无线Mesh网中基于OLSR协议的区域移动性网络端管理方案

1、 无线Mesh网中基于OLSR协议的区域移动性网络端管理方案何炬北京邮电大学计算机科学与技术学院,北京 (100876摘要:为使移动用户在切换无线Mesh网络中不同的WLAN接入点时,不会因为接入点和终端IP地址的变化而失去原有端到端数据连接,提出了一个涵盖Mesh网络第三层用户移动管理的OLSR改进协议,以插件的方式增加协议控制流程,保持移动用户的IP地址在切换前后不改变。并使用HNA消息机制对相关接入点的路由表进行同步,让新接入点代替旧接入点承担原数据连接中的终端数据转发。整个设计完全分布在网络端,无须用户终端支持额外协议流程。关键词:无线Mesh网络,NETLMM,OLSR路由协议,HN

2、A1.引言WMN (Wireless Mesh Network, 无线Mesh网络 也被称为多跳WLAN (Wireless Local Area Network, 无线局域网,是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络,具有组网简单、扩展性良好等优点。它可以看作是MANET (Mobile Ad hoc Network,移动自组织网络 与WLAN相结合而成的一种分布式网络。在WMN中,当有多个WLAN、Ad Hoc等子网接入主干网时,可以形成不同域之间的端到端连接,形成无线版、缩微版的Internet网络。然而,由于频繁移动的特性,当用户在不同域之间进行切换时,视频流或端到端通话等用户连接将

3、会产生中断。并且,终端地址的改变使连接难以恢复。这是在有线网络中不需考虑的问题。目前,在无线领域中,已有一些相关解决方案,如Mobile IP。它们普遍通过定义一个包含用户终端的全局移动管理协议来解决此类问题1。这一过程需要在用户终端添加新的IP 协议栈,结果无疑会提高用户终端的复杂度,制约WMN的适用性。如果能够利用WMN 的天然优势,仅仅通过改进其中的路由协议,把基于网络的区域移动性管理 (Network-based Localized Mobility Management, NETLMM2 思想提取出来,与WMN进行融合,这将会大大扩宽WMN的应用前景。2.无线Mesh网络的结构与特点

4、由于MANET采用扁平的网络结构,用户节点之间通过无线自由组网,没有中心和集中控制单元,这样在每个节点上传递和更新路由表信息会占去大量的无线资源,使MANET 很难用于大规模组网。无线Mesh网络通过采取分层结构解决了MANET遇到的问题,很好地将传统网络结构WLAN和Ad Hoc网络的优点融合起来,使集中控制管理和自由动态组网有机结合3。 图1 无线Mesh网络层次结构图图1为一个典型的无线Mesh网络结构。每个无线Mesh路由器 (WMR 至少拥有一个 MANET接口和一个非MANET接口。所有WMR通过MANET接口组成MANET网络,它们的区别在于各自的非MANET接口可以分别连接In

5、ternet或者用户子网。非MANET接口接入Internet的WMR称为Internet接入点 (IAP,它们组成WMN中的最高层接入层。第二层是Mesh主干层 (Mesh Backbone,由无线Mesh接入点 (MAP 组成,它们是以非MANET接口作为网关并连接用户子网的WMR。第三层是用户层,它们可以是WLAN、Ad Hoc、WiMAX、蜂窝和传感器网络等。接入层与主干层的WMR由于都具有MANET接口,所以它们共同组成一个完整的MANET网络,每一个MAP都可以以多跳的方式通过IAP访问Internet,同时将这些服务提供给用户。相对于纯粹的MANET,这种Mesh网络分层结构在提

6、供集中控制的同时,也极大地提高了网络容量,并且使组网模式更加灵活,易于扩展。3.OLSR路由协议3.1 概述OLSR (Optimized Link State Routing Protocol4 是由IETF MANET工作组提出的一种先应式的链路状态路由协议。由于OLSR中为每个MANET节点定义了多接口通信机制,所以该协议适用于WMN二层主干网。 在OLSR协议中,各节点间需要周期性地交换各种控制信息,通过分布式计算来更新和建立自己的网络拓扑图。与LSR (Link State Routing Protocol 的flooding机制不同的是, OLSR中只有被邻节点选为多点中继站 (M

7、ultipoint Relay,MPR 的节点才会转发邻居节点的控制信息。并且只有MPR节点被用作路由选择节点,非MPR节点不参与路由计算。WMN主干网主要利用OLSR的两种控制分组来建立拓扑:HELLO分组和TC (Topology Control 分组。HELLO分组用来侦听邻居节点的状态和无线链路的对称性,建立邻居表,计算该节点的MPR。它只在一跳的范围内广播,不能被转发。与之相反,TC分组必须通过MPR机制被广播给所有Mesh路由器。在TC分组中包含了将该节点选为MPR的邻居节点的信息,其它节点根据收到的来自各个邻居节点的TC分组来计算出WMN二层拓扑。3.2 HNA消息由于WMN网络

