无线网状网络

1、无线网状网络1 概述 1随着网络技术的发展以及人们对于网络越来越强的依赖性， 人们希望能够随时随地接入 因特网。目前，用户无线上网的手段主要有两种：1）在蜂窝网络中，通过 2G 的 GPRS 技术或 3G 网络接入无线基站，进而接入因特网；2）在学校、机场等公共场合，通过802.11无线局域网接入因特网。 这两种方式都是集中式的无线接入， 信号稳定、性能可靠、维护管 理方便。但前者建立基站的代价高， 用户上网费用高；后者覆盖范围小，难以实现大范围覆 盖。无线网状网络（ wireless mesh network ，WMN ）是在移动自组网基础上发展起来的一种 新的无线网络技术，由于带宽高、易组

2、网、成本低、覆盖广和性能稳定等优势，被认为是下 一代无线网络的关键技术，近几年受到学术界与工业界的广泛关注。WMN 由两类节点组成： mesh 路由器和 mesh 客户。 Mesh 路由器除具备传统无线路由 器作为网关/网桥的路由能力外，还包含支持mesh组网的路由功能。 Mesh路由器之间通过无线链路形成多跳网状网络，构成 mesh 骨干。 Mesh 客户可直接接入 mesh 路由器，也可通 过其它mesh客户接入mesh网络。mesh客户之间也可以通过无线链路形成多跳网状网络。 虽然mesh客户也可以像路由器一样进行mesh组网，但其硬件平台和软件比 mesh路由器要简单得多，比如， me

3、sh 客户的通信协议可以是轻量级的，没有网关或桥接功能，只需要一 个无线接口等。Mesh 路由器中的网关 /桥接功能允许 WMN 与其它各种网络连接， 配备有无线网卡的传 统节点可以通过无线方式连接到 mesh 路由器，进而连接到 WMN ；没有无线网卡的用户可 以通过有线方式（如以太网）连接到无线mesh路由器上，再接入 WMN。总之，WMN将极大地方便用户实现随时随地上网。无线 mesh 网络由于在提供大范围无线骨干方面的灵活性而在最近几年受到很大关注。WMN 可能的应用包括无线宽带服务、社区网络、实时监视系统、高速城域网等。2 网络架构及特点2.1 无线网状网络的结构类型 1（ 1）架构

4、 /骨干式 WMN （ Infrastructure/backbone WMN ）在这种结构中，mesh路由器构成 mesh网络的主干，mesh客户通过 mesh路由器接入 WMN，部分mesh路由器作为网关与其它类型的网络连接（包括接入因特网），如图1所示。除最常见的IEEE 802.11以外，mesh主干也可以使用其它无线技术建立。使用以太网接口的用户可通过以太网链路连接到mesh路由器，与 mesh路由器具有相同无线接口的用户可直接连接到mesh路由器，使用不同无线接口的用户首先接入各自的基站，这些基站通过以太 网链路连接到 mesh 路由器。（2）对等式 WMN （Client WMN

5、 ）这种结构仅由 mesh客户组成。所有 mesh客户通过无线链路形成对等网络，每个mesh客户要执行路由及配置功能， 并向客户提供终端应用。 由于节点不需要具有网关或中继功能，所以不需要Mesh路由器。对等式 WMN通常使用一种类型的无线技术，因此实际上和常规移动自组网是一样的。相比于架构式WMN中的mesh客户，对等式 WMN中的mesh客户需要更强的功能。< JWX Mshi ioinr with g<aT#wa甲 7<； VV-a21 Access point _Mesh muter with gatewayhfeshi router with gatewayflW

6、rad dentsM«K7o irter'y/jth E 訓的；i y/brld弘邻$严 IQ怕td°F爲常旣席idge妣昨斶冊如router（3）混合式 WMN （ Hybrid WMN）这种结构是架构式 WMN和对等式WMN的结合，mesh客户可以通过 mesh路由器或 其它mesh客户接入网络，如图2所示。在这种结构中，mesh主干提供了到其它网络（如因 特网、Wi-Fi、WiMAX、蜂窝网络及无线传感器网络）的连接，而 mesh客户在 WMN内部进一步改进了连接性和覆盖性。inwMtmesh bacfcbOTiiFSensornetworksWiMAXnet

7、worksWi-Finetworks-networks图1架构/骨干式WMNIV!佗less mshbackbone制曲和outewith gaiwayMesh router !-Vith IP妙旳砂Meshoyt亦". with 河©旳y/bilMgg M&sh router/iffth gHatewVbridgGWI-FL WI-MAJC sensor network 企lluQr networks, etcMltitsn iouter,JugfiConvntioruildint5Wireless mesh dients图2混合结构的WMNWMN的特性概括如下（

8、由于混合式 WMN具有WMN的全部优点，因此这里考虑的是 混合式WMN）:WMN支持自组织组网，具有自形成、自愈合和自组织的能力。WMN虽说是一种多跳无线网络，但它有一个无线骨干。Mesh路由器较少移动且专门执行路由与配置功能，从而大大减轻了mesh客户与其它终端节点的负担。通过无线骨干很容易支持终端节点的移动。Mesh路由器可集成包括有线网络和无线网络在内的异构网络，因此WMN可支持多种类型的网络接入。Mesh路由器和mesh客户具有不同的电源使用限制，mesh路由器通常不移动且有持久的电源供应，而 mesh客户则一般是移动的且由电池供电。WMN并不是独立运行的，需要与其它无线网络相兼容和互

