陳康先 ，陸以勤，羅旭光，楊 峰

(1.華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院，廣州510640;2.廣州杰賽科技股份有限公司，廣州510310)

無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)(Wireless Mesh Network，WMN)是一種WLAN 的擴(kuò)展形式［1－2］，通過無線多跳方式構(gòu)建無線網(wǎng)狀骨干網(wǎng)，為用戶提供便捷的寬帶無線接入服務(wù). 該協(xié)議物理層基于IEEE802.11 系列標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合MIMO 技術(shù)，具有較高的網(wǎng)絡(luò)帶寬、更廣的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、靈活的自組網(wǎng)、擴(kuò)展方便等特點(diǎn).用戶可以在移動無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下通過不同的Mesh 接入點(diǎn)(MAP)便捷接入無線網(wǎng)絡(luò)，但由于用戶的移動性或網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼捌錈o線信號強(qiáng)度的動態(tài)變化導(dǎo)致接入MAP 的不斷變化，因此迫切需要一種高效的無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)切換機(jī)制以提高用戶在漫游過程中的持續(xù)通信能力.

目前，主流的解決方案是iMesh 和MobiMesh 提出的［3］，主要通過在共同一個無線網(wǎng)狀網(wǎng)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)特定主機(jī)路由，采用節(jié)點(diǎn)移動來觸發(fā)路由的不斷更新，以確保本域內(nèi)的路由表的實(shí)時性和有效性. 但Mesh 無線頻段使用的工業(yè)開放頻道(ISM)受到的無線干擾嚴(yán)重，加上頻繁的廣播路由更新消息會給域內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)帶來大量路由通訊開銷和二次復(fù)雜的干擾，致使無線網(wǎng)絡(luò)可靠性、可擴(kuò)展性變差［4］. 另外，SMesh 通過采用多播組和多個接入點(diǎn)同時為一個終端提供服務(wù)，以犧牲帶寬以及固有的通信頻道資源為代價來保證連續(xù)的通信，會使得無線網(wǎng)絡(luò)容量變得非常有限［5］，網(wǎng)絡(luò)的魯棒性和用戶體驗受到嚴(yán)重制約.當(dāng)終端發(fā)生域間或者較為復(fù)雜的移動環(huán)境時，采用以上方案將不能保障用戶與通信之間實(shí)現(xiàn)端對端的連續(xù)通信［6］.

為解決這個問題，本文搭建了一個典型的Mesh網(wǎng)絡(luò)域間切換場景，設(shè)計出一種新的路由算法，結(jié)合構(gòu)建Mesh 設(shè)備的緩存機(jī)制，提出了一種新的無線網(wǎng)狀網(wǎng)域間無縫切換機(jī)制，實(shí)現(xiàn)Mesh 網(wǎng)絡(luò)的不同網(wǎng)絡(luò)域之間的漫游切換，可以更有效地解決無線網(wǎng)狀網(wǎng)域間切換問題.

1 無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)域間切換模型

無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)域間切換模型主要在2個Mesh域之間，基于設(shè)計新的切換協(xié)議機(jī)制. 在原接入Mesh 域與目標(biāo)域之間實(shí)現(xiàn)切換請求與響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)STA 從一個Mesh 域移動到另一外域的所有通信消息過程.設(shè)計新的路由表(地址映射表)，實(shí)現(xiàn)Mesh網(wǎng)對一個正在移動中的STA 進(jìn)行識別與綁定.在每個Mesh 域接入點(diǎn)(MAP)設(shè)置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，保存正在切換中的STA 已發(fā)起的通信而未接收處理的數(shù)據(jù)信息.當(dāng)STA 完成從源Mesh 域移動到目標(biāo)Mesh域時，通過地址映射表識別當(dāng)前的STA，并將由目標(biāo)Mesh 域向源Mesh 域請求接收該STA 在切換過程中未處理數(shù)據(jù)，并由目標(biāo)Mesh 域中的MAP 向STA下發(fā)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)無縫切換.

