无线网状网组网技术及实验研究

文章从网络配置、功率控制、移动性管理和接入控制以及路由协议设计等方面说明了WMN组网中的相关问题和技术，对WMN与移动自组织(Adhoc)网路由协议的设计进行了对比，并给出了一种基于WLAN和第二层交换技术的WMN试验床实现方案。

一、无线网状网的介绍

无线Mesh网(WMN)又称为无线网状网、无线网格网，大约出现在20世纪90年代中期。随着移动通信技术的发展，除无线通信网络的语音业务需求外，高速因特网接入需求也日渐增加。传统的无线接入方式面临着接入带宽不足、服务质量得不到满足等问题，而且无线频谱资源及拓扑结构缺乏统一规划，难以适应灵活多变的使用状况。WMN提供了一条解决无线接入网所面临问题的新途径。

通信网络的拓扑结构通常抽象成一个图G(V,E )，其中，V 代表通信节点的集合，E 代表着通信链路的集合。无线Mesh网的最初定义，就是指无线通信网络的网络拓扑可以抽象成一个连通图，对图中的任意两个顶点vi,vj∈V,vi和vj 之间是连通的，即存在一条或多条从vi到vj的路径，定义为顶点集合(vi =vp,0,vp,1……vp,m=vj)，其中(vp,n-1,vp,n)∈E,1≤n≤m。

传统无线接入网的拓扑结构如图1所示，主要是点到点(P2P)或点到多点(P2MP)，如蜂窝网属于P2MP的拓扑结构，无线局域网 (WLAN)则存在有中心和自组织两种结构，分别属于P2MP和P2P类型。而WMN的拓扑结构是网状的，也被称为多点到多点(MP2MP)。这种网络结构，使WMN能更好地解决传统无线接入网络中的一些问题。 

蜂窝网覆盖范围比较大，主要提供语音业务，但构建和维护的成本较高，而且在多媒体传输业务的通信热点地区，其提供的通信速率相对较低。WLAN能提供较高的通信速率，适于多媒体数据接入业务。在有中心的P2MP结构中，由于接入点(AP)的覆盖范围有限，为了在更大区域内提供无线接入，需要布置多个AP，使得成本较高;而对于自组织的P2P结构，由于网络连通性依赖于有较强移动性的各节点，导致网络的可靠性降低，并且对作为网关节点的性能要求较高，计费和管理方式也不明确。

WMN主要由两类网络节点组成：Mesh路由器和Mesh客户端。采用WMN作为接入网络时，Mesh客户端通过相邻的其他节点，以无线多跳的方式接入到因特网。这种MP2MP的结构，使得WMN具有以下优点：

自配置：节点之间通过开放的无线链路，形成单跳或多跳连接，自动完成组网;

自调节：节点之间拥有多条通信路径，业务可以灵活的选择合适的(例如最短路径、最少干扰，速率最快等)路径进行传输;

自愈：当某一节点出现故障受损或一条链路出现拥塞，网络中的业务可以选择绕开相应的节点或链路，网络的可靠性增强;

可扩展性：可以方便的添加或删除网络节点，调整网络覆盖范围，降低系统的建设和管理成本。

因此，WMN适合作为因特网“最后一公里”无线接入方案，在IEEE 802.11s，802.15以及802.16等标准中已有体现，它将成为下一代Wi-Fi和WiMAX的重要组成部分。

除此之外，当前存在着多种无线接入网络，采用各种不同的无线传输技术以及标准，提供各自适宜的应用。例如蜂窝网适于语音通信业务，Wi-Fi适于局部区域的宽带多媒体数据接入业务，无线传感器网络适于环境检测中的数据采集业务等等。未来的无线网络将是各种网络并存、各种异构网络融合，为用户提供随时随地的接入的泛在网络。这是无线网络的发展方向，也可能成为WMN一个新的应用方向。

融合多种无线网络的WMN的网络结构如图2所示，网络中的核心设备为Mesh路由器，构成了拓扑结构动态可变的核心网。Mesh路由器配置了多种无线传输标准的接口设备，实现各种无线网络的互联，包括蜂窝网、WiMAX网络、WLAN、移动自组织(Ad hoc)网络以及无线传感器网络。采用各种无线传输技术的用户终端，无论何时何地都可以通过某种无线接入网与核心网相连。WMN的配置和维护成本比传统的有线方式更有优势，可作为未来泛在异构网络的一种实现方式。 

