（计算机应用技术专业论文）无线mesh网络跨层路由技术研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 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 ) 简称w m n ，是一种新型的无线通信网络。 w m n 具有自组织性和自愈的特点，是一种多跳的宽带无线网络结构，也是一种高容量、 高速率的分布式网络。作为一种新型网络结构形态，w m n 可以看成是i n t e m e t 的无线版本， 成为构建b 3 g 4 g 的潜在技术之一，也是迄今为止唯一种建设商用移动a d h o c 网络的可 行技术。 由于w m n 在拓扑、传输和业务上的特性，传统的用于有线网络分层协议设计方法中 的路由协议已不再适用于w m n 。因此，探索基于物理层、m a c 层等协议层的跨层路由技 术成为w m n 研究的热点和难点。本文的主要工作就是对w m n 的跨层路由进行研究、设 计和仿真分析。 论文首先介绍了w m n 的典型结构和基本特点，并在此基础之上对现有的w m n 路由 协议进行了归纳和总结。然后，从传统网络分层的弊端入手，分析了在w m n 中采用跨层 路由设计的必要性、基本要求、一般原则和方法等，并详细介绍了现有的几种路由协议跨 层设计方案。 在第四章，本文提出了一种基于路径综合质量的适用于w m n 的路由协议c m d s r ， 该路由协议是在动态源路f l j ( d y n a m i es o u r c er o u t i n g ，d s r ) 基础之上的改进。在c m d s r 路 由协议中，通过增加跨层设计模块采集物理层、m a c 层等的实时状态信息，如干扰估计 值、处理时延、剩余带宽等，然后形成综合判据用于路由选择。最后，使用n s 2 软件对其 在不同网络状态下的性能进行了仿真分析。结果表明，通过比较路径质量进行路由选择， 减少了d s r 路由中仅考虑最小跳数的局限，从而提高了网络平均吞吐率，降低了路由开销， 非常适用于w m n 。 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业： 工学计算机应用技术 研究方向： 计算机通信与网间互连技术 作者：2 0 0 5 级研究生许建 题目：无线m e s h 网络跨层路由技术研究 英文题目：r e s e a r c ho nc r o s s l a y e rr o u t i n gi nw i r e l e s sm e s h n e t w o r k s 主题词：无线m e s h 网络路由协议跨层设计 k e y w o r d s ：w i r e l e s sm e s hn e t w o r k s r o u t i n gp r o t o c o l s c r o s s - - l a y e rd e s i g n a bs t r a c t w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ( w m n ) ，i sak i n do fn e w l y - d e v e l o p e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k c h a r a c t e r i z e db ys e l f - o r g a n i z a t i o na n ds e l f - r e c o v e r y , w m ni sam u l t i h o pb r o a db a n d w i r e l e s sn e t w o r k ，a n dad i s t r i b u t i n gn e t w o r kw i t hh i g hc a p a c i t ya n dh i 曲s p e e d a sw e l l a san e w n e t w o r kc o n f i g u r a t i o n ，w m nc a nb ec o n s i d e r e da saw i r e l e s sv e r s i o no fi n t e r n e t ，a n di so n eo f t h ep o t e n t i a lt e c h n i q u e so fc o n s t r u c t i n gb 3 g 4 c t h o w e v e r b e c a u s eo fw m n sc h a r a c t e r i s t i c so ft o p o l o g y , t r a n s m i s s i o na n do p e r a t i o n ，t h e t r a d i t i o n a lr o u t i n gp r o t o c o lu s e di nd e l a m i n a t i n ga g r e e m e n td e s i g no fw i r e dn e t w o r ki sn