圖1 無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)域間切換場景Figure 1 Scene for inter-domain handoff in Mesh network

本文使用的無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)域間切換場景見圖1，WMN 由以下4 類節(jié)點(diǎn)組成:Mesh 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)(MPP)，負(fù)責(zé)連接無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)與有線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，也是單個WMN 的唯一有線接入網(wǎng)關(guān)實(shí)體;Mesh轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)(MP)，負(fù)責(zé)WMN 各個無線節(jié)點(diǎn)之間建立無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸以形成WMN 主干傳輸網(wǎng)，主要實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間形成自組網(wǎng)功能;Mesh 接入節(jié)點(diǎn)(MAP)，它兼容了WLAN 中AP 的功能，同時具備MP 無線路由轉(zhuǎn)發(fā)的功能;無線用戶終端(STA)主要通過無線網(wǎng)絡(luò)接入MAP 接入WMN 取得服務(wù).通常將由一個MPP 及多個MP 和多個MAP構(gòu)成的Mesh 網(wǎng)絡(luò)稱為一個域，圖1 為包含2個域的WMN 場景，分別處于MPP1 和MPP2 的覆蓋中.

當(dāng)STA 接入無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)時，獲得由WMN 域分配的一個動態(tài)IP 地址.通過接入的WMN，STA 不斷地與接入的WMN 取得通信與服務(wù). STA 在域內(nèi)移動時，IP 地址可以保持不變. 當(dāng)STA 移動到另一個域(目標(biāo)域)時，則需要由目標(biāo)WMN 域重新分配一個該無線局域網(wǎng)內(nèi)的IP 地址.原WMN 域及目標(biāo)WMN 域需要通過MAC 和IP 地址的映射實(shí)現(xiàn)對應(yīng)關(guān)系，通過緩存、路由等手段實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的不間斷通信.當(dāng)STA 從一個WMN 域移動到另一個WMN 域時，能夠迅速知道切換前后的IP 以及其映射關(guān)系，并將原緩存數(shù)據(jù)通過映射的路由，將數(shù)據(jù)發(fā)送到新的WMN 域，實(shí)現(xiàn)快速無縫切換.

在WMN 域之間，WMN 需要以MAC 地址作為STA 的唯一標(biāo)識，減少有的方案提到的多重邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系［7］.MAP 建立與維護(hù)STA 的MAC 與IP 的對應(yīng)列表，MAC 地址綁定源IP 與目標(biāo)IP，實(shí)現(xiàn)源Mesh域至目標(biāo)Mesh 域的數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)路由. 對應(yīng)列表含有STA 的MAC 地址和被分配的IP 地址信息.地址對應(yīng)映射表存儲有STA 的MAC 地址、STA 的IP地址、MAP 的IP 和MAP 的MAC 地址信息，形成了各個節(jié)點(diǎn)的地址對應(yīng)關(guān)系以及各STA 的MAC 地址與接入MAP 的MAC 地址的綁定關(guān)系，MPP 維護(hù)的地址映射表如圖2 所示.

圖2 MPP 維護(hù)的地址映射表Figure 2 Address mapping table in MPP

2 無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)域間無縫切換技術(shù)

用戶終端STA 通過2 種方式確認(rèn)是否接入到新的MAP，以切換到新的WMN 域.一種是根據(jù)接收到的MAP 信號強(qiáng)度(RSS)，當(dāng)前的MAP 信號強(qiáng)度低于設(shè)定值時，STA 將不斷掃描附近的無線信號及其強(qiáng)度，從接收到的MAP 中選擇信號強(qiáng)度最好的MAP 作為接入目標(biāo)MAP［3，8］. 另一種方式是根據(jù)實(shí)際場景需求，主動選擇下一個接入點(diǎn)MAP，實(shí)現(xiàn)主動切換.