9、操作。因此，WMN并不仅仅是另一种类型的移动自组网，与常规移动自组网相比增加了很多功能，而实现这些新的功能需要新的算法和设计。2.2 一个架构式mesh网络的实例2（1）网络结构2 描述了一个可自配置的、安全的架构式mesh网络的设计与实现。其设计称为MeshCluster，如图 3 所示。图3 MeshCluster参考结构MeshCluster架构由中继节点和网关节点两种网络节点组成，中继节点是支持接入和中 继两种无线网络接口的多射频系统（有多个射频电台，支持不同的无线技术），而网关节点支持中继和因特网回程（back-haul，up-link ）接口。端用户移动节点（ Mobile Nod

10、e，MN）使用接入接口接入网络。中继接口用于在中继节点和网关节点之间构造一个自配置的包转发 骨干。接入链路可以基于3G或802.11，中继链路可以基于 802.16或802.11。网关通过有线（以太网）或无线（如802.16）上行链路连接到因特网。中继节点和网关节点的放置取决于部署的场景。比如，向端用户提供宽带接入的城域网，中继节点可以安放在电杆上，网关节点放置在市区的数据中心。建筑物（如会议中心、博物馆）内的mesh网络可以采用类似的放置方法。在以上场景中，中继节点是固定的。在为灾难恢复、户外事件而临时建立的 mesh网络中，中继节点可以任意放置且是准静态的。在军事应用中，汽车里 的战士使用

11、中继节点通过远程网关节点与指挥控制中心通信，中继节点的移动性可能很大。（2）自动配置有一个MeshCluster-Manager实体（可以和网关放在一起），执行管理和监控功能， 如为 接入链路和中继链路分配频率和功率、平衡中继簇的负载、 支持移动和鉴别等。 节点使用一个安全注册和自动配置协议向 MeshCluster-Manager注册。中继节点启动时初始化一个自动配置代理，该代理使用一个或多个中继接口监听其所在区域中所有自组网的 ESSID广播。对于每一个ESSID广播，代理首先发送 BSSID广播加入 相应的自组网，然后从零配置地址空间中选择一个IP地址，加入到中继骨干中。中继节点然后监听

12、由已加入MeshCluster的中继节点周期性接收和重广播的网关通告消息，消息中包含了网关能力信息（如因特网回程链路速度）、中继节点容量以及经过该中继节点的最佳路由等。代理与一个或多个选定的网关进行配置会话，网关的选择可以按照距离最近（跳数最少）、负载最轻或容量最高等原则来选择。自动配置协议支持鉴别，代理可以使用安全信任状（如数字证书或保存在节点防窜改硬 件中的对称密钥等） 与网关进行相互鉴别。中继节点向网关传送自己的能力信息（如射频接口的数量及类型）及观察到的环境信息（如不同频段上可见的邻居、干扰等），这些信息对网关分配频率非常有用。网关向中继节点传送配置参数，如接入的ESSID、中继和接入

13、接口 上使用的频率、功率水平、移动方法、编址方案、任何路径特定信息等。配置会话结束后， 释放零配置地址，但安全参数保留以便用于将来的重配置。（SSID是Service Set Identifier的缩写，意为服务集标识。SSID技术可将一个无线局域 网分为几个需要不同身份验证的子网络，每个子网络都需要独立的身份验证，只有通过身份验证的用户才可以进入相应的子网络，防止未被授权的用户进入本网络。SSID也可以写成ESSID，用来区分不同的网络。SSID通常由AP广播出来，通过 XP自带的扫描功能可以查看当前区域内的 SSID。无线网卡设置了不同的SSID就可以进入不同网络，只有设置了相同SSID的

14、节点才能互相通信。BSS是Basic Service Set的缩写，是一种特殊的自组织局域网的应用，一群计算机设定相同的BSS名称即可自成一个 group，而此BSS名称即为BSSID。零配置联网是IETF零配置工作组正在做的一项工作，希望能够方便一群节点组网，实 现：1）不需要DHCP服务器来分配IP地址；2）不需要DNS服务器进行域名和IP地址的 转换；3）不需要目录服务器来搜索服务；4）不需要MADCAP服务器来根本多播地址。（3）路由协议路由协议采用增强的 AODV，称为AODV-ST （spanning tree）。AODV-ST是一种混合 路由协议，它采用主动策略积极维护中继节点到

15、每个网关节点（常见的通信情形）的最佳路由，大大减小中继节点和网关节点之间的路由发现延迟，而采用按需路由发现策略建立中继节点之间（不常见的通信情形） 的路由。图4是有7个中继节点和两个网关节点的简单拓扑， 以每个网关节点为根形成一棵最佳生成树，中继节点位于两棵树上，并选择可获得最佳性能（取决于所用的路由测度）的网关作为自己的缺省网关。图4网关特疋的生成树3关键设计要素1影响WMN性能的关键设计要素概括如下：（1）无线技术近些年提出了多种提高无线系统容量及灵活性的方法，如有向和智能天线、多输入多输出（MIMO ）系统、多无线电/多信道系统等。为进一步提高无线通信的性能及高层协议对 无线通信的控制能

