無線網狀網組網技術及實驗研究

摘要：面對日益增長的高速無線因特網接入需求，傳統的無線接入方式，如蜂窩網、無線局域網(WLAN)面臨許多挑戰，而無線網狀網(WMN)作為因特網“最后一公里”接入方案，提供一種靈活而低成本的多跳通信，也將成為各種無線網絡融合的主要技術。針對這一極具發展前途的網絡結構，從WMN的兩種典型應用出發，文章從網絡配置、功率控制、移動性管理和接入控制以及路由協議設計等方面說明了WMN組網中的相關問題和技術，對WMN與移動自組織(Ad hoc)網路由協議的設計進行了對比，并給出了一種基于WLAN和第二層交換技術的WMN試驗床實現方案。

關鍵詞：無線網狀網；路由；網絡管理；試驗床

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 無線網狀網的介紹

無線Mesh網(WMN)又稱為無線網狀網、無線網格網，大約出現在20世紀90年代中期。隨著移動通信技術的發展，除無線通信網絡的語音業務需求外，高速因特網接入需求也日漸增加。傳統的無線接入方式面臨著接入帶寬不足、服務質量得不到滿足等問題，而且無線頻譜資源及拓撲結構缺乏統一規劃，難以適應靈活多變的使用狀況。WMN提供了一條解決無線接入網所面臨問題的新途徑。

通信網絡的拓撲結構通常抽象成一個圖G(V，E )，其中，V 代表通信節點的集合，E 代表著通信鏈路的集合。無線Mesh網的最初定義[1]，就是指無線通信網絡的網絡拓撲可以抽象成一個連通圖，對圖中的任意兩個頂點vi，vj∈V，vi和vj之間是連通的，即存在一條或多條從vi到vj的路徑，定義為頂點集合(vi =vp，0，vp，1……vp，m=vj)，其中(vp，n-1，vp，n)∈E，1≤n≤m。

傳統無線接入網的拓撲結構如圖1所示，主要是點到點(P2P)或點到多點(P2MP)，如蜂窩網屬于P2MP的拓撲結構，無線局域網(WLAN)則存在有中心和自組織兩種結構，分別屬于P2MP和P2P類型。而WMN的拓撲結構是網狀的，也被稱為多點到多點(MP2MP)。這種網絡結構，使WMN能更好地解決傳統無線接入網絡中的一些問題。

蜂窩網覆蓋范圍比較大，主要提供語音業務，但構建和維護的成本較高，而且在多媒體傳輸業務的通信熱點地區，其提供的通信速率相對較低。WLAN能提供較高的通信速率，適于多媒體數據接入業務。在有中心的P2MP結構中，由于接入點(AP)的覆蓋范圍有限，為了在更大區域內提供無線接入，需要布置多個AP，使得成本較高；而對于自組織的P2P結構，由于網絡連通性依賴于有較強移動性的各節點，導致網絡的可靠性降低，并且對作為網關節點的性能要求較高，計費和管理方式也不明確。

WMN主要由兩類網絡節點組成：Mesh路由器和Mesh客戶端。采用WMN作為接入網絡時，Mesh客戶端通過相鄰的其他節點，以無線多跳的方式接入到因特網。這種MP2MP的結構，使得WMN具有以下優點：

自配置：節點之間通過開放的無線鏈路，形成單跳或多跳連接，自動完成組網；

自調節：節點之間擁有多條通信路徑，業務可以靈活的選擇合適的(例如最短路徑、最少干擾，速率最快等)路徑進行傳輸；

自愈：當某一節點出現故障受損或一條鏈路出現擁塞，網絡中的業務可以選擇繞開相應的節點或鏈路，網絡的可靠性增強；

可擴展性：可以方便的添加或刪除網絡節點，調整網絡覆蓋范圍，降低系統的建設和管理成本。

因此，WMN適合作為因特網“最后一公里”無線接入方案，在IEEE 802.11s，802.15以及802.16等標準中已有體現，它將成為下一代Wi-Fi和WiMAX的重要組成部分。

