（计算机应用技术专业论文）无线mesh骨干网internet网关布放技术研究.pdf

哈尔滨t 程大学硕十学位论文 摘要 随着无线通信和移动计算技术的发展，人们对无线宽带接入提出了更高 的要求。无线网络能够实现高容量、高速率的i n t e m e t 接入，是未来无线通 信逐渐替代有线网络通信的先决条件，但是现有的无线网络存在着覆盖范围 窄、通信可靠性差等问题。无线m e s h 网络作为一种具有极大优势和潜力的 无线宽带接入技术能够有效地解决上述问题，必将成为未来无线通信核心网 络技术之一。 本文概述了无线m e s h 这种新型阏络接入技术相对予传统无线接入技术 的优势，分析了其所具备的特点、局限性和关键技术。文中重点描述了无线 m e s h 骨干网巾i n t e m e t 网关的布放和发现这两种关键技术，并详细分析了现 有网关布放和网关发现在解决方案上存在的缺陷及技术上的挑战。 首先针对无线m e s h 骨于阏中网关布放所存在的闻题提出一种算法。根 据网络的具体情况，该算法实现了布置网关数量最少、路由器与网关之间路 由跳数最小的目标，同时仿真分析表睽本算法可以减小网络通信延迟，使得 网络中网关的吞吐量达到整个网络通信量的要求。 针对无线m e s h 骨干霹中网关发现所存在的问题提& 了一种囊适应的动 态多机制算法。该算法可以根据整个网络的状态进行动态调节网关公告的范 重，丽时选择到达网关的路由充分考虑节点引起的拥塞和竞争，实验结果表 明该算法能有效地减少网关发现时的网络开销、避免某些区域通信量过高造 成的数据包丢失，进丽提高了数据包的投递率。 关键词：无线m e s h 蹰络；网关布放；网关发现 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 a b s tr a c t w i r e l e s sb r o a d b a n da c c e s sw a sr e q u e s t e df o re v e nh i g h e rr e q u i r e m e n t s r e c e n t l y w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sa n dm o b i l e c o m p u t i n gt e c h n i q u e s w i r e l e s sn e t w o r ki so n eo ft h ek e yt e c h n i q u e su s e db yt h e f u t u r ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st o r e p l a c et h ew i r e dn e t w o r kg r a d u a l l y , w h i c h i m p l e m e n t st h eh i g h c a p a c i t ya n dh i g h - s p e e di n t e m e ta c c e s s 。h o w e v e r , t h e r e w e r es o m ep r o b l e m si nt h ee x i s t i n gw i r e l e s sn e t w o r k ，s u c ha sn a r r o wc o v e r a g e ， p o o rc o m m u n i c a t i o nr e l i a b i l i t y a san o v e lw i r e l e s sb r o a d b a n da c c e s st e c h n i q u e w i t hg r e a ta d v a n t a g e sa n dp o t e n t i a l i t i e s ，w i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ( w m n ) c a n s o l v ep r o b l e m sa b o v ee f f e c t i v e l y , a n di ti sb o u n dt 0b e c o m eo n eo fc o r e t e c h n i q u e so ft h ef u t u r ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s t h et h e s i ss u m m a r i z e st h ea d v a n t a g e so ft h ew i r e l e s sm e s hn e t w o r k c o m p a r e d 晰t ht h et r a d i t i o n a lw i r e l e s sa c c e s st e c h n i q u e s ，m e a n w h i l ea n a l y z e si t s f e a t u r e s ，l i m i t a t i o n sa n dt h ec r i t i c