二、 WMN的组网技术

无线网络的带宽有限，复杂的时变信道特性以及开放的通信环境，导致节点的信号互相干扰，要提供保证服务质量的服务，必须采用有效的网络管理和组网技术，提高链路容量和网络传输效率。WMN的组网技术包含了几个主要的方面：网络配置和部署，功率控制，移动性管理和接入控制，以及路由协议设计等。

2.1 网络配置和部署

为了使WMN具备良好的可扩展性、容错性、自调节能力，大的覆盖范围和网络容量，需要对网络配置和部署进行研究。

首先，需要对移动性较弱，组成骨干网的Mesh路由器的部署位置进行规划，一方面在保证不出现无线信号覆盖盲区的前提下，需要的Mesh路由器需要量尽可能地低以降低成本;另一方面，在热点区域，提供多条路径以增加用户接入数。可以结合多入多出(MIMO)和方向性天线技术等来进一步提高网络传输能力。

Mesh路由器能提供各种异构网络的接入服务，因此，如何分配Mesh路由器的多个无线接口以保证各个网络之间的连通性，是WMN应该解决的问题。此外，在WMN中，采用多信道的方法可以用来增加网络的吞吐量，但在无线多跳的环境下，多信道的通信方式也面临更多的亟待解决的问题：有文献中提到多信道WMN在信道间分布式业务分配，信道协调使用及广播支持等方面存在着问题，并对多信道有关协议进行了设计和实现。

2.2 功率控制

在WMN中，对Mesh路由器虽然没有能量限制，但也需要功率控制，目的是保证WMN的连通性，控制网络干扰，提高频率复用率。适当的传输功率可以减小无线信道信号间干扰，提高频谱复用效率。

与Mesh路由器不同，Mesh客户端一般是移动节点，节点的能量有限。因此，设计网络协议需要考虑功率的有效性。比如，一些Mesh客户端可能是IP电话或者是一个传感器，因此，功率效率是要考虑的一个因素。对于一些WMN应用，实现功率控制将优化网络的连接性，提高网络性能。

2.3 移动性管理和接入控制

WMN移动性管理包含两方面的含义：位置管理和移动切换管理。位置管理主要用于解决位置注册，而移动切换管理包括切换初始化，建立新连接??无缝连接服务。在蜂窝网中，移动性管理由基站，移动交换中心和位置数据库进行集中式管理;而在Ad hoc网络中，移动性管理与路由协议紧密结合，可看作是一种分布式的方案。WMN因同时具有多跳和移动性低的特点，其移动性管理需要充分结合上述两种网络的移动性管理技术。

接入控制是指保证用户使用各种无线传输技术，均可以有效接入WMN;尤其是在局部热点地区，当节点数量较多、负载较重的情况下，如何控制新节点的接入来保证已接入节点的服务质量。

2.4 路由协议设计

WMN采用多跳中继实现网络接入，这使得路由协议设计可以参考Ad hoc网络的路由协议设计方法。但与之相比，两者还存在差别。一方面，Ad hoc网络由AP、Mesh路由器、网关等构成的，节点的移动性相对较弱;另一方面，WMN中的大部分数据业务都是用户节点发送给网关节点，而Ad hoc网络主要提供节点到节点之间的业务传输模式，此外，在功耗限制方面要求相对较弱。

此外，研究WMN的路由协议，也可以参考在因特网中所采用的路由技术，例如自治域内和域外使用不同的路由协议。

三、 WMN的路由协议设计

WMN是一种动态拓扑结构的多跳网络，与Ad hoc网络具有相似性，因此，多数WMN采用的路由协议源于Ad hoc网络。Ad hoc网络的路由协议可分为地理位置辅助路由和非地理位置辅助路由，前者需要GPS定位系统的支持，后者又可分为平面路由协议和分层路由协议。平面路由协议分为按需路由如按需距离矢量协议(AODV)，动态的源路由协议(DSR)，逐段路由协议(SSR)，和主动路由，如目的站编号的距离矢量 (DSDV)，无线路由协议(WRP)，基于反向路径转发的拓扑广播(TBRPF)等，而分层路由协议有簇首网关交换协议(CGSR)和区域路由协议 (ZRP)等。目前实现的WMN中，采用的有基于TBRPF的路由协议、基于DSR的路由协议、基于DSDV的路由协议，和基于AODV的路由协议。