除此之外，當前存在著多種無線接入網絡，采用各種不同的無線傳輸技術以及標準，提供各自適宜的應用。例如蜂窩網適于語音通信業務，Wi-Fi適于局部區域的寬帶多媒體數據接入業務，無線傳感器網絡適于環境檢測中的數據采集業務等等。未來的無線網絡將是各種網絡并存、各種異構網絡融合，為用戶提供隨時隨地的接入的泛在網絡。這是無線網絡的發展方向，也可能成為WMN一個新的應用方向。

融合多種無線網絡的WMN的網絡結構如圖2所示，網絡中的核心設備為Mesh路由器，構成了拓撲結構動態可變的核心網。Mesh路由器配置了多種無線傳輸標準的接口設備，實現各種無線網絡的互聯，包括蜂窩網、WiMAX網絡、WLAN、移動自組織(Ad hoc)網絡以及無線傳感器網絡。采用各種無線傳輸技術的用戶終端，無論何時何地都可以通過某種無線接入網與核心網相連。WMN的配置和維護成本比傳統的有線方式更有優勢，可作為未來泛在異構網絡的一種實現方式[2-5]。

2 WMN的組網技術

無線網絡的帶寬有限，復雜的時變信道特性以及開放的通信環境，導致節點的信號互相干擾，要提供保證服務質量的服務，必須采用有效的網絡管理和組網技術，提高鏈路容量和網絡傳輸效率。WMN的組網技術包含了幾個主要的方面：網絡配置和部署，功率控制，移動性管理和接入控制，以及路由協議設計等。

2.1 網絡配置和部署

為了使WMN具備良好的可擴展性、容錯性、自調節能力，大的覆蓋范圍和網絡容量，需要對網絡配置和部署進行研究。

首先，需要對移動性較弱，組成骨干網的Mesh 路由器的部署位置進行規劃，一方面在保證不出現無線信號覆蓋盲區的前提下，需要的Mesh路由器需要量盡可能地低以降低成本；另一方面，在熱點區域，提供多條路徑以增加用戶接入數。可以結合多入多出(MIMO)和方向性天線技術等來進一步提高網絡傳輸能力。

Mesh路由器能提供各種異構網絡的接入服務，因此，如何分配Mesh路由器的多個無線接口以保證各個網絡之間的連通性，是WMN應該解決的問題。此外，在WMN中，采用多信道的方法可以用來增加網絡的吞吐量，但在無線多跳的環境下，多信道的通信方式也面臨更多的亟待解決的問題：文獻[6]中提到多信道WMN在信道間分布式業務分配，信道協調使用及廣播支持等方面存在著問題，并對多信道有關協議進行了設計和實現。

2.2 功率控制

在WMN中，對Mesh路由器雖然沒有能量限制，但也需要功率控制，目的是保證WMN的連通性，控制網絡干擾，提高頻率復用率。適當的傳輸功率可以減小無線信道信號間干擾，提高頻譜復用效率。

與Mesh路由器不同，Mesh客戶端一般是移動節點，節點的能量有限。因此，設計網絡協議需要考慮功率的有效性。比如，一些Mesh客戶端可能是IP電話或者是一個傳感器，因此，功率效率是要考慮的一個因素。對于一些WMN應用，實現功率控制將優化網絡的連接性，提高網絡性能。

2.3 移動性管理和接入控制

WMN移動性管理包含兩方面的含義：位置管理和移動切換管理。位置管理主要用于解決位置注冊，而移動切換管理包括切換初始化，建立新連接，以及在切換過程中的數據流控制，以提供用戶的無縫連接服務。在蜂窩網中，移動性管理由基站，移動交換中心和位置數據庫進行集中式管理；而在Ad hoc網絡中，移動性管理與路由協議緊密結合，可看作是一種分布式的方案。WMN因同時具有多跳和移動性低的特點，其移動性管理需要充分結合上述兩種網絡的移動性管理技術。

