庭网络 等需要高速传输流媒体数据的小范围环境。 2 2i e e 8 0 2 1 l s 协议草案介绍 i e e e8 0 2 1 l s 标准草案起始于2 0 0 5 年，并计划在2 0 0 9 年年底前正式推出i e e e 8 0 2 1 l s 标准。该标准所涉及的内容包括扩展标准1 拘8 0 2 1 1m a c ，链路的建立与 管理，路径选择，数据转发和安全性等。 2 2 1m e s h 模型定义 m e s h 基本角色模型定义如图2 4 所示。 e x t e r n a ln e t w o r k 图2 - 4m e s h 模型示意图 8 第二章无线m e s h 网络基本介绍 m e s hp o i n t ( ) 是指在无线m e s h 网络中负责数据转发的设备。 m e s hp o r t a l ( m p p ) 是可以连接两个m e s h n 络或者将m e s h n l 络与其他类型网 络相连的m p 节点，我们可以认为m p p 除了包含m p 的全部功能外，还扮演了传统 网络中的网桥或网关的角色。 m e s h a c c e s sp o i n t ( m a p ) 是指同时具备n i p 与a p 两种功能的设备，可以为 无线终端提供网络接入服务。 s t a ( s t a t i o n ) 即普通的无线终端，可以认为它与m e s h 无关，只是一般意义 的用户级无线设备。 2 2 2m e s h 节点定义 2 2 2 1 节点发现 一个m e s h 节点加入一个m e s h 网络，必须首先赋予其合法的m e s h 身份，这个 身份包括：m e s hi d 、路由协议标识、m e t r i c 标识等。这个身份可以通过节点与 网络协商配置，也可以由用户指定。 节点发现分为主动模式和被动模式两种。 主动模式中