（通信与信息系统专业论文）无线移动自组织网络数据链路层关键技术分析、设计与实现.pdf

摘要 核心树组网体制是一种新型的多跳无线自组织网络系统组网方案 方案采用 了类似于蜂窝移动系统的两级组网结构 用无线路由器w r 构成自组织网络 实现无线主机的接入和在网络中的移动 越区切换情况下的邛通信 实现w h 在多跳自组织网络中的无缝漫游是核心树网络组网体制的关键技 术之一 本文明确定义了w h 无缝漫游 的含义 并通过仔细分析i e e e 8 0 2 1 1 基础模式下无线站点的移动 指出i e e e 8 0 2 1 1 对多跳无线网络中节点移动的支 持上存在缺陷 本文根据 核心树网络 的特点 结合i e e e 8 0 2 1 1 协议和核心 树路由算法 提出 虚拟地址 技术 无线多跳网络代理a r p 协议 核心树中 快速路由收敛技术来共同完成基于t c p i p 协议簇的无线多跳网络中 无缝漫 游 的设计方案 并讨论了在l i n u x 操作系统下方案的具体实现 在i e e e 8 0 2 1 1 上构建多跳自组织网络另一个问题是如何确定w r 相邻链路 的连通性 在实际实验和搜集整理相关参考文献的基础上 本文总结了 i e e e 8 0 2 1 l 网络中无线链路连通性的特点 并结合传统邻居协议 提出在w r 链路层增加 邻居链路管理子层 实现邻居链路子层对通信链路连通性的准确 确定 并在实验系统中验证了方案是可行和有效的 关键词 i e e e 8 0 2l l 无缝漫游 虚拟地址 代理a r p 非对称链路 链路 连通性 a b s t r a c t k e r n e l t r e ei san e w n e t w o r k i n ga r c h i t e c t u r ef o rt h es e l f o r g a n i z a t i o no fa d h o cn e t w o r k s w h i c hi sd e r i d e di n t ot w oh i e r a r c h i e s t h eu p p e r c o m p o s e do f w i r e l e s sr o u t e r s c o n s t i t u t e st h es e l f o r g a n i z a t i o nn e t w o r ka n dt h el o w e ri sa s e to fw i r e l e s sh o s t sw h i c hc a na c c e s st h en e t w o r ka n dc o m m u n i c a t e b ym w h sc a na l s or o a mi nt h en e t w o r o kw i t h o u tc o m m u n i c a t i o n i n t e r r u p t i o n h o wt oi m p l e m e n tw h s r o a m i n g i nt h e m u l t i h o pa d h o cn e t w o r ki so n e o ft h ek e yt e c h n i q u e si nt h es e l f o r g a n i z a t i o nn e t w o r k t h i sp a p e rg i v e sa c l e a rd e f i n i t i o no fw h ss e a m l e s sr o a m i n g a n dp o i n t so u tt h el i m i t a t i o no f i e e e 8 0 2 1 1i n f r a s t r u c t u r em o d ef o r v i s m o b i l i t y i n m u l t i h o p a dh o c n e t w o r k a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ek e m e l t r e e n e t w o r kt h i sp a p e r p r o p o s e s an e ww hs e a m l e s s r o a m i n g s o l u t i o n w h i c h c o m b i n e st h e i e e e 8 0 2 1 1p r o t o c o la n dt h ek t r p p r o t o c o l i nt h em u l t i h o p a dh o cn e t w o r k b a s e do nt c 脚p r o t o c o ls t a c k st h es o l u t i o ni n c l u d e st h ev i r t u a la d d r e s s t e c h n o l o g y t h ep r o x y a r pi n m u l f i h o p a d h o c a n d t h ef a s t r o u t e c o n v e r g e n c et e