接入控制是指保證用戶使用各種無線傳輸技術，均可以有效接入WMN；尤其是在局部熱點地區，當節點數量較多、負載較重的情況下，如何控制新節點的接入來保證已接入節點的服務質量。

2.4 路由協議設計

WMN采用多跳中繼實現網絡接入，這使得路由協議設計可以參考Ad hoc網絡的路由協議設計方法。但與之相比，兩者還存在差別。一方面，Ad hoc網絡由AP、Mesh路由器、網關等構成的，節點的移動性相對較弱；另一方面，WMN中的大部分數據業務都是用戶節點發送給網關節點，而Ad hoc網絡主要提供節點到節點之間的業務傳輸模式，此外，在功耗限制方面要求相對較弱。

此外，研究WMN的路由協議，也可以參考在因特網中所采用的路由技術，例如自治域內和域外使用不同的路由協議。

3 WMN的路由協議設計

WMN是一種動態拓撲結構的多跳網絡，與Ad hoc網絡具有相似性，因此，多數WMN采用的路由協議源于Ad hoc網絡。Ad hoc網絡的路由協議可分為地理位置輔助路由和非地理位置輔助路由，前者需要GPS定位系統的支持，后者又可分為平面路由協議和分層路由協議。平面路由協議分為按需路由如按需距離矢量協議(AODV)，動態的源路由協議(DSR)，逐段路由協議(SSR)，和主動路由，如目的站編號的距離矢量(DSDV)，無線路由協議(WRP)，基于反向路徑轉發的拓撲廣播(TBRPF)等，而分層路由協議有簇首網關交換協議(CGSR)和區域路由協議(ZRP)等。目前實現的WMN中，采用的有基于TBRPF的路由協議[7]、基于DSR[8]的路由協議、基于DSDV的路由協議[9]，和基于AODV[10]的路由協議。

