无线Mesh网络关键技术分析

题目 题目 无线无线 Mesh 网络关键技术分析网络关键技术分析 姓名 学院 信息科学与技术学院 系 通信工程系 专业 年级 2011 级 学号 2012 年 6 月 30 日 无线 Mesh 网络关键技术分析 第 1 页 无线无线 Mesh 网络关键技术分析网络关键技术分析 摘要摘要 随着计算机和通信技术的发展 无线广域网 无线城域网 无线局域网 卫星通信网 蓝牙网络等多种无线网络系统正逐步代替传统有线网络成为互联 网接入的最后一跳 而作为 最后一公里 的无线 Mesh 网络正在备受科学家 和工程师的关注 无线 Mesh 网络又称为无线网状网或无线网格网 它融合了 WLAN 和 Ad Hoc 网络的优势 是一种大容量 高速率 覆盖范围广的网络 1 无线 Mesh 网络技术已经成为下一代无线网络下不可或缺的技术 它是依赖于 已有的基础设施布置大规模无线网络的重要解决方案 它使局域网可以快速 简单的扩展到一个广域网中 在家庭宽带网 企业网 域域网 楼宇自动化以 及智能交通系统中都有广泛的应用前景并成为下一代无线网络的研究热点 关键词关键词 无线 Mesh 网络 多信道 跨层 接入 1 无线无线 Mesh 网络网络概况概况 1 1 无线无线 Mesh 网络概念网络概念 无线 Mesh 网络 简称 WMN 无线网状网 无线多条网或无线网格网 是 一种多跳 具有自组织和自愈等特点的新型宽带无线网络 也是一种高容量 高速率的分布式网络 无线 Mesh 网络不同于传统的无线网络 它可以看成是 WLAN 单跳 和移动 Ad Hoc 网络 多跳 的融合 且发挥了两者的优势 无 线 Mesh 网络作为可以解决 最后一公里 网络接入瓶颈问题的方案 已被写 入了 IEEE 802 16 WiMax 无线宽带接入网络标准中 目前也纳入 IEEEE 802 15Mesh 1 从技术特点来看 WMN 将成为未来无线域域网 WMAN 中 核心网的理想组网方式 它也是迄今为止唯一一种建设商用移动 Ad Hoc 网络的 可行技术 传统的无线网络必须首先访问集中的接入点才能进行无线连接 这样 即 使两个 802 11b 的节点互相都在彼此的通信范围内 它们也必须通过接入点才 能进行通信 而 Mesh 这个词原来的意思就是指全联通 即所有的节点都互 相连接 所以在无线 Mesh 网络中 每个节点都可以与一个或者多个对等节点 进行直接通信 Mesh 网络技术原是一项军方技术 随着人们对 IEEEE 802 11a b 无线 Mesh 网络关键技术分析 第 2 页 和 802 11g 等 WLAN 技术的了解的深入 无线 Mesh 网络才逐步成为企业界和消 费者瞩目的焦点 1 2 无线无线 Mesh 网络的框架网络的框架 传统的无线接入技术中 主要采用的是点对点的拓扑结构 例如移动 Ad Hoc 网络和 IEEE 802 11 无线局域网就分别是点对点的网状网络和点到点的星形 网络的代表 在这种拓扑结构中一般都寻在一个中心节点 例如移动系统中的 基站 IEEE 802 11 无线局域网中的 AP 等 中心节点一方面与各个无线终端通过 单跳无线链路连接 以此来控制无线终端对无线网络的访问 另一方面中心节 点又通过有线链路与有线骨干网络相连 提供到骨干网的连接 2 实际上 无 线 Mesh 网络吸收了星型与网状两种网络的优点 是对两者的一种无缝融合 在无线 Mesh 网络中 采用网状 Mesh 拓扑结构 也可以说是一种多点到多点的 网络拓扑结构 在这种网络结构中 各个网络节点通过相邻其他网络节点 以 无线多跳的方式相连 无线 Mesh 网络由两种节点组成 Mesh 路由器和 Mesh 客户端的 除了有 与普通无线网关 路由器一样的路由器能力之外 无线 Mesh 路由器还有另外 的支持 Mesh 网络的路由功能 为了进一步提供 Mesh 网络的灵活性 Mesh 路 由器通常配有多个使用相同或者不同无线访问技术的无线接口 与传统无线路 由器相比 无线 Mesh 路由器通过多跳通信系统以更低的传输能量达到相同的 覆盖范围 根据节点的功能可以将无线 Mesh 网络的结构主要分为三类 1 2 1 骨干 WMN 骨干 WMN 由 Mesh 路由器为连接到它们上的客户端形成一个基础结构 除了最常用的 IEEE 802 11 技术外 WMN 的基础结构 骨干可以通过各种不同 的无线电技术 Mesh 路由器在它们自己之间形成一个自组织 自愈合的 Mesh 网络 Mesh 路由器可以通过网关功能与 