信息通信專(zhuān)業(yè)無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)(WMN)研究

1、無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)(WMN)研究,摘 要,闡述了無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)（WMN）的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分析了WMN的3大優(yōu)點(diǎn)：高性能、可擴(kuò)展和低成本。討論了無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)的3種WMN網(wǎng)絡(luò)：無(wú)線Mesh城域網(wǎng)、無(wú)線Mesh局域網(wǎng)和低速個(gè)人無(wú)線Mesh網(wǎng)。最后論述了無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的安全問(wèn)題。,1、WMN簡(jiǎn)介,無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)(Wireless Mesh Network,WMN) 傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)必須首先訪問(wèn)集中的接入點(diǎn)(AP)才能進(jìn)行無(wú)線連接。即使兩個(gè)IEEE 802.11b的節(jié)點(diǎn)互相挨著，它們也必須通過(guò)接入點(diǎn)才能進(jìn)行通信。 而在無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與一個(gè)或者多個(gè)對(duì)等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接通信 . WMN

2、包括Mesh路由器和Mesh客戶(hù)機(jī)，Mesh客戶(hù)機(jī)可以是固定的，也可以是移動(dòng)的結(jié)點(diǎn)，而Mesh路由器較為固定。WMN可以為傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)客戶(hù)端提供服務(wù)。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是動(dòng)態(tài)的，具有自組織、自我配置、自恢復(fù)，無(wú)集中控制和中心結(jié)點(diǎn)，結(jié)點(diǎn)可以自動(dòng)加入或退出，不需要人為干預(yù)就可以自動(dòng)組成網(wǎng)絡(luò)，由于WMN具備自動(dòng)建立和維護(hù)Mesh連接的功能，使WMN網(wǎng)絡(luò)更易于維護(hù)，更加健壯，提供可靠的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。,(1)設(shè)施/骨干型,WMN的這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最常用。 具有自組織、自恢復(fù)功能的Mesh路由器構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的骨干部分， Mesh路由器同時(shí)又是和Internet連接的網(wǎng)關(guān)， 路由器與路由器之間以及路由器和客戶(hù)機(jī)之間使用不同的

3、頻段， 減少相互間的干擾。,2、WMN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) （三種類(lèi)型）,（2）對(duì)等型WMN,這種WMN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提供客戶(hù)機(jī)間對(duì)等通信， 該結(jié)構(gòu)中并沒(méi)有Mesh路由器， 客戶(hù)機(jī)和用戶(hù)終端實(shí)現(xiàn)路由、網(wǎng)關(guān)以及自組織的功能。,（3）混合型WMN,混合型WMN是前兩種網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的結(jié)合， Mesh客戶(hù)機(jī)可通過(guò)Mesh路由器或通過(guò)其他Mesh客戶(hù)機(jī)接入， 由Mesh路由器構(gòu)成骨干網(wǎng)為Mesh客戶(hù)機(jī)提供Internet接入， 而Mesh客戶(hù)機(jī)的路由功能提高了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。,3、WMN的優(yōu)點(diǎn),（1）基礎(chǔ)設(shè)施鋪設(shè)成本低 目前無(wú)線接入Internet的主要途徑是通過(guò)在熱點(diǎn)地區(qū)鋪設(shè)Wi-Fi，基本是一個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）或

4、者由多個(gè)WLAN組成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線用戶(hù)通過(guò)基于802.11的WLAN接入Internet。由于802.11信號(hào)覆蓋范圍有限，為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)城市任何地方都能實(shí)現(xiàn)無(wú)線接入，必須建立很多接入點(diǎn)，這些接入點(diǎn)通過(guò)有線電纜或光纖連接到Internet，很顯然成本較高。同時(shí)過(guò)多有線接入也大大降低鋪設(shè)速度。 而Mesh網(wǎng)絡(luò)同Internet只有幾個(gè)接入點(diǎn)，故這種網(wǎng)絡(luò)大大減少網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施成本，鋪設(shè)速度快，可為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商降低70%75%的運(yùn)營(yíng)和安裝成本。,（2）信息傳輸可靠性高 由于無(wú)線Mesh骨干網(wǎng)為每個(gè)用戶(hù)之間提供多條傳輸路徑接入Internet，路由算法和調(diào)度程序會(huì)為用戶(hù)選擇最優(yōu)的路徑接入Interne