但是，WMN與Ad hoc網絡有一些根本的區別，如表1所示，在WMN中直接應用Ad hoc網絡的路由協議無法使WMN的性能達到最優。

設計WMN路由協議，需要考慮的有以下幾個因素：

(1)選擇路由的依據

需要綜合考慮多個參數，包括：

跳數：源節點到目的節點之間的路徑所經過的無線鏈路數。

期望傳輸次數(ETX)：由于媒體訪問沖突而導致的重傳次數，為無線通信中比較常用的一個參數。

期望傳輸時間(ETT)：比ETX更常用，它同時考慮了信道自身的帶寬特點。

往返傳輸時間(RTT)：分組在源節點和目的節點往返傳輸所需時間。

能量消耗：選擇某條傳輸路由致使各節點能量損耗的總和。

路由穩定性：考察一個路由的穩定程度如何，可持續的時間。

(2)網絡支持的規模

WMN的網絡規模一般很大，路由協議需要能夠支持更多的節點，如果直接使用傳統的Ad hoc網絡路由協議，路由搜索過程可能需要的時間太長，代價也很大。

(3)容錯性

在Mesh客戶端移動、無線鏈路擁塞或Mesh 路由器故障等情況下，路由可以重新選擇。

(4)鏈路干擾

鄰近節點發送的無線信號互相干擾，路由選擇時應盡量選擇干擾小的鏈路，以增加系統容量。

(5)跨層協議設計

結合物理層的方向性天線、多輸入多輸出(MIMO)和鏈路層的一些技術，各層協議相互協同、綜合設計。

無線Mesh網可以支持無線接入和無線網絡互聯兩種應用，由于應用場景不同，考慮的重點也有所不同。

無線接入應用的路由協議需要充分適應Mesh客戶端和Mesh路由器，其中，既包含了移動性很強、功耗受限的用戶節點，也包含了移動性較弱，功耗不受限的接入節點和網關節點。目前，在設計絕大多數WMN路由協議時，都將Mesh客戶端和Mesh路由器兩類節點平等對待，沒有考慮二者的差異，區分兩類節點來研究路由協議，有可能成為一個值得關注的課題[2]。而在網絡融合應用中，由用戶節點組成的無線網絡可被看作是一個自治域，可以直接采用因特網的路由思想，這就只需解決由Mesh路由器構成的無線核心網的路由問題。文獻[11]中對當前常見的4種Ad hoc網絡路由協議(分別是DSR和AODV兩種按需路由，以及OLSR和DSDV兩種主動路由)用于Mesh核心網的性能進行評測。比較了路由開銷、分組傳輸成功率和端到端的時延等。結果表明，由于WMN路由開銷比較小，大體上，按需路由協議比主動路由協議的性能更好，然而，由于WMN節點移動性減弱，需要增加按需路由協議的路由過期時間和路由緩存時間，以避免交換過多的路由消息而增加開銷。

在無線接入應用中，大部分是用戶節點到網關節點的業務，屬于點到點業務，網絡業務具有突發性。而在網絡融合應用中，Mesh路由器之間的業務是來自一個網絡，業務流具有聚合性，這與因特網業務有相似性[12]，例如業務的范圍和平均的分組大小遵循24-hour模型，IP業務中大部分是TCP業務，而TCP業務中絕大部分是網頁瀏覽業務和文件傳輸業務。針對不同的業務類型特點，在區分業務類型保證服務質量的路由協議設計時需要區別對待。

在網絡融合的應用中，Mesh路由器配備有兩個以上的無線收發設備，路由協議的設計需要考慮多無線收發器、多信道等特點；而在無線接入應用中，一般則不考慮。

鑒于上述問題，針對WMN網絡結構的特點以及應用的特點，基于無線自組織網絡技術的基礎，研究WMN路由技術，才可能改善WMN網絡性能。

4 無線網狀網的實驗研究

開展對WMN組網技術的研究，主要有兩種方法。一種是采用仿真方法開展研究工作，例如，基于NS-2和OPNET的仿真軟件，建立WMN網絡協議模型和業務傳輸模型，進行協議的設計和性能分析。與此同時，基于WMN網絡結構抽象出更小的網絡結構模型、業務模型及關鍵技術，實現一個實用的實驗網絡，即WMN試驗床，對一個WMN進行測試、性能分析，這也是目前許多國外研究機構正在進行的研究工作。

例如，微軟研究院建立了基于802.11的無線Mesh網實驗平臺[8]，麻省理工學院(MIT)建立了Roofnet實驗網絡平臺[9]，目的是使WMN提供因特網的接入服務。其中，微軟研究院構建的Mesh網絡平臺，在節點中的網絡層和MAC層之間增加一個Mesh連接層，DSR經過修改成為無線Mesh網的路由協議。MIT構建Roofnet網絡，由20個左右的節點組成，每個節點配置一塊802.11b的無線網卡和一個全向天線，工作在同一信道上，基于Linux操作系統，路由協議采用類似于DSR路由協議的Srcc協議，Mesh客戶端通過DHCP動態獲得IP地址，經網關節點接入因特網。文獻[13]的實驗平臺，Mesh路由器配置了兩塊網卡，一塊用于提供無線接入服務，采用的是hostap技術；另一塊用于組成骨干網，采用的是表驅動路由協議。文獻[14]中的無線Mesh網平臺，其骨干網的路由協議采用基于IPv6的DSDV路由協議，通過IPv6的自動配置功能完成客戶端的接入。目前，IEEE 802.11無線傳輸技術很成熟，其產品價格低廉并得到廣泛應用，基于IEEE 802.11技術構建WMN實驗平臺，研究WMN組網技術是一種可行的并被廣為采用的方案。

為研究WMN組網技術、節點實現方案，擬構建一個WMN測試平臺。該平臺提供目前有線、無線的接入服務，如基于IEEE 802.11的WLAN接入，包括有中心方式通過AP接入以及Ad hoc接入，基于IEEE 802.3的有線接入等，如圖3所示。