a lt e c h n i q u e sr e l a t e d t h e ni te m p h a s i z e so nt h e i n t e r n e tg a t e w a yp l a c e m e n ta n dd i s c o v e r yw h i c ha r et w oc r i t i c a lt e c h n i q u e sa n d a n a l y z e st h ed e f i c i e n c i e sa n dt e c h n i c a lc h a l l e n g e so fc u r r e n ts o l u t i o n st ot h e g a t e w a yp l a c e m e n ta n dd i s c o v e r yi nd e t a i l f i r s t l y , a na l g o r i t h mi sp r e s e n t e db a s e do nt h ee x i s t i n gp r o b l e m so ft h e g a t e w a yp l a c e m e n ti nt h eb a c k b o n eo fw m n a c c o r d i n gt os p e c i f i cc o n d i t i o n so f n e t w o r k ，t h i sa l g o r i t h mc a ni m p l e m e n tt h em i n i m a ln u m b e ro ft h ep l a c e dg a t e w a y a n dt h em i n i m a lh o p sb e t w e e nt h er o u t e r sa n dg a t e w a y s a n dt h e nt h es i m u l a t i o n a n a l y s i so fp e r f o r m a n c eo ft h ea l g o r i t h mi sm a d eu n d e rd i f f e r e n tn e t w o r ks t a t e s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mi sa b l et or e d u c e st h ed e l a yo ft h en e t w o r k c o m m u n i c a t i o n s ，a n da tt h es a m et i m em a k e st h et h r o u g h p u to fe a c hg a t e w a yi n t h en e t w o r km e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h en e t w o r kt r a f f i c t h e n ，a na d a p t i v ed y n a m i cm u l t i m e t r i cg a t e w a ya d v e r t i s e m e n ta l g o r i t h mi s 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 a l s o p r e s e n t e db a s e do nt h ee x i s t i n gp r o b l e m so fg a t e w a yd i s c o v e r y i nt h e b a c k b o n eo fw m n ，w h i c hm a k e sd y n a m i ca d j u s t m e n t sa c c o r d i n gt ot h es t a t eo f t h ew h o l e n e t w o r k ，s e l e c t sg a t e w a y sr o u t i n gc o n s i d e r i n gc o n g e s t i o n a n d c o m p t i t v ec a u s e db yn o d e s a n dt h e ne x p e r i m e n ti sd o n e f o r v e r i f y i n gt h e p e r f o r m a n c e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a tt h e a l g o r i t h mr e d u c e s t h e n e t w o r ko v e r h e a d si n g a t e w a yd i s c o v e r ye f f e c t i v e l y , m e a n w h i l ea v o i d sp a c k e t l o s sc a u s e db ye x c e s s i v et r a