第9章_无线Mesh网络.ppt

网络拓扑结构 第9章无线Mesh网络 主讲 林科 内容提要 概述无线Mesh网络的结构无线Mesh网络MAC协议无线Mesh网络路由协议无线Mesh网络的应用模式 9 1概述 无线Mesh网络 WMN WirelessMeshNetwork 又称无线网状网 无线网格网等 和无线传感器网络一样 也是一种应用性的网络技术 主要是以前面几章介绍的各种网络技术为基础的 特别是和移动AdHoc网络技术有着非常密切的联系 9 1 1无线Mesh网络的起源 传统的基于基站方案的无线通信系统是通过 最后一公里 的无线接入 无法适应业务需求的增长 蜂窝移动通信系统的出现 大大缓解了用户业务与系统资源之间的矛盾 但只适用于人口稠密 有永久用户业务需求的地区 移动AdHoc网络技术一直在悄悄地与蜂窝移动通信技术平行发展 但在相当长的一段时期内并没有在民用通信领域得到很好的应用 无线局域网有效延伸了因特网的覆盖范围 但是商业化进程在很多地区并不成功 技术上也无法做到像蜂窝网络一样无处不在的信号覆盖 无线Mesh网络 基于移动AdHoc网络的技术基础开发的一种完全适用于民用通信的无线多跳网络技术 以实现无线通信中无处不在的通信目标 无线Mesh网络的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 传统的WLAN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 无线Mesh网络 无线网状网络 也称为 多跳 multi hop 网络 它是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术 是一种与传统的无线网络完全不同的网络 传统基站方案的无线通信系统 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 即使两个节点实际上就是互相挨着 它们也必须通过接入点才能进行通信 WMN技术应运而生 802 11宽带无线网络接入已经渐渐的普及开来 现在的802 11x技术很好地支持了单中心节点 比如单AP AccessPoint 方式的部署 比如家庭使用 小型的公司和孤立的热点 但是还不能很好的支持多中心节点部署的情况 比如大型的企业 校园等 传统的解决办法是把所有的AP直接连接到一个Internet的网关上去 每一个AP都用有线和主干网络相连 这样部署无线网络的花费将会随着网络规模的增加而大幅增加 为了能够实现无线通信中无处不在的通信目标 需要基于移动AdHoc网络的技术基础 开发出一种完全适用于民用通信的无线多跳网络技术 WMN技术就随着这一需求而出现 通过无线把各个AP连接成一个多跳的网中网 Meshnetwork 然后由一个核心AP接入有线网络 该AP称为SuperJoint 这样一个AP AP的Meshnetwork结构需要对现在的网络路由协议进行改进 WMN结构示意图 当任意两个节点之间的一条链路失效后 路由器会经由一个或多个别的路由器找到一条替代路径 在无线Mesh网络中 采用网状Mesh拓扑结构 是一种多点到多点网络拓扑结构 在这种Mesh网络结构中 各网络节点通过相邻其他网络节点 以无线多跳方式相连 Internet就是一个Mesh网络的典型例子 实现无线Mesh的几种方案 无线mesh网络具有诸多优于其它类型无线部署的优势 这些优势主要集中在降低网络关键环节的成本 安装 维护以及运行维护等方面 以某些情况下 由于网络拓扑结构 缺少有线基础设施 或者是在客户室内或室外位置布线成本高等原因 无线mesh网络成为部署网络基础设施的唯一可行方案 无线Mesh的方案有很多种 但是大部分的方案都来源于最初的无线分布式系统 WirelessDistributionSystem WDS 概念 WDS是一种使用无线桥接和无线repeating的无线AP模式 无线桥接也就是只能在AP之间进行通讯 