8、存在第三层用户层,所以MAP除需要计算MANET路由表之外,还需要维护本地用户接入信息,并且将这些信息同样通过MPR机制广播到MANET全网。所以,除了HELLO分组和TC分组之外,MAP还将定期广播MID (Multiple Interface Declaration 分组和HNA (Host and Network Association 分组,分别用于向其它路由器通知自己的MANET 接口和非MANET接口。HNA消息列举了MAP本地非MANET接口下所接入的用户地址列表。Mesh网络中的路由器在收到一个HNA消息后,会将HNA消息中的用户地址列表与其对应的网关地址(即MAP连接子网的非

9、MANET接口成对添入内核路由表,实现绑定。之后,如果它们接受到目标地址存在于该用户地址列表中的数据包,就会把它(多跳的转发到该网关接口对应的MAP,从而发送给用户终端。 图2 OLSR协议HNA消息原理 4.问题的提出4.1 WMN中的终端用户移动及问题 : old data path : new data path图3 MH在WMN网络中移动切换示意图图3描述了移动终端MH (Mobile Host 在WMN中进行跨局域网移动的过程。移动前, MH位于MAP_MH_OLD的子网内,和MH保持端到端连接的是通过MAP_CN接入WMN 的终端CN (Correspondent Node。MH与

10、CN之间的数据通过各自的网关MAP_MH_OLD和MAP_CN,在WMN主干网上以单跳或多跳的方式进行转发。当MH移动出原网关的无线覆盖范围之后,它会自动搜索到新的Mesh路由器MAP_MH_NEW。按照标准的WLAN接入方式,MAP_MH_NEW会按照标准802.11协议为MH提供无线接入,通过DHCP为其分配新的IP和网关地址,最后根据OLSR路由协议在本地用户列表中添加MH的地址,将其纳入本地子网。而MAP_MH_OLD则会在用户列表中删除MH的信息,从而完成一次WMN下的用户域间移动切换过程。但是,这样一来, MH的IP会随着每一次移动带来的MAP切换而改变一次,原先的端到端连接MN-

11、CN会因为MH的移动而失效。4.2 现存方案的不足几种常见的包含用户终端的全局移动管理协议,如IETF提出的Mobile IP标准5,以及HAWAII6和Cellular IP7,它们的共同点是都需要增加独立的功能实体,如Home Agent (HA 以及Foreign Agent (FA 等,并且定义了额外的基于终端的协议流程来实时记录和更新终端地址。如果将此类策略应用于WMN,则同样需要在类似MANET网络的Mesh主干网中添加更高层的集中控制功能实体,这与WMN简单的组网模式相违背,并且使WMN的多接口路由计算复杂化。更重要的是,除802.11协议之外,终端若想接入WMN,需要扩充IP

12、协议栈,这将使WMN易组网、易扩展的特性大打折扣。与以上移动管理方案不同的是一种纯粹的NETLMM方案Ant8,它提出并实现了单单在网络端对用户进行Mesh路由器切换的支持,同时无须用户终端修改协议,仅支持802.11即可。首先,在切换触发方式上,与Mobile IP等方案主动进行网络层用户状态轮询不同,Ant 通过被动的接收WiFi终端发送的MAC层Association/De-association请求来触发网络端切换流程。之后,通过DHCP应答实现MH在网段间切换后维持IP地址不变,从而省去了终端上的IP地址相关操作,将保存和追踪终端IP地址等操作移交Mesh路由器完成。这样一来,终端协

13、议流程得到了简化。另一方面,Ant借助在Mesh路由器上的数据缓存和隧道 (IP Tunnel,将抵达MAP_MH_OLD的数据包转发给MAP_MH_NEW,进而再送交MH,这为在切换时间内到来的数据提供了临时数据通路,有效避免了丢包情况。但是,由于Ant中未对现有Mesh网络路由协议流程做出改进,仍然采用标准OLSR协议,使得各个Mesh路由器都无法同时获知终端移动前后所属的网关地址,就没有办法将移动前后的各个终端一一对应起来,所以不得不增加一个独立的主干层位置服务器 (Location Server 来随时记录和查询每一个接入WMN的终端的IP地址和所在网段地址。另一方面,由于隧道技术需要

14、一个额外的IP包头,一般为每个包增加20个字节,所以增加了额外的协议开销,众多隧道的存在将在一定程度上降低网络传输能力。总体来讲,基于网络的Ant成功实现了针对通信中用户移动的网络端支持,将用户端的额外开销减少为零。但是,它相对独立的拓扑设计和数据流程难以融入WMN网络,对WMN 简易的网络拓扑结构和系统开销都会造成不利影响,所以在一定程度上将制约WMN网络容量的进一步提升。5.基于OLSR路由协议的NETLMM解决方案5.1 核心思想本方案的核心思想通过在切换前后的Mesh接入点上进行分布式消息处理,保持切换后移动终端的IP地址不变,使原有数据连接不中断。同时,利用HNA机制,在移动用户切换MAP时,根据终端与MAP的IP地址动态生成HNA消息,并进行全网广播,使切换后的数据包可以通过OLSR路由默认转发规则被正确转发到新接入点,从而在