5、t，從而增加通信的可靠性，消除了用戶(hù)之間通信失敗或鏈路造成的通信瓶頸。用戶(hù)可以選擇多個(gè)接入點(diǎn)中的任何一個(gè)接入Internet，故有很強(qiáng)的容錯(cuò)恢復(fù)能力。,（3）自我管理能力強(qiáng) 由于采用點(diǎn)到點(diǎn)的聯(lián)網(wǎng)，所以WMN形成一個(gè)分布式的系統(tǒng)，故擁有adHoc網(wǎng)絡(luò)所有優(yōu)點(diǎn)，如自配置和自恢復(fù)功能。因此，用戶(hù)進(jìn)入該網(wǎng)絡(luò)是自動(dòng)的透明的。如果增加新的結(jié)點(diǎn)到Mesh網(wǎng)絡(luò)中，這些結(jié)點(diǎn)用它們的Mesh功能自動(dòng)發(fā)現(xiàn)所有的無(wú)線路由器，尋找最佳接入Internet的路徑。,4、WMN的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),按不同的標(biāo)準(zhǔn)分為無(wú)線網(wǎng)狀城域網(wǎng)（WMAN mesh），無(wú)線網(wǎng)狀局域網(wǎng)（WLAN mesh），低 速個(gè)人無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)（LR-WPAN mes

6、h）。,（1）無(wú)線網(wǎng)狀城域網(wǎng),IEEE802.16工作組定義了無(wú)線城域網(wǎng)的物理層及媒體控制訪問(wèn)層底層標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 802.16a標(biāo)準(zhǔn)2 合并了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（PMP）模式與網(wǎng)狀模式（mesh mode）。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工作在2-11GHz內(nèi)，允許非視距傳,覆蓋范圍達(dá)方圓50km。 點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)（PMP）模式與網(wǎng)格模式最主要的不同是后者能多點(diǎn)通信。PMP要求每個(gè)工作站必須直接與基站相連，但在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中相鄰工作站之間可以彼此通信。一個(gè)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的工作站必須有路由器的功能來(lái)傳遞工作站之間的信息，直到它到了基站。,一個(gè)新的結(jié)點(diǎn)要加入網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)要經(jīng)過(guò)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)與自我調(diào)節(jié)兩個(gè)過(guò)程。 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的活動(dòng)結(jié)點(diǎn)周期性地向新的結(jié)點(diǎn)發(fā)送

7、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)配置（MSHNCFG）消息，MSHNCFG包括了諸如基站數(shù)目和正在使用的基本信道等信息。新結(jié)點(diǎn)（也叫候選結(jié)點(diǎn)）接受到MSHNCFG消息后，就會(huì)與網(wǎng)絡(luò)建立同步并且開(kāi)始進(jìn)入該網(wǎng)絡(luò)。如果候選結(jié)點(diǎn)同時(shí)收到了多個(gè)結(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的MSHNCFG消息，它會(huì)選擇其中的一個(gè)結(jié)點(diǎn)與之同步并發(fā)送進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)（MSHNENT）消息。當(dāng)被授權(quán)后，新結(jié)點(diǎn)將會(huì)有一個(gè)16bit的標(biāo)識(shí)符（ID），此ID是由網(wǎng)絡(luò)的基站分配。,基于IEEE 802.16a的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)局限性。 第一，它只適用于寬帶應(yīng)用；第二，與已經(jīng)存在的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)（PMP）模式不兼容。 為了突破這兩個(gè)局限，802.16工作組成立了另一個(gè)叫做MMR的研究小組。MMR

8、主要研究?jī)煞矫娴膯?wèn)題，一個(gè)是在PMP模式中如何來(lái)擴(kuò)大基站的覆蓋范圍從而能覆蓋到哪些原來(lái)沒(méi)有被基站覆蓋的工作站；另一個(gè)就是如何運(yùn)用中繼站中的多次反射中繼技術(shù)來(lái)支持移動(dòng)工作站。中繼站能在工作站和基站之間，移動(dòng)站與基站之間，兩個(gè)中繼站之間，中繼站與基站之間轉(zhuǎn)播信息。中繼站模式是一種樹(shù)狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。,（2）無(wú)線網(wǎng)狀局域網(wǎng),802.11工作組在2004年5月成立一個(gè)叫做“IEEE 802.11s ESS mesh”的工作組。802.11s工作組的主要工作就是為無(wú)線網(wǎng)狀局域網(wǎng)的安裝、配置、運(yùn)行制定新的協(xié)議。它的執(zhí)行將在已經(jīng)存在的IEEE 802.11a/b/g/n的物理層之上，使用未經(jīng)許可的2.4-5GH

