无线网状网组网技术及实验研究

摘要：面对日益增长的高速无线因特网接入需求，传统的无线接入方式，如蜂窝网、无线局域网(WLAN)面临许多挑战，而无线网状网(WMN)作为因特网“最后一公里”接入方案，提供一种灵活而低成本的多跳通信，也将成为各种无线网络融合的主要技术。针对这一极具发展前途的网络结构，从WMN的两种典型应用出发，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(Ad hoc)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。

关键词：无线网状网；路由；网络管理；试验床

Abstract:With the increasing popularity and rising demand for high-rate wireless Internet access, traditional wireless access networks such as the cellular network and Wireless Local Area Network (WLAN) are facing some challenges. The Wireless Mesh Network (WMN) is emerging as a flexible and low-cost alternative to provide multi-hop communications, supporting applications such as last-mile Internet delivery. WMN has also become a promising technique in the merging of wireless networks. Some key technologies about the network management in WMN, including network configuration, power control, mobility management, access control and routing protocol are analyzed; the routing protocol design in WMN and mobile Ad hoc network are compared. An example of WMN testbed based on WLAN and second-layer switching technology is given.

Key words:wireless Mesh network; routing; network management; testbed

1 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[1]，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[2-5]。

2 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：文献[6]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，以及在切换过程中的数据流控制，以提供用户的无缝连接服务。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。

3 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[7]、基于DSR[8]的路由协议、基于DSDV的路由协议[9]，和基于AODV[10]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[2]。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[12]，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。###NextPage###

4 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[8]，麻省理工学院(MIT)建立了Roofnet实验网络平台[9]，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。文献[13]的实验平台，Mesh路由器配置了两块网卡，一块用于提供无线接入服务，采用的是hostap技术；另一块用于组成骨干网，采用的是表驱动路由协议。文献[14]中的无线Mesh网平台，其骨干网的路由协议采用基于IPv6的DSDV路由协议，通过IPv6的自动配置功能完成客户端的接入。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。文献[15]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。

5 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。

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作者简介：

刘志敏，北京大学信息科学技术学院副教授、硕士研究生导师。硕士毕业于北京大学无线电电子学系。主要研究方向通信网络，宽带无线通信，自组织网络。已发表论文十余篇。 杨毅，北京大学信息科学技术学院在读硕士研究生。主要研究方向为宽带无线通信及自组织网络。 徐颖清，北京大学信息科学技术学院在读硕士研究生。主要研究方向为宽带无线通信及自组织网络。