無線Mesh網絡在醫院中的應用探索

【摘 要】介紹無線Mesh網絡的概念特點以及結構，深入分析基于IEEE802.11s標準的無線Mesh網絡的相關特點，結合醫院對無線網絡部署的相關要求，探討在醫院使用無線Mesh網絡技術進行網絡部署的可行性，提出一種基于開源項目open80211s的無線網絡部署方案，并對無線Mesh網絡的部分功能進行驗證。

【關鍵詞】無線Mesh網絡 醫院 快速組網

【中圖分類號】 G 【文獻標識碼】 A

【文章編號】0450-9889（2013）12C-0189-04

目前，醫院部署無線網絡使用的大多是傳統的無線局域網（WLAN）網絡，但是，傳統的WLAN網絡具有以下無法克服的缺點：網絡的可靠性完全依賴于AP節點；網絡部署不夠快捷簡易；一旦部署完畢，拓撲結構很難改變，網絡結構不夠靈活；隨著無線距離增加，帶寬迅速減小，不支持非視距傳播的缺點。針對傳統WLAN網絡的這些缺點，可使用無線Mesh網絡技術來解決以上難題。在具體實現中，使用的Mesh標準是IEEE 802.11s標準，然后基于開源項目open80211s的相關代碼構建網絡測試平臺，并且進行相關功能的驗證。

一、無線Mesh網絡

無線Mesh網絡（WMN）又稱為無線網狀網或無線網格網，它融合了WLAN和移動Ad Hoc網絡（MANET）的優勢，成為一種新型寬帶無線網絡。與傳統無線局域網（WLAN）技術相比，它除了可以提供基礎設施模式的功能外，還可以提供IBSS模式，因此無線Mesh網絡在快速簡易網絡部署方面具有更多優勢。

（一）無線Mesh網絡概念與優勢。在傳統的無線局域網（WLAN）中，每個BSS（Basic Service Set）均有一個AP（Access Point），所有的終端都需要通過與這個固定的無線接入點（AP）相連的無線鏈路來訪問網絡。用戶如果要進行互相通信的話，必須首先訪問這個固定的接入點（AP），然后通過AP進行通信，這種通信方式被稱為單跳通信。而在無線Mesh網絡中，每個無線設備節點都具有AP和路由器的功能，每個節點都可以發送和接收信號，與一個或多個對等節點進行直接通信。這種結構的最大好處在于：如果網絡中某個AP節點由于流量過大而導致網絡擁塞的話，那么本應通過該節點的數據可以自動重新路由到一個流量較小的臨近節點進行傳輸。依此類推，數據包還可以根據網絡情況，自己選擇下一跳路由，直到到達目的節點為止。這種訪問方式就是多跳訪問。

1.可靠性高，自愈性強。無線Mesh網絡支持IBSS方式網絡互連，具有自組織，自管理和自愈能力。IBSS模式是Ad Hoc網絡中的一種模式，在這種模式下，終端之間可以彼此通信而不需要中間協調節點，比如固定無線接入點（AP）。Mesh網絡可以自動發現新節點并完成相關配置，而不需要網絡管理人員手工配置網絡，而且，在網絡出現節點或鏈路故障時，可以自動修復，健壯性很好。

2.傳輸速率高。由于無線Mesh網絡采用多跳傳輸的方式進行信息傳輸，每一跳的傳輸距離相應減小，因而可以得到較高的傳輸速率。而且通過融合其他網絡及技術，理論速率可以達到54Mbit/s。

3.易于實現異構網絡融合，支持多種類型的網絡接入。WMN既支持無線終端接入骨干網，又支持無線終端之間的對等連接。而且，通過無線接入節點，WMN可以方便地為傳感器網絡、蜂窩網絡、WLAN網絡等提供接入服務，實現異構網絡融合。

4.投資成本低。無線Mesh網絡大大節省了骨干網絡的建設成本，Mesh網關、Mesh路由器、Mesh終端等與需要大量有線布網的WLAN AP熱點便宜得多。

5.網絡配置和維護簡單快捷。無線Mesh網絡擴大覆蓋范圍無需像傳統的WLAN網絡一樣，布設大量的熱點。

（二）無線Mesh網絡的結構。無線Mesh網絡是無線網絡發展的產物，因此，其網絡結構必然依據不同的應用而具有不同的形式。按照節點功能的不同，網絡結構可以分為基礎設施的網絡結構、終端設備的網絡結構和混合結構。基礎設施的網絡結構為用戶提供接入Internet的服務，而終端設備的網絡結構主要用于支持本地終端的應用，不提供接入Internet的服務，而混合結構是結合了上述兩種網絡結構，既可以提供Internet的接入服務，又可以支持本地終端彼此多跳通信。按照結構層次劃分，網絡又可分為平面結構、多級結構和混合結構。這兩種分層思想在本質上區別不大，基礎設施的網絡結構本就是一種多級結構，而終端設備的網絡結構就是一種平面結構。