9、z頻率段。規(guī)范中制定了一個(gè)設(shè)備一啟動(dòng)就能使無(wú)線網(wǎng)狀局域網(wǎng)進(jìn)入自我配置階段的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中在媒體控制訪問(wèn)層來(lái)指定路徑選擇，而不是原來(lái)的采用多次反射網(wǎng)狀技術(shù)的在網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行路由選擇的方法。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)還希望支持媒體控制訪問(wèn)層的廣播傳輸與多播傳輸。 支持采用多信道技術(shù)的設(shè)備，提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的容量。,只要有Mesh中繼功能的基于802.11實(shí)體，都可以看成一Mesh節(jié)點(diǎn) （MP）。Mesh點(diǎn)的最小功能應(yīng)該包括鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，信道選擇，與鄰 居節(jié)點(diǎn)建立鏈接和直接交換信息。 一些Mesh點(diǎn)作為Mesh接入點(diǎn)（MAP）使用，扮演接入點(diǎn)（AP）的角 色。,一些Mesh點(diǎn)作為Mesh訪問(wèn)入口（MPP），將無(wú)線網(wǎng)狀

10、局域網(wǎng)鏈接成一個(gè)更大的網(wǎng)絡(luò)，并可當(dāng)作網(wǎng)關(guān)使用。 為唯一定義一個(gè)無(wú)線網(wǎng)狀局域網(wǎng)，該網(wǎng)中每個(gè)Mesh點(diǎn)都分配了一個(gè)共同的MeshID。,（3）低速個(gè)人無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng),IEEE 802.15.4對(duì)低速個(gè)人無(wú)線局域域網(wǎng)的物理層（PHY）和媒體控制訪問(wèn)層（MAC）的功能作了規(guī)定。 低速網(wǎng)狀體系結(jié)構(gòu)技術(shù)基于網(wǎng)狀樹(shù)方法；包括網(wǎng)狀樹(shù)路由，話(huà)音發(fā)送，關(guān)鍵詞預(yù)先分配。 健全適應(yīng)樹(shù)-在建議中的樹(shù)是健全自適應(yīng)樹(shù)（ART），這是基于下面事實(shí)：在形成樹(shù)的時(shí)候?yàn)榱朔从硨?shí)際網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就自適應(yīng)的分配了邏輯地址，并且在一個(gè)節(jié)點(diǎn)斷接時(shí)樹(shù)還有效。在ART中每一個(gè)接點(diǎn)都有它的ART表來(lái)保存它的分枝信息。 按功能來(lái)講，在ART中定義了三

11、個(gè)時(shí)期：初始化階段，運(yùn)行階段，修復(fù)階段。,在初始化階段，接點(diǎn)加入到網(wǎng)絡(luò)，ART樹(shù)形成。 在運(yùn)行階段，網(wǎng)絡(luò)仍然允許新的結(jié)點(diǎn)加入，如果網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點(diǎn)數(shù)或者網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化，就需要重新對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置了。 如果樹(shù)被損壞，修復(fù)階段即被激活了。要注意修復(fù)階段與其它兩個(gè)階段不同，只有被影響的部分需要進(jìn)入修復(fù)階段，沒(méi)有受到影響的仍然處于運(yùn)行階段。,。ART樹(shù)的初始化分成為兩個(gè)階段：連接與地址分配。在連接階段，從根結(jié)點(diǎn)開(kāi)始，結(jié)點(diǎn)自動(dòng)加入到網(wǎng)絡(luò)并形成一棵樹(shù)。但并不是ART樹(shù)，因?yàn)闆](méi)有給結(jié)點(diǎn)分配邏輯地址。當(dāng)樹(shù)到達(dá)它的底部的時(shí)候，沿著樹(shù)枝從底向上計(jì)算結(jié)點(diǎn)的數(shù)目。 分配地址的最后結(jié)果是為每個(gè)結(jié)點(diǎn)建立了ART表。在運(yùn)行階段

12、，鏈接失敗或者路由失敗將激發(fā)修復(fù)階段。ART樹(shù)的修復(fù)能在不改變?nèi)魏我逊峙涞刂返那闆r下完成，因此也不需要更改ART表。,Mesh健全自適應(yīng)樹(shù)（MART）-MART可以在ART的基礎(chǔ)上形成。 從每個(gè)分開(kāi)的結(jié)點(diǎn)看，網(wǎng)絡(luò)仍然是一棵樹(shù)。任何兩個(gè)用洋紅色線連在一起的結(jié)點(diǎn)可以被當(dāng)作是彼此的子結(jié)點(diǎn)，要加入到對(duì)方的ART表中。 形成網(wǎng)狀自適應(yīng)健全樹(shù)，可使路由選擇的時(shí)候選擇更短的路。MART的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是解決了單點(diǎn)斷連導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓的問(wèn)題。,ZIgBee聯(lián)盟以802.15.4為基礎(chǔ)，制定低速個(gè)人無(wú)線域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層以及網(wǎng)絡(luò)安全的規(guī)范。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)有3個(gè)邏輯設(shè)備確定,即ZigBee協(xié)調(diào)器,ZigBee中繼