f f i ci nc e r t a i na r e aa n dt h u si m p r o v e st h ep a c k e t d e l i v e r yr a t e s k e y w o rd s ：w i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ；g a t e w a yp l a c e m e n t ；g a t e w a yd i s c o v e r y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作 者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文 中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担? 、 、 作者( 签字) ：津史 日期：加口7 年刁月，多日 哈尔滨工程大学 7 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：津亟喇 日期：别年孑月，7 1 3 l| 导师( 签字) ：饧爱 缈9 1 年7 闫心目 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 第1 章绪论 互联网在全球的广泛应用使人们能够及时地了解世界各地的新闻，方便 地获取信息，如股市行情、旅游信息、生活资讯等，还可以参与网上互动游 戏、尝试网上远程教育和购物，它已经成为人日常活动不可缺少的部分。然 而随着通信技术的迅猛发展和人们学习生活娱乐方式的改变，打破有线网络 的限制，任何时候都可以游览网上的信息、与他人进行交流和沟通是必然趋 势。各种无线网络通信技术，如蜂窝移动通信网、w i f i 、w i m a x 等，的出 现使人们之间的通信更加方便和快捷。然而传统的无线通信技术存在先天的 不足，即无线接入点的覆盖范围有限，若在较大的区域提供无线覆盖就需要 配置多个接入点导致建设成本增加。 无线m e s h ( w m n ，w i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ，称为无线网状网) 网继承了 w l a n 和a d h o e 网络的优点能为移动用户提供高容量、快速的无线接入环 境幢，且充分发挥了两者的优势，是解决宽带无线接入“最后一公里 瓶颈问 题的新型网络结构。2 0 0 4 年1 月，i e e e 8 0 2 1 1w o r k i n gg r o u p 正式专门成立 了网格研究组( m e s hs t u d yg r o u p ) ，同年3 月有成立了网格任务组( m e s ht a s k g r o u p ) ，这标志着w m n 正式迈上了广泛标准化道路口1 ，目前w m n 已被纳入 i e e e 8 0 2 1 6 无线城域网( w m a n ，w i r e l e s sm u n i c i p a la r e an e t w o r k ) 标准中。 下一代无线网络发展的目标是为用户提供高速率、大容量无线网络以便 支持各种宽带业务的接入，无线m e s h 网络无疑是最佳的选择之一。它可以 实现人们移动通信的梦想，而且具有快速部署、结构灵活、健壮性等特点， 拥有非常广阔的应用前景。当前无线m e s h 网络布置工作，包括物理区域选 择、拓扑结构设计、i n t e m e t 网关及其路由的选择等问题都成为制约无线m e s h 网络大规模应用的重要因素，加之使用无线传输技术作为物理层通信手段， 其无线信道本身的物理特性，如干扰、衰减、多路径效应等，导致无线信道 有效带宽较窄，要使无线m e s h 网络大规模应用就必须先攻克这些关键技术。 哈尔滨t 程人学硕十学何论文 综上，无线m e s h 网络凭借优秀的网络结构将会成为下一代无线通信技 术的重要组成部分，并且它以众多的优势正在挑战现有的无线网路通信技术， 使得该领域的研究成为热点问题。本文将研究重点放在无线m e s h 网络骨干 网的网关布放及其发现技术上。如何有策略的布置网关，避免网络的拥塞和 竞争导致的数据包丢失等：在将整个m e s h 网络接入到i n t e m e t 为无线终端提 供i n t e m e t 服务之前，如何进行网关路由发现。这些问题都是在无线m e s h 网 络应用之前必需要解决的问题。 1 1 无线m e s h 网络的特点及应用 1 1 1 无线m e s h 网的优缺点 传统的无线网络分为两种：一种是点到点的网状网络，如移动a d h o c 网络；一种是点到多点的星型网络，如i e e e 8 0 2 1 l 无线局域网w l a n 。无 线m e s h 网采用了对等式网络拓扑结合了以上两种网络的优点，主要体现在 以下几个方面： ( 1 ) 多跳路由和大容量：与传统的单跳无线接入相比w m n 采用多跳接入 技术，可以在不降低信道容量的前提下增加系统容量，扩展网络覆盖范围； 多跳路由还可以实现频率重用，提高频谱利用率，进而增加网络容量n ，。 ( 2 ) 简化的链路设计：无线m e s h 网的节点呈网状连接，通信时数据包是 通过多个节点进行转发到达目地节点。