二、基于IEEE 802.11s協議的Mesh網絡特點

IEEE802.11s協議是IEEE802.11標準組提出的針對無線Mesh網絡的無線局域網協議，它對原有的IEEE802.11的MAC標準進行了擴展，支持多跳通信，支持廣播、單播和組播，并且能夠很好地與現有的IEEE802.11的物理層協議（802.11a，b，g，n）進行交互。IEEE802.11s使用的路由協議是基于MAC層的2層路由協議，這提高了路由的效率，有助于降低節點的功耗。IEEE802.11s從2006年提出草案標準D0.01至今，最新的草案標準已經到了D12.0，D12.0草案在適用性、低功耗、安全性、自組織性能等方面較最初的草案相比都有了很大的改善。

基于IEEE802.11s標準的無線Mesh網絡架構如圖1所示。終端或者其他網絡網關并不需要直接連接到有線網絡，可以通過無線多跳連接最終連接到有線網絡。IEEE802.11s標準中存在三種類型的節點。普通Mesh節點（MP）是支持無線局域網Mesh服務的802.11實體，MP只能作為中繼節點，而不具有接入功能；Mesh Portal節點（MPP）是MAC協議數據單元（MSDU）進入或離開無線Mesh網絡的橋接（bridge）。Mesh接入點（MAP）是具有接入功能的MP。

三類節點的協議棧如圖2所示。802.11s MAC層是對802.11 MAC 層的擴展，802.11s的默認路由協議是HWMP，這種路由協議是一種二層路由協議，在 MAC 層實現。MPP節點支持從mesh網絡到有線網絡的第3層路由，但是，由于生成樹算法的限制，一個mesh網絡只能有一個MPP節點。

三、 IEEE802.11s內容及關鍵技術

（一） HWMP協議。混合無線網狀網協議（HWMP）是 IEEE 802.11s標準中默認的路由協議。它的尋址基于 MAC 地址，即路由的轉發在 MAC 層實現，每個節點可以通過接收到的MAC層的數據幀來了解鄰居節點的通信鏈路情況，進而進行路由的選擇。由于路由選擇工作在MAC層進行，所以IEEE802.11s對常見的網絡層協議（比如DHCP和ARP）都有很好的支持。HWMP路由協議是一種混合路由協議，包括基于生成樹的主動路由協議和基于AODV的被動路由協議。在HWMP協議中，主動路由和被動路由并不矛盾，在節點選路時，兩種路由協議可以同時使用。

（二）6 地址結構。IEEE802.11s協議是對傳統的IEEE802.11的一種增補，因此，IEEE802.11s的幀結構是在IEEE802.11幀結構的基礎上額外添加了兩個地址，形成了6地址結構。額外添加的兩個地址使得當IEEE802.11s網絡作為骨干網時，隸屬于一個接入點MAP的STA可以與802.11s網絡中隸屬于其他任意MAP的終端直接通信，而標準的802.11幀中的4地址結構，不能實現該過程。

（三）擁塞控制。802.11s中的擁塞控制機制分為默認的擁塞控制和可選的擁塞控制方案兩種。默認的擁塞控制機制依賴于負載感應，因此處于邊緣位置的路由器與處于核心位置的路由器相比，擁有更多的空閑時間，因此需要更多的介質接入探測。可選的擁塞控制方法（Intra-mesh擁塞控制機制）包括本地擁塞監測、擁塞控制信令和本地速率控制三個部分。其主要思想是用一個管理幀來指示期望的擁塞躲避時間，并請求相鄰的Mesh節點減少流量來達到擁塞控制的目的。

（四）無線網狀網協調信道接入。為了提高Mesh網絡的服務質量，Mesh網絡也有自己的信道接入機制——無線網狀網協調信道接入機制（Mesh Coordinated Channel Access，MCCA），MCCA機制是一種分布式的保留協議，它使得網絡中的任一節點可以獲得兩跳范圍之內的其他節點信息，這樣就使得節點發送信息時，可以選擇合適的時機來發送數據，從而較小數據發送沖突的概率。