Internet 相连 这种方法也叫做 Infrastructure meshing 为传统客户端提供骨干网并使 WMN 通过 Mesh 路由器 的网关 网桥功能与现有的无线网络的融合成可能 有以太网接口的传统客户 端可以通过以太网链路与 Mesh 路由器连接 对于那些与 Mesh 路由器使用相同 无线电技术的传统客户端 它们可以直接与 Mesh 路由器通信 如果它们使用 无线 Mesh 网络关键技术分析 第 3 页 不同的无线电技术 客户端必须通过与 Mesh 路由器有以太网连接的基站进行 通信 基础结构 骨干 WMN 是最常用的类型 例如社区和邻居网络就可以用这 种类型 Mesh 路由器放在社区的房顶上 作为房间里和路上的用户的访问点 一般来说 路由器上使用两种无线电技术 分别对应骨干通信和用户通信 Mesh 骨干通信可以通过使用定向天线在内的远距离通信技术 1 2 2 客户端 WMN Client meshing 提供了客户端设备之间的对等网络 在这种构架类型下 客 户端节点构成了实际的网络以完成利用和配置功能 同时为客户提供终端用户 应用 因此在这种网络中不需要 Mesh 路由器 在客户端 WMN 中 发向网内 节点的数据包通过多个节点转发到目的地 客户端 WMN 通常使用一种无线电 技术设备 此外 与基础结构 WMN 相比 对终端用户设备要求增加了 因为 在客户端 WMN 中终端用户设备必须有路由和自动配置等额外的功能 1 2 3 混合 WMN 这个结构是 Infrastructure meshing 和 Client meshing 的结合 Mesh 客户端 与其他 Mesh 客户端进行直接 Mesh 通信的同时 可以通过 Mesh 路由器访问网 络 而基础结构提供了与其他网络 如 Internet Wi Fi WiMAX 蜂窝网 传 感器网络等 的互联 2 客户端的路由能力在 WMN 中提供了更好的连通性和 更大的覆盖范围 混合架构将是最有应用前景的方案 1 3 无线无线 Mesh 网络的特点网络的特点 无线 Mesh 网络实在 Ad hoc 网络的基础上发展起来的 它继承了 Ad hoc 的 优点 又有它自身的特点 1具有 Ad hoc 网络的特点 由于传统 WLAN 在大面积开放区域显得力不从心 无线 Mesh 网络在诞生 之初的没变就是能够在不牺牲网络运行效率的情况下扩展现有无线网络的覆盖 范围 为了能够实现这个目标 无可避免的采用了多跳 Mesh 网络 在多跳 Mesh 网络构架中 无线链路间的距离更短 发射功率更小 节点间的干扰更少 和重用效率更高 这样不仅能够提供大面积的无线区域覆盖和真正的平滑漫游 能力 更能提升网络的系统容量 提高网络的运行效率 无线 Mesh 网络关键技术分析 第 4 页 无线 Mesh 也具有 Ad hoc 网络结构灵活 易于部署和配置 容错以及网状 连接多点到多点通信的那个特点 使得无线 Mesh 网络的初始部署成本低 并 且可以根据需要来逐步扩容 自组织和自愈能力使得无线 Mesh 网络不需要网 络管理员进行网络的配置 而是自动发现新节点 自动完成网络配置过程 自 动维护网络正常运行 在出现节点或者链路故障时也可以自动调整完成网络自 愈 2与 Ad hoc 网络的不同之处 无线 Mesh 路由器通过无线连接组成网络骨干 实现大范围的覆盖和连 接 而 Ad hoc 网络中 用户节点直接连接组网 可靠性不太高 无线 Mesh 网络支持与 Mesh 路由器网络使用相同射频技术的传统节点 因为 Mesh 路由器具有主机路由功能 无线 Mesh 网络还能与现有的各 种网络兼容 如前面所述 这样 一个网络中的用户通过无线分层结构 可以获得其他网络的服务 这是一个很有前景的应用 在 Ad hoc 网中所有节点都具有移动性和功率控制要求 而在无线 Mesh 网络中 路由器的移动性和功率控制要求低 另外 现有路由协议认为 MAC 协议时透明的 然而在无线 Mesh 网络中 需要考虑层间协作以提 高路由性能 另外 无线 Mesh 网络和 Ad hoc 网络在功率控制和移动 性要求方面也略有不同 在 Ad hoc 网中 所有节点可以为其他节点提供路由功能 但是无线 Mesh 网络中 Mesh 路由器专门实现这些功能 这样用户节点的负担就 会大幅度减轻 就可以降低这些节点的功率开销 增加其待机时间 另 外也降低了对用户节点的功能要求和价格 3 Mesh 路由器可以使用多电台和多网卡的技术 以便增强路由和接入功 能 这样可以有效分离无线网络中的两种流量 