c h n o l o g yi nk t r pp r o t o c 0 1 a n di t si m p l e m e n t a t i o n f o r l i n u xi sa l s od i s c u s s e di nt h i sp a p e n a n o t h e rk e yi s s u ei nm u l t i h o pa dh o cb a s e do ni e e e s 0 2 1 1i sh o wt o d e t e r m i n el i n kc o n n e c t i v i t rb e t w e e ne v e r yt w ow r s t h i sp a p e rg i v e st h e o v e r v i e wo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fl i n kc o n n e c t i v i t yi n1 e e e 8 0 2 1 1n e t w o r k s a d d i n g a s u b l a y e r n e i g h b o rl i n km a n a g e m e n ts u b l a y e r i nt h ed a t al i n kl a y e r i sa l s op r o p o s e di nt h i sp a p e r t h en e w s u b l a y e ri su s e dt om a k ep r e c i s i o n d e t e r m i n a t i o na b o u tt h el i n kc o n n e c t i v i t y a n dt h ee x p e r i m e n t si nt h et e s t i n g s y s t e m i n d i c a t et h a tt h es u b l a y e ri sp r a c t i c a b l ea n da v a i l a b l e k e y w o r d s i e e e 8 0 2 1 1 1 s e a m l e s sr o a m i n g v i r t u a la d d r e s s p r o x y 姆重 a s y m m e t r y l i n k i i n kc o n n e c t i v i t y 独创性声明 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 据我所知 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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意 签名 昊也 日期 埘年5 月 o 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留 使用学位论文 的规定 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 允许论文被查阅和借阅 本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容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应遵守此规定 签名 墨丑导师签名 逊蜩 日期 如年年5 月t o 日 皇王型堇盔兰堡圭兰垡堡塞 垂垡鳌塾旦垒堡圈堑墼塑壁堕星差堡垫查坌堑 塑生量壅堡 第一章引言 二十世纪9 0 年代以来 以邛为核心技术的i n t e r n e t 迅速发展 几乎触及到 了人们学习 工作 生活的各个方面 而伴随着电子制造技术和数字信号处理技 术的飞速发展 各种便携电脑 p d a p e r s o n a l d i g i t a la s s i s t a n t 个人数字助理 手机等新型无线产品层出不穷 使得越来越多的用户希望能够随时 随地 自由 地接入i n t e m e t 使用i n t e m e t 提供的各类数据 语音 视频等通信业务 而无线 通信技术正好能充分满足人们的这种需求 所以当i n t e r n e t 和无线通信这两大发 展最为迅猛的通信技术融合在一起时 就产生了 无线i n t e r n e t 目前 典型的 无线i n t e m e t 应用就是由g s m g p r s 和c d m a 等蜂窝移 动通信系统提供的i n t e r n e t 数据业务 移动用户可以使用手机等无线终端设备通 过基站接入蜂窝移动网络 实现 移动i n t e m e t 而随着无线局域网 w l a n 的广泛部署 另外一种为无线口终端设备提供接入有线主干网络服务的无线接 入网也正在迅速发展 无线口接入网络作为3 g 蜂窝移动通信系统的有益补充 也逐渐成为当今d 技术与个人无线通信领域迅速融合的研究热点 1 1 研究背景 通信系统中的基础设施 i n f r a s t r u c t u r e 是指专门提供通信服务的设备 无 