16、力，更先进的无线技术被应用到通信中，如可重配置无线电（recon figurableradios）、频率敏捷 /认知无线电（ frequency agile/cognitive radios）、软件无线电（ software radios）。尽管这些无线技术尚在发展初期，但由于它们突出的动态控制能力而被认为是未来无线网络的平台。这些先进的无线技术均要求高层协议进行革命性的设计，尤其是MAC层和路由协议。（2）可扩放性扩放性是对 WMN 的一个基本要求，否则当网络规模增大时性能会有极大下降，如路 由协议可能找不到可靠的路径、传输层协议可能丢失连接、 MAC 层协议可能导致严重的吞 吐量下降等。

17、为保证 WMN 的可扩放性， 从 MAC 层到应用层的所有协议都必须是可扩放的。（3）网状连接WMN 的许多优点来自于网状连接。 为确保可靠的网状连接， 需要网络自组织和拓扑控 制算法。拓扑感知（ topology aware ）的 MAC 协议和路由协议能够极大提高 WMN 的性能。（ 4）宽带和 QoS不同于常规的移动自组网， WMN 的大多数应用是具有不同 QoS 要求的宽带业务，因 此除了端到端延迟和公平性之外， 通信协议必须考虑更多的性能参数， 如延迟抖动、 集合吞 吐量和每节点吞吐量、丢包率等。（5）安全 尽管近些年来针对无线局域网已经提出了多种安全方案，但这些方案不能完全适用于W

18、MN 。比如，由于采用分布式系统架构， WMN 中没有一个集中式的认证权威可以分发公 开密钥。 针对移动自组网而提出的安全方案可以用于 WMN ，但大多数这样的安全方案还不 够成熟，而且由于移动自组网与 WMN 架构上的差异，这些方案应用到 WMN 中是低效的。（6）易于使用 所设计的协议必须使得网络尽可能自治。 除此之外， 需要开发网络管理工具来有效地维 护 WMN 的运行、监视 WMN 的性能、配置 WMN 的参数。这些管理工具以及网络协议中 的自治机制允许人们快速部署 WMN 。（7）兼容性和互操作性在 WMN 中，同时支持常规用户和 mesh 客户是一个缺省的要求。因此， WMN 需要

19、向 后兼容常规客户节点，这要求 mesh 路由器能够集成异构无线网络。4 研究现状及挑战 1WMN 的特性及设计要求给 WMN 的通信协议提出了许多挑战性问题。尽管近年来在 WMN 的研究和开发上已经取得了一些进展，但许多问题依然存在：例如网络容量的理论 上界和下界如何计算，各层上的协议如何改进（ WMN 的架构和特性与以往的有线网络和 WLAN 都不同，因此原有协议栈中的协议在 WMN 中多多少少都需要改进） ，新的网络管 理方法如何设计，网络安全性如何加强等。4.1 网络容量的理论研究已经有不少人在对移动自组网容量进行研究。考虑到 WMN 和移动自组网的相似性， 这些研究结果也许可以借鉴。

20、有人给出了移动自组网容量的理论上界和下界 3 。研究指出 提高移动自组网容量的指导方针是：每个节点只和邻近节点通信。为此，建议了两种主要 的实现方案：部署中继节点，节点成簇。换句话说，与较远节点的通信应当通过中继节点 或簇。然而，考虑到像移动自组网、 WMN 这样的分布式系统，节点分簇或分配中继节点 是一项困难的任务。3 中采用的分析方法极大地推动了无线网络容量的研究，但是该方法有两个缺点。一 是没有充分考虑网络协议的特性：不同的媒体访问控制、功率控制和路由协议对无线网络 容量的影响很大，但分析方法使用了过于简单的模型。二是网络容量的理论边界是基于渐 近分析(网络规模或节点密度趋向无穷大)得到

21、的，这些结果不能反映出给定规模网络的 确切容量，特别是当节点数量较小时。此外，由于 WMN 与移动自组网的差异，移动自组 网的分析结果可能不能直接应用于 WMN 。因此，需要专门针对 WMN 进行网络容量的理 论研究。4.2 通信协议栈物理层(1)先进的物理层技术 已有一些先进的物理层技术可以应用于 WMN ：利用不同调制技术与编码速率的组合来支持多种传输速率， 从而可以通过链路调整 来提供自适应容错能力。(自适应容错( adaptive error resilience )：视频压缩在消除时空冗余的同时也降低了视 频流的容错能力， 很容易因传输出错而导致解码错误。 一种自适应容错编码转换技术

22、可以根 据视频流的特性 (如传输出错造成误差传播的严重性) 及根据反馈信道的统计数据估算的客 户信道条件来指导信源和信道编码资源的分配。 )支持高速传输的正交频分多路复用( Orthogonal Frequency Division Multiplexing ， OFDM )技术和超宽带( Ultra-WideBand ，UWB )技术。提高信道容量和信道可靠性的多天线系统， 如天线分集、 智能天线、 多输入多输出 ( Multiple-Input Multiple-Out-put ， MIMO )系统等。(天线分集： 根据信号论原理， 若有其他衰减程度的原发送信号副本提供给接收机， 则 有助