因此在无线m e s h 网中通常只需要较 短的单跳无线链路，对天线的传输距离和性能要求大大降低，不仅节省了天 线成本，而且节点间通信距离变短，发射功率也降低了，减小了不同系统射 频信号间的干扰，最终简化了无线链路设计。 ( 3 ) n 络覆盖范围大：节点之间是通过多跳路由转发机制进行通信，这样 m c s 可以在任何地点选择接入w m n 网络中的任何节点进而连接到i n t e m e t ， 扩展了传统网络的覆盖范围。 ( 4 ) 具有冲突保护机制：无线m e s h 网可以减轻业务执行时碰撞现象的发 2 哈尔滨j l 稗人学硕十学何论文 生，可选链路与本身链路之间的夹角为钝角减轻了链路的干扰。由于m e s h 网为每个数据通信业务都提供多条链路，一旦发生碰撞系统自动对碰撞的链 路进行标识，并将在此链路上执行的业务转移到其它可选链路中。 ( 5 ) 通信负载平衡：无线m e s h 网中每个节点都有多条链路可用，网关和 路由器根据每个节点的通信负载情况动态的分配通信数据流，从而能有效的 避免节点因竞争而引起的拥塞。 尽管无线m e s h 网络的好处非常多，但也存在一定的不足： ( 1 ) 由于数据包的多跳转发引起的传输延迟可能过大。 ( 2 ) 信道竞争问题：大量节点同时进行通信势必引起对无线信道的竞争导 致数据包丢失，如何进行信道分配减少干扰是一项非常关键的技术。 ( 3 ) 分散管理问题：由于无线m e s h 网中节点分散性，很难实现如有线网 络一样的集中管理，即便是节点移动性较低，网络配置和管理仍旧是一个非 常难以解决的问题。 ( 4 ) 安全问题：由于无线m e s h 网的无线设备布置的区域离人群较近容易 受到人为的破坏，并且本身结构不是十分牢固极易遭受其它节点的攻击、干 扰、窃听，所以安全是无线m e s h 网必须解决的重要问题之一。 ( 5 ) 互操作性问题：目前影响无线m e s h 网技术迅速普及的一个重要障碍 就是互操作性，没有统一的技术标准使得用户无法选择使用哪个厂商的无线 m e s h 产品。 1 1 1 无线m e s h 网的应用 智能天线、m e s h 网络、m a n e t 网络和u w b ( 超宽带) 技术将会成为 未来通信技术领域中的主流，它们很有可能成为4 g ( 第四代移动通信) 网络 通信技术。目前很多团体和公司，如北电网络、m e s h n e t w o r k s 、t r o p o s 、 s k y p i l o t 、摩托罗拉等，正在对w m n 网络进行深入的研究，以便尽可能早的 大规模商业应用晦- 。 可见无线m e s h 网具有非常广阔的应用前景，现归纳如下： 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 ( 1 ) 社区网络：如校园、医院、休闲娱乐场所等可以利用无线m e s h 网构 成社区网络( c o m m u n i t yn e t w o r k s ) 。校园无线网络规模巨大，不仅地区的覆盖 范围大，而且用户和通信量也是巨大的。对于医院来说，由于某些区域要防 止电磁辐射，这样传统的网络布置线路较困难且对网络健壮性要求较高，如 医院的重要活动( 如手术) 不会因网络的故障带来灾难性的后果。通过组建 无线m e s h 网可以轻松的解决这些问题，同时m e s h 网本身健壮性和高容量也 更是适合以上的环境。 ( 2 ) 家庭网络：可以将种类繁多的家庭消费类电子产品，如笔记本、p d a 、 等组成数字化家庭m e s h 网络，方便人们的同常生活实现家庭安全系统联网、 i n ( e m e t 接入、家庭通信设备互联等。 ( 3 ) 企业网络：无线m e s h 网络既可以提供整个企业内部人员的访问网络 的需求、实现内部的资源共享，允许企业用户共享带宽实现网络负载平衡。 企业内部的大型会议的场合，无线m e s h 网可以使工作人员在极短的时间内 方便的得到计算机网络的服务，并能和i n t e m e t 连接获得更多信息，也可以 使用移动计算机互相通信、传递稿件和制作报告等。 ( 4 ) 应急通信网络：这种临时的网络要求建网时间短、性能好、具有临时 性。如灾难救援现场为营救人员提供的应急通信服务，特别是在通信基础设 施遭受破坏的突发事件现场更加重要，如地震现场，通过组建m e s h 临时通 信网络以便迅速开展救援工作。 ( 5 ) 城市交通网络：为城市地铁、轻轨等车辆提供移动w i f i 接入，通过 站台无线a p 为车内旅客建立移动宽带接入环境，这些都要求所建的网络使 用尽量少的基础设施，而且能够提供移动宽带服务。 1 2 无线m e s h 网络的网络结构 无线m e s h 网的结构呈栅格状，整个网络由i n t e m e t 网关、m e s h 路由器 和移动客户端三种设备组成。 m e s h 路f l t 器( m r s ，m e s hr o u t e r s ) ：m r s 之间通过无线多跳连接形成了 4 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 m e s h 骨干网，m 黜具备无线路由器和无线a p ( a c c e s sp o i m ) 功能模块。