线口接入网络按照接入系统是否具有基础设施可以分为两类 具有基础设施的 无线接入网络 和无基础设施的移动自组织网络 w l a n 是一种典型的具有基 础设施的无线接入网络 其中 无线接入点 a c c e s sp o i m a p 就是系统提供 通信服务的基础设旖 无线接入点的无线接口通过无线信道连接移动用户 而有 线接口直接与有线网络相连 从而实现无线 有线网络间的互连 所以用户通过 无线访问点既可以实现相互之间的通信 也可以接入有线网络 享受i n t e r n e t 丰 富多彩的服务 但w l a n 有其自身的局限性 它所形成的网络拓扑中只存在一 跳无线链路 所以a p 实际上的作用是接入网络中的最后1 跳 l a s t h o p 这就 限制w l a n 的扩展 另外一类网络是无基础设施的 即移动a dh o e 网络 m o b i l ea dh o cn e t w o r k m a n e t 它是指由一组无线移动终端组成的多跳临时性的自组织通信系统 移 动终端既是运行用户应用程序的主机 又是网络中具有路由功能的通信节点 它 们通过无线连接形成任意网的络拓扑 移动a dh o e 网络广泛应用在一些特殊的 工作环境中 比如所在野外 灾区 战场等 这些场合一般都没有网络通信的基 础设旌 就就可以利用a dh o c 技术完成通信网络的立即部署 以满足用户对移 电子科技大学硕士学位论文 无线移动自组织网络数据链路层关键技术分析 设计与实现 动数据通信的需求 实现用户之间协同工作 a dh o c 网络既可以独立工作 也 可以作为i n t e r n e t 的无线接入网 但是由于a dh o c 网络具有随时变化的链路特性 和网络拓扑的任意性 节点的移动性 安全性 以及节点能量等特性使得设计和 应用该网络面临的诸多困难 过去十几年中对a dh o c 的研究都主要集中在动态 路由以自组织理论方面 而对实际的组网体制 以如何与现有固定网络中广泛应 用的t c m p 协议簇的配合等方面的问题鲜有见闻 而国家8 6 3 课题 课题编号2 0 0 1 a a l 2 3 0 3 2 无线移动自组织互联网技术 及实验系统研制 正是在这一背景下提出的 1 2 研究目的 无线移动白组织互联网技术及实验系统研制 课题的主要任务是 实现基 于t c p p 协议 具有自组织能力 移动路由的无线互联网络实验系统 根据课 题要求 我们提出采用一种类似于蜂窝移动通信组网形式的两级组网体制 用无 线路由器 w i r e l e s s r o u t e r w r 构成无线自组织网络 实现无线主机 w i r e l e s s h o s t w h 的接入和在网络中的移动 越区切换及口通信 实现w h 漫游是无线网络组网关键技术之一 目前 解决移动站点的越区 切换问题的协议不是很多 较为知名的是 e e e 8 0 2l l f 2 协议 草案 该协议 通过定义接入点 a p 之间的互操作 从而实现无线用户在不同a p 间的漫游通 信 但是i e e e s 0 2l l f 只是针对i e e e 8 0 2 1 1 网络的基础模式 并且i e e e s 0 21 1 网络是单跳的无线局域网 所以i e e e s 0 2 l l f 并不适合于无线多跳自组织网络 所以 设计一套适应于多跳自组织网络中无线站点漫游解决方案是本课题研究一 个重要目的 在i e e e 8 0 21 i 上构建跳多跳自组织网络另一个关键技术是如何及时 准确 地获取相邻链路的质量 目前有许多动态路由协议 5 1 1 6 1 都是基于链路质量参数 的 所以 探索建立一种能够提供实时 准确 详实无线链路参数的体制在无线 自组织组网体制中也是非常有意义的 1 3 论文章节 由于研究的内容大部分都是建立在i e e e 8 0 2 1 1 协议基础之上的 所以本文 第二章将对于i e e e 8 0 21 1 协议进行介绍 在此基础上 针对在 e e e 8 0 21 1 构建 无线多跳自组织网络存在的问题进行仔细分析 并介绍了本文将着熏讨论的几个 关键技术 包括核心树组网体制 无缝漫游 技术 邻屠链路管理 技术 从 第三章起 将围绕这些关键技术展开详细讨论 其中 第三章讨论了在核心树网 里王型量查兰堡主兰垡笙塞 垂垡整垫旦丝堡旦堡塑塑堡堕星差壁堇查坌堑 塑生皇塞翌 络中实现无线站点 无缝漫游通信 相关问题 第四章介绍了无线邻居链路管理 子层的设计与实现 第五章是有关站点漫游实与链路管理子层功能的实验和结果 分析 最后一章对论文进行一个全面的总结 电子科技大学硕士学位论文 无线移动自组织网络数据链路层关键技术分析 设计与实现 第二章ie e e 8 0 2 11 w l a n 与多跳无线网络 i e e e 8 0 2 11 无线局域网是目前无线宽带接入技术的主流 也是核心树网络组 网体制的基础 无线站点的漫游通信和邻居链路的管理都与i e e e 8 0 2 1 1 密切相 关 本章简要介绍i e e e 8 0 21 1 协议 并着重分析了构建在i e e e 8 0 21 1 上的无线 多跳网络中 有关站点的漫游通信 以及链路质量等方面问题 2 1 i e e e8 0 2 1 1 的体系结构 e e e8 0 21 1 是针对无线局域网的协议标准 它定义了物理层和介质访问控 