23、于接收信号的正确判决。 这种通过提供传送信号多个副本来提高接收信号正确判决率的 方法被称为分集。 分集技术是用来补偿衰落信道损耗的， 它通常利用无线传播环境中同一信 号的独立样本之间不相关的特点， 使用一定的信号合并技术改善接收信号， 来抵抗衰落引起 的不良影响。 )可获得更高频谱利用率和可行频率规划的频率捷变无线电( frequency-agile radios ) 或认知无线电 ( cognitive radios )，这些技术可动态捕获未占用的频谱。 在软件无线 电平台上实现认知无线电是最有效的解决方案， 因为一个无线电台的所有组件， 如 射频波段、 信道接入方式和信道调制， 都是可编程

24、的。 尽管软件无线电平台还不是 一个成熟的技术， 但未来将是无线通信的一项关键技术， 因为它允许所有先进的物 理层技术是可编程的。(认知无线电：认知无线电是可以感知外界通信环境的智能通信系统。认知无线电技术 能够感知并分析特定区域的频段，找出适合通信的“频谱空洞” ，利用某些特定的技术和处 理，在不影响已有通信系统的前提下进行工作。软件无线电在一个开放的公共硬件平台上利用可编程的软件方法实现所需要的无线电 系统。理想的软件无线电应当是一种全部可软件编程的无线电，并以无线电平台具有最大 的灵活性为特征。全部可编程包括可编程射频(RF)波段、信道接入方式和信道调制。)( 2)开放的问题：为了在较大

25、区域的网络中获得较高的传输速率，需要除 OFDM 和 UWB 之外的新 的宽带传输技术。 多天线系统已经研究了很多年， 但是它们的复杂性和代价还太高， 无法被大规模商业化。 频率敏捷技术还在发展初期， 在它们被商用应用接受之前还 需要艰苦的努力。为充分利用物理层技术的先进特性，高层协议（尤其是 MAC 层协议）需要与物理 层相互作用。 因此， 物理层上的某些组件必须允许高层访问或控制它们， 这使得硬 件设计更困难，这也激发了低成本软件无线电技术的创新。MAC 层WMN 的 MAC 层与经典无线网络的 MAC 层有较大差异：WMN 的 MAC 层关注多跳通信（而不是单跳通信） ；MAC 层是分布

26、式的，需要协作，并为多点 -多点通信而工作； 为使邻居节点之间、多跳距离的节点之间更好地协作，需要网络自组织功能； 节点移动较少，但仍会影响 MAC 层性能。WMN 的 MAC 层协议可以被设计为工作在单信道或同时工作在多个信道上， 为此 WMN 的 MAC 层协议分为单信道 MAC 协议和多信道 MAC 协议。（ 1）单信道 MAC 协议 通常使用以下三种方法来设计 WMN 的单信道 MAC 层协议：修改已有的 MAC 协议。比如，在一个 IEEE 802.11 的网状网中，可以通过调节 CSMA/CA 的参数（如竞争窗口、回退过程等）来改进 MAC 协议。但是这种方法 只能获得较低的端到端

27、吞吐量，因为它不能显著减小邻居节点之间的竞争概率。 跨层设计。这一类方法主要有基于有向天线的 MAC 协议和具有功率控制的 MAC 协议两种。 如果天线波束是理想的， 第一类方法可以消除暴露节点， 但会产生更多 的隐藏节点。这一类方法还面临其它的困难， 如成本、系统复杂性、快速操控有向 天线的实际问题等。 第二类方法使用较低的传输功率， 减少了暴露节点 （尤其在密 集网络中），从而提高了频谱的空间重用因子。 然而隐藏节点问题可能变得更糟糕， 因为较低的传输功率水平减小了检测出潜在干扰节点的可能性。提出新的 MAC 协议。由于在多跳网络中的扩放性差， 随机访问协议 （如 CSMA.CA ） 不是

28、一种有效的解决方案， 因而重新回到基于 TDMA 或 CDMA 来设计 MAC 层协 议是很有必要的。到目前为止，几乎没有供 WMN 使用的 TDMA 或 CDMA MAC 协议，原因可能有两个。一是开发一个使用 TDMA 或 CDMA 的分布式协同 MAC 协议的复杂性和代价都很高，其次是 TDMA （或 CDMA ） MAC 协议与现有 MAC 协议的兼容性。比如， IEEE 802.16 的原始 MAC 协议是集中式的 TDMA ，尚没有 用于 IEEE 802.16 mesh 网络的分布式 TDMA MAC 协议。在 IEEE 802.11WMN 中， 如何在 CSMA/CA 之上设计

29、一个分布式的 TDMA MAC 协议是一个有意义但困难的 问题。（ 2）多信道 MAC 协议 为进一步改进网络性能和提高 WMN 的网络容量，一种较好的方案是允许节点工作在 多个信道上， 而不是只在一个固定的信道上。 取决于所使用的硬件平台， 需要开发不同的多 信道 MAC 协议。多信道单收发器 MAC 协议。如果考虑到代价和兼容性， 首选每电台一个收发器的 硬件平台。由于只有一个收发器可用，每个节点任一时刻只有一个信道是活动的， 但是不同的节点可以同时工作在不同的信道上。 为协调节点间的传输， 需要相应的 MAC 协议（如 multi-channel MAC ）。多信道多收发器 MAC 协议