路由器的上行链路和下 行链路 用户可以以不同的电台接入 有效改善了网络的流量 而在 Ad hoc 网络中 路由等接入等功能都是在相同的信道内心境 限制了 网络性能 移动性方面 Ad hoc 网络用户节点实现用户功能 网络和互联都依赖 于中的终端节点的一大 增加了路由和配置实现的难度 无线 Mesh 网络关键技术分析 第 5 页 根据上面这些结合 Ad hoc 不同的特点 可以总数无线 Mesh 网络具有 以下自身的优点 无线 Mesh 网络具有多跳性和大容量 它最大的作用就是在不牺牲现 有无线网络的频率资源的同时扩大它们的覆盖范围 多跳还可以充分实 现频率再用 提高频谱利用率 借此提高网络的容量 Mesh 路由器具有较小的移动性 便于供电 这样在设计物理层 MAC 层和路由层协议时 不需要过于考虑路由器的功率问题 无线 Mesh 简化了网络的维护与升级 每个节点都可以有多条可选路 由 因而局部地区的升级与扩容将不会影响到整个网络的运行 方便了 网络的维护 2 基于多信道的无线基于多信道的无线 Mesh 网络网络 2 1 无线无线 Mesh 网络中的多信道网络中的多信道 MAC 协议协议 近几年来 在多信道 MAC 协议上有很多研究成果 主要有以下几种 按控 制信道分为有专用控制信道的多信道 MAC 协议和无专用控制信道 MAC 协议 按节点拥有的网络接口数分为多接口多信道 MAC 协议和单接口多信道 MAC 协 议 2 1 1 DCA 协议 动态信道分配 DCA Dynamic Channel Assignment 是具有专用的控制信 道 2 个网络接口的多信道 MAC 协议 4 在 MAC 协议中 假定有一个控制信 道 N 个数据信道 每个信道具有相同的带宽 控制信道用来解决数据信道上 的冲突和每个节点分配数据信道的问题 数据信道用来传输数据分组和确认分 组 每个节点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节点交换控制信息 获得接入数据信道的权力 数据收 发器动态地切换到分配好的数据信道上传输数据分组和确认分组 每个节点维护两个数据结构 CUL 和 FCL CUL Channel Usage List 称为 信道使用列表 表中的每个条目 CUL i 保存着邻居节点什么时候使用信道的信 息 CUL i 有三个域 CUL i host 是它的邻居节点号 CUL i ch 是 CUL i host 所 使用的信道 CUL i rel time 是 CUL i host 信道 CUL i ch 的释放的时间 每个节 点分布式地保存 CUL 表 实时更新 但由于网络延时 记录的信息可能不精确 无线 Mesh 网络关键技术分析 第 6 页 FCL Free Channel List 为空闲信道列表 它表示一组空闲的数据信道 是依据 CUL 动态计算出来的 DCA 的主要思想如图 2 1 所示 若节点 A 要与 B 进行通信 A 发送 RTS 到 B RTS 携带了 A 的 FCL B 收到 RTS 后 将 RTS 与它自己的 CUL 对比 找到一 个可用的数据信道 然后回复 CTS A 收到 B 的 CTS 后 发送一个 RES Reservation 分组 以防止邻居节点使用此信道 同样 B 用 CTS 控制它 的邻节点使用此信道 所以这些数据交互都是通过控制信道来传送的 最后 数据分组将在选择的数据信道上发送 由于网络中所有节点都在侦听控制信道 素以可以再控制信道发送广播分组 图 2 1 DCA 的通信过程 2 1 2 MMAC 协议 MMAC Multi channel MAC 主要是为了配置了一个网络接口的节点而设 计 网络中的节点一次只能侦听一个信道 为了使用多信道 节点的网络接口 不得不在可用信道之间动态切换 着就需要一种协调机制 保证通信的两个节 点都工作在相同的信道上 MMAC 协议利用了 802 11 节能机制的同步功能 时间轴被划分为信标间隔 Beacon Interval 在每一个信标间隔的开始 有一个称之为 ATIM Ad Hoc Traffic Indication Message Window 的时间窗口 该时间窗口的起始时刻 网络 中的所有节点都被强制切换到相同的信道上 在 ATIM 窗口内 有数据需要发 送的节点使用控制消息和接收端协商信道 信道协商过程如图 2 2 所示 在这 个场景整合 4 个节点构成链状拓扑 按照 A B C D 顺序排列 节点 A 有分组要 发送到节点 