制 m a c 子层的协议规范 其协议参考模型如图2 1 所示 8 0 22l o g i c a ll i n kc o n t r o l 8 0 2 1 1 m a c f h s s p h yd s s s p h yi r p h y 图2 11 e e e 8 0 21 1 协议参考模型 i e e e8 0 21 1 定义了三种不同物理层 跳频扩频 f r e q u e n c y h o p p i n gs p r e a d s p e c t r u m f h s s 物理层 直接序列扩频 d i r e e ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m d s s s 物理层 和红外线 i n f r a r e d 承 物理层 m a c 层主要采用载波侦听多址接入 冲突避免 c s m a c a 协议 i e e e 8 0 21 l 将网络基础模块定义为基本服务集 b a s i cs e r v i c es e t b s s i e e e s 0 2 1 l 协议规定了无线站点 w i r e l e s ss t a t i o n s t a 在一个b s s 内进行通 信的规范 s t a t i o ns e r v i c e s s 个b s s 的网络规模是有限的 多个互连起来 的b s s 形成一个扩展服务分集 e x t e n d e ds e r v i c es e t e s s 使得8 0 2 n 网络的 规模扩展 用于互连的多个b s s 的功能模块被定义为分布系统 d i s t i l b u t i o n s y s t e m d s d s 的主要功能是实现多个b s s 的无缝整合 为e s s 内s t a 提供 分组转发服务 而s t a 通过在b s s 内的接入点 a c c e s sp o i n t a p 使用d s 提 供的分布系统服务 d i s t r i b u t i o ns y s t e ms e r v i c e d s s 实现s t a 在整个e s s 内通信 协议还规定d s 可以通过入口模块 p o r t a l 实现与其它8 0 2 系列网络 的互连 图2 2 是i e e e 8 0 21 1 协议定义的一个完整的模块结构图 d 电子科技大学硕士学位论文 无线移动自组织网络数据链路层关建技术分析 设计与实现 图2 2 e e 8 0 2 1 l 协议模块结构图 e e e 8 0 2 1 1 定义了两类无线网络 a dh o c 网络和基础网络 i n f r a s t r u c t u r e n e t w o r k s 一个a dh o c 网络对应一个独立基本服务集 i n d e p e n d e n tb a s i cs e r v i c e s e t r o s s 在 个i b s s 内 每一个站点的功能都是对等的 无需通信基础设 施 并且任意两个站点都可以直接通信 所以i e e e 8 0 2 1 1 定义的a dh o c 网络实 际上是一种单跳拓扑结构的无线自组织网络 而对于基础网络来说 a p 作为一 个b s s 的通信基础设施 为b s s 内其它站点提供通信服务 并且站点的所有通 信业务 包括访问i n t e m e t 或着与同一b s s 内其它站点的通信 都需要通过a p 中继 基础网络又常被称为a p 模式网络 图2 3i e e e 8 0 21 1 基础网络图2 4i e e e 8 0 21 1i b s s a dh o c 网络 皇三型垫查堂堡主堂垡笙兰 垂垡整垫宣丝堡翌笪垫塑堡堕星鲞堡苎查坌堑 堡生量塞翌 2 2 8 0 2 1 1 中介质访问控制 m a c 技术 在i e e e 8 0 21 l 协议中 将决定何时允许一个b s s 内的站点使用无线链路发 送或接收协议数据单元的逻辑功能定义为协调功能 c o o r d i n a t i o nf u n c t i o n i e e e 8 0 21 1 协议定义了定义了两种协调功能 分布式协调功能 d i s t r i b u t e d c o o r d i n a t i o nf u n c t i o n d c f 和接入点协调功能 p o i n tc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n p c f 其中 d c f 是8 0 21 1 的基本介质访问控制方式 而p c f 是可选的 它工 作在d c f 之上 二者关系如图2 5 所示 r e 驯i r db rc 明b n l i 明 j f r 鲁 朝r v i 0 卜 l 喘函1 c 一h 比n 1 阳咖 f u n 曲n i 一 俨c f l d 吲戊删 c h 叫 f u 暇妇m q c f l c 科呐鲥b 露岫h 啦h p c f 图2 5i e e e 8 0 2 1 1 m a c 层结构 d c f 是一种竞争介质访问技术 其采用的基本介质访问机制是c s m a c a c a r r i e rs e n s e m u i r i p l e a c c e