30、。在这种情况下， 一个电台包括多个并行的射频前端芯 片和基带处理模块，以同时支持几个信道。在物理层上面，只需要一个 MAC 层模 块协调多个信道的活动。到目前为止，尚没有提出针对 WMN 的多信道多收发器 MAC 协议。多电台 MAC 协议。在这种情况下， 一个节点有多个电台， 每个电台有自己的 MAC 层和物理层，这些电台中的通信完全是独立的。因此，在 MAC 层上面需要一个虚 拟 MAC 协议（如 multi-radio unification protocol ，MUP ）来协调所有信道中的通信。 事实上， 每个电台还可以有多个信道， 但从设计和应用的简单性角度考虑， 每个电 台通常分配

31、一个固定的信道。（3）开放的问题：可扩放的 MAC 协议。 多跳自组织网络中的扩放性问题目前还没有完全解决。 大多 数已有的 MAC 协议只解决了部分问题，而同时又产生出新的问题。为使 MAC 协 议真正是可扩放的，必须提出新的分布式协同方案来确保网络性能（如吞吐量、QoS 参数等）不会随着网络规模的扩大而下降。很显然，多信道 MAC 协议可以比 单信道 MAC 协议获得更高的吞吐量，但为了提高频谱效率和每信道吞吐量，可扩 放的 MAC 协议需要考虑多个信道的整体性能改进， 因此开发一个可扩放的多信道 MAC 协议比单信道 MAC 协议难度更大。MAC/ 物理层跨层设计。当使用先进的物理层技术

32、（如 MIMO 和认知无线电）时， 必须提出新颖的 MAC 协议（尤其是多信道 MAC 协议）来利用物理层提供的灵活 性。MAC 层上的网络集成。 Mesh 路由器负责不同无线技术的集成， 因此 MAC 层上必 须开发先进的桥接功能，以使不同的无线电台，如 IEEE 802.11、802.16、 802.15 等，可以无缝地一起工作。可重配置无线电 /软件无线电和相关的无线电资源管理 方案可能是桥接功能的最终解决方案。路由层尽管已经为移动自组网提出了许多路由协议，但 WMN 的路由协议依然是一个活跃的 研究领域。一个最佳的 WMN 路由协议必须能够利用以下特性：多种性能测度。 许多已有的路由协

33、议使用最小跳数作为路由选择的性能测度，这在许多场合下是不可够的。可扩放性。 在一个非常大的无线网络中建立或维护路径可能需要很长的时间，因此使用一个可扩放的路由协议是非常必要的。健壮性。为避免服务中断， WMN 对于链路失效或拥塞必须是健壮的。路由协议也 需要执行负载均衡。Mesh 架构上的有效路由。考虑到 mesh 路由器极少移动且没有能量消耗的限制， mesh 路由器中的路由协议应比移动自组网中的路由协议简单得多。 有了 mesh 路由 器提供的mesh骨干，mesh客户的路由协议也可以设计得比较简单。现有的自组网路由协议已经考虑了某些特性，但没有一个利用了所有这些特性： 能够采用各种性能测

34、度的路由协议。有人利用链路质量源路由协议LQSR （ LinkQuality Source Routing ）研究了路由测度对多跳无线网络路由的影响， LQSR 根据 链路质量测度选择路由。试验了三个路由测度，分别为 expected transmission count (ETX )、per-hop round trip time 、 per-hop back-to-back packet delay ，并与最小跳数 路由进行了比较。实验发现，对于静止节点，使用 ETX 测度选择的路由最好；对 于移动节点，使用最小跳数选择的路由最好。多电台路由。 MR-LQSR (multi-radio L

35、QSR )假设每个节点的所有电台均被调谐到 互不干扰的信道上， 并且这种分配不常改变。 MR-LQSR 使用了一种新的性能测度， 称为 WCETT ( weighted cumulative expected transmission time )。 WCETT 同时考虑 了链路质量测度和最小跳数，因此在延迟和吞吐量之间取得了较好的折衷。多路径路由。 多路径路由在源节点和目的节点之间选择多条路径， 主要目的是为了 平衡负载和提高容错性。 但性能的改进取决于源节点和目的节点之间是否存在节点 分离的路径，并且这种方法的复杂性较高。层次路由。 层次路由主要基于对节点进行分簇。 当节点密度较大时， 分

36、层路由协议 由于开销小、 平均路径长度短和路由建立过程快， 容易取得好的性能， 但维护簇层 次结构的复杂性可能损害路由协议的性能。在 WMN 中，应避免使 mesh 客户成为 簇头，因为 mesh 客户资源有限，容易形成瓶颈。 地理路由。根据节点位置进行路由，对拓扑改变的适应性较好。对于 WMN 中的路由协议，以下问题仍然没有解决：扩放性。 分层路由协议由于自身的复杂性和管理难度，只是部分地解决了扩放性问题。地理路由协议依赖于 GPS 或类似的定位技术， 增加了 WMN 的代价和复杂性。 因此，需要开发新的可扩放的路由协议。更好的性能测度。 需要提出新的性能测度， 并能将多种性能测度集成到一个

37、路由协 议中以获得最佳的整体性能。路由 /MAC 跨层设计。路由协议需要与 MAC 层交互来提高自己的性能。在路由协 议中采纳 MAC 层的一些性能参数是一个很好的例子。但是 MAC 层和路由层的相 互作用非常紧密，仅仅交换参数是不够的，合并 MAC 协议和路由协议的某些功能 是一种很有希望的方法。有效的mesh路由。针对WMN中的mesh骨干，应研究更简单和有效的路由协议。传输层到目前为止，尚没有专为 WMN 设计的传输层协议。然而，针对自组网已经提出了许 多传输层协议，研究这些协议有助于设计 WMN 的传输层协议。对于实时和非实时流量， 需要不同的传输层协议。 非实时流量主要要求可靠传输，