但是，WMN与Ad hoc网络有一些根本的区别，如表1所示，在WMN中直接应用Ad hoc网络的路由协议无法使WMN的性能达到最优。 

设计WMN路由协议，需要考虑的有以下几个因素：

(1)选择路由的依据

需要综合考虑多个参数，包括：

跳数：源节点到目的节点之间的路径所经过的无线链路数。

期望传输次数(ETX)：由于媒体访问冲突而导致的重传次数，为无线通信中比较常用的一个参数。

期望传输时间(ETT)：比ETX更常用，它同时考虑了信道自身的带宽特点。

往返传输时间(RTT)：分组在源节点和目的节点往返传输所需时间。

能量消耗：选择某条传输路由致使各节点能量损耗的总和。

路由稳定性：考察一个路由的稳定程度如何，可持续的时间。

(2)网络支持的规模

WMN的网络规模一般很大，路由协议需要能够支持更多的节点，如果直接使用传统的Ad hoc网络路由协议，路由搜索过程可能需要的时间太长，代价也很大。

(3)容错性

在Mesh客户端移动、无线链路拥塞或Mesh 路由器故障等情况下，路由可以重新选择。

(4)链路干扰

邻近节点发送的无线信号互相干扰，路由选择时应尽量选择干扰小的链路，以增加系统容量。

(5)跨层协议设计

结合物理层的方向性天线、多输入多输出(MIMO)和链路层的一些技术，各层协议相互协同、综合设计。

无线Mesh网可以支持无线接入和无线网络互联两种应用，由于应用场景不同，考虑的重点也有所不同。

无线接入应用的路由协议需要充分适应Mesh客户端和Mesh路由器，其中，既包含了移动性很强、功耗受限的用户节点，也包含了移动性较弱，功耗不受限的接入节点和网关节点。目前，在设计绝大多数WMN路由协议时，都将Mesh客户端和Mesh路由器两类节点平等对待，没有考虑二者的差异，区分两类节点来研究路由协议，有可能成为一个值得关注的课题。而在网络融合应用中，由用户节点组成的无线网络可被看作是一个自治域，可以直接采用因特网的路由思想，这就只需解决由Mesh路由器构成的无线核心网的路由问题。文献[11]中对当前常见的4种Ad hoc网络路由协议(分别是DSR和AODV两种按需路由，以及OLSR和DSDV两种主动路由)用于Mesh核心网的性能进行评测。比较了路由开销、分组传输成功率和端到端的时延等。结果表明，由于WMN路由开销比较小，大体上，按需路由协议比主动路由协议的性能更好，然而，由于WMN节点移动性减弱，需要增加按需路由协议的路由过期时间和路由缓存时间，以避免交换过多的路由消息而增加开销。

在无线接入应用中，大部分是用户节点到网关节点的业务，属于点到点业务，网络业务具有突发性。而在网络融合应用中，Mesh路由器之间的业务是来自一个网络，业务流具有聚合性，这与因特网业务有相似性，例如业务的范围和平均的分组大小遵循24-hour模型，IP业务中大部分是TCP业务，而 TCP业务中绝大部分是网页浏览业务和文件传输业务。针对不同的业务类型特点，在区分业务类型保证服务质量的路由协议设计时需要区别对待。

在网络融合的应用中，Mesh路由器配备有两个以上的无线收发设备，路由协议的设计需要考虑多无线收发器、多信道等特点;而在无线接入应用中，一般则不考虑。

鉴于上述问题，针对WMN网络结构的特点以及应用的特点，基于无线自组织网络技术的基础，研究WMN路由技术，才可能改善WMN网络性能。

四、 无线网状网的实验研究

开展对WMN组网技术的研究，主要有两种方法。一种是采用仿真方法开展研究工作，例如，基于NS-2和OPNET的仿真软件，建立WMN网络协议模型和业务传输模型，进行协议的设计和性能分析。与此同时，基于WMN网络结构抽象出更小的网络结构模型、业务模型及关键技术，实现一个实用的实验网络，即WMN试验床，对一个WMN进行测试、性能分析，这也是目前许多国外研究机构正在进行的研究工作。