s s w i t hc o l l i s i o n a v o i d a n c e c s m a c a 由3 部分内 容构成 载波侦听多址接入 c s m a 技术 帧间间隔 i f s 和随机退避 r a n d o m b a c k o 规程 c s m a c a 基本思想是 s t a 在发送数据时 首先侦听无线信道 判断信道是否空闲 为了避免冲突 当发现信道忙时 站点执行随机退避 r a n d o m b a c k o f f 规程 否则s t a 发送数据帧并等待确认 而接收方在收到数据帧后 应 该立即给予确认 如果发送s t a 在定时内没有收到确认 将执行重传 2 2 1 载波侦听多址接入 c s m a i e e e 8 0 21 1 中的载波侦听机制采用的是物理载波侦听和虚拟载波侦 v i r t u a l c a r r i e rs e n s e v i r t u a lc s 听相结合的方式 物理载波侦昕是指 s t a 从接收射 频电路检测信号能量来估计信道的忙闲状态 虚拟载波侦是在m a c 层上实现的 每一个s t a 的m a c 中都设置有一个虚 拟载波侦听指示器 v i r t u a lc si n d i c a t o r 即网络配置矢量n a v n e t w o r k a l l o c a t i o nv e c t o r n a v 中存放的是s t a 对信道忙期的预测值 n a v 可以视为 6 l数l 旦子科技大学硕士学位论文 无线移动自组织网络数据链路层关键技术分析 设计与实现 个计数器 会根系统据时钟递减 当n a v 值非0 时 v i r t u a lc s 认为信道忙 反之 则认为信道空闲 继续执行物理侦听 s t a 通过在控制帧和数据帧中 d u r a t i o n 字段来通告n a v 值 s t a 预计使用信道的时间 包含这一预定信息的 控制帧有r t s r e q u e s t t os e n d c t s c l e a rt os e n d 和a c k 帧 例如 s t a 在获取信道之后 会先广播r t s 帧 而其它s t a 会检查r t s 的d u r a t i o n 值是否 大于本机目前的n a v 值 如果是 则更新n a v 图2 6 反映了n a v 的更新过 程 闷 冷i 卜i同 i h b 8 1 f d 即 嗣叶吲 n l l g m l lm l h w l 由n 瑚 口 警 w 研斟 i l 膏 0 哪售呐k 啊 抽r d h 图2 6 n a v 的更新过程 2 2 2 帧问间隔 i n t e r f r a m es p a c e i f s 在i e e e 8 0 21 1 中 对无线介质的访问优先权是通过不同长短的帧间隔时间 i n t e r f r a m es p a c e i f s 来控制的 i e e e 8 0 211 定义了s t a 对介质访问的几种 时间间隔标准 如图2 7 所示 每一种间隔均表示从上一个发送帧的结束标记到 下一个发送帧的开始标记之间的时间间隔 i m 删h 一刊t l o n n l l u mbf 啊 ed i f s 纠7 c 啊 n h w i n c l o w i 7 l 蛔m 岫删l 撕嗍 gn t f r e x n e l 固醴t m d c i h w 8 e l e d 矧o t u n c l 脯删糟璧曼壁唑 掣婴 图2 7 e e e8 0 2 1 1 帧间隔 短帧间隔 s h o r ti f s s w s s i f s 是最短的帧间隔 提供最高的介质优先 访问级别 使用s i f s 间隔的i e e e 8 0 21 1 帧有 a c k 应答帧 c t s 帧等 这 电子科技大学硕士学位论文 无线移动自组织网络数据链路层关键技术分析 设计与实现 些帧等待的时间最短 可以无竞争的发送 p c f 帧间隔 p c fi f s p i f s p i f s 是工作在集中控制方式下的工作站获 得介质访问权的时间间隔 它的优先级高于分布是控制方式 这类站点如果一旦 检测到介质空闲 就可以进行无竞争的通信 这种时间间隔使得基于集中控制方 式的站点获得比基于d c f 方式的站点享有更高的帧发送优先级 d c f 帧间隔 d c fi f s d i f s 所有工作在分布式控制方式的s t a 都使用 d i f s 来发送数据帧和管理帧 这个间隔对信道使用的优先级最低 所有需要发 送数据的s t a 都在信道空闲时等待d i f s 后 再通过竞争来占用信道 2 2 3 随机回退机带l j r a n d o mb a c k o f f 当s t a 有帧要发送时 它首先通过载波侦听机制 物理载波侦听和虚拟载波 侦听 来确定介质的忙 闲状态 如果介质空闲 s t a 在延迟d i f s 时间后开始竞 争介质 启动回退计数器 根据碰撞窗口 设定回退计数器的初始值 并以时隙 为单位递减回退计数器值 在这一过程中 s t a 将继续执行载波侦听机制 如果 回退计数器递减为0 并且介质仍然空闲 s t a 立即开始传输 如果回退计数器 未到期 s t a 侦测到介质状态变为忙 停止递减 保存回退计数器值 延迟到下 