38、 实时 流量主要要求实时传输。(1) 可靠的数据传输 可靠的传输协议进一步分为两类： TCP 变异，新的传输协议。TCP 变异通过处理以下问题来改进经典 TCP 协议的性能： 非拥塞性丢包。经典的 TCP 协议不区分数据包丢失是否由拥塞引起，因此当非拥 塞性丢包发生时， 不必要的拥塞避免造成网络吞吐量迅速下降； 当无线信道恢复正 常时，经典的 TCP 不能迅速恢复。可以使用一种反馈机制来区分不同原因引起的 丢包。 链路失效检测。由于所有节点都在运动，链路失效在移动自组网中是经常发生的。对于 WMN 而言， 由于 WMN 架构了避免单点故障的发生， 因此链路失效在 WMN中不是很严重。但由于采用

39、无线信道和mesh 客户存在移动，链路失效仍然可能发生，需要检测链路失效以增强 TCP 的性能。网络不对称。 网络不对称是指在数据包传输的两个方向上有非常不同的带宽、 丢包 率和延迟，它会影响 ACK 的传输。由于 TCP 严重依赖于 ACK ， TCP 性能会因为 网络不对称而严重下降。尽管 ACK 过滤和 ACK 拥塞控制等方法有助于解决网络 不对称的问题，它们是否适用于 WMN 还有待研究。RTT 变动范围大。考虑到节点移动、链路质量时变、流量负载波动和其它因素， 路径变化可能频繁发生并引起较大的 RTT 变动，这将降低 TCP 的性能，因为 TCP 的正常运行依赖于平稳的 RTT 测量

40、值。为进一步提高传输协议的性能，研究人员开始研究全新的传输协议。自组织传输协议 ATP（ Ad hoc Transport Protocol ）是专门针对自组网提出的，它可以区分拥塞性丢包和非拥 塞性丢包，拥塞控制和可靠性是解耦合的，性能（如延迟、吞吐量、公平性）比 TCP 变异 好得多。但对于 WMN 来说全新的传输协议不是一种好的解决方案，因为 WMN 要与因特 网及其它许多无线网络互连， WMN 的传输协议必须与 TCP 兼容。（ 2）实时交付为支持实时数据流的端到端传输，需要一种速率控制协议（rate control protocol ， RCP）与UDP 起工作。虽然已为有线网络提出

41、了许多RCP,但没有用于 WMN的RCP°ADTFRC（adaptive detection rate control ）是为移动自组网提出的一种速率控制方案，它为TCP 友好的速率控制提供端到端多测度联合检测方法。 然而， 为支持多媒体流量的实时交付， 检测方 法的准确性还不够； 另外， 没有区分由不同问题引起的非拥塞性丢包， 这可能会降低速率控 制方案的性能。（3）开放的问题 网络不对称的跨层解决方案。 TCP 性能下降的所有问题实际上都与低层协议有关。 比如， TCP 中数据和 ACK 的传输路径是由路由协议确定的，为避免数据和 ACK 传输的不对称，路由协议选择的路径应当对数

42、据和 ACK 都是最优的。另外，链路 层性能直接影响丢包率，为减小发生网络不对称的可能性，MAC 和差错控制需要区别对待数据和 ACK 包。自适应TCP。WMN 需要与因特网和其它各种无线网络（如802.11、802.15、802.16等）互连，这些网络的异构性使得同一种 TCP 不会对所有网络均有效。在不同的 网络中应用不同的 TCP是一个复杂而代价高昂的方法，因此自适应TCP是最有希望的解决方案，需要为 WMN 研究自适应传输协议。自适应速率控制。对于实时传输，需要根据 WMN 的特性开发全新的 RCP 协议， 同时需要开发与 RCP 一起工作的丢包区分方法。由于 WMN 要和因特网及其它

43、各 种无线网络集成在一起，需要自适应的速率控制协议。应用层WMN 支持的应用可以分为以下几类： 因特网访问。 在因特网访问方面， 家庭或中小商业环境最受欢迎的网络访问方案是 DSL、 cable model 和 IEEE 802.11 接入点。与这些方法相比， WMN 代价低、速度 高、易于安装。分布式信息存储和共享。这是指用户在 WMN 内部进行的信息存储和共享，如用户将大容量数据存储到其他用户的磁盘中，基于 P2P 机制从其他用户的磁盘下载 文件， 查询和获取保存在分布式数据库服务器中的信息，与其他用户聊天、 视频会话、玩游戏等。跨越多个无线网络的信息交换。 比如， 一个蜂窝电话用户想和一

44、个 Wi-Fi 电话用户 通话，或者 Wi-Fi 网络上的用户想监视传感器网络中不同节点的状态。应用层上主要有三个研究方向： 改进已有的应用层协议。在无线网络中，低层协议无法向应用层提供完美的支持， 比如有丢包、包的延迟抖动可能很大。由于 WMN 的自组织特性和多跳通信，这 些问题可能变得更为严。这些问题可能使得许多因特网应用无法使用。 为分布式信息共享提出新的应用层协议。目前有许多 P2P 协议可用于因特网上的 信息共享，然而这些协议在 WMN 上不能获得满意的性能，因为 WMN 有许多与 因特网不同的特性。为 WMN 开发新的应用。 这类应用必须能给用户带来巨大的好处， 并且只能在 WMN