13、器,ZigBee終端器件。 ZigBee協(xié)調(diào)器是全功能的，負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的建網(wǎng)，同時(shí)它也是網(wǎng)關(guān)。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)協(xié)調(diào)器。 ZigBee路由器是全功能的，在個(gè)人活動(dòng)空間中可以當(dāng)作協(xié)調(diào)器使用。 ZigBee終端器件是全功能的或半功能的設(shè)備。 ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大，網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)“多級(jí)跳”的方式來(lái)通信；還可以組成更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)還具備自組織，自愈的功能。,5、WMN的安全,WMN是否安全直接決定了它的生命期的長(zhǎng)短。 （1）WMN的安全概要 中心化的機(jī)制不能廣泛用于WMNs。WMNs目前還沒(méi)有一種可靠有效并且可以大規(guī)模應(yīng)用的安全機(jī)制來(lái)保障整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的安全，因?yàn)閃MN采用電磁波作為傳輸介

14、質(zhì)，這就使信道和節(jié)點(diǎn)具有脆弱性，網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有必要的基礎(chǔ)設(shè)施，而且網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是動(dòng)態(tài)變化的。這些都有可能被攻擊者利用。 攻擊者可以通過(guò)某些手段將分組引導(dǎo)到一個(gè)不存在的地方，比如利用ARP欺騙，還可以通過(guò)公告路由更新使路由表出現(xiàn)錯(cuò)誤，程序上的漏洞、加密算法上的漏洞有可能被攻擊者所利用（由于無(wú)法構(gòu)建可信任的第三方）。因此另一個(gè)交換協(xié)議-隨機(jī)交換就成為必要。隨機(jī)交換目前可以保證攻擊者無(wú)利可圖。,（2）基于IEEE802.16Mesh網(wǎng)絡(luò)的安全機(jī)制 IEEE802.16通過(guò)在MAC層定義一個(gè)保密子層來(lái)提供安全保障。保密子層包含兩個(gè)協(xié)議：數(shù)據(jù)加密封裝協(xié)議和密鑰管理協(xié)議。其中數(shù)據(jù)加密封裝協(xié)議定義了兩方面的內(nèi)

15、容： IEEE802.16支持的密碼組件，如數(shù)據(jù)加密和認(rèn)證算法和如何把加密算法運(yùn)用到MAC層數(shù)據(jù)單元載荷中。 密鑰管理協(xié)議用于管理密鑰的傳播，更新等，維護(hù)其安全。,工作流程 節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的申請(qǐng)認(rèn)證步驟： SS（用戶(hù)站）向BS（基站）發(fā)送認(rèn)證消息。 SS向BS發(fā)送授權(quán)請(qǐng)求消息。 BS認(rèn)證SS的身份，如果認(rèn)證通過(guò)則為SS激活一個(gè)AK（授權(quán)密鑰） BS用SS的公鑰加密AK，然后將其發(fā)送給SS SS周期性的向BS發(fā)送授權(quán)請(qǐng)求消息給BS來(lái)更新AK SS獲得AK之后，利用AK向BS申請(qǐng)TEK（維護(hù)傳輸加密密鑰），再利用TEK對(duì)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密，并且定時(shí)更新TEK和AK。 這一機(jī)制存在很大的漏洞

16、，即只進(jìn)行單向認(rèn)證，BS對(duì)SS 進(jìn)行了認(rèn)證，而SS卻沒(méi)有對(duì)BS的合法性作出認(rèn)證。這樣 攻擊者就可以偽裝成BS。,IEEE802.16 Mesh模式中節(jié)點(diǎn)建立連接的過(guò)程符合上面通用過(guò)程 節(jié)點(diǎn)A發(fā)送一個(gè)Challenge，HMAC共享密鑰，幀號(hào)，IDa，IDb 收到后節(jié)點(diǎn)B計(jì)算，然后再比較，如相同則同意建立連接并返回一個(gè) Challenge，否則返回一個(gè)拒絕消息。節(jié)點(diǎn)A收到消息后作同樣的事，先計(jì)算比較，如果相同則返回接受消息，否則返回拒絕消息。 此信任模型存在潛在的危險(xiǎn)，即無(wú)法抵擋中間人攻擊。 如果引入可信任的第三方來(lái)管理公開(kāi)密鑰，當(dāng)然也可以對(duì)DH的密鑰交換進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷模ㄒ腚S機(jī)數(shù)N，以防止中間人攻擊）然后應(yīng)用于WMN中。,Diffie-Hellman密鑰交換過(guò)程。A，B可利用共享的密鑰K來(lái)加密需要發(fā)送的消息。,引入公鑰機(jī)制下兩個(gè)節(jié)點(diǎn)協(xié)商