一次介质空闲后 继续使用该计数器值执行介质竞争规程 随机回退机制避免了当介质由忙变闲的时刻多个等待传输的节点同时开始 发送造成的碰撞 这种冲突避免机制在c s m a c a 基本访问方式下 作用于数据 帧 而在r t s c t s 方式下作用于r t s 帧 有关随机回退机制的详细介绍见 1 2 3 l e e e 8 0 2 1 1 对移动性支持与多跳网络移动性要求 在i e e e 8 0 21 1 协议中 将站点从一个a p 无线覆盖范围移动到另一个a p 的 覆盖范围过程称为漫游 r o a m i n g 也称为 越区切换 漫游反映了无线站点 具有移动性 m o b i l i t y 站点移动性 m o b i l i t y 是指站点在物理位置发生改变 的同时 通信始终保持不中断 即所谓 动中通 移动性与可移植性 p o r t a b i l i t y 不同 p o n a b i l i t y 仅指站点的物理位置可以发生改变 而在物理位置改变的过程 中 站点的通信是中断的 显然m o b i l i t y 比p o r t a b i l i t y 的要求高 i e e e 8 0 2l l 对 站点的移动性是链路级的 而且只是对单跳无线网络中站点移动性提供有限的支 持 而对于多跳无线网络中站点移动通信问题几乎没有考虑 本节首先分析 i e e e 8 0 21 1 协议中定义的站点移动 再分析多跳网络中支持站点移动的具体要 求 电子科技大学硕士学位论文 无线移动自组织网络数据链路层关键技术分析 设计与实现 2 31 i e e e 8 0 21 1 定义的三类移动 i e e e 8 0 21 1 协议定义了三种无线站点的移动 1 不迁移 n o l a a n s i t i o n 这种类型的移动又可以细分为两种子类型 一无线站点保持静止状态 s t a t i o n om o t i o n 无线站点在基础服务区域 b a s i cs e r v i c ea r e a b s a 内局部移动 图2 8i e e e 8 0 2 1 1 不迁移类型移动 2b s s 迁移 b s s t r a n s i t i o n 这种类型移动是指无线站点在同一个扩展 服务集 e x t e n d e ds e r v i c es e t e s s 内不同基础服务集 b s s 内移动 图2 9i e e e 8 0 211 b s s 迁移类型移动 3 e s s 迁移 e s s t r a n s i t i o n 这种类型移动是指无线站点从一个e s s 内 的某一个b s s 移动到另一个e s s 中的b s s 电子科技大学硕士学位论文 无线移动自组织网络数据链路层关键技术分析 设计与实现 图2 1 0i e e e 8 0 211 b s s 迁移类型移动 i e e e 8 0 21 1 协议只支持 不迁移 和 b s s 迁移 两种类型的移动 而并 不支持 e s s 迁移 类型 并且i e e e 8 0 21 1 协议对移动性支持的总体思想是 由d s 来为站点的移动提供服务 而i e e e s 0 2 1 i 协议本身只是通过定义的服务 在m a c 层来搜集 足够多 的站点位置信息 并通过a p 提交给d s 协助d s 来完成移动服务 i e e e 8 0 21 1 对移动性的支持主要通过a s s o c i a t i o n 和 r e a s s o c i a t i o n 两个服务来实现的 a s s o c i a t i o n 服务的功能是将无线站点的位置映射到d s 中 通过这种映射 使得d s 能够确定无线站点所属的a p 从而实现数据帧的寻址 转发 a s s o c i a t i o n 服务为 不迁移 类型移动提供了足够的支持 但对于 b s s 迁移 还并不足够 而引入r e a s s o c i a t i o n 服务正是来弥补这一不足 当站点从一个b s s 移动到同一 e s s 内的另一个b s s 时 d s 通过r e a s s o c i a t i o n 服务能够获得该移动站点目前所 接入的a p 和站点移动前所接入a p 的信息 从而更新该站点在d s 中的映射 进而实现站点的 b s s 迁移 类型的移动 例如 图2 1 l 描述了i e e e s 0 21 1 规定的一次站点越区切换的流程 1 s t a l 准备加入e s s l 向a p l 发送a s s o c i a t i o n 请求 通告s t a l 的 m a c 地址 要加入a p l 的m a c 地址 2a p l 同意s t a l 加入 记录s t a l 的m a c 地址 并向s t a i 发送 a s s o c i a t i o n 响应 通知同意加入 3 s t a l 在e s s l 内移动 并在图中所示位置处发生越区切换 s t a l 向a p 2 发送r e a s s o c i a t i o n 请求 通告s t a l 的m a c 地址 要加入 a p 2 的m a c 地址 以及目前已经加入的a p l 的m a c 地址 1 0 皇至型楚奎兰堡主兰垡鲨茎 垂垡整塾旦丝墨旦堡垫塑壁堕星叁壁垫查坌塑 