一种 情况是当移动客户端需要通过m e s h 主干网与另一个移动节点通信时m r s 为 它提供分组路由和转发，并且转发分组信息的路由是临时配置的实现了动态 路由。另一种情况是移动客户端有i n t e r n e t 访问需求时m r s 首先执行a p 功 能将其接入到m e s h 骨干网，然后在m e s h 骨干网中将数据包路由转发到网关 进而发送到i n t e m e t 上的某个节点。 移动客户端( m c s ，m o b i l ec l i e n t s ) ：m c s 不仅是数据的收发装置，而且 还具有一定的m e s h 网络互联和路由分组转发功能，但一般不具有网关功能。 因此m c s 的设备要比m 风间简单的多也更灵活，它可以是笔记本电脑、i p 电话、p d a ( p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t ) 等无线设备。 i n t e m e t 网关( i g w s ，i n t e m e tg a t e w a y s ) ：i g w s 同时具有有线和无线两种 接口，并且配置的数量根据需要决定。m e s h 骨干网和i n t e m e t 是通过i g w s 连接到一起的，可以说i g w s 是有线和无线网络通信时至关重要的设备。 1 2 1 骨干m e s h 结构 如图1 1 所示，这种分为上下两层的结构在文献【5 】中被称为多级结构。 在这种结构中，m c s 可以是笔记本电脑、p d a 、车载蓝牙、具有i p 地址的 手机等。这些终端节点通过m r s ( 执行a p 功能) 接入到m e s h 骨干网络中， 实现网络节点之间的互相通信，移动终端通过m r s 的路由选择和中继功能与 i g w s 相连，同时i g w s 和m 风相互利用路由和管理控制功能为m c s 选择与 目地节点最佳的通信路径，从而形成无线回路。同时通过i g w s 移动终端可 以与其它网络相连实现无线快速接入。在这种结构中，任意两个m c s 不具备 直接通信的能力。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 萨堂一9 - _ ：泳 q “8 譬。奄 b 。：蹩 z 驴多 、笪f 垡一一一一一一 圄1 1 骨干m e s h 结构 1 2 2 移动客户端m e s h 结构 m c s 通过自身的网络互联功能连接形成一个点到点服务的w m n ，两个 无法直接通信的m c s 可以通过其它m c s 以多跳的方式进行转发通信。如图 12 ，由于每个节点都可能是移动的，导致m c s 之间形成的这种小型的临时 的网络拓扑形状是任意的、变化非常快。它的优点就是不需要基础网络设施 就可以独立运行，快速的形成通信网络，这种结构其实就是a d - h o c 网络结构 模式，在没有或不便利用现有网络基础设施的情况下提供通信支持。移动客 户端m e s h 结构通常作为独立的网络使用，m c s 只和临时组成的网络内部节 点通信而不是访问i n t e m e t 。 旷。妒巳 |：，q n “ 带涉固6$旷 d 酗12 移动客户端m e s h 结构 堕尘至圭彗尘茎筌；：兰堡筌圣 12 3 混合m e s h 结构 混合m e s h 结构是以上两种结构的结合，如图13 。混合式无线m e s h 结 构既体现了骨干m e s h 网络结构的稳定性又体现了客户端m e s h 结构的灵活 性。m c s 可以与其它网络可联如i n t e m e t 、w i f i 、w i m a x 、蜂窝和传感器 网络等，又可以与其它m c s 直接通信转发其它节点的数据包到达目地节点， 提高了w m n 的连接性、扩大覆盖范围，这是未来最具有应用前景的一种网 络结构。图13 中的虚线和实线分别标识无线和有线连接。 阿络层 q 6 聪”“8 鬈墨涔，擎 图13 混合m e s h 结构 1 3 无线m e s h 网络的关键技术 建立大规模和高性能的多跳无线m e s h 骨干网，g t 前还没有现成的技术 和解决方案因为这涉及到相当多需要解决的问题： f 1 ) 前期建网拓扑结构、网关和路由器数量的选择、网关布放的位置等这 些都会直接影响整个网络的性能。 f 2 ) n 络运行时如何快速发现网关、合理的选择拥塞程度小的到达网关的 路由。 哈尔溟丁程大学硕十学能论文 篁i 1 1i ii i i i i i i i i 黼i i i i i i i 黼麓宣i i i i i 麓黼i i i i i i i 麓i i i i i i i 黼i i i i i i i 黼篁宣i ( 3 ) 现有的m a c 层和路由层的协议不能很好的支持网络扩展性，随着网 络节点数量的增加，吞吐量和传输时延的性能急剧下降，导致系统可扩展性 j z 慧o ( 4 ) w m n 网络的维护如何进行有效的资源管理，应用层、传输层、m a c 层和物理层的协议需要重新设计来适应无线m e s h 网络的特点。 1 3 + 1 物理层技术 物理层主要使用各种先进的技术来有效控制无线信号的发送和接收，尽 可能的提高物理层的传输速率、提高系统容量、增加频率的空间利用率、提 供宽带业务和满足不周q o s 的需求。