B 节点 D 有分组要发送给节点 C 当一个新的信标间隔开始 所 有节点都切换到信道 1 进去到 ATIM 窗口 A 等待一个随机时延 避免冲突 无线 Mesh 网络关键技术分析 第 7 页 后向 B 发送 ATIM 分组 ATIM 分组中包含了 A 的 PCL Preferable Channel List 这个表中记录了结点邻域内信道的使用情况 当结点 B 收到 ATIM 分组后 根 据 A 的 PCL 和自己的 PCL 选择信道 在发送端和接收端通信范围内 被较少结 点使用的信道将被优先选取 4 假设结点 B 选择了信道 1 然后 结点 B 向结 点 A 回复 ATIM ACK 分组 分组中包含了选择的信道 结点 A 向结点 B 发送 ATIM RES 确认这次协商 根据 ATIM ACK 和 ATIM RES 分组 结点 A 和结点 B 的 邻居也就知道了结点 A 和结点 B 将使用信 道 1 通信 并更新自己的 PCL 以便于将来根据这些信息为自己选择信道 当 ATIM 窗口结束 各结点切换到选择的信道上 在信标间隔余下的时间内进行通信 另 外 MMAC 可以在 ATIM 窗口期间广播消息 支持本地广播功能 图 2 2 MMAC 信道协商和数据交互过程 PCL 中将信道分为三种状态 高优先级表示在当前信标间隔 此信道已经 被 该结点选用 每个信标间隔内 一个结点最多只能有一个信道处于高优先级状 态 中优先级表示此信道还没有被传输范围内的结点选用 低优先级表示此信道至 少 已经被一个邻居结点所选用 每个信标间隔的开始 PCL 中的信道被复位到中 优 先级状态 如果发送结点和接收结点协商好某个信道 那么 这两个结点就将 该 无线 Mesh 网络关键技术分析 第 8 页 信道置为高优先级状态 如果一个结点侦听到 ATIM ACK 或 ATIM RES 分组 并 24 且该分组中指定的信道处于中等优先级 就将该信道置为低优先级 与其关 联的计数器设置为 1 如果分组中指定的信道处于高优先级 则不改变状态 如果分组中指定的信道已经处于低优先级 则与其关联的计数器增加 1 MMAC 的信道分配算法是要选择业务负载小的信道 目的是尽可能地平衡信道负载 减小竞争和退避所浪费的带宽 接收结点根据发送结点的 PCL 和本地的 PCL 作 如下选择 1 如果接收结点的 PCL 中有高优先级状态的信道 则选择此信道 2 否则 如果发送结点的 PCL 中有高优先级的信道 则选择此信道 3 否则 如果存在一个信道 在发送结点和接收结点的 PCL 中都是中等优 先级状态 则选择此信道 如果有多个这样的信道 就任意选择一个 4 否则 如果存在一个信道 仅在接收结点或发送结点的 PCL 中是中等优 先级状态 则选择此信道 如果有多个这样的信道 就任意选择一个 5 则 如果所有信道都是低优先级状态 将接收结点的 PCL 和发送结点的 PCL 中的计数器相加 选择值最小的信道 2 1 3 SSCH 协议 SSCH 是一个基于时隙的分布式单接口多信道协议 工作在链路层 负责协调各 结点的信道切换 不需要专门的控制信道 它可以在 802 11 无线网卡上用软件 实现 6 SSCH 协议主要包括以下步骤 1 生成结点信道跳变图案 Channel Hopping Schedule 调度分组到相应的信道 2 每个时隙的开始 将当前的信道跳变图案广播给邻居结点 3 有数据要传输时 发送结点改变自己的信道跳变图 以匹配发送结点的跳变 图 在 SSCH 中 时间轴被划分成时隙 连续多个时隙组成一帧 所有帧的第 i 个时 隙形成第 i 个虚拟信道 每个虚拟信道用二元组 channel seed 表示 用符 号记为 表示当前的信道号 表示信道跳变因子 信道跳变的规则为 ii x a i x i a mod iii xxaN 无线 Mesh 网络关键技术分析 第 9 页 其中 N 等于可用信道数 逻辑分割 logical partition 是指在通信范围内的两个结点不存在信道重叠 的时隙而不能够通信 SSCH 引入奇偶时隙 parity slot 来解决可能出现的逻辑 分离 在奇偶时隙 结点使用信道 奇偶时隙出现在每次循环的结尾 1 parity xa 一次循环定义为当每一个虚拟信道都遍历了所有可用信道 6 图 2 3 是使用 2 个虚拟信道 3 个可用信道时 两个结点可能的信道跳变图案 SSCH 的以下数 学性质保证 25 意两个结点总存在某个时隙使用相同信道的情况 1 两个结点有 相同的和 那么这两个结点总是同步的 