AP不接受无线客户端的访问 而无线repeating既允许AP之间互相通讯 也允许AP与无线客户端进行通讯 实现无线Mesh的几种方案 1 单频方案 所有信息都在同一信道上单频模式是无线mesh最脆弱的方案 接入点仅使用一个信道 此信道由无线客户端和回程流量 在AP之间转发 共享 当更多的AP加入到网络中的时候 用于回程流量的带宽将会占据越来越高的比例 仅仅留很少一部分容量给无线客户端 此现象的原因是由于无线是一个共享的媒质 本方案的AP不能同时发送和接收数据 而且在其覆盖范围内另一个AP正在传输的时候 该AP也不能发送数据 这种对可用共享带宽的竞争是基于类似以太网的无线冲突避免原则 CSMA CA 简单计算一下就会发现 在单频方案中每个无线客户端只能获得很有限的吞吐量 举例来说 假设你有5个AP 每个AP有20个无线客户端与之相连 所有的AP和客户端共享同一个802 11b信道 5Mbps 这样等价于每个用户只能获得少于50Kbps的吞吐量 比拨号连接还要慢 实现无线Mesh的几种方案 2 双频方案 回程共享在双频方案中 一个频道专门用来连接无线客户端 而另一个频道专门用来进行无线回程传输 回程信道同时由ingress和egress流量共享 这意味着什么呢 无线客户端流量将得到一些的改善 但是全网的性能仍然由于回程的瓶颈问题而不理想 3 多频方案 结构化的无线mesh在多频 或者称作结构化mesh 方案中 每个网络节点至少使用三个频道的专用无线链路接口 其中一个频道用于客户端的流量 第二个频道用于ingress无线回程流量 第三个频道用于egress无线回程流量 这个无线mesh网络的方案与单频或双频方案相比提供了很好的性能 因为每个链路都工作在独立的信道上 专用的回程链路可以同时发送和接收数据 WMN与移动AdHoc网络 WLAN和WBAN的关系示意图 9 1 2移动AdHoc网络向无线Mesh网络的演进 移动AdHoc网络和WMN技术的发展始终与一些成熟的技术与标准 如WLAN WiMAX 从而构成大规模的可伸缩性无线网络下一代无线网络 或4G无线网络 不再是一种全新的单一结构的网络技术 而是多种无线网络技术的融合 是一种多级网络形态 移动AdHoc网络的演进 分级移动AdHoc网络 基于WLAN的移动AdHoc网络 WiMAX作为Wi FiMesh拓扑的回程 底层mesh网络 负责更大范围网络的延伸与互联 WiMAX作为Mesh拓扑内回程 WiMAX作为客户端的接入网 移动用户终端既可以先通过wi fi再通过WiMAX接入接入到核心网络 也可以直接通过WiMAX接入到核心网络 更具灵活性 趋势 从移动AdHoc网络的发展历史及未来趋势可见 无线网络的多跳连接将成为下一代无线通信网络发展的必然趋势 可以为用户提供真正的无处不在的连接 UbiquitousConnection 下一代无线网络在结构和技术上向Mesh结构演进是必然趋势 9 1 3无线Mesh网络与其他无线网络的主要区别 1 无线Mesh网络与蜂窝网络的主要区别 1 可靠性提高 自愈性强 2 传输速率大大提高 3 投资成本降低 4 网络配置和维护简便快捷 2 无线Mesh网络与WLAN Wi Fi 的主要区别 从拓扑结构上看 WLAN是典型的点对多点 P2MP PointtoMultiplePoints 网络 而且采取单跳方式 因而数据不可转发 WMN可以通过WR对数据进行智能转发 需要对WLAN传统的AP功能进行扩展和改进 从协议上看 WMN与移动AdHoc网络基本类似 WLAN的MAC协议完成的是本地业务的接入 而WMN则有两种可能 一种是本地业务的接入 另一种是其他节点业务的转发 对于路由协议 WLAN是静态的因特网路由协议十移动IP 但WMN则主要是动态的按需发现的路由协议 只具有较短暂的生命周期 3 无线Mesh网络与移动AdHoc网的主要区别 1 WMN由无线路由器构成的无线骨干网组成 