主要使用的技术包括调制解调、智能天 线瀚、软件无线电、多进多i 嬲( m i m o ) 系统、正交频分复用( o f d m ) 、超宽带 ( u m b ) 技术以及多天线技术等h ，。传统的天线技术是保证每个节点和各个方向 上的多个节点通信使用全向天线，但覆盖服务有限，而且产生节点之闯的相 互干扰导致频谱利用率下降、网络容量减小。所以，在i e e e 8 0 2 1 6 a 宽带无 线接入标准中建议把智能天线技术应用到无线m e s h 宽带接入网络中。此外， 必需进一步改善无线射频性能以及高层协议的控制，更先进的智能无线电 ( c o g n i t i v e r a d i o s ) 、感知无线电技术也开始在无线系统中运用。 1 3 。2 媒体访问控制层技术 媒体访问控制层( m a c ) 在网络协议栈中主要是解决共享信道的竞争和信 遴资源分配与管理，主要涉及的技术包括多址接入和信道资源分配与管理。 多址接入技术用来解决相邻节点共享同一频段的问题，常见的多址接入技术 有c s m a c a 、t d m a 等，它们大多是针对单跳无线潮络焉设计并不适合现 有w m n 。其中正交分割多址接入技术( q d m a ) 在提高频谱效率和抗干扰性方 瑟体现出非常优越的性能渊，它专门为广域网内通信最优纯以及移动m e s h 嬲 系统设计，综合了f d m a 、t d m a 、c s m a c a 的优势，能进一步提高无线 m e s h 网的性能扭，。 g 哈尔滨下稃大学硕十学位论文 m a c 信道的分配和管理机制可以分为单信道和多信道技术，其系统容量 逐级增大的同时复杂度也随之增加。对于单信道来说，其中一种解决方案是 增强c s m a c a 协议，通过调整c s m a c a 的参数，如竞争窗口的大小和退 避算法的优化来实现n 。这种方案能显著提高一跳网络的吞吐量，但对于多 跳的m e s h 网，由于不能减小相邻节点碰撞的概率导致吞吐量大幅度降低； 而对于多信道来说，为了使节点可以同时互不影响地工作在不同的信道以增 加系统容量，就需要设计m a c 层协议，如多信道m m a c t 川和s s c h 方案引， 其中m m a c 仍然存在尚未解决的一些问题( 同步难以实现、信道转化需要 开销) 。 综上，m a c 层设计是影响w m n 性能的关键技术之一，尽管物理层采 用先进的天线、编码和信号处理技术能够提供高容量、高性能的无线骨干网， 但是必须有相应的m a c 层协议与之配合才能达到理想的性能。 1 3 3 网络层的网关路由选择技术 将m e s h 网络接入到i n t e r a c t 不仅可以扩展自身的应用，而且本身多跳通 信的特点为无线接入提供了更大的覆盖范围。其中涉及到一个基本问题是， 当m c s 的数据包到达m e s h 骨干网时，如何快速的寻找、并将该数据包投递 到i g w s ，进而连接到i n t e m e t 实现无线网络和有线网络的互相通信，因此提 供一种网关发现机制并选择一条到达网关的路由是非常重要的技术之一。 目前针对m e s h 网络网关路由协议研究和具体的解决方法并不是很多， 无线m e s h 网络的网关路由协议可以参考已有无线网络( 如a d h o c ) 的相关 协议。现有的路由发现策略可以分为先应式路由协议( p r o a c t i v ep r o t o c 0 1 ) 、反 应式路由协议( r e a c t i v ep r o t o c 0 1 ) 。先应式的路由协议有：目的序列距离矢量 路由协议( d s d v , d e s t i n a t i o n s e q u e n c e dd i s t a n c ev e c t o r ) 、最优链路状态路由 协议o l s r ( o p t i m i z e d l i n ks t a t er o u t i n g ) 等；反应式的路由协议有：动态源路 由协议d s r ( d y n a m i cs o u r c er o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 、按需驱动距离矢量路由协议 a o d v ( a dh o co n d e m a n dd i s t a n c ev e c t o rr o u t i n g ) “1 等。另外网关路由协议 9 哈尔滨t 程大学硕十学能论文 i i i 的设计还应该考虑多判据、多信道路由，链路负载平衡、连接失败的可容错 性等因素。 1 3 4 其它关键技术 ( 1 ) 网关布放：在无线m e s h 骨干网中，影响整个网络性能的因素包括： 节点的传输范围、网关的数量、位置、访问的公平性等，其中网关的布放是 非常关键的技术之一，本文艨续章节将对这个问题进行重点研究。 ( 2 ) 服务质量保 = i e ( q o s ) 所谓q o s ，就是网络为用户传送端到端的数据时 必须满足的一套可测量的预先定义的基于端到端性能的服务属性，一般包括 时延、可用带宽和分组丢包率等。