2 两个结点有相同的 但不 i x i a i a i x 同 那么这两个结点仅在奇偶时隙使用相同的信道 3 两个结点使用不同的 i a 要求可用信道数 N 是质数 由质数理论可知 每次循环 总有一个时隙会使用 相同的信道 相邻两个结点可以在相同信道时隙通信或交换状态信息 保证了网络的连 通 性 如果只在一个时隙里发送广播分组 那么 此时处于其它信道上的结点不 能 接收到该分组 为了支持广播 SSCH 将广播分组在连续的几个时隙里重复发送 保证大部分结点都能收到广播分组 SSCH 协议的另一个重要特性是同步跳变 当结点 A 准备向结点 B 发送大量 数据时 结点 A 将某个虚拟信道的信道跳变图案匹配到结点 B 的相应虚拟信道 的信道跳变图案上 也即 结点 A 和 B 在某个虚拟信道上使用相同的信道跳变 图案 这样 结点 A 和 B 就能一直在该虚拟信道上进行通信 同步跳变可能会 使得网络中的结点都收敛到相同的跳变图案上 加剧了分组冲突 SSCH 采用了 去同步机制 如果在某个虚拟信道上 使用相同跳变图案的结点数大于某个特 定值 则为该虚拟信道随机生成一个新的跳变图案 SSCH 协议的另一个重要特 性是同步跳变 当结点 A 准备向结点 B 发送大量数据时 结点 A 将某个虚拟信 道的信道跳变图案匹配到结点 B 的相应虚拟信道的信道跳变图案上 也即 结 点 A 和 B 在某个虚拟信道上使用相同的信道跳变图案 这样 结点 A 和 B 就能 无线 Mesh 网络关键技术分析 第 10 页 一直在该虚拟信道上进行通信 同步跳变可能会使得网络中的结点都收敛到相 同的跳变图案上 加剧了分组冲突 SSCH 采用了去同步机制 如果在某个虚拟 信道上 使用相同跳变图案的结点数大于某个特定值 则为该虚拟信道随机生 成一个新的跳变图案 6 图 2 3 SSCH 信道跳变图 2 2 多信道无线多信道无线 MeshMesh 网络中的信道分配网络中的信道分配 多信道MAC协议设计是无线Mesh网络中的关键技术之一 如何更准确 更快 的传输路由信息 更好地保证网络的连通性 是衡量MAC协议优劣的重要指标 因此 在设计MAC协议的同时 需要综合考虑各个方面的因素 也只有这样才能 够设计出适合用户应用的多信道MAC协议 在多信道无线Mesh网络中 由于网络 中存在多个可用信道 如何进行合理的资源分配 让资源得到最佳的利用可以 统一抽象为信道分配问题 该问题也是MAC协议设计的重点和难点所在 一个无线 Mesh网络模型可以用一个无向图D N L 来表示 其中 图的顶 点N表示无线网络的节点集合 亦即无线射频单位 图的边集上表示网络链路的 集合 信道分配问题 最简单的方法就是给每个节点的网络接口卡分配相同的 信道集合 例如接口卡1分配1号信道 接口卡2分配2号信道 以此类推 这种 分配方式可能能够获得吞吐率的提升 但是在实际情况中 每个节点配置的网 络接口卡数目是受限的 这种方式不能很好的利用网络中的可用信道 造成信 道的浪费 2 2 1 组划分信道分配方案 无线 Mesh 网络关键技术分析 第 11 页 我们可以将信道分配分成如下两个阶段进行 邻居节点和网络接口卡的绑 定 信道和网络接口卡的绑定 在给邻居节点分配网络接口卡时 将每个节点 的所有邻居节点进行组划分 然后每个组进行网络接口卡的统一指定 每个组 分配的网络接口卡则选择节点冲突邻域内使用次数最少的信道进行指定 很显 然 这种分配方式如果需要获得统一的信道分配方案 需要指明邻域的组划分 方法 因为组划分方法的不同会直接导致分配方案的不同 但对于一般的网络 在实际应用中我们可以直接采用随机技术进行组划分 这样也会有比较好的效 果 2 2 2 分布式信道分配方案 冲突图 conflict graph 的概念是很直观的 它是一个无向图G V E 其 中 图的顶点集V表示网络中链路的集合 图的边集E表示两个链路是否相互干 扰 如果互相干扰 那么两个顶点之间有边相连 链路之间是否相互干扰主要 通过前面所述的协议模型进行判定 例如链路两头的任何一个节点如果在其他 链路节点集合的干扰范围内 这两条链路就是相互干扰的 那么这两个链路在 冲突图中就会有边相连 表示它们若同时进行通信会互相冲突 图2 4 链路冲突图 上图很好的阐述了冲突图的概念 在上图左所描述的网络拓扑图中 假设节点 的传输半径和干扰半径相同 那么节点1和节点2进行数据传输 则节点2和节点 3 节点2和节点6 节点3和节点4之间如果进行数据传输都会受到干扰 所以在 上图右边的冲突图中 