o t a p p l i c a b l et ow m n t h e r e f o r e ，e x p l o r i n gt h ec r o s s - l a y e rr o u t i n gt e c h n i q u eb a s e do np h y s i c a l l a y e r , m a cl a y e ra n do t h e rl a y e r sh a sb e c o m e o n eo ft h eh o ta n dd i f f i c u l tt o p i c so fw m n s t u d y t h i st h e s i si sa i m e da ts t u d y i n g ，d e s i g n i n ga n ds i m u l a t i n g l ya n a l y z i n gt h ed e s i g nm e t h o da n d p r o j e c to fw m n s t h et h e s i sf i r s t l yi n t r o d u c e st h er e p r e s e n t a t i v ec o n s t r u c t i o na n db a s i cc h a r a c t e r i s t i c s ，a n d c o n c l u d e st h ep r e s e n tw m n r o u t i n gp r o t o c o lo nt h i sb a s i s s t a r t i n gw i t ht h ef l a w so ft r a d i t i o n a l n e t w o r k ，t h et h e s i st h e na n a l y z e st h en e c e s s i t y , e l e m e n t a r yr e q u i r e m e n t s ，g e n e r a lp r i n c i p l e sa n d m e t h o d so fu s i n gc r o s s l a y e rr o u t i n gd e s i g ni nw m n m o r e o v e r ，i ti n t r o d u c e si nd e t a i ls o m e e x i s t i n gp r o j e c t so fc r o s s l a y e rr o u t i n gd e s i g n c h a p t e r4b r i n g sf o r w a r dar o u t m gp r o t o c o lc a l l e dc m d s rw h i c hc a l lb ea p p l i e dt ow m n i ti sb a s e do nt h ep a t hi n t e g r a t i n gq u a l i t ya n di st h ei m p r o v e m e n to fd y n a m i cs o u r c er o u t i n g i n c m d s rr o u t i n gp r o t o c o l ，t h r o u g hc r o s s - l a y e rd e s i g nm o d u l ec o l l e c tt h er e a lt i m es t a t u s m e s s a g ef r o mp h y s i c a l l a y e ra n dm a cl a y e r , s u c ha s t h ee s t i m a t e dv a l u eo fi n t e r f e r e ， p r o c e s s i n gd e l a y , a v a i l a b l eb a n d w i d t h ，t h ef i n a lc r i t e r i o ni sf o r m e dt ob eu s e di nr o u t i n g i nt h e e n d ，n s 2i su s e dt os i m u l a t i n g l ya n a l y z ei t sd i f f e r e n tp e r f o r m a n c ei nd i f f e r e n tn e t w o r ks t a t u s t h er e s u l ts h o w st h a tt oc h o o s er o u t i n gb yc o m p a r i n gq u a l i t i e so fp a t h sc a nd e c r e a s e t h e l i m i t a t i o no fc a l c u l a t i n go n l yt h es m a l l e s th o p si nd s r t h u s ，t h i s m e t h o di sa