無線Mesh網絡網關負載均衡研究綜述

【摘要】無線Mesh網絡是無線局域網和移動自組織網絡相結合的產物，作為一種能夠提供高帶寬網絡接入服務的全新架構的網絡，無線Mesh網絡目前越來越多的得到人們的重視。本文對近年來Mesh網絡網關節點負載均衡的研究方向進行了歸納總結，并提出了自己的設想和方向。

【關鍵詞】Mesh網絡負載均衡網關綜述

一、簡介

無線Mesh網絡是通過無線鏈路把固定的和移動的節點連接起來，構成的一個多跳的移動自組織網絡。

在這種網絡中節點由Mesh路由器和Mesh客戶兩種節點組成。Mesh路由器可以是靜止的或者具有較小的移動性，構成Mesh網絡的骨干，為Mesh客戶端提供Intemet接入。Mesh客戶端也具有路由器或中繼器的作用，可以為其它Mesh客戶端提供數據轉發。部分的Mesh路由器集成網關或網橋功能，此類節點我們稱其為網關。由于所有的流量都將引自或者引向網關節點。因此網關節點是整個Mesh網絡的核心，同時也成為全網的性能瓶頸。網關節點發生擁塞，會極大的影響Mesh網絡用戶獲得服務，同時由于擁塞造成網關節點大量丟包，進而導致網絡的吞吐量極大下降。如何有效的負載網關節點之間的流量，盡量避免網關節點處發成擁塞成為近來Mesh網絡研究的熱點問題。

二、目前主要研究思路

2.1路徑選擇法

此類方法在進行路徑選擇的時候，避開擁塞的鏈路和目的節點（即網關），以達到在不同的網關之間均衡負載的目的。此類方法多由DSR或者AODV算法改良而來，并根據自己的需求采用合適的度量方式，比如經過節點的流量總和、各節點緩沖隊列總長度以及各段鏈路的延遲等對鏈路擁塞程度進行判定，選擇擁塞較小、帶寬較高的鏈路進行傳輸。跳數往往是必備的一個度量，因為多跳的鏈路意味著更多網絡資源的浪費。文章[1]通過自己定義節點活動度的概念進行度量，文章[2]則通過計算經過節點的緩存隊列長度總和進行選擇。文章[3]則通過自下而上的方式，從外圍到中心的方式來建立路由，分配網關節點的流量。

此類方法的缺點也是顯而易見的。首先只能通過鏈路狀態進行路由選擇，而無法獲得網關節點的狀態，也就無法真正的避免網關節點的擁塞；其次只是在路由初期通過一定的策略避免擁塞，當擁塞發生之后無法進行有效的擁塞調整，同時缺乏全局的分配，必然會造成一些資源的浪費。

2.2流量遷移法

文章[4]和文章[5]提出了流量遷移的方法，此類方式沿用了Ad hoc網絡的網絡協議，只是在網關節點檢測到擁塞時，啟動一個擁塞解除的機制，已達到分配流量、避免擁塞的目的。此類方法在一開始啟動網關發現算法，對Mesh網絡內的路由器進行初次劃分，并把路由器和自己的服務網關進行關聯，發送數據流，同時在網關節點處通過檢測節點緩存隊列長度或者對丟包率等參數進行統計，當到達一定的條件之后認定擁塞發生，啟動擁塞接觸機制，擁塞網關在自己服務的路由器中選擇一個進行流量遷移。被選定的路由用泛紅的方式發送網關請求信息，未擁塞的網關收到后進行回復，之后路由器將流量遷移到新的網關。

此類方法的優點是算法帶來的額外開銷較少，缺點是對Mesh網絡內部的流量缺乏全局的分配。同時，當網絡整體流量較大的時候，路由器遷移至后有可能再次擁塞，之后發生抖動的情況。