节点1和节点2之间的链路和 之间都有边 12 l 23 l 26 l 34 l 直接相连 在链路冲突图中 处于极大团中的点表示全都互相冲突的链路 如果网络中 只有单个信道 那么在极大团中只能有一条链路进行数据传输 所以在冲突图 中 每个极大团可以看作是一个独立的信道资源竞争区域 在不同极大团内的 无线 Mesh 网络关键技术分析 第 12 页 链路可以同时进行数据传输而不互相干扰 在假设发送半径和干扰半径相同的情况下 上一节中的网络拓扑图形成的 链路冲突图有三个极大团 分别为 和 在每个极大团中 所有的链路 1 q 2 q 3 q 都是相互干扰的 即在极大团中的链路和 不能同时进行数据 1 q 12 l 23 l 26 l 34 l 传输 否则将会发生冲突 但处在不同极大团之间的链路是可以同时传输不发 生干扰的 例如极大团中的链 和极大团中的链路 就可以同 1 q 12 l 26 l 2 q 45 l 47 l 时进行无冲突的数据传输 还有一种情况就是类似如和这种链路它们虽然 23 l 34 l 也同时处于不同的极大团和中 但它们也同时都在团和中 所以它们 1 q 2 q 1 q 2 q 之间进行数据传输是会互相冲突的 由于在链路冲突图中 处于各个不同极大团之间的链路可以同时无干扰的 传输数据 我们可以把链路冲突图中的每个极大团看作一个独立的单元进行信 道分配 而在每个极大团中 用以负载为度量标准的贪心算法来进行信道分配 极大团的分布式构造方法采用极大团作为信道分配的独立单位 首先就需要求 出链路冲突图中的所有最大团 然后在每个团中独立的进行信道分配 但是现 在已有的求极大团的算法都是集中式的 不能够直接在我们的信道分配方案中 应用 如果我们合理利用冲突图的性质 即只有彼此相邻的两条无线链路在冲 突图中才有边相连 就能够简化极大团的构造 我们可以利用链路冲突图性质 的分布式极大团构造方法 在该方法中 网络拓扑图被分为多个互相不重叠的 子图 而依据每个子图类的局部拓扑信息就可以完成极大团的构造 3 无线无线Mesh路由协议路由协议 WMN的很多技术特点和优势来自于其Mesh网状连接和寻路 路由协议的 设计是一个关键 其路由机制的好坏直接影响网络的性能 首先 在无线多跳 Mesh网络中 路由协议不能仅仅根据 最小跳数 来进行路由选择 而要综合 考虑多种性能度量指标来进行路由选择 其次 Mesh路由协议要提供网络容错 性和健壮性支持 能够在无线链路失效时迅速选择替代链路避免业务提供中断 第三 Mesh路由协议要能够利用流量工程技术 在多条路径间进行负载平衡 尽量最大限度利用系统资源 第四 路由协议要求能同时支持MR和Mesh终端 无线 Mesh 网络关键技术分析 第 13 页 对于静止不动的MR 由于没有功耗限制 可以采用比现有MENE路由协议简单 得多的路由协议 而MC一般由电池供电且可移动 则需要采用类似MANET的路 由协议 这样 就需要一种行之有效的路由协议能够自适应支持MR和Mesh终 端 第五 路由协议与MAC协议之间的跨层设计是另一个研究课题 以往的研 究都集中在网 络第三层上 结果并不理想 可以从第二层提取一些参数信息作为路由判据 仅仅在MAC层与路由层之间进行数据交换也许还不够 还可以考虑合并MAC与 路由层之间的一些功能 4 跨层设计跨层设计 WMN是无线多跳路由网络 不同于有线和传统的无线单跳网络 各节点所 有层对其都有很大影响 WMN在拓扑 传输和业务上的特性 传统的用于有线 网络的分层协议设计方法已不能保证其服务质量 QoS 探索基于物理层 MAC 层 网络层等WMN跨层设计方法可以使无线资源利用率和多媒体业务的QoS两 方面达到较好的折衷 WMN各个协议层在设计过程中的有关协议和算法要求附 加统一的跨层管理器 监测各层的分组传输性能或需求 动态控制或调节相关 算法 通过实现较高协议层的多媒体业务QoS需求与较低协议层的网络状态信 息在各协议层之间共享 可达到对协议层控制算法的优化 在合理选择跨层设 计目标的基础上 多个协议层需要联合设计与优化 具体可以从两方面着手跨 层设计 一是在设计单层协议时引入其他层次的性能因素 尤其在设计高层协 议时考虑底层参数 如在传输层引入MAC层的丢包率能够使TCP根据丢包率判断 拥塞程度 再如可从物理层引入链路状态作为设计路由算法的一个性能依据 二是集几个层次协议设计于一体 如考虑到MAC和网络层的交互可将其两层协 议合并设计为一体 第二种方案通常更有效 目前WMN跨层设计待深入研究的 关键技术包括自适应速率与节能机制 