该无线骨干网提供了大范围的信号覆盖与节点连接 移动AdHoc网络的节点都兼有独立路由和主机功能 节点地位平等 接通性是依赖端节点的平等合作实现的 健壮性比WMN差 2 WMN节点移动性低于移动AdHoc网络中的节点 所以WMN注重的是 无线 而移动AdHoc网络更强调的是 移动 3 从网络结构来看 WMN多为静态或弱移动的拓扑 而移动AdHoc网络多为随意移动 包括高速移动 的网络拓扑 4 WMN与移动AdHoc网络的业务模式不同 前者节点的主要业务是来往于因特网的业务 后者节点的主要业务是任意一对节点之间的业务流 5 从应用来看 WMN主要是因特网或宽带多媒体通信业务的接入 而移动AdHoc网络主要用于军事或其他专业通信 WMN优点 1快速部署和易于安装安装Mesh节点非常简单 将设备从包装盒里取出来 接上电源就行了 由于极大地简化了安装 用户可以很容易增加新的节点来扩大无线网络的覆盖范围和网络容量 在无线Mesh网络中 不是每个Mesh节点都需要有线电缆连接 这是它与有线AP最大的不同 Mesh的设计目标就是将有线设备和有线AP的数量降至最低 因此大大降低了总拥有成本和安装时间 仅这一点带来的成本节省就是非常可观的 无线Mesh网络的配置和其他网管功能与传统的WLAN相同 用户使用WLAN的经验可以很容易应用到Mesh网络上 WMN优点 2非视距传输 NLOS 利用无线Mesh技术可以很容易实现NLOS配置 因此在室外和公共场所有着广泛的应用前景 与发射台有直接视距的用户先接收无线信号 然后再将接收到的信号转发给非直接视距的用户 按照这种方式 信号能够自动选择最佳路径不断从一个用户跳转到另一个用户 并最终到达无直接视距的目标用户 这样 具有直接视距的用户实际上为没有直接视距的邻近用户提供了无线宽带访问功能 无线Mesh网络能够非视距传输的特性大大扩展了无线宽带的应用领域和覆盖范围 WMN优点 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 E mail就是这样一个例子 邮件信息被分成若干数据包 然后经多个路由器通过Internet发送 最后再组装成到达用户收件箱里的信息 Mesh网络比单跳网络更加健壮 因为它不依赖于某一个单一节点的性能 在单跳网络中 如果某一个节点出现故障 整个网络也就随之瘫痪 而在Mesh网络结构中 由于每个节点都有一条或几条传送数据的路径 如果最近的节点出现故障或者受到干扰 数据包将自动路由到备用路径继续进行传输 整个网络的运行不会受到影响 WMN优点 4结构灵活在单跳网络中 设备必须共享AP 如果几个设备要同时访问网络 就可能产生通信拥塞并导致系统的运行速度降低 而在多跳网络中 设备可以通过不同的节点同时连接到网络 因此不会导致系统性能的降低 Mesh网络还提供了更大的冗余机制和通信负载平衡功能 在无线Mesh网络中 每个设备都有多个传输路径可用 网络可以根据每个节点的通信负载情况动态地分配通信路由 从而有效地避免了节点的通信拥塞 而目前单跳网络并不能动态地处理通信干扰和接入点的超载问题 WMN优点 5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 在Mesh网络中 一个节点不仅能传送和接收信息 还能充当路由器对其附近节点转发信息 随着更多节点的相互连接和可能的路径数量的增加 总的带宽也大大增加 此外 因为每个短跳的传输距离短 传输数据所需要的功率也较小 既然多跳网络通常使用较低功率将数据传输到邻近的节点 节点之间的无线信号干扰也较小 网络的信道质量和信道利用效率大大提高 因而能够实现更高的网络容量 比如在高密度的城市网络环境中 Mesh网络能够减少使用无线网络的相邻用户的相互干扰 大大提高信道的利用效率 WMN缺点 1互操作性目前影响无线Mesh技术迅速普及的一个重要障碍就是互操作性 正如任何一种新兴的网络技术刚出现时一样 无线Mesh网络现在还没有一个统一的技术标准 