b l et oa d v a n c em e a v e r a g et h r o u g h p u to fn e t w o r k ，r e d u c et h er o u t i n go v e r h e a da n di ss ov e r yf e a s i b l ef o rw m n - i i - 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业： 工学计算机应用技术 研究方向： 计算机通信与网间互连技术 作者：2 0 0 5 级研究生许建 题目：无线m e s h 网络跨层路由技术研究 英文题目：r e s e a r c ho nc r o s s l a y e rr o u t i n gi nw i r e l e s sm e s h n e t w o r k s 主题词：无线m e s h 网络路由协议跨层设计 k e y w o r d s ：w i r e l e s sm e s hn e t w o r k s r o u t i n gp r o t o c o l s c r o s s - - l a y e rd e s i g n 南京邮电大学硕士研究生学位论文缩略词表 缩略词表 缩略词 英文全称中文说明 a b r a s s o c i a t i v i t yb a s e dr o u t i n g基于关联度的路由协议 a pa c c e s sp o i n t接入点 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 基于按需距离矢量路由 b e rb i te r r o rr a t e( 二进制) 误码率 c b r p c l u s t e rb a s e dr o u t i n gp r o t o c 0 1分簇路由协议 c g s rc l u s t e rg a t e w a ys w i t c hr o u t i n gp r o t o c o l群首网关交换路由协议 c l a o d v c r o s s - l a y e ra o d v跨层a o d v c m d s r c o m p r e h e n s i v e m e t r i c d y n a m i c s o u r c e 基于综合判据的动态源路 r o u t i n g 由 d s d vd 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 e v e c t o r目的节点排序距离向量路 r o u t i n g 由协议 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 f s r f i s h e y es t a t er o u t i n g基于鱼眼技术的先验路由 协议 g p sg l o b a lp o s i t i o ns y s t e m 全球定位系统 g s rg l o b a ls t a t er o u t i n g 全局状态路由协议 h s r h i e r a r c h i c a ls t a t er o u t i n g 分级状态路由协议 i pi n t e r n e tp r o t o c o l 网际协议 i p v 4 i n t e r n e tp r o t o c o lv e r s i o n4 网际协议( 版本4 ) i p v 6i n t e r n e tp r o t o c o lv e r s i o n6 网际协议( 版本6 ) m a cm e d i aa c c e s sc o n t r o l 媒体访问控制 m c l 心 m u l t i c h a n n e lr 0 u t i n gp r o t o c o l 单收发器多信道路由协议 m i m o m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t 多输入多输出 m r - l q s rm 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 n d m a n e t w o r k - a s s i s t e dd i v e m i t ym u l t i p l ea c c e s s 网络协助分集多址接入 v i 南京邮电火学硕 二研究生学位论文 缩略词表 n l o sn o nl i n eo fs i g h t非视距 n p d u n e t w o r kp r o t o c o id a t au n i t 网络协议数据单元 n sn e t w o r ks i m u l a t o r网络模拟器 o f d m o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g正交频分复用 o s i o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t 