在WMN中，當Mesh客戶節點數量較多時，可以構成一個因特網的子網，通過Mesh 路由器接入Mesh骨干網，而在某些區域，當Mesh客戶節點數量較少時，可以將接入網絡視為一個網段，通過Mesh網橋接入Mesh骨干網。Mesh網橋的功能類似于以太網的集線器或者交換機。Mesh網橋應該價格低廉，并且能夠在不同的無線網段之間有效地轉發數據幀。為此，我們定義了Mesh網橋功能并設計了該設備的實現方案。

Mesh網橋能夠實現不同接入節點的接入服務，包括WLAN接入，Ad hoc接入以及有線接入等多種接入服務，并且能夠實現不同接入方式之間的協議轉換。實現一個Mesh網橋的方案是：基于Intel x86筆記本電腦運行2.6.18版本的Redhat Fedora Core 6操作系統作為軟硬件平臺，筆記本電腦自帶的RJ45接口提供有線網絡連接接口，通過PCMCIA總線擴展一塊無線網卡提供無線接入。無線網卡的型號為DWL650，基于Intersil's Prism2/2.5/3芯片組，采用Host AP作為驅動程序，支持Host AP模式，能夠提供類似于AP的IEEE 802.11接入功能。

在此基礎上，構建一個WMN的最小驗證系統，如圖4所示。Mesh網橋的協議轉換功能采用基于Libpcap和Libnet技術來實現，其中，Libpcap技術實現數據幀的捕獲功能，而Libnet技術實現數據幀的發送功能。通過捕獲在傳輸鏈路上的數據幀，采用第二層(鏈路層)轉發技術，完成不同網段之間的數據轉發以及協議幀格式的轉換。由于系統采用了第二層轉發技術，而非Mesh路由器的第三層IP轉發技術，從而能夠加快不同網段之間數據轉發的速度，節省數據轉發時間。

該系統主要由兩部分組成：2個Mesh網橋和3個Mesh客戶端。其中，為Mesh網橋配置了兩種通信傳輸接口，一種用于提供Mesh 客戶端接入服務，包括以太網接入或WLAN接入。另一端與Mesh骨干網連接，采用Ad hoc網絡的AODV路由協議，作為Mesh骨干網中的一個交換節點。Mesh客戶端分為兩類，一類是采用WLAN接入，另一類采用以太網接入。由于IEEE 802.11b支持11個信道，并且存在3個不相重疊的信道，因此，Mesh網橋的無線接入信道分別采用信道1和信道6，Mesh網橋之間的Ad hoc連接采用信道11，使各無線信道之間互不干擾。

在此系統中，可以實現任意兩個客戶端之間數據通信，并基于此系統，可以進一步對第二層路由交換算法進行研究。文獻[15]提出一種基于MAC地址的第二層交換路由算法(MARP)，通過擴展地址解析協議(ARP)協議來完成路由請求和應答過程。本實驗系統的下一工作目標是，設計并實現一種有效的第二層交換算法，實驗驗證算法的性能。

5 結束語

本文介紹了WMN結構及其組成，分析了WMN中的無線路由協議及網絡管理技術，指出了WMN的路由協議和網絡管理中的關鍵技術及其主要問題。在此基礎上，搭建了一個WMN實驗平臺，并對平臺的性能進行測試。實驗表明，WMN是一種可實現的用于無線接入的網絡結構，是一種有著廣闊應用前景的組網技術。

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收稿日期：2008-01-17

劉志敏，北京大學信息科學技術學院副教授、碩士研究生導師。碩士畢業于北京大學無線電電子學系。主要研究方向通信網絡，寬帶無線通信，自組織網絡。已發表論文十余篇。

楊毅，北京大學信息科學技術學院在讀碩士研究生。主要研究方向為寬帶無線通信及自組織網絡。

徐穎清，北京大學信息科學技術學院在讀碩士研究生。主要研究方向為寬帶無線通信及自組織網絡。