无线m e s h 网中支持q o s 保证所面临的技 术主要有如下几点： ( a ) 链路质量的预测：无线m e s h 网络使用无线通信进行传输，无线信号 传输面临着路径损失、多径衰落、干扰闯题。 ( b ) 分布式控制：由于信道使用权需要采用分布式获得，这导致优先级的 保证和资源的预留都有一定的随机性。 ( c ) 网络动态性：首先，m c s 设备通常使用生命期有限的电池作为资源。 其次，网络业务流的动态和不可预测。 网络动态性和通信介质的不可预测性使得状态信息的获取和维护非常困 难，也使得无线m e s h 霹中的q o s 保证机制透常工作在不准确的状态信息下。 ( 3 ) 安全技术：在无线m e s h 网中安全这两方面的问题将会得到越来越多 的重褫。无线m e s h 霹络要想成功的应用，还必须解决所有霹络都面临的安 全问题。无线m e s h 网络面临的安全威胁有其自身的特殊性：无线通信的本 质使其更容易受到窃听、假霹和篡改的攻击；m c s 在移动过程中可姥被截获， 使其还面临来自内部节点的攻击；网络决策和算法的执行需要多节点协作， 这种协作易遭到破坏。因此，针对以上存在的安全隐患有必要从新设计包括 安全m a c 、安全路由协议、入侵攻击探测、加密算法和安全密钥传送算法在 内的安全方案。 l o 哈尔滨丁程大学硕十学能论文 嗣i i i i ii 麓i i 1 4 本文主要研究内容与结构 全文结构具体安排如下； 第l 章首先无线m e s h 网络进行总体介绍，包括它的特点、应用，之后 详细描述的无线m e s h 网络的结构和关键技术。 第2 章首先介绍了无线m e s h 骨干网中网关布放的重要性，以及近年来 匿内外有关无线m e s h 网络网关毒放的研究现状；之质分拆了如何将m e s h 骨干网接入i n t e m e t 的一些存在的方法和相关领域的研究进展，分析了目前 嬲关发现策略存在的缺陷。 第3 章鉴于网关在无线m e s h 骨干网中重要地位，提出了一个针对m e s h 骨干网中如何布放黼关的算法，通过仿真实验验证了该算法在性能上优越性。 第4 章无线m e s h 网络最重要的功能就是提供m c s 接入i n t e m e t 的能力， 在如何将m e s h 骨干网接入i n t e m e t 的诸多关键技术中，针对其中的网关发现 的关键技术进行深入的研究，并提出了一个自适应的动态多机制网关发现算 法并通过实验说明了该算法能够有效减少网络开销。 最后，对本文所做的工作进行相应的总结，并提出了未来研究工作的方 向和一些相关的建议。 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 第2 章无线m e s h 骨干网的网关研究分析 尽管无线通信还存在诸多的缺陷、许多待解决的关键技术，但是它从被 发明时起就得到了极大的发展，其最大优点就是支持终端的移动性，另一个 优点是可以在不铺设线路的地方使用，例如用于地理环境恶劣地区的无线传 输和无线接入系统等。无线m e s h 网络作为一种先进的无线技术不仅受到通 信界的瞩目，且从组建网络思想上彻底颠覆了传统网络架构的思路，实现了 无线通信网络领域的突破。但某些关键技术没有达到大规模应用的层次，其 中m e s h 骨干网的网关布放和网关发现的解决方案并没有达到预期的效果。 综上，本章将对无线m e s h 骨干网中网关的布放和网关发现的技术、当 前的解决方案进行详细的分析，以便分析和研究。 2 1 无线m e s h 骨干网中网关的布放 2 1 1 网关布放的相关工作 w m n 这种新型的无线网络以其少量的基础设施构成覆盖范围广的宽带 无线接入网络，投入成本低、建网时间短、组网灵活、维护方便、易于扩展 升级等优势使其得到越来越广泛的应用1 。但充分发挥无线m e s h 网络的潜力 就必须解决诸如物理层和m a c 层的协议设计、网络层的路由算法等多项技 术难题。由于以上所有技术的实现都是基于物理设备的，对于整个m e s h 网 络来说首先应该完成的是m e s h 网络的铺设，这其中网关的布放又是网络架 设时首先考虑的最基本最重要问题。 因为所有和i n t e m e t 交换的数据流都必须流入或流出i g w s ，这会使i g w s 成为整个网络数据交换处理的中心，而且i g w s 的布置和后期的维护费用要 远大于其它的设备。使整个网络i g w s 的个数最小无疑会较少网络投入，但 少的i g w s 会提高整个网络m r - i g w 之间的平均跳数，这又会导致网络平均 延迟和中间媒体m 酗中继负载的增加，因此有策略的布放i g w s 对于无线 1 2 哈尔滨- 下稃大学硕十学何论文 m e s h 网络的管理和有效的操作是十分关键的。 目前对于无线m e s h 网的网关研究还没有全面展开，在文献【1 5 】中，作者 提出了一个贪婪的布放算法，该算法的目的是使得网关的数量最小同时保证 a p ( a c c e s sp o i n t ) 带宽的要求。它将网关布置问题作为网络流量的问题来解 决，严格限制路径长度，因此不能保证网络取得较好的性能。该算法重复选 取网关条件是必须满足最大通信量的要求，显然这种贪婪的方法能导致i g w s 负载不均衡，而且不能满足如链路容量、网络开销等限制。