开放式互联系统 p 哪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 q o sq u a l i t yo fs e r v i c e 服务质量 r a i 冲r a d i oa w a r er o u t i n gp r o t o c o l 射频感知路由协议 s n r s i g n a ln o i s er a t i o 信号噪声比 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 c pt r a n s f e rc o n t r o lp r o t o c o l 传输控制协议 t o r a t e m p o r a l l yo r d e r e dr o u t i n ga l g o r i t h m 临时预定路由算法 u 忸u l t r aw j d e b a n d 超宽带无线技术 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 n累计期待传输时间 t i m e w l a nw 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 俸嗄a nw i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k 无线城域网 w m cw i r e l e s sm e s hc l i e n t 无线网状客户端 w m gw i r e l e s sm e s hg a t e w a y 无线网状网关 、 礓仆iw i r e l e s sm e s hn e t w o r k 无线网状网 w m rw i r e l e s sm e s hr o u t e r 无线网状路由器 ， w i 冲w i r e l e s sr o u t i n gp r o t o c o l 无线路由协议 z h l s ? 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 基于区域的路由协议 z r pz o n er o u t i n gp r o t o c o l 平铺式路由协议 v i i 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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 含为获得南京邮电大学或其它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。 研究生签名：耻日期：j 趔 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 无线网络技术的发展日新月异，各种8 0 2 1 1 x 标准不断被更新，新的无线网络架构和 技术也不断被提出。近来人们提出一种新型的无线网络无线m e s h 网络( w i r e l e s sm e s h n e t w o r k s ，w m n ) 。w m n 技术的出现，被认为是未来通讯技术发展的方向之一，有着极为 广阔的应用前景【1 , 2 , 3 】。w m n 结构作为可以解决“最后1 公里 网络接入瓶颈问题的方案， 已被写入了i e e e 8 0 2 1 6 ( w im a x ) 无线宽带接入网络标准中，目前也纳入到i e e e 8 0 2 1 5 m e s h 和正在制定的i e e e 8 0 2 1 1 m e s h 标准中。从技术特点来看，作为新一代的无线网络的完整 解决方案，w m n 具有无线宽带接入，广域覆盖，高速移动，快速漫游切换，灵活布网、 多方位支持客户的多种业务需求的特点。因此，w m n 有望成为未来无线城域网( w m a n ) 核心网理想的组网方式，并极有可能挑战3 g 技术，成为构建b 3 g 4 g 的潜在技术之一。 w m n 不仅可以看作是w l a n 与移动a dh o c 网络融合的一种网络，也可以看作是因 特网的一种无线版本。它通过多跳技术将前向业务传到互联有线网络的接入点( a c c e s s p o i n t ，a p ) 或接收来自接入点的业务。 w m n 结构可分三层，如图1 1 所示【l 】。接入节点和i n t e r n e t 形成最上层，中间层由无线 路由器之间通过单跳或多跳通信形成无线路由器网络，它们通过无线接入点形成w m n 的 骨干网。能够提供给最下层用户节点低花费，高带宽和无缝的多跳接入i n t e m e t 的服务。 w m n 也可称为分层a dh o c 网络，是自由动态组网和集中控制的有机结合体。它将a dh o c 技术引入到现有的网络结构中来，极大地提高了网络容量。很显然，网状结构的引入为用 户接入i n t e m e t 提供了极大方便和灵活性。 