例如，微软研究院建立了基于802.11的无线Mesh网实验平台，麻省理工学院(MIT)建立了Roofnet实验网络平台，目的是使WMN 提供因特网的接入服务。其中，微软研究院构建的Mesh网络平台，在节点中的网络层和MAC层之间增加一个Mesh连接层，DSR经过修改成为无线 Mesh网的路由协议。MIT构建Roofnet网络，由20个左右的节点组成，每个节点配置一块802.11b的无线网卡和一个全向天线，工作在同一信道上，基于Linux操作系统，路由协议采用类似于DSR路由协议的Srcc协议，Mesh客户端通过DHCP动态获得IP地址，经网关节点接入因特网。目前，IEEE 802.11无线传输技术很成熟，其产品价格低廉并得到广泛应用，基于IEEE 802.11技术构建WMN实验平台，研究WMN组网技术是一种可行的并被广为采用的方案。

为研究WMN组网技术、节点实现方案，拟构建一个WMN测试平台。该平台提供目前有线、无线的接入服务，如基于IEEE 802.11的WLAN接入，包括有中心方式通过AP接入以及Ad hoc接入，基于IEEE 802.3的有线接入等，如图3所示。 

在WMN中，当Mesh客户节点数量较多时，可以构成一个因特网的子网，通过Mesh 路由器接入Mesh骨干网，而在某些区域，当Mesh客户节点数量较少时，可以将接入网络视为一个网段，通过Mesh网桥接入Mesh骨干网。Mesh网桥的功能类似于以太网的集线器或者交换机。Mesh网桥应该价格低廉，并且能够在不同的无线网段之间有效地转发数据帧。为此，我们定义了Mesh网桥功能并设计了该设备的实现方案。

Mesh网桥能够实现不同接入节点的接入服务，包括WLAN接入，Ad hoc接入以及有线接入等多种接入服务，并且能够实现不同接入方式之间的协议转换。实现一个Mesh网桥的方案是：基于Intel x86笔记本电脑运行2.6.18版本的Redhat Fedora Core 6操作系统作为软硬件平台，笔记本电脑自带的RJ45接口提供有线网络连接接口，通过PCMCIA总线扩展一块无线网卡提供无线接入。无线网卡的型号为 DWL650，基于Intersil's Prism2/2.5/3芯片组，采用Host AP作为驱动程序，支持Host AP模式，能够提供类似于AP的IEEE 802.11接入功能。

在此基础上，构建一个WMN的最小验证系统，如图4所示。Mesh网桥的协议转换功能采用基于Libpcap和Libnet技术来实现，其中，Libpcap技术实现数据帧的捕获功能，而Libnet技术实现数据帧的发送功能。通过捕获在传输链路上的数据帧，采用第二层(链路层)转发技术，完成不同网段之间的数据转发以及协议帧格式的转换。由于系统采用了第二层转发技术，而非Mesh路由器的第三层IP转发技术，从而能够加快不同网段之间数据转发的速度，节省数据转发时间。

该系统主要由两部分组成：2个Mesh网桥和3个Mesh客户端。其中，为Mesh网桥配置了两种通信传输接口，一种用于提供Mesh 客户端接入服务，包括以太网接入或WLAN接入。另一端与Mesh骨干网连接，采用Ad hoc网络的AODV路由协议，作为Mesh骨干网中的一个交换节点。Mesh客户端分为两类，一类是采用WLAN接入，另一类采用以太网接入。由于 IEEE 802.11b支持11个信道，并且存在3个不相重叠的信道，因此，Mesh网桥的无线接入信道分别采用信道1和信道6，Mesh网桥之间的Ad hoc连接采用信道11，使各无线信道之间互不干扰。

在此系统中，可以实现任意两个客户端之间数据通信，并基于此系统，可以进一步对第二层路由交换算法进行研究。有文献提出一种基于MAC地址的第二层交换路由算法(MARP)，通过扩展地址解析协议(ARP)协议来完成路由请求和应答过程。本实验系统的下一工作目标是，设计并实现一种有效的第二层交换算法，实验验证算法的性能。

五、 结束语

本文介绍了WMN结构及其组成，分析了WMN中的无线路由协议及网络管理技术，指出了WMN的路由协议和网络管理中的关键技术及其主要问题。在此基础上，搭建了一个WMN实验平台，并对平台的性能进行测试。实验表明，WMN是一种可实现的用于无线接入的网络结构，是一种有着广阔应用前景的组网技术。