根据文献 1 6 】在 无线m e s h 网中布放i g w s 可以认为是具有限制条件的有容量限制设备的布 放问题( c f l p ，c a p a c i t a t e df a c i l i t yl o c a t i o np r o b l e m ) ，然而在多跳的网络环境 c f l p 与i g w s 的布放问题又不完全一样，如节点的中继负载、链路容量和其 它的限制在c f l p 中都不涉及。尽管已经提出了很多关于c f l p 和k 媒体问 题的算法m ，这些方法中大部分是基于几何距离或节点之间的跳数，这使得 q o s 的一些参数( 如端到端的延迟) 很难定义。 另一个相似的问题就是在i n t e m e t 上布放服务器和w e b 代理使得服务的 内容可以达到最优，由于代理位置的临时性和缓存的内容导致i g w s 的布 放问题和代理布放问题根本不同。文献 1 9 1 研究了在不同的网络模型下如何 i g w s 布放能使得无线网络的容量最大，但是a dh o e 网络与无线m e s h 网之间 存在很多的不同，这使得在a dh o e 中的很多理论无法直接应用。文献 2 0 】通 过动态的赋予m r s 不同的i g w s 使得i g w s 之间达到负载平衡，然而在设计 无线m e s h 网结构时并没有充分考虑经济利益和系统容量限制。 在无线网络中簇的方法也是经常使用，大部分是如何将图分解为具有更 小直径的图，这些算法大部分是把通信网络看作一个图，而没有考虑无线网 络实际的拓扑结构。文献 2 1 】提出将整个无线m e s h 网分等级的布放，将簇大 小进行严格的限制同时允许簇之间重叠，这种方案忽略其它的限制，如中继 负载大小。文献 2 2 虽然也提n - r 簇的概念，但网关布放分为两个分离的过 程：最小通信延迟和最小通信消费。对于每一个部分使用不同的算法，却使 用的策略却相同，算法为了下一次循环删除已经选择的网关。簇的大小和容 哈尔滨 ：程大学硕十学位论文 量这些q o s 参数在该算法中根本没有考虑，而且这个算法也无法保证是最优 的解决方案。 2 1 2 网关布放存在的问题 从上文提出的一些已经存在的解决方案可以看出，目前这些方法都没有 充分的考虑到无线m e s h 网独特的网络结构：多信道、多跳、多接口配置， 更没有考虑无线m e s h 网络配置中的一些性能参数，而这些方面又会严重影 响网络的性能。在无线m e s h 网络中究竟如何布放i g w s 是合理的，才能使 得网络的性能在具体的环境下达到最优化，确实需要小心的处理这个问题。 这也是本文的研究重点。 2 2 无线m e s h 骨干网与i n t e m e t 互联技术之网关发现 2 2 1 无线m e s h 骨干网与i n t e m e t 互联的策略 要想广泛的和成功的部署无线m e s h 网络的先决条件就是，可以为m c s 提供容易的i n t e m e t 接入的能力。目前无线m e s h 网络中的路由协议可以将数 据包路由到网关，能够提供和i n t e m e t 上的某个节点进行通信的连接。然而， 这种机制对于来自i n t e m e t 的进入无线m e s h 网的数据，进而和m e s h 网中的 某个节点进行通信的方式支持的并不好，而这又会影响到m c s 获得i n t e r n e t 的数据。针对无线m e s h 网络的这方面缺陷，目前存在的可能的解决方法包 括移动i p ( m o b i l ei p ) 技术旧1 和网络地址转换( n a t ，n e t w o r ka d d r e s st r a n s l a t i o n ) 技术，但是它们都是基于传统无线网络的技术，要想应用到无线m e s h 网络 必须对其进行改进。下面介绍一下这两种技术。 ( 1 ) 移动i p 移动i p 定义了三种功能实体：移动主机( m o b i l eh o s t ) 、家乡代j 里( h o m e a g e n t ) 和外地代t 里( f o r e i g na g e n t ) 。与移动主机通信的主机称为通信主机 ( c o r r e s p o n d i n gh o s t ) ，通信主机可以是移动的，也可以是静止的。通信主机与 1 4 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 移动主机通信时，通信主机总是把数据包发送到移动主机的家乡代理，而不 考虑移动主机的当前位置情况。当移动主机离开家乡链路时，它的家乡代理 把发往移动主机的所有数据包转发到移动主机的当前位置。对于发送到移动 主机的每个截获的数据包，家乡代理使用隧道( t u n n e l ) 技术把它们发送到移动 主机的当前转交地址。如果转交地址是外地代理的i p 地址，那么这个外地代 理是隧道的终端，此时外地代理从数据包中除去隧道报头，把剩余的部分发 送到移动主机。如果移动主机使用一个临时地址作为转交地址，那么数据包 将直接通过隧道传送到移动主机。 国内方面，文献【2 4 】讨论f m i p v 6 技术与d s r 协议进行融合接入i n t e m e t ， 给出了解决f m i p v 6 协议与a dh o e