用户现在要么就只能使用某一个厂商的无线Mesh产品 要么面临如何与各种不同类型的嵌入式无线设备接口的问题 这个问题目前是影响无线Mesh技术推广使用最重要的原因 鉴于此 目前一些公司正在开发能够适应不同无线环境的可配置的无线网络设备 互操作性有望得到一定程度的解决 但要想彻底解决互操作性问题 最终还需要业界制定统一的无线Mesh技术标准 WMN缺点 2通信延迟既然在Mesh网络中数据通过中间节点进行多跳转发 每一跳至少都会带来一些延迟 随着无线Mesh网络规模的扩大 跳接越多 积累的总延迟就会越大 一些对通信延迟要求高的应用 如话音或流媒体应用等 可能面临无法接受的延迟过长的问题 目前解决这一问题主要是通过增加Mesh节点以及合适的网络协议 随着多无线Mesh节点技术的出现这一问题将得到最终解决 WMN缺点 3安全与WLAN的单跳机制相比 无线Mesh网络的多跳机制决定了用户通信要经过更多的节点 而数据通信经过的节点越多 安全问题就越变得不容忽视 Internet本身即是使用Mesh方式进行通信的典型 它的安全隐患是众所周知的 尽管有线网络中使用的各种端到端安全技术 如虚拟专用网 VPN 同样可以用来解决无线Mesh的安全问题 但正如Internet一样 无线Mesh网络的安全是一个不容忽视的问题 9 2无线Mesh网络的结构 9 2 1无线Mesh网络结构的分类1 平面网络结构2 多级网络结构3 混合网络结构 WMN平面结构 所有节点为对等结构 具有完全一致 适用于节点数目较少且不需要接入到核心网络的应用场合 WMN分级结构 终端节点设备通过Mesh路由 相当于WLAN中的AP 接入到上层Mesh结构的网络中 实现网络节点的互通互联 上层 下层 WMN混合结构 终端节点不仅支持WLAN的普通设备 还增加了具有转发和路由功能的Mesh设备 同时能够支持接入上层网络Mesh路由器和本层网络对等节点的功能 中国某城市超级城市WMN结构 9 2 2802标准族对Mesh结构的支持 1 802 16对Mesh结构的支持 WiMAX基于Mesh的无线宽带接入结构图 2 802 11s对Mesh结构的支持 IEEE新成立了一个IEEE802 11s子工作组 制定标准化的扩展服务集 ESS 即802 11s专门为WMN定义了MAC和PHY层协议 在这样的网络中 WLAN接入点可以像路由器那样转发信息 3 802 15系列对Mesh结构的支持 1 802 15 1 IEEE提出的第一个取代有线连接的WPAN技术标准 组网方式灵活多样 且支持多跳 有力支持WMN结构 2 802 15 2 主要目标是为802 15WPAN发展推荐应用 此协议标准为多种技术融入WMN提供了支持 3 802 15 3 为消费类电子及通信设备提供短距离无线连接的高速WPAN制定标准 子工作组802 15 3a进一步发展制定了基于多带OFDM联盟 MBOA 的PHY层 使用超宽带 UWB 技术达到高达480Mb s的峰值传输速率 正是WMN所需的 4 802 15 4 低数据速率 长电池寿命和低设备开销要求的遥测技术制定的 ZigBee联盟正在制定运行在IEEE802 15 4的MAC和PHY层以上的高层协议 它的网络层支持多种网络拓扑结构 如星形 簇形和Mesh 5 802 15 5 目前还在开发中 最终定位于WMN的MAC层 且不需要ZigBee或IP路由支持 ZigBee协议结构 4 802 20对Mesh结构的支持 802 20即移动宽带无线接入 MBWA 工作组成立于2002年12月 致力于为移动用户开发一个标准 支持在36Hz频带可靠地进行高速无线数据传输 同时 在室内 室外环境中支持WMN结构 9 3无线Mesh网络MAC协议 在MAC协议上 WMN承袭了IEEE802 11标准中的很多技术 特别是802 11s标准更是专门针对传统的802 11MAC协议扩展成为支持网状结构的新的协议 另外802 16MAC协议也已支持网状结构 