堡生兰塞垫 4 a p 2 接受s t a l 的加入请求 记录s t a l 的m a c 地址 并向s t a l 发送r e a s s o c i a t i o n 响应 通知同意加入 5 s t a l 向a p l 发送d i s a s s o c i a t i o n 帧 通知a p l 断开连接 并通告新 加入a p 2 的m a c 地址 a p l 收到d i s a s s o c i a t i o n 后 将清除s t a l 的记录 图2 1 l e e 8 0 21 1 中站点越区切换流程 23 2i e e e 8 0 2 11 对移动性支持存在问题 以上是i e e e 8 0 21 1 最初的移动性设计 但实际是上存在问题 首先由于s t a 发生越区切换的时机 一般是在物理层检测到原接入a p 的信号能量低于某一门 限值的时刻 也就是说 此刻s t a 与原接入a p 间的通信质量已经无法保证 所 以s t a 在越区切换后发送的d i s a s s o c i a t i o n 帧 接入a p 未必能够收到 所以在 d s 中很可能出现一个s t a 映射到两个a p 下 使s t a 的通信失败 我们也实际 测试过较为流行的几种8 0 2 1 l b 的网卡 包括l u c e n t 的o r i n o c o 以及p r i s m l i 芯片组的网卡 发现越区切换时 网卡并不一定发送d i s a s s o c i a t i o n 帧 有些厂 商的网卡几乎从不发送d i s a s s o c i a t i o n 帧 所以i e e e 8 0 2 1 1 协议中定义的 d i s a s s o c i a t i o n 在实际组网应用中意义不大 在i e e e 8 0 21 1 f 中对上述流程上有所修改 即越区切换时 改由颓 n e w 接入的a p 通过d s 向旧 o l d a p 通告这一切换信息 通知旧a p 更新相应的 数据库 这就是图中所示的步骤5 但这种处理流程仍然存在失败的可能 因为 正确的移动处理流程很大程度上依赖8 0 2 1 1 管理帧的类型是否正确 例如只有 当收到站点的r e a s s o c i a t i o n 请求时才会触发新接入点a p 通知旧接入点a p 进行 更新 如果是a s s o c i a t i o n 请求则不会触发 但在实际过程中 无线网络设备的 通信流程存在很强的不确定性 比如在上图中 如果s t a 在越区切换处重启了 网络系统 那么s t a l 在加入a p 2 时发送的就应该是a s s o c i a t i o n 请求 而非 电子科技大学硕士学位论文 无线移动自组织网络数据链路层关键技术分析 设计与实现 r e a s s o c i a t i o n 请求 这也会导致s t a l 同时映射到d s 内两个a p 下 i e e e 8 0 21 1 协议认为d s 是一个用来互连多个b s s 并使其与局域网 有线 整合成一个e s s 的系统 但协议并没有定义如何来构造d s 所以也就没有规定 如何使用a p 提供的有关站点位置信息 以及如何来实现d s 对站点移动的支持 目前被当作d s 的最常见的系统是以太网 由于目前市面上不同制造商a p 互连 还存在问题 而i e e e 8 0 21 1 f 还只是草案 所以这种 a p 以太网 的组网方 式对无线站点的漫游支持得并不好 即使是同一厂商的a p 实现无线网络漫游也 是存在前提的 a p 之间可以通过h u b 交换机相连 但所有a p 的数据链路层 在逻辑上都必须是直接相连的 也就是说要求支持站点越区切换的a p 必须在同 一个广播域内 所以i e e e 8 0 2 1 l 对站点的移动性是链路级 而并不涉及网络层 所以i e e e 8 0 2n 对移动性支持本身存在问题 而这些问题在设计和部署 i e e e 8 0 21 1 网络时都应该给予足够的考虑 2 3 3 多跳无线网络的移动性要求 由于i e e e 8 0 21 1 定义的a dh o c 网络是一个全连通的 单跳的无线网络 所 以i e e e 8 0 2 1 1 并不支持无线站点在不同毋s s 内的移动 也就是说i e e e 8 0 2 1 1 本身并不支持无线站点在多跳拓扑结构的无线网络中移动 所以使用i e e e 8 0 2l l 协议来组建多跳无线网络 就是要构造一个以无线多跳网络为d s 的通信系统 而无线多跳网络一个显著的特点就是无法保证所有节点的链路层是直接相连的 所以如何处理无线站点的漫游是设计这种d s 需要考虑的首要问题 对于多跳a d h o c 网络与传统的有线p 网络相比 有其自身的特点 主要有 1 自组织性 a dh o e 网络中没有控制中心 所有节点的地位平等 网络中 的节点通过分布式算法来协调彼此的行为 而不借助预置的网络设施 可以在任何时刻任何地方快速展开并自动组网 2 多跳路由 由于每个节点发射功率的限制 节点的覆盖范围有限 当节 点要与其覆盖范围之外的节点进行通信时 需要中间节点进行转发 a d h o e 网络中的多跳路由是由网络节点协作完成 3 动态拓扑 a dh o e 网络是一个动态的网络 网络节点可以随处移动 