2.3域劃分法

三、新的研究方向

3.1內部流量的研究

內部流量可以在外部流量的信道及時隙分配完畢之后，采用DSR協議進行，同時采納多徑的思想，以達到分配流量，負載網絡均衡的目的。對于內部距離較遠或者源、目的節點均靠近網關（不同網關）的情形，可以將Mesh網絡內部的通信轉化為外部流量，即將流量引入網關，然后通過網關之間的有線網絡進行通信，已達到節省Mesh網絡內部網絡資源的目的。

3.2多徑在Mesh網中的應用

為了達到均衡負載的目的，應當選取多徑同時傳輸的方式。Mesh網絡中為了達到網關節點的負載均衡應用多徑路由主要從以下幾個方面：（1）外部流量的多徑；A，域內部MR節點通往單一網關節點的多徑；由于網關節點是流量的集中地，所以擁塞極易出現在離網關最近的鏈路和節點上，此處多徑路由可以降低網關附近鏈路或者節點發生擁塞的可能性。同時，在擁塞發生時，可以通過調整多徑流量分配的方式高效的解決擁塞問題。B，域邊界MR節點通往多網關節點的多徑；此種多徑的應用本身就帶有負載網關均衡的目的。處于不同網關中間部分的節點可以建立到不同網關的路徑，并在需要時將流量分配到不同的網關上。如果某一個網關節點發生擁塞，可以通過調整流量分配的方式解決擁塞，避免了路由調整的開銷。（2）內部流量的多徑；內部流量的多徑路由能夠充分利用網絡資源，在不影響外部流量的情況下盡量保證內部流量的暢通。同時，在外部流量優先且外部流量變化的情況下，能夠減少內部路由發現的開銷，提高網絡通信效率。

四、總結

隨著無線移動通信的高速發展和Intemet的廣泛應用，無線Mesh網絡已經作為一種網絡技術和網絡形態，得到進一步的重視和開發，會逐漸成為無線移動接入網絡的基本網絡技術，滲透到未來各種無線網絡中。

參考文獻

[1] Hossam Hassanein ， Audrey Zhou， \"Routing with load balancing in wireless Ad hoc networks，\" Proceedings of the 4th ACM international workshop on Modeling， analysis and simulation of wireless and mobile systems， July 2001， p.89-96.

[2] S. J. Lee and M. Gerla， \"Dynamic load-aware routing in ad hoc networks，\" Proc. IEEE ICC， vol. 10， 2001， pp. 3206-3210.

[3] H. Tokito， M. Sasabe， G. Hasegawa， and H. Nakano， \"Routing method for gateway load balancing in wireless mesh networks，\" in IEEE ICN’09， 2009.

[4] D. Nandiraju， L. Santhanam， N. Nandiraju， and D. P. Agrawal， \"Achieving Load Balancing in Wireless Mesh Networks Through Multiple Gateways，\" in Proc. IEEE MASS， Washington， DC， USA， 2006.

[5] C. Liu， Y. Shu， L. Zhang， and J. Li， \"Efficient multiple Gateways Load-Balancing QoS Routing in backbone Wireless Mesh Networks，\" IEEE 4th International Conference on Wireless Communications， Networking and Mobile Computing， 2008. pp.1-4.

[6] J. J. Galvez， P. M. Ruiz， and A. F. Gomez-Skarmeta， \"A Distributed Algorithm for Gateway Load-balancing in Wireless Mesh Networks，\" in Wireless Days， 2008. WD ’08. 1st IFIP， 2008， pp. 1-5.

[7] F. Zeng and Z. Chen， \"Load Balancing Placement of Gateways in Wireless Mesh Networks With QoS Constraints，\" IEEE 9th International Conference for Young Computer Scientists， ICYCS 2008， pp. 445-450.

[8] Hyoung-Gyu Choi， Seung-Jae Han， \"Domain load balancing routing for multi-gateway wireless mesh networks，\" Journal Wireless Networks archive， vol. 16， Issue. 8， November. 2010， pp.2105-2122.