专门针对WMN设计的MAC协议 包括速率自适应多跳网MAC协议 多信道WMNMAC协议等 9 3 1速率自适应多跳网MAC协议 速率自适应技术 是指在不同的信道条件下 选用适当的数据传输速率 调制方式 来实现网络的最大吞吐量 为了实现速率的自适应 有两个方面比较关键 信道质量估计和速率的选择 信道估计是利用时变信道的状态来估计未来信道的质量 包括选用哪个参数作为信道质量的度量和统计的时间 速率的选择是利用信道质量的预测来选择一个最佳的速率 人们通常通过设置门限的方法实现速率的选择 速率自适应多跳网MAC协议的方案 运用自适应调制和编码技术 最大限度地利用信道的容量 根据不同终端报告的信道情况 提供个性化的调制方式 在该方案中 无线设备能够支持多种调制方式 即多种速率 并动态地从中进行选择 RBAR是一种基于接收器的自适应速率算法 其核心思想是允许接收端来选择合适的数据分组的传输速率 通过RTS CTS分组来携带信息进行速率选择信息的交换 其优点如下 信道质量的评估和传输速率的选择基于接收端当前的状态 这就保证了所作的信道评估是实时准确的 因此速率选择更为准确 因为速率的选择是在RTS CTS握手期间交换的 信道质量的评估更接近数据分组传输时的情况 若应用到802 11MAC协议 只需要对802 11MAC协议进行较小的改进 9 3 2多信道Mesh网MAC协议 早在移动AdHoc网络的设计中 人们就用了多信道的设计思想来提高网络的传输速率与网络容量 WMN是AdHoc网络的一种 仍然可以采用多信道MAC机制来设计WMN的多信道MAC协议 多信道MAC协议主要有以下几种 按控制信道分 有专用控制信道的多信道MAC协议和无专用控制信道的多信道MAC协议 前者采用专用的射频 一直在控制信道上 来传递控制信息 这样 能够更有效地传递控制信息 但信道的利用率不高 而后者不能够有效地传递控制信息 按节点射频分 多射频多信道MAC协议和单多射频多信道MAC协议 前者每个节点有多个射频 这样节点可以同时在多个信道上传输数据 可以在多个信道上实现 边说边听 的功能 更有效地控制节点的传输 具有代表性的WMN多信道MAC协议 1 动态信道分配 DCA 多信道MAC协议是有专用控制信道 两个RF的多信道MAC协议 在DCA多信道MAC协议中 假定有 个控制信道 N个数据信道 每个信道具有相同的带宽 控制信道用来解决信道的冲突和为每个终端分配信道的问题 数据信道用来传输数据 每个终端有两个半双工的收发器 即控制收发器和数据收发器 控制收发器在控制信道上与其他终端交换控制信息 得到接入数据信道的权利 数据收发器动态地切换到一个数据信道上来传输数据 2 多信道单收发器MAC协议如何利用多个信道协调Mesh节点之间的通信 是多信道单收发器的MAC协议的关键所在 比较典型的有MMAC协议和SSCH协议 MMAC协议 没有专用控制信道 每个节点配置一个半双工收发器 每个节点是同步的 SSCH协议 将一组无线信道分配给网络节点 每个设备只具备一对收发器 收发器在不同的信道上来回切换 同一时刻只能在一个信道上接收或者发送 但在同一通信区域内可以有多对节点同时通信 工作在不同的信道上 3 基于主信道分配的 PCAM 多信道MAC协议有专用控制信道 个射频的多信道MAC协议 在PCAM协议中 每个节点配置 个半双工收发器 其中两个收发器 主收发器和第 个收发器主要用来传输数据 第 个收发器用来传输和接收广播消息 4 多射频统一协议 MUP 是在符合802 11标准的硬件基础上开发的一种具备多块网卡的多信道方案 该方案不需要改变现有的硬件平台 并且支持现有的应用和网络协议 9 4无线Mesh网络路由协议 WMN是一种特殊的移动AdHoc网络 移动AdHoc网络的很多路由协议可以作为WMN路由协议的基础 例如 动态源路由 DSR 协议 按需距离矢量 AODV 协议 基于节点间相互关系的路由 ABR 协议和基于信号稳定性路由 SSR 协议等 最新的专门适用于WMN的路由协议 