IEEE802.11s的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分析（一）

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 IEEE802.11s的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分析（一） 0 引言 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)是一種多跳、機(jī)動性強(qiáng)、抗毀性強(qiáng)的無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造，靈活的組網(wǎng)方式以及易部署的特點(diǎn)是其在應(yīng)急系統(tǒng)等特殊環(huán)境中應(yīng)用的重要前提。路由協(xié)議的設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問題之一，如何開展路由選擇是影響網(wǎng)絡(luò)性能的一個重要問題。在探討關(guān)鍵技術(shù)的同時(shí)，應(yīng)用需求的提出也是各國際標(biāo)準(zhǔn)化組織在多種覆蓋不同物理范圍的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中融入對Mesh 組網(wǎng)方式的誘因，如支持WLAN 的IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)、支持WMAN的IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)以及支持WPAN的IEEE 802.15標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)

2、準(zhǔn)均在支持無線Mesh網(wǎng)絡(luò)及其相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)方面做出了努力。 本文介紹IEEE 802.11s 中的關(guān)鍵技術(shù)之一-混合無線Mesh 協(xié)議（Hybrid WirelESS Mesh Protocol,HWMP），盡管該協(xié)議存在根部節(jié)點(diǎn)易形成網(wǎng)絡(luò)瓶頸的缺陷，但其結(jié)合了先驗(yàn)式路由協(xié)議的靈活性和按需路由協(xié)議的有效性，在應(yīng)急系統(tǒng)中可以發(fā)揮重要作用。因此，改良現(xiàn)有協(xié)議以適應(yīng)特殊領(lǐng)域的應(yīng)用成為下一步的主要研究內(nèi)容。 1 IEEE 802.11s 標(biāo)準(zhǔn)化情況 IEEE 802.11 于20* 年7 月成立Mesh 任務(wù)組（802.11 TGs任務(wù)組）。TGs任務(wù)組研究支持無線分布式系統(tǒng)（Wireless DiS

3、Tribution System,WDS）的協(xié)議，在原IEEE 802.11體系構(gòu)造與協(xié)議根底上提供ESS（ExtendedService Station）的Mesh 功能，使各WLAN 設(shè)備能夠無線互連、實(shí)現(xiàn)自動拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)并開展動態(tài)路徑的配置，同時(shí)，對MAC協(xié)議開展了擴(kuò)展，支持單播/多播/廣播，并在MAC層使用無線信道感知機(jī)制與多跳拓?fù)鋪淼竭_(dá)理想的覆蓋范圍，保證網(wǎng)絡(luò)的靈活性。IEEE 802.11s的優(yōu)勢表達(dá)在以下方面：增加覆蓋范圍和靈活性；性能可靠；安全；設(shè)備間的多媒體傳輸；電池驅(qū)動設(shè)備的節(jié)能機(jī)制；互操作性。 WLAN Mesh網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造與節(jié)點(diǎn)類型如圖1所示。 Mesh 節(jié)點(diǎn)（Mesh Poi

4、nt,MP）：與相鄰MP 建立通信鏈路，參與ESS Mesh網(wǎng)絡(luò)服務(wù)； Mesh接入點(diǎn)（Mesh Access Point,MAP）：擁有MP的全部功能，并提供接入服務(wù)；Mesh 入口節(jié)點(diǎn)（Mesh Portal,MPP）：該節(jié)點(diǎn)為數(shù)據(jù)提供在Mesh網(wǎng)絡(luò)與其他分布式系統(tǒng)或非802.11系統(tǒng)間的進(jìn)出節(jié)點(diǎn)；用戶站（Station,STA）：通過MAP 與Mesh網(wǎng)絡(luò)通信的站點(diǎn)，通常指傳統(tǒng)的802.11 用戶終端，其不在ESSMesh網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)。 IEEE 802.11s 基于傳統(tǒng)物理層標(biāo)準(zhǔn)，提供WLANMesh服務(wù)，包括拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)、路徑選擇和轉(zhuǎn)發(fā)、媒體接入?yún)f(xié)調(diào)、Mesh網(wǎng)絡(luò)的配置和管理、網(wǎng)絡(luò)測量、網(wǎng)

5、絡(luò)互連和安全等功能模塊。IEEE 802.11s協(xié)議各個功能模塊如圖2所示。 Mesh拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)、路徑選擇和轉(zhuǎn)發(fā)模塊在MAC協(xié)議中具有重要作用，也是IEEE 802.11s中的一個關(guān)鍵功能，下面將對IEEE 802.11s 定義的HWMP 協(xié)議開展詳細(xì)分析。 2 混合無線Mesh 協(xié)議（HWMP） HWMP協(xié)議將先驗(yàn)式路由協(xié)議和基于樹型拓?fù)涞姆磻?yīng)式路由（即按需路由）協(xié)議相結(jié)合，廣泛應(yīng)用于根底設(shè)施Mesh 模式和客戶機(jī)Mesh 模式的無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以開展路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)，或依賴根節(jié)點(diǎn)（即MPP）形成的樹型拓?fù)溟_展路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)。路由發(fā)現(xiàn)過程根據(jù)網(wǎng)絡(luò)是否配置根節(jié)點(diǎn)有所區(qū)別。