w m n 的特征 2 1 主要体现在：1 ) 它是多跳无线网络，通过网状方式连接，为网络提供 较高的吞吐量和频谱复用效率；2 ) 它支持a dh o c 网络结构，具有自形成、自愈和自组织 能力；3 ) 它的组网节点移动性不一样。w i r e l e s sm e s hg a t e w a y ( w m g ) 和w i r e l e s sm e s h r o u t e r ( w m r ) 的移动性较低，而w i r e l e s sm e s hc l i e n t ( w m c ) 的移动性较高：4 ) 支持 多种网络接入方式。可分别与因特网、蜂窝网、传感器网络等共同组网；5 ) 节点的能耗方 式不同。通常w m g 和w m r 节点的能耗没有严格的限制，而对客户机节点w m c 通常要 1 南京邮电大学硕士研究生兰垡笙奎 釜二皇丝垒 _ _ - _ - _ _ - _ - 一一一一。 求执行功率有效的协议；6 ) 兼容性与互操作性。w m n 与现存的无线网络兼容良好，互操 作性强。这些特征为w m n 的体系结构和路由协议研究提出了新的挑战和契机。 图l - iw m n 的分层结构 w m n 的特征给它带来了巨大的优势【l 】，主要表现在： 1 ) 组网灵活，易于维护。只要在需要的地方安装m r 等少量设备，就可以与已有的设 备组成无线宽带接入网。 2 1 非视距传输( n l o s ) 。w m n 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，大大扩展了无线宽带的覆盖范围。 3 ) 健壮性。实现网络健壮性通常的方法是使用多路由器来传输数据。如果某个路由器 发生故障，信息由其他路由器通过备用路径传送。w m n 比单跳网络更加健壮，因为它具 有不依赖于某单一节点的性能。 4 ) 高带宽。无线通信的物理特性决定了通信传输的距离越短就越容易获得高带宽，因 为随着无线传输距离的增加，各种干扰和其他导致数据丢失的因素随之增加。所以，选择 经多个短跳来传输数据将是获得更高网络带宽的一种有效方法。 国际上近年来对a dh o c 和w m n 进行了深入研究。在物理层，主要进行高速宽带接入 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一苹绪论 技术及标准( 如i e e e8 0 2 。l1 b a g 、u w b 等) ，以及如何利用m a c 协议来提高物理层的性 能【4 ，5 ，6 ，7 1 方面的研究。在m a c 层协议的研究，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【8 , 9 , 1 0 ；在网络层， 主要进行路由协议的研究1 1 , 1 2 , 1 3 , 1 4 】。协议的核心是适应网络无中心控制和网络时变的特征。 同时在网络连接性方面也有一些研究成果，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：在传输层，主要对多播组播协议、t c p 协议等进行了分析和研 究。对a dh o c 已有的成果主要是两类【1 5 , t s l ：一是对原t c p 的增强。传统的t c p 协议不适 合无线环境，需要进行修改；二是完全新的传输协议；但真正适合w m n 的传输协议还需 要进一步研究。在应用层，主要进行与因特网、无线传感器网络、w l a n 等分布式网络资 源分配与应用、安全性问题、服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 等【1 7 , 1 8 。国际上的研 究力量主要集中在美国和欧洲。如c a r n e g i e - m e l l o n 大学、m i t 、i l l i n o i s 大学 u r b a n a - c h a m p a i g n 分校、c a l i f o r n i a i n s t i t u t ef o rt e l e c o m m u n i c a t i o n sa n di n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y 、g e o r g i ai n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y 、t h eu n i v e r s i t yo f c a l i f o r n i a 等，开发了一些演 示测试系统：r o o f n e t 、b w n m e s h 等1 9 ，2 0 ，2 1 1 。微软、北电、i n t e l 等公司也进行了商业应用 开发，在标准化方面进行了大量的工作： 国内发表的文献表明【3 盈, 2 3 , 2 4 ，清华大学目前建立了一个w m n 测试网，西南交通大学、 西安电子科技大学、东南大学、南京邮电大学等学校也进行了一些研究。大家前期工作主 要集中在无线自组织网络和无线传感器网络等，对w m n 的研究还处于起步阶段。 就目前的研究情况而言，w m n 路由算法的设计是一个非常重要非常热门的研究方向。 