基于QoS需求的跨层MAC协议设计和路 由协议设计等 5 无线无线 Mesh 网络接入技术网络接入技术 5 1 异构接入方案异构接入方案 不同的无线网络有着不同的优点和缺点 所能提供的业务种类 流量和覆 无线 Mesh 网络关键技术分析 第 14 页 盖范围都不相同 为了充分利用各无线网络的优点并为用户提供更好的服务质 量 无线网络出现了以IP技术为核心的融合趋势 从而最终形成全口异构无线 网络 为了满足用户的需要 不同的宽带无线接入技术都提出了相应支持Mesh 网络架构的网络协议 因此各种Mesh网络技术现在也是争奇斗艳 未来移动通信将是由多种无线接入网络组成的异构网络 其中异构接入是异 构网络融合必须解决的问题 异构接入设计到许多方面 包括异构环境下的寻 呼 终端范围内的接入网络发现 最佳网络选择 垂直切换执行 终端位置更新和 鉴 权 认证 计费方式等 异构接入研究面对的最大挑战就是如何设计无缝和无 损 的垂直切换 传统的系统内切换 仅从终端接收到的信号强度就可以做出切换 判决 并完成新连接的建立 而垂直切换涉及不同的无线接入技术 从而将将 引入一些新的考虑 包括不同接入点的无线接入技术配置 Qos保障能力 系统 的整体负载 用户偏好以及安全 费用等方面的考虑 5 1 1通用接入和通用链路层 为了设计高效的接入体系和垂直切换方案来实现异构网络的融合 目前在 这 个领域已经开展了一些相应的研究 在日本的e Japan计划的研究中 提出了一 种未来移动通信系统结构MIRAI 其中包括一种新型的异构接入方案一通用接入 Common Access 8 在通用接入的方案中 通过在接入网中设置基本接入网络 BAN 单元来管理特定区域内的多种无线接入技术 同时通过覆盖范围广 传无 线Mesh网络多模安全接入系统的研究与实现输速率低的一种无线信道 BAN始 终与位于这个特定区域内的终端中的基本接入部件 BAC 保持信令交互 从而完 成终端用户在本区域内的通用接入 这种方案的目的是通过增加独立的管理单 元 完成对终端环境下的多种RAT管理 从而减少终端扫描RAN和信令处理过程 还有其他方案旧J通过设置网络代理 并在不同无线接入网络的接入点上设计动 态数据缓存队列 在发生垂直切换的过程中 向切换前后不同接入网络同时发 送业务数据流 该方案的目的是通过增加高层的时间重定向和双发功能 从而 无线 Mesh 网络关键技术分析 第 15 页 减少垂直切换过程中的数据丢失 为了在链路层上协同工作以达到减少数据丢失的目的 提出了通用链路层 GLL 的概念 通用链路层的设计思想是 由于不同无线接入技术在链路层上具 有某些类似的功能 如果无线链路层被设计成兼容的通用模式 旧的无线链路 层的配置信息及当前状态就能被移交给新的无线链路层 这样就可以实现在切 换过程中数据无缝的传输 同时 随着无线通信中重配置研究的深入 重配置 设计的领域不再局限于物理层技术重配置 即软件无线电 SDR 其应用可以延 伸到端到端通信中的各个方面 E2R 重配置研究的发展 为通用链路层功能提 供了一种实现方法 即通过重配置链路层功能完成不同无线接入技术的切换 从而实现链路层的兼容性和通用性 5 1 2 WLAN集成认证平台 针对目前各种无线安全产品基于不同的认证和加密标准 给用户的统一接 入带来了一定的困难的情况而提出的解决方案 无线用户不能够在各种无线网 络中适应不同的认证和加密方法 一个客户端即使在硬件层面上支持多种网络 接入 但是接入网络要求认证形式的多样性 会导致客户端不能正常的访问网 络资源 甚至在同一种网络接入技术中 比如WLAN 由于AP可能采用 802 1li WREP WAPI等中的一种或几种认证方式 当客户端要接入网络时会 因为认证协议的不匹配而导致接入失败 为此设计并实现的 WLAN集成认证系统 是基于IEE802 11b网卡实现了 对WAPI IEEE 802 11i WPA wPA2等安全认证协议的集成 该系统的主要功 能是提供一个可供多种WLAN接入网络使用的客户端集成认证平台 该平台能够 针对各种网络认证体系在WLAN的安全保护方面的异构性 为用户提供一个可靠 的安全的集成认证环境 进而使得保证客户端在不进行修改的环境下可以自适 应的接入到相应的网络中去并采用相应的认证方法 通过在无线接入终端捆绑 安全软件平台我们可以向用户提供一个安全可靠的接入方法 实现不同接入网 络之间用户的集成认证 接入控制 密钥管理 不同模式间的通信不问断漫游 与切换 该软件系统利用现有的标准协议WPA 802 11i以及WAPI等来实现无线 