基于IEEE 802.11s協議的無線Mesh網絡的以上特性，使得它非常應急組網，快速低成本組網，而且網絡健壯性好。在醫院這種特殊場合，采用Mesh網絡來進行快速組網就顯得非常合適，下文將討論在醫院部署網絡需要注意的一些問題。

四、醫院對無線網絡部署的要求

（一）無線網絡的覆蓋率。醫生在使用各種無線設備對病人進行治療時，常常需要穿梭于多個房間，保證手持終端能夠隨時隨地接入醫院核心網絡，對于無線醫療來說至關重要。因此，布設無線網絡時，無線網絡的無縫覆蓋就變得相當重要。使用傳統的WLAN網絡來布設網絡，由于建筑內部復雜的環境，信號衰減問題變得相當嚴重。比如，無線信號穿過衛生間的墻體會衰減的相當厲害。

（二）無線網絡的健壯性。當醫護人員在不同的房間進行移動的時候，在不同的AP間切換時，信號不能中斷而且傳輸延遲必須盡量短。比如一些報警、監控信號由于中斷或者延遲的原因，而導致病患的信息數據沒有及時傳送，很可能造成重大醫療事故。因此，醫院部署網絡，網絡的健壯性問題不容忽視。

（三）無線網絡的安全性。無線網絡也是醫院核心網絡的一部分，因此對于無線網絡的接入控制，必須十分嚴格。只有被授權的終端設備才被允許連接進無線網絡。無線信號散布在整個醫院空間中，而現在支持無線接入的設備越來越多，如果沒有認證的用戶也能接入無線網絡的話，有可能導致病患信息的泄露甚至被強行修改，造成嚴重的醫療事故和糾紛。如果接入者傳播病毒的話，很可能造成整個網絡的癱瘓，嚴重影響醫院無線醫療的正常進行。

（四）無線網絡的管理。由于醫院中無線終端的移動性，每個接入點在不同時間接入的用戶數目不同，以及地點通信流量不同，如果不進行及時的調整，很可能造成網絡擁塞。因此，需要時刻關注每個AP的負載情況，及時調整網絡部署。以便于網絡效能達到最大。

五、基于WMN的醫院組網方案

在醫院使用各種方式組網的過程中，比較可知，與傳統的WLAN網絡相比，使用無線Mesh網絡可以更快的搭建網絡，只需要一個MPP與傳統的骨干網相連，然后通過MP節點便可以迅速擴大網絡覆蓋范圍。使用MAP節點便可以將各種無線設備接入骨干網絡，并且可以完成相互之間的通信。網絡部署情況如圖3所示：

圖3 快速組建局域網示意圖

（一）硬件架構。由于要完成異構網絡的融合，因此在本文搭建的網絡中運行著傳統以太網（IEEE802.3標準）、傳統無線局域網（IEEE802.11標準）和負責網絡拓展的無線Mesh網絡（IEEE802.11s標準）。為了支持不同的網絡之間的融合，不同的設備具有不同的配置。由于傳統的以太網和無線局域網技術十分成熟，不需要專門的設計開發，只需要使用現有的技術就可以實現，因此，網絡構架的難點在于無線Mesh網絡的構建，以及與其他兩類網絡的無縫融合。本文采用開源社區open80211s的開源代碼來構建無線Mesh網絡。無線Mesh網絡中使用的無線網卡為支持802.11s標準的一款基于Atheros AR9271高階芯片的USB無線網卡CF-WU150N。該網卡支持IEEE802.11b/g/n協議，無線傳輸速率最高可達150mbps，是普通11b產品的15倍，為了使信號強度更強，網卡使用6dbi高增益的全向天線，RP-SMA接頭，可拆卸設計，使用更方便。

（二）軟件架構。包括以下四方面的架構：

1.修改過內核的linux操作系統。Linux內核自2.6.26版本開始集成802.11s，稱為open80211s協議棧，為IEEE802.11s提供了一個通用的實現標準。但是在標準內核中對于802.11s標準的支持是依據D2.08，目前最新的802.11s草案為D12.0，最新的草案標準并沒有在官方發布的內核中實現，因此，本文進行Mesh組網使用linux內核是對標準內核進行修改過的。為了實現IEEE802.11s相關功能，在編譯內核的時候，需要將內核mac80211配置為支持mesh功能（需要選中CONFIG_MAC80211，CONFIG_MAC80211_MESH）還要在內核中使能你所使用的網卡驅動，本文使用的網卡屬于ath9k系列的USB接口的無線網卡，所以配置時選擇ATH9K_HTC驅動。