也 可以随时开机和关机 这些都会佼网络的拓扑结构随时发生变化 4 特殊的信道共享方式 a dh o c 网络中 广播信道是多跳共享的 个节 点的发送 只有其一跳相邻节点可以听到 这与传统共享广播信道的 一 跳 共享式信道有很大不同 多跳a dh o c 网络的共享信道的特殊性体 电子科技大学硕士学位论文 无线移动自组织网络数据链路层关键技术分析 设计与实现 现在 a 当一个节点发送报文时 在发送站点覆盖范围之外的站点可以不受 影响 仍可以使用同一个信道 b 冲突被局部化 共享同一个信道的节点不一定都能感知到冲突 只 有与其相邻一跳的节点可以侦听到 c 另外 由于地形环境或发射功率等因素影响可能产生单向无线信道 由于多跳a dh o c 网络具有多跳 动态拓扑 并且是特殊的信道共享方式 所以根据o s i 参考模型可以直到在链路层上实现路由 转发是不适合的 只能在 网络层上实现 所以 在多跳a dh o c 网络中节点的移动是依靠动态路由算法来 保证的 对于核心树网络 由于采用的是类似蜂窝移动系统 w r 基站 一w h 用 户 组网模式 所以整个系统的移动性包含两个方面 w h 的移动和w r 的移 动 由于w r 与w h 之间采用的是i e e e 8 0 2n 基础网络模式 所以w h 的越区 切换包括链路层切换和网络层切换两部分 链路层切换是指w h 从一个w r 无 线覆盖范围移动到另一个w r 的覆盖范围过程 这与 e e 8 0 2 1 1 网络中s t a 的 漫游相似 但与i e e e 8 0 21 l 不同的是 w h 的移动同样属于多跳无线网络中的 移动 所以w h 的切换同样引起网络层路由的改变 而所接入w r 的切换 对 于w h 来说意味着默认网关的改变 也就意味着w h 的口配置参数也随之发生 改变 而传统的t c p 口协议是针对有线网络 固定主机而设计的 协议要求站 点在i p 通信过程中必须使用固定的d 地址和固定的t c p 端口号 所以一旦w h 由于移动而引起邛地址等网络参数的变化 势必会导致口通信的中断 这显然 不满足 移动性 m o b i l b 的要求 所以 对于w h 移动的基本要求是 i p 通信能持续进行 要求能维持w h 上的t c p 连接不中断 实现移动 中通信 根据w h 的新的位置 快速地切换到该w h 的口路由 而对于w r 的移动 是和多跳a dh o c 网络中的节点移动是一致的 所以 w r 移动是依靠核心树路由算法来保证的 但是 由于w r 间是采用i e e e 8 0 2 1 l 中a dh o c 方式互连成一个多跳的拓扑 而无线链路的特性会直接影响动态路由 的 陛能 所以w r 的链路层如何向路由提供准确的链路信息 是在考虑w r 移 动中一个重要的内容 在下一节中将分析无线链路质量的问题 而在第四章中会 讨论多跳a dh o e 中链路层的设计问题 皇主型塾查兰堡主兰焦堡壅 垂垡整塾宴塑堡旦堡塑塑箜堕星羞堡堇查坌堑 堡盐量塞墨 2 4 无线多跳网络中的通信链路 在i e e e s 0 21 1 协议中 a dh o c 网络又被称为i b s s i n d e p e n d e n tb a s i cs e r v i c e s e t 独立基本服务集 i e e e 8 0 21 1 协议定义a dh o c 最显著的特点是 网络的 临时性和网络覆盖空间的局部性 所以 i e e e 8 0 2l l 协议中将i b s s 是一种自组 织的b s s 其中不存在连接d s d i s t r i b u t i o ns y s t e m 的访问点 a p 协议同时 假设 在一个i b s s 内的任意两个无线站点都可以直接通信 i e e e 8 0 21 1 中的 a dh o c 是一种单跳 o n eh o p 网络 而通常意义下 移动a dh o c 网络 当d 月 传输范围覆盖冲突范围 当d r 1 7 8 o 5 6 r 时 r r 冲突范围与传输范围重合 当r d o5 6 尺 时 r r 冲突范围就超过了传输范围 2 4 1 1 隐藏终端 隐藏终端问题如图2 1 3 所示 图2 1 3 隐藏终瑞 假设站点a 正在向站点b 发送数据 而此时另一个站点c 为发送数据而侦 电子科技大学硕士学位论文 无线移动自组织网络数据链路层关键技术分析 设计与实现 听信道 由于它正好处于站点a 的侦听范围之外 故该站点会认为信道空闲 开始发送数据 但由于它又同时处于站点b 的冲突范围之内 这就会导致在站 点b 处产生数据碰撞 使通信失败 站点c 对于站点a b 问通信来说就是一个 隐藏终端 由上面分析可知 任何一个处于接收站点冲突范围内的站点都有可能成为隐 藏终端 i e e e 8 0 21 为了解决隐蔽终端问题 引入了v i r t u a lc s 机制和r t s c t s 控 制帧 每一个s t a 都都根据v i r t u a lc si n d i c a t o r 即n a v n e t w o r ka l l o c a t i o n v e c t o r 值来进行虚拟载波侦听 上文中已经分析过 n a y 中存放的对信道忙期 预测值是根据r t s r e q u e s tt os e n d c t s c l e a