接入的安全控制 使得无线网络终端可以在这几种网络中正常的进行身份认证 和交互 同时系统实现平台的可扩展性 要求能够将接入协议按照插件模块的 无线 Mesh 网络关键技术分析 第 16 页 方式组合到该平台中 该平台根据接入网络的类型为终端用户提供一个接入方 式 使得用户可以实现安全的接入 5 2 Mesh网络可信接入协议网络可信接入协议MN TAP IEEE于2004年成立工作组TG对WLAN Mesh进行标准化 并于2007年3月正 式公布了Draft 802 Ils D1 01 为了保持与IEEE 802 11系列标准的兼容性 Draft 802 1ls的安全接入部分仍然采用的是IEEE 802 11i标准 但是WLAN Mesh中的 Mesh节点 MP 不同于传统WLAN中的网络节点 一个MP mesh joint 同时执行申 请者和认证者两个角色 8 所以直接使用802 1li会导致网络中一个新接入的 MP节点需要和其邻居MP进行两次认证和密钥协商 为解决这一问题 在 802 11i的基础上 802 1ls提出了EMSA efficient mesh security and link establishment 来实现安全接入 EMSA提出了一种安全的机制 允许MP能够有 效地建立起用来路由和数据阵输的安全Mesh连接 并且通过使用Mesh密钥层次 来提供服务 这一方案在一定程度上提高了WLAN Mesh网络接入的效率 可信环境下的WLAN Mesh网络通信系统中存在三类实体 访问请求者 AR 策略执行点 PEP 和策略决策点 PDP 它们分别对应于传统WLAN Mesh中的申请 者 新接入MP节点 认证者和认证服务器 访问请求者AR要接入网络 需要向 PDP认证用户身份 同时PDP还需要验证AR的平台身份和平台完整性 只有当上 述验证全部通过后 PDP才允许AR接入网络 AR和PDP之间的通信必须通过PEP 的转发 多个AR可以请求同一个PEP的服务 一个PEP也可以请求多个AR的服务 5 3 Mesh安全架构 安全架构 Mesh安全关联安全关联 MSA WLAN Mesh 网络使用传统的IEEE 802 11链路进行互联 主要由网关节 MPP 接入点 MAP 以及Mesh路由器 MP 组成 Mesh 网络特有的多跳自组织特 性导致其特有的安全目标 例如 1 Mesh节点间的双向认证 2 各跳端到端 链路数据流量的机密性和完整性保护 3 Mesh 节点的接入控制和管理 为 了针对性解决这些安全问题 IEEE 802 11工作组在IEEE 802 11s 草案中提出了一 套全新的安全架构Mesh安全关联 MSA Mesh Security Association 密钥体系是整个MSA 安全架构的核心和最终目标 一个MP 只有通过身份 认证后建立起一套密钥体系才被允许在网络中发起通信 MSA 架构将参与安全 无线 Mesh 网络关键技术分析 第 17 页 交互的MP 节点分成3种角色 MKD MA和Candidate MP Candidate MP是指希 望加入Mesh网络的节点 9 MA是具备为Candidate节点提供认证服务资格的节 点 它能够建立并维护一条通往MKD 的安全链路以保证经其转发的Candidate MP 证信息的安全 MKD与外部认证服务器AS间存在一条安全物理链路 主要 负责主密钥的生成和分发以及确认MA的资格 初始MSA认证用于安全地建立 MP对之间的链路 每一个Candidate MP至少经过一次成功的初始MSA认证才可 以在网络中传输数据 一个完整的MSA 认证过程可分为三个阶段 PLM Peer Link Management 协议交互阶段 EAP认证阶段 MSA 四次握手阶段 10 PLM 用于协商后续阶段 所需的各种安全参数 并定义了密钥选择流程和角色选择流程 允许MP 通信 对进行存储密钥的协商和EAP 认证阶段各自角色的选择 在EAP 认证阶段使用EAP 框架实现客户身份认证 最终将MKD 生成的 PMK MA 和随机数分发到对应的MA MSA 四次握手阶段将通过双方共享的 PMK MA 和交换的两个随机数生成最终的会话密钥 并使用该会话密钥保护传 输数据的机密性和完整性 到此完成密钥体系链路安全分支的建立 6 总结总结 无线Mesh网 WMN Wireless Mesh Network 是一种分布式网络 除移动性 较低外 WMN本质上是一种Ad Hoc网络 它是一种由无线链路连接路由器和终 端设备的静态无