例如从节点a 到节点b ，可以经过不同的用户站中转，存在多条路径，于是选择哪条路径 就成为一个关键问题，这将直接影响系统的性能。而且，当节点增加减少或移动时，无线 链路失效经常发生，更何况在无线传播的情况下，链路本身就没有很好的定义，介质共享 带来了带宽及链路质量的不稳定。所以，在w m n 的拓扑结构发生变化时，路由选择问题 变得更加复杂。传统的基于因特网的路由协议以及a dh o e 网络的路由协议都无法适应这些 特性，需要有适用于w m n 的专用路由协议。近几年，关于这方面的研究比较多，采用跨 层设计思想的路由协议则是其中性能比较突出的一种。 1 2 本文主要工作 w m n 设计中的一个关键问题是开发能够在两个节点之间提供高质量高效率通信的路 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 由协议。在众多的路由设计思想中，通过跨层设计综合各方面因素进行路由选择，是解决 这一关键问题的热点。因此，本文的研究紧紧围绕着w m n 的路由算法和跨层设计两个方 面展开。 本文共分为五章，具体安排如下： 第一章是绪论部分，介绍了论文选题的背景，并列出了全文的结构。 第二章主要介绍了w m n 及其路由技术。在本章中，首先介绍了w m n 的拓扑结构、 网络的结构特点、网络的应用和发展现状等。然后重点研究了w m n 现有的路由协议，对 现有的路由协议性能进行了分析和比较。 第三章主要研究了现有的跨层路由技术。本章主要是从跨层设计的原理入手，分析了 在w m n 中采用跨层路由设计的必要性和基本要求。从跨层路由判据选择方面对几种典型 的跨层设计路由算法进行了分析，总结了它们的利弊。 第四章在上述研究的基础上提出了一种通过跨层设计，基于综合路由判据的适用于 w m n 的d s r 改进路由协议1 m d s r 。从协议实现、跨层设计等方面对该路由协议做 了详细描述，并进行了仿真实验和性能分析。结果表明，c m d s r 路由协议具有较高的网 络性能。 第五章是总结和展望。 最后是致谢和参考文献。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线m e s h 网络路由技术 第二章无线m e s h 网络路由技术 2 1 无线m e s h 网络的组网结构 w m n 是使用多跳方式通信的全无线网络，数据流量进出有线i n t e r n e t 网关。与平面 a dh o c 网络相比，w m n 呈现分层的特点。w m n 中的节点，按其功能可以分为无线m e s h 路由器( w i r e l e s sm e s hr o u t e r , w m r ) 和无线m e s h 终端用户( w i r e l e s sm e s hc l i e n t ，w m c ) 【1 1 o w m n 的主干由成网状结构的无线m e s h 路由器连接而成，这些路由器除了具备网关 和转发器等传统无线网络路由器功能外，还具有能够支持w m n 的特殊功能。为了进一步 提高w m n 组网的灵活性，一个m e s h 路由器通常安装有多个无线接口，这些接口可以基 于相同或不同的无线技术接口。和传统的无线路由器相比，无线m e s h 路由器可以通过多 跳网络，以较小的传输功率来实现同样的覆盖；通过加强m e s h 路由器中的m a c 协议， 还能使得它在多跳m e s h 网的环境下具有更好的可伸缩性。 无线m e s h 终端用户则兼备主机和路由器两种角色：一方面，节点作为主机运行相关 的应用程序；另一方面，节点作为路由器需要运行相关的路由协议，参与路由发现、路由 维护等路由操作。此外，和m e s h 路由器相比，m e s h 客户机通常只有一个无线接口，在硬 件和软件方面都要简单，在灵活性方面也要强于m e s h 路由器。 在组网模式上，w m n 有三种典型结构【2 5 】：基础设施网状结构，客户机网状结构，以 及混合式结构。 基础设施网状模式中只有m e s h 路由器，他们构成客户机的电信基础设施。这些路由 器分为边缘m e s h 路由器和普通m e s h 路由器，m e s h 路由器之间形成了一个自配置和自愈 合的网络。边缘m e s h 路由器具有网关或者网桥节点的功能，它使得w m n 和现有的其他 网络连接到一起，也可以连接到i n t e m e t 。带有以太网接口的传统用户机可以通过以太网连 接到m e s h 路由器。w m n 还可以应用多种无线电技术，使用同样无线电技术的客户机可 以直接和m e s h 路由器通信：使用不同的无线电技术的客户必须通过以太网连接到m e s h 路由器的基站通信。此类w m n 可以通过大范围覆盖技术来建立i 包括使用定向天线。 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 网络路由技术 基础设施的w m n 是最普通的应用类型。它们可以承载其它终端的接入，如图2 - 1 所 不o i l i a x 嘲殆 图2 - 1 基础设施的m e s h 网络 客户机结构的w m n 中则只有m e s h 客户机，如图2 2 所示。