包括 多径源路由 MSR 协议多射频链路质量源路由 MR LQSR 协议可预测的无线路由 PWRP 协议单收发器多信道路由 MCRP 协议等 9 4 1无线Mesh网络路由协议分类 1 多判据路由 2 多信道路由 3 多径路由 4 分级路由 5 跨层路由 6 QoS路由 7 基于地理位置信息的路由 1 多判据路由路由协议一般使用最小跳数作为路由判据 但是 对于两节点之间满足最小跳数原则的路径 由于干扰冲突与通信距离等因素的影响 链路性能可能会很差 网络吞吐量也将变得很差 同时 单一的路由判据很难反映出链路质量给各个性能指标带来的影响 因此 在制定路由判据时 应使用多路由准则来解决此矛盾 2 多信道路由在WMN中 使用多信道的方式有 单收发器多信道 多收发器多信道等 使用多收发器可以在不需要修改MAC协议的基础上提升网络性能 MR LQSR 多射频链路质量源路由协议 是多信道路由协议 该协议提出了适应多信道条件下的路由判据WCETT 综合考虑了不同信道上的延时 带宽等信息 3 多径路由在源节点与目的节点之间选择多条路径进行数据传输称为多径路由 多径路由技术可以很好地避免单径路由时的网络震荡的影响 还可以在充分利用带宽等网络资源的同时实现负载均衡 路由容错等 在某条链路因为信道质量恶化而不能正常工作时 其他链路可以继续工作 因此 也可以在路由故障时避免路由重建等操作 基于DSR 动态源路由 的多径源路由协议属于该类协议 4 分级路由通过分级技术 在簇内与簇间使用不同的路由 分别发挥各种路由的优点 从而实现大规模WMN的路由 在分级路由中 首先需要确定特殊的自组织分簇算法 每个簇拥有一个或多个簇头 在决定簇大小的时候必须要使其满足两点 第一 必须要足够大 保证节点不会轻易地移出所在簇 第二 必须要足够小 从而使源路由能够很快地找到目的节点 5 跨层路由路由协议与MAC协议之间的跨层设计是另一个有趣的课题 以往的研究都集中在网络第三层上 但是对于WMN 由于网络的时变特性 路由性能并不理想 所以可以从第二层提取一些状态参数信息作为路由判据 还可以考虑合并MAC与路由层之间的一些功能 跨层设计可以使路由协议收集到节点底层的实际数据传输情况 从而做出正确的路径选择 以便提高网络的性能 6 QoS路由QoS路由的主要思想是首先选择满足用户各种QoS要求的到达目的节点的路径 其次 在路径建立后 若当前路径已经不能满足用户QoS需求 那么节点需要寻找新的路由 7 基于地理位置信息的路由基于地理位置信息的路由需要依靠GPS或类似的定位设备 从而增加了成本与复杂性 并且获得目的节点的位置信息还要给网络带来很大的开销 9 4 2多射频链路质量源路由 MR LQSR 协议 MR LQSR协议是微软公司研发的多信道WMN路由协议 它采用一种新的路由性能判据 称为加权的累计传输时间 WCETT WCETT综合考虑了带宽等链路性能参数以及最小跳数等因素 该协议能在吞吐量与延时之间获得一种平衡 MR LQSR是在传统的DSR 动态源路由 路由协议的基础上改进得到的 MR LQSR协议不但需要获得路径中节点和其邻居链路相关的状态信息 而且还要综合链路状态信息来评价链路质量的优劣 从而形成自身的路由准则 MR LQSR协议假设WMN中所有的MR为静态节点 而且 该协议还假设每个节点有多个不同且互不干扰的无线收发器 MR LQSR是一种称为累计传输时间的判据和链路状态源路由协议 LQSR 的结合 9 4 3可预测的无线路由协议 PWRP 可预测的无线路由协议 PWRP 是Tropos公司开发的应用于其 Wi Fi蜂窝网络户外系统 的私有路由协议 该协议并非只按跳数来进行路由选择 而是通过比较数据误包率及其他网络条件来选择特定环境下的最优路径 PWRP是基于传统的有线网络 如因特网 路由协议OSPF改进的 针对Wi Fi无线网状小区应用而设计 PWRP选择可达到最大吞吐量的路径来传输到达有线网关的信息 减小了射频干扰 路径故障以