6、通常，樹型拓?fù)渑渲肕PP為根節(jié)點(diǎn)，在這樣的情況下，其余的MP 按需地維護(hù)到達(dá)根節(jié)點(diǎn)的路徑，并且形成樹型拓?fù)渎酚伞?2.1 幀格式 幀格式如圖3所示。 2.2 消息格式 HWMP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)通過路徑請求消息PREQ（PathRequest）、路徑響應(yīng)消息PREP（Path Reply）、路徑錯誤消息PERR（PathError）、路徑響應(yīng)確認(rèn)ACK（PREPACK）和根宣告消息RA（Root Announcement）。PREQ用于路由請求，PREP 用于對路由請求消息的應(yīng)答，PERR 用于鏈路發(fā)生錯誤時(shí)開展的應(yīng)答或維護(hù)，以及RA用于對自己根節(jié)點(diǎn)身份的消息的廣播。 2.2.1 PREQ 路徑請求消

7、息PREQ（Path Request）格式如圖4所示。 標(biāo)志位當(dāng)Bit 0=0 時(shí)，為單播；Bit 0=1 時(shí)，為廣播；Bit 17 為預(yù)留位。PREQ 控制標(biāo)識包括目的標(biāo)識DO（Destination Only）、回復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)標(biāo)識（Reply-and-Forward），其中，DO=0 時(shí)，表示中間節(jié)點(diǎn)接收到PREQ 消息產(chǎn)生PREP;DO=1時(shí)，表示目的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生PREP消息回應(yīng)該路徑請求，該路徑請求和路徑回復(fù)包含了完整路徑并收集當(dāng)前的metric 值，以確保度量值是的。TTL（Timeto Live）即生存時(shí)間，定義了PREQ的跳數(shù)范圍。 2.2.2 PREP 路徑響應(yīng)消息PREP（Path R

8、eply）格式如圖5所示。 HWMP允許使用一條PREQ消息尋找到達(dá)多個目標(biāo)的路徑。Mode Flags標(biāo)志位中，Bit 07均為預(yù)留位；LifeTime為該路徑的有效生存時(shí)間。Metric為從目的MAC地址到處理RREP消息的節(jié)點(diǎn)之間所積累的度量（metric）。 2.2.3 PERR 路徑錯誤消息PERR（PathError）格式如圖6所示。 其中，標(biāo)志位的Bit 07為預(yù)留位。 2.2.4 PREP ACK 路徑響應(yīng)確認(rèn)ACK（PathReply ACK）格式如圖7所示。 其中，Destination Address 為建立路由的目的節(jié)點(diǎn)的MAC地址；Source Address為在路由

9、建立過程中發(fā)起RREQ消息的節(jié)點(diǎn)的MAC地址。 2.2.5 RANN 根宣告消息RANN（Root Announcement）格式如圖8所示。 Mesh Portal中配置周期性RANN消息，以便使用先驗(yàn)式的擴(kuò)展功能。RANN消息中定義了兩個標(biāo)識：宣告類型標(biāo)識AN（Announcement Type Flag），用于區(qū)分非根Porta（l AN=0）與根Porta（l AN=1）；注冊標(biāo)識RE（Registra-tion Flag）用于Mesh 節(jié)點(diǎn)區(qū)分RANN 的兩種不同處理模式。 2.3 HWMP協(xié)議的按需路由 HWMP 協(xié)議的按需路由是基于RM-AODV（RadioMetric AODV

10、）的協(xié)議。HWMP協(xié)議中的按需路由使用PREQ 和PREP 機(jī)制在兩節(jié)點(diǎn)之間建立路由，節(jié)點(diǎn)間使用PREQ 和PREP 消息開展度量信息交互，并且在PREQ中采用序列號來保證路由的時(shí)效性。 當(dāng)源節(jié)點(diǎn)S 試圖到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)D 時(shí)，首先，源節(jié)點(diǎn)廣播PREQ 消息，并初始化metric 為0.當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)收到PREQ消息時(shí)，該節(jié)點(diǎn)創(chuàng)立到源節(jié)點(diǎn)S的一條路徑，或PREQ 經(jīng)過的路徑優(yōu)于當(dāng)前節(jié)點(diǎn)到達(dá)源節(jié)點(diǎn)S 的路徑時(shí)，對當(dāng)前的路徑開展更新。如果路徑開展了創(chuàng)立或更新的過程，則節(jié)點(diǎn)更新PREQ消息的路徑標(biāo)志域并開展轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)創(chuàng)立或更新路徑完成后，目的節(jié)點(diǎn)D向源節(jié)點(diǎn)S回復(fù)單播的PREP消息。當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)接收到PREP消息后，建立到目的節(jié)點(diǎn)D的路徑，并且將PREP向源節(jié)點(diǎn)S轉(zhuǎn)發(fā)。源節(jié)點(diǎn)S收到PREP消息后，建立到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)D的路徑；若目的節(jié)點(diǎn)收到的消息中的路徑優(yōu)于當(dāng)前路徑，則節(jié)點(diǎn)更新到達(dá)源節(jié)點(diǎn)S的路徑，并且在該路徑上發(fā)送新的PREP給源節(jié)點(diǎn)S.以上即為源節(jié)點(diǎn)S與目的節(jié)點(diǎn)D之間的雙向鏈路的建立過程。 DO 和RF機(jī)制的目的是為了使得節(jié)點(diǎn)利用由中間節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生PR