在这种结构的网络中， 终端用户自身配置无线收发装置通过无线信道的连接形成一个点到点的对等网络，即a d h o c 网络。它们完成路由、自配置和向客户提供终端应用的功能，因此不需要m e s h 路由 器。这是一种任意网格的拓扑结构，节点可以任意移动，可能导致网络拓扑结构也随之发生 变化。在这种环境中，由于终端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进行数据通信。在任意时刻，终端设备在不需要其他基础设施的 条件下可独立运行，它可支持移动终端较高速率的移动，快速形成宽带网络。通常，在客户 机上只使用一种无线电技术，网络结构比较简单，因此部署也比较容易。但是，客户机往 往具有一定的移动性，对于路由设计和服务质量的保证等提出了挑战。 6 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第二章无线m e s h 网络路由技术 图2 - 2 客户机的m e s h 结构 帆 如图2 3 所示，混合式结构的w m n 是基础设施结构和客户端结构的结合。m e s h 客户 机可以通过m e s h 路由器接入网络，同时也可以和其他m e s h 客户机直接组成m e s h 网。骨 干网提供到i n t e m e t 、w i f i 、w i m a x 、蜂窝网以及传感器网络等的连接，客户机的路由功 能可以从内部增强w m n 的连接和覆盖能力。这种混合型的结构是最具有应用价值的方式。 图2 - 3 混合m e s h 网络结构 7 户枫 南京邮电大学硕士研究生学位论文 2 2 无线m e s h 网络的特点 第二章无线m e s h 网络路由技术 w m n 的网络组织方式与传统的蜂窝网络迥然不同，它不仅可以看作是w l a n 与移动 a dh o c 网络的融合，也可看作是因特网的一种无线版本。概括来看，w m n 有以下主要特 占f 1 1 ， 1 ) 多跳无线网络。在不牺牲信道容量的情况下，扩展当前无线网络的覆盖范围是 w m n 的最重要的目标之一。w m n 的另一个目标是为处于非视距范围的用户提供非视距 连接。通过m e s h 网络连接，只需要短距离的链路，经受较少的干扰，就可以为网络提供 较高的吞吐量和较高的频谱复用效率。 2 ) a dh o c 网络结构，具有自形成、自愈和自组织能力。由于w m n 灵活的网络结构、 便利的网络配置、较好的容错能力和网格连通性，使得w m n 大大提升了现有网络的性能。 在较低的前期投资下，w m n 可以根据需要逐步扩展。 3 ) 移动性取决于节点的类型。w m n 通常有两类节点，分别具有不同的移动性特征。 m e s h 网关和路由器通常移动性较低，而m e s h 客户终端则既可以是静态的，也可以是任意 的移动节点。 4 ) 多种网络接入方式。在w m n 中，既可以支持到因特网的接入，也可以支持端到端 方式的通信。此外，可以通过w m n 与其他无线网络的集成，向终端用户提供各种多媒体 业务。 5 ) 功耗限制取决于节点类型。m e s h 路由器通常有外部供电，受功耗限制不严格，而 m e s h 客户终端就如同蜂窝移动通信网络的手机一样，需要有有效的节能机制。 6 ) 与现有无线网络的兼容性及互操作性。基于现有网络技术或标准( 如8 0 2 1 1 ) 的 w m n 必须在支持原标准上与这些标准相兼容，w m n 还需要与其他无线网络( 如 w i m a x ，w i f i 和蜂窝网络等) 有互操作性。 2 。3 无线m e s h 网络路由的特点 w m n 由一组具有路由功能的节点组成，不依靠预设的网络设施或者可以依靠的设施 能力有限。由于无线电波随着距离衰减，节点的传输范围有限，因此源节点在向目的节点 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二犟无线m e s h 网络路由技术 发送数据的时候，通常需要其他节点的协助，所以在w m n 中，路由协议是不可或缺的部 分。从功能上讲，路由协议是通信网络中一套将业务数据从源节点引导至目的节点的机制。 路由协议设计的目标是满足应用的需要，同时尽量减少系统的复杂度，降低开销，更有利 地利用资源。 w m n 的路由协议主要包括路径产生、路径选择和路径维护三项核心功能。其中，路 径产生是根据网络状态信息和用户业务需求产生路径的过程，网络状态信息和用户业务需 求信息的收集与传递是该过程的主要内容；路径选择是根据网络状态信息、用户业务需求 信息和其它信息选择最合适的路径。在w m n 的路由协议中，路径产生和路径选择这两项 功能通常合在一起称为路由发现；路径维护是对所选路径进行维护，w m n 的拓扑会发生 不断的变化，无线信道也很不稳定，路由协议还要充分考虑这些因素。 w m n 设计中的一个关键问题是开发能够在两个节点之间提供高质量高效率通信的路 由协议。网络节点的移动性使得网络拓扑结构不断变化，传统的基于因特网的路由协议无 法适应这些特性，需要有专门的应用于w m n 的路由协议。根据前文对这种网络结构和特 点的阐述，考虑到这种网络的特殊性，协议体系结构【2 】如图2 4 所示。 