45、 上取得最佳的性能。这类应用将使得 WMN 成为唯一的网络解决方案，而不是又 一种无线网络的选择。4.3 网络管理WMN 中需要许多管理功能，重要的如：（1）移动管理移动管理涉及mesh客户在不同mesh路由器之间的切换、连接的迁移等。Mesh骨干的存在使得 WMN的移动管理比一般的移动自组网要简单一些，但是如何充分利用 mesh骨干来设计一个轻量级的分布式移动管理方案还需要进一步研究。移动管理与协议栈的多个层次都有关系，因此研究多层移动管理方法是又一个研究课题。位置服务是 WMN 想要的一个特性， 因为利用位置信息可以提高 MAC 协议和路由协议 的性能， 也能够开发出很有前景的基于位置的应

46、用。 但有效的位置服务算法至今还是一个开 放的研究课题。（2）功率管理WMN 的功率管理目标与网络节点的类型有关。通常 mesh 路由器对于功率消耗没有限 制，功率管理的目的在于控制连通性、干扰、频谱的空间重用和网络拓扑，而mesh客户则希望协议是功率有效的。 因此， WMN 很可能要求能够同时优化功率有效性和连通性的功率 管理方案，这是一个复杂的问题。（3）网络监视网络监视的任务是收集 mesh节点的性能统计数据，报告给一个或多个服务器，达到连 续监视网络性能的目的。 为减少开销，需要有效的传输网络监视数据的方法；另外，需要能 够准确检测网络异常和迅速获得多跳 mesh网络拓扑的数据处理算法

47、。4.4 安全和移动自组网一样， 由于网络架构的分布式、 在共享无线媒体中信道和节点的脆弱性以 及动态变化的网络拓扑， WMN 很容易遭受来自各个协议层上的攻击， 而至今尚无有效和可 扩放的安全解决方案。无线局域网通过在访问点 (AP)或网关上执行鉴别 (authentication )、授权(authorization ) 和记帐( accounting) ( AAA )来进行安全和密钥管理。但是 WMN 没有集中式的认证中心、 可信第三方或服务器来管理密钥， 为此需要研究分布式的鉴别、 授权和安全的密钥管理方法。为进一步确保 WMN 的安全，还需要考虑以下两种安全策略：将安全机制内置于各层

48、 协议中， 还是开发一个安全监视和响应系统来检测攻击、 监视服务中断和快速响应攻击。 如 果将安全机制内置于各个协议中， 需要一个多协议层安全机制， 因为攻击可能同时发生在不 同层上。 如果是开发一个安全监视系统， 则需要一个跨层框架。 如何设计和实现一个实用的 安全系统，包括跨层安全网络协议和各种入侵检测算法， 是一个非常具有挑战性的研究课题。4.5 跨层设计分层协议设计方法不一定产生出最优的解决方案，尤其在 WMN 中。WMN 的物理信道在容量、误码率等方面是时变的。尽管不同的编码、调制技术和差错 控制方法可以用来改进物理信道的性能， 但不能保证容量固定、 零丢包率或有靠连接等。 为 提供

49、满意的网络性能， MAC 、路由和传输层协议需要与物理层一起互动地工作。在 WMN 中，节点移动和链路失效导致网络拓扑不断地变化，这种动态拓扑结构将会 影响多个协议层次。为提高协议的有效性，跨层设计是非常必要的。跨层设计可以有两种方式。第一种方式是通过获取其它层上的参数来改进某一层的性 能，典型地是将较低层上的参数报告给较高层。比如， MAC 层上的丢包率可以报告给传输 层，使得 TCP 可以分清楚是拥塞还是丢包；物理层可以将链路质量报告给路由协议，作为 路由算法的一个性能测度。 第二种方法是将多个协议合并成一个， 比如在移动自组网中可以 将 MAC 协议和路由协议合并成一个，以反映出它们之间

50、的紧耦合性。 第一种方法保留了协 议层之间的透明性，而第二种方法通过更紧密的交互可以取得更好的性能。跨层设计是有风险的， 以下一些问题需要考虑： 失去了协议层抽象， 与现有协议不兼容， 对未来网络设计不可预见的影响，维护和管理困难。4.6 结论尽管使用现有技术可以建立 WMN ，但对现有 WMN 的现场测试和实验表明， WMN 的 性能远低于预期。有许多问题有待解决，其中最重要和最迫切的是扩放性和安全放。基于现有的 MAC 、路由和传输协议， WMN 的性能对于节点数量和跳数而言没有扩放 性。这个问题可以通过提高网络容量 (每个节点使用多个信道或无线电台， 或研发更高速率 的无线电台)来缓解，

51、但这个方法并不能真正提高 WMN 的扩放性，因为资源利用率没有 真正改进。因此，为了获得可扩放性，需要为 WMN 研究新的 MAC 、路由及传输协议。WMN 容易遭受各个层上的安全攻击。 目前的安全方法可能对特定层上的特定攻击有作 用，我们需要能够预防或对付所有层上攻击的综合机制。 另外，自组织和自配置能力是 WMN 希望的特性，它要求 WMN 中的协议是分布式和协同的，然而目前的 WMN 只能部分实现 这个目标。 而且，由于在同一个 mesh 路由器中建立多个无线接口和相应网关 /桥接功能的困 难， WMN 集成异构无线网络的能力还非常有限。尽管有这些研究问题，我们相信 WMN 将会是下一代