2.linux無線網卡配置工具iw。iw是一個新的為無線網絡設備配置工具，基于 nl80211 命令行配置工具集.它支持大多數最新添加到kernel中的驅動.。而舊的無線網卡配置工具iwconfig，使用的是無線擴展接口，并不支持這些驅動，所以我們使用iw來配置無線網卡。和不斷完善的內核一樣，iw也在不斷地完善之中。Linux系統中默認并不支持iw工具，所以必須自己下載并且編譯。雖然ath9k系列的網卡支持802.11smesh模式，但是網卡設備被內核識別以后不會自動稱為mesh設備，用戶需要使用iw應用程序來將該網卡設備配置為mesh設備，設置工作頻段以及mesh相關參數。本文采用將現有網卡工作模式改為mesh模式的方法來配置無線網卡。

3.MPP和MAP節點的配置。Mesh網關節點和Mesh接入點由于是異構網絡的融合關鍵點，所以其硬件配置和軟件配置相比普通Mesh節點要復雜一些。在MPP節點上，使用一張普通有線網卡和一張AR9271無線網卡，其中無線網卡配置成Mesh模式，兩張無線網卡通過橋接的方式相連。而將無線網卡接入到網橋接口的時候，需要將無線網卡設置為4地址模式，因為802.11幀中默認只包含3個地址。同理，MAP節點同樣需要兩張無線網卡，一張配置為monitor模式用來實現接入點AP功能，另一張配置為Mesh模式，用來與Mesh網絡相連。

4.安全認證工具（SAE）。在一個具有安全認證機制的mesh網絡中，所有的Peer節點必須共用一個密鑰。而節點間的認證機制依照SAE協議制定。密鑰派生和加密套接字協商是通過AMPE（ Authenticated Mesh Peering Exchange）實現的。這兩種協議在802.11s修正案中都在802.11s標準中有所規定。為了實現信息的安全傳輸，需要自己編寫相關的SAE安全認證腳本。

（三）系統功能驗證。為了驗證系統真正實現了多跳、自組織功能，我們使用了如圖4所示的拓撲結構來進行功能的驗證。

圖4 Mesh網絡多跳、自組織、自愈功能驗證拓撲圖

1.如圖4所示將MPP、MP、MAP的相關節點按照各自需要實現的功能配置好。此時，在普通WLAN終端上，使用ping命令來向普通以太網終端發送ICMP包。如果普通以太網終端能夠收到相應的數據包，則證明整個網絡可以正常運行。

2.去除MP節點，調整MPP和MAP之間的距離，使其兩個無法直接跟對方通信，此時從普通WLAN終端發出的ICMP包無法到達普通以太網終端。然后，將MP節點加入MPP和MAP中間，如果此時普通以太網終端可以正常收到普通WLAN終端的ICMP數據包，則證明組建的網絡可以實現多跳，自組織功能。

而且，從實驗結果也可以證明通過中間節點進行中繼可以擴大網絡覆蓋范圍，更容易實現無線組網。

六、總結

本文從Mesh網絡技術和醫院實際布網的要求以及難點出發，深入分析使用無線Mesh網絡對醫院這種建筑物的構造密集而復雜的公共場所進行布網的適用性和可行性，提出一種基于IEEE802.11s標準的mesh組網方案，并進行了部分功能的驗證，證明了本文所提方案的可行性。不過，由于IEEE802.11s標準目前依然處于草案階段，最終的標準還沒有完全確定，因此還有諸多不確定性，但是由于基于IEEE802.11s標準Mesh網絡是對傳統WLAN網絡的一種修改與補充，具有傳統WLAN網絡高帶寬的特性，所以更適合在醫院這種公共場所中部署。

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【基金項目】廣西教育廳廣西高等教育教學改革工程“十一五”第三批立項項目 （2007-109-89）

【作者簡介】易著梁（1968- ），男，南寧職業技術學院信息工程學院副教授，北京師范大學訪問學者，研究方向為計算機教育、軟件工程、計算機網絡、Linux技術。

（責編 黎 原）