接入点a p 移动节点m n 应用层 t c p i p 、m m r m a c 物理层 ， 有线链路 图2 - 4w m n 协议体系结构图 在设计路由协议时必须考虑以下几方面因素【l 】： 1 ) 选择合理的路径选择算法。现有的很多路由协议是以最小“跳 数为标准来选择路 由路径的。但是如果连接质量较差或者网络拥挤的话，这种标准就很不合理。因此在选择 路由路径时就不能只考虑最小“跳”数，还应该综合考虑网络的连接质量和往返时延等因素， 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线m e s h 网络路由技术 设计一种合理的路径选择算法。 2 ) 确保对连接失败的可容错性。w m n 的目标之一就是在出现连接失败的情况下确保 网络的健壮性，也就是说，如果一个连接失败了，路由协议必须很快地选出另外一条路径以 避免出现服务中断。 3 ) 实现网络负载平衡。采用w m n 的另一个目标是实现用户对资源的共享。当w m n 中的某一部分出现数据拥塞时，新的通信数据应该避开这些模块，选择数据流量较少的路径 进行传输。 4 ) 网络的可扩展性。在一个较大规模的无线网络中建立一条路由路径往往会花费很长 时间，这也使得端到端延迟变得很大。而且，即使是这样一条路径已经确定，路径上节点 的状态仍然会变化。因此，可扩张性对于w m n 的路由协议来说是至关重要的。 5 ) 能够同时满足两种类型节点的不同要求。在上文中我们已经介绍过w m n 中两种节 点的区别。对于路由器来说，它的移动性较弱并且没有能源消耗的限制，它所需要的路由 协议肯定要比现有的a d h o c 网络的路由协议要简单得多。但是对于终端客户来说，情况却 恰恰相反。所以，在设计w m n 路由协议时要充分考虑这两种类型节点的差异，分别满足 两种节点的不同要求。 2 4a dh o c 网络路由协议 由于从某种程度上来讲w l 烈是移动a dh o c 网络的一种特殊形态【2 3 1 ，一些在a dh o c 网络中使用的路由协议也可以应用到w m n 中来。例如微型m e s h 网中使用的动态源路由 协议，以及其他一些公司所使用的基于按需距离向量的路由协议等。现有的a dh o c 网络 路由协议可以分为：先验式路由协议、反应式路由协议以及混合式路由协议 2 6 1 。 2 4 i 先验式路由协议 先验式路由协议又被称为表驱动( t a b l e d r i v e n ) 路由选择协议【2 7 1 ，是一种基于表格的 路由协议。在这种协议中，每个节点维护一张或多张表格，这些表格包含到达网络中其它 所有节点的路由信息。当检测到网络拓扑结构发生变化时，节点在网络中发表路由更新消 息。收到更新消息的的节点更新自己的表格，以维护一致的、及时的、准确的路由信息。 不同的先验式路由协议的区别在于拓扑更新信息在网络中传输的方式和需要存储的表的 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线m e s h 网络路由技术 类型。先验式路由协议不断的检测网络拓扑和链路质量的变化，根据变化更新路由表，所 以路由表可以准确地反映网络的拓扑结构。源节点一旦需要发送报文，可以立即得到到达 目的节点的路由。图2 5 是现有的部分先验式路由协议【2 羽。 图2 - 5 先验式路由选择协议 目的节点排序距离向量路由协议d s d v 2 9 ( d e s t i n a t i o ns e q u e n c e dd i s t a n c e v e c t o r r o u t i n g ) 是一种基于经典的b e l l m a n f o r d 算法的表驱动路由协议，它通过对路由编号等措 施避免了路由环路的发生，并在路径自由度方面做了一定的改善。d s d v 的基本原理是： 每一个节点维持一个到其它节点的路由表，表的内容为路由的“下一跳 节点。d s d v 的 创新之处是为每一条路由设置一个序列号，序列号大的路由为优选路由，序列号相同时， 跳数少的路由为优选路由。正常情况下，节点广播的序列号是单调递增的偶数，当节点b 发现到节点d 的路由( 路由序列号为s ) 中断后，节电b 就广播一个路由信息，告知该路 由的序列号变为s + l ，并把跳数设为无穷大，这样，任何一个通过b 发送信息到节点a 的 路由表中就包括一个无穷大的距离，这一过程直到a 收到一个到达d 的有效路由( 路由序 列号为s + l + 1 ) 为止。 在此方案中，网络中所有的移动终端都建立一个路由表，包括所有的目标节点和到达 各个目标节点的跳进次数( 或标识距离矢量的路径矩阵) 。每个登陆条目都有一个由目标 节点设定的序列号。序列号使移动终端可以区分当前有效路由路径和已过时的路由路径。 路由表周期性的作全网更新而产生的大量路由信息传递，为了减小网络路由开销，可以采 用两种路由更新方式。第一种是全清除方式( f u l l d u m p ) ，即通过多个网络协议数据单元 ( n e t w o r kp r o t o c o ld a t au n i t ，n p d u ) 将路由更新消息在全网中传输。如果网络内终端出 现移动，则产生的新路由分组信息不定期的传达至网络内所有终端。第二种方式是部分