52、无线网络中最有前景的技术之一。5 WMN 中的路由测度 4无线 mesh 网络由电源供应充足的静止无线节点组成。每个无线节点可以配备多个射频 电台， 称为多射频 /多信道节点， 每个射频电台可以工作在一个不同的信道以提高网络容量。 所有无线节点协同地将网络流量通过一个或多个因特网传输接入点TAP（ Transit AccessPoint ）（网关）路由到因特网中，节点也可以直接通过mesh 网络（不经过 TAP ）相互通信。Mesh 节点之间及 mesh 节点与网关之间的通信需要路由协议支持，路由测度用来在所 有可能的路由中确定一条最佳的。 路由测度的设计要根据目标网络的特性决定， 比如， 能

53、量 严重受限的传感器网络要求能量有效的路由设计， 移动自组网由于节点移动要求能有效维护 连接的路由协议。无线 mesh 网络中静止节点和共享无线媒体的结合对于路由测度的设计提 出了特殊的要求。Mesh 网络路由测度的设计要考虑以下两方面的因素：所使用的路由协议和 mesh 网络 的特性。由于不同的路由协议产生的代价 （消息开销和管理复杂性）不同， 理解哪一类路由 协议适合于mesh网络是很重要的，这样可使路由测度的设计与路由协议相符合。其次，mesh网络的特性（节点静止，媒体共享）也对路由测度的设计提出挑战。比如，由于无线媒体的 共享特性， 无线链路的带宽不是专用的， 邻居节点的传输会竞争同一

54、个带宽， 因此路由测度 要能反映出竞争流之间的干扰。 更复杂的是， 由于当前的无线网卡可以被配置到不同的信道 上，这样配置到不同信道上的无线链路可能不会相互干扰， 哪怕它们在物理位置上离得很近。 有效的路由测度必须考虑链路的信道分配，反映出干扰对路径性能的影响。5.1适合mesh网络的路由协议4 分析了不同类型的路由协议在mesh网络中的性能。4根据路由计算的时间将路由协议分为按需路由和积极（proactive ）路由两类，根据数据包如何在网络中路由又将积极路由 划分为源路由和逐跳路由两类。按需路由最早是为移动自组网设计的。 当一对节点之间真正需要通信时， 在两个节点之 间建立一条路由， 路由

55、发现通常采用洪泛的方法。 由于移动自组网中的链路经常中断 （节点 移动），基于洪泛的路由发现可以获得较好的连通性和较低的消息开销。然而，mesh网络中节点是静止的， 链路通常有长得多的预期寿命， 链路中断的概率比流到达的概率低得多， 因 此基于洪泛的路由发现是冗余的， 而且控制消息的开销很大。 因此， 按需路由一般来说不适 合mesh网络。在积极路由协议中， 每个节点维护到所有其它节点的路由表， 所有节点更新这些表来保 持整个网络一致和最新的路由信息。 在源路由协议中， 源节点为一个数据流计算路由， 并将 整条路径放在包头中， 中间节点只需按照包头中的路径转发数据包。然而， 为适应无线信道的高

56、误码率， mesh 网络中的包长通常很小，将整条路径放在包头中的消息开销很大。在逐跳路由中， 每个节点只维护到所有其它节点的下一跳路由，数据包中只携带目的地址，中间节点只根据目的地址转发数据包。 这种简单的转发方案和低的消息开销使得逐跳路 由在有线网络中占据了主导地位，相同的原因也使得逐跳路由是最适合mesh网络的。但是除了这些好处外，逐跳路由要求仔细设计路由测度以避免出现路由环路。5.2 对路由测度的要求为获得良好的性能， 路由测度必须满足四个条件。 首先， 路由测度不能引起频繁的路由改变，以确保网络的稳定性。其次，路由测度必须反映mesh网络的特性，以确保最小加权路径性能良好。第三，路由测

57、度必须保证最小加权路径可以被多项式复杂度的算法找到。最后，路由测度必须保证路由协议不会形成转发环路。（1）路由稳定性不稳定的路径权重对于网络性能是非常有害的，频繁的权重变化会产生大量的路由更新消息，而在频繁的路由更新下路由协议可能无法收敛。路径权重的稳定性与路由测度所反映的路径特性有关，分为负载敏感型和拓扑依赖型。负载敏感测度根据路由上的负载为路由分配权重，如Number of Congested Nodes，路由权重可能随着流的到来和离开而频繁变化。拓扑依赖测度根据路径的拓扑特性为路径指定一个权重，如路径跳数和链路容量， 对于拓扑不常变化的静止网络而言，拓扑依赖测度更稳定。负载敏感测度和拓扑依赖测度适用于不同的 路由协议。一般而言，负载敏感测度只适用于按需路由，在流量变化较大的网络中与积极路由一起使用会导致网络不稳定；拓扑依赖测度则可用于按需路由和积极路由。Mesh网络较适合采用拓扑依赖测度。（2）最小权重路径的性能所有的路由协议都是要寻找最小权重 （代价）路由。为保证有效利用 mesh网络的资源， 所选择的最小权重路由必须有良好的性能，即高吞吐量和低延迟。 为达到这个目的，路由测度必须反映影响 mesh网络路径性