接入的目標(biāo)MAP 與原MAP 根據(jù)接入網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆? 種情況:在同一個WMN 域內(nèi)或在不同的WMN域內(nèi).通常將前者稱之為域內(nèi)切換，后者稱之為域間切換.域內(nèi)切換，從一個MAP 到另一個MAP，STA的IP 地址保持不變，切換與數(shù)據(jù)通信均可通過在2層(鏈路2 層)實(shí)現(xiàn). 在域間切換情況下，接入的MAP 不存在同一個域，需要變動IP 地址，這樣就會發(fā)生3 層(網(wǎng)絡(luò)層)切換［9］.Mesh 節(jié)點(diǎn)協(xié)議棧見圖3.

圖3 Mesh 節(jié)點(diǎn)協(xié)議棧Figure 3 Mesh protocol stack

以下主要聚焦于無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)的域間切換問題，基于終端的MAC 地址，構(gòu)建相應(yīng)的地址映射表，能夠提高STA 從一個WMN 域切換到另一個WMN域的效率.在切換過程中，通過增加源MAP 節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包緩存，以解決切換過程中數(shù)據(jù)包的丟包問題.

當(dāng)STA 從一個MPP 的覆蓋范圍移動到另一個MPP 的覆蓋范圍時，即MPP 發(fā)生了改變，這時需要向新MPP 進(jìn)行代理更新，STA 同時和新舊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行協(xié)議交互.結(jié)合圖1 中的實(shí)體編號，切換過程中2個網(wǎng)絡(luò)的信令交互過程(圖4):

階段一:準(zhǔn)備階段.Step1:在確定切換目標(biāo)MAP為MAP2 之后，STA 首先向MAP1 發(fā)送切換請求消息，該切換請求消息包含MPP2 的IP 地址和STA 的原IP 地址;Step2:MAP1 收到切換請求消息后轉(zhuǎn)發(fā)給MPP1 節(jié)點(diǎn);Step3:MPP1 節(jié)點(diǎn)通過有線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送該切換請求消息給MPP2 節(jié)點(diǎn);Step4:MPP2 節(jié)點(diǎn)為STA 分配一個新的IP 地址;Step5:MPP2 節(jié)點(diǎn)將切換準(zhǔn)備消息發(fā)給MAP2 節(jié)點(diǎn)，該消息中包含有分配給STA 的MAC 地址和新的IP 地址;Step6:MAP2 節(jié)點(diǎn)預(yù)留相應(yīng)資源，并返回切換準(zhǔn)備完成消息給MPP2 節(jié)點(diǎn);Step7:MPP2 節(jié)點(diǎn)返回切換響應(yīng)消息給MPP1 節(jié)點(diǎn);Step8:MPP1 節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)該切換響應(yīng)消息給MAP1 節(jié)點(diǎn);Step9:MAP1 節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)切換響應(yīng)消息給STA，同時緩存發(fā)給STA 原IP 地址的數(shù)據(jù)包;

階段二:切換過程. Step10:STA 更新自己的IP地址，并向MAP2 節(jié)點(diǎn)發(fā)起接入請求消息;Step11:MAP2 節(jié)點(diǎn)發(fā)送接入完成通告消息給MPP2 節(jié)點(diǎn);Step12:MPP2 節(jié)點(diǎn)向MPP1 節(jié)點(diǎn)發(fā)送切換完成通告消息;Step13:MPP1 節(jié)點(diǎn)更新自己的STA 列表，通知通信對端STA 新的IP 地址以及STA 切換后對應(yīng)的MPP2 和MAP2 的IP 地址，并返回一個切換完成響應(yīng)消息;Step14:MPP2 節(jié)點(diǎn)更新自己的STA 列表，并返回接入響應(yīng)消息給MAP2 節(jié)點(diǎn);Step15:MAP2 節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)該接入響應(yīng)消息給STA，并轉(zhuǎn)發(fā)其通信對端發(fā)送來的數(shù)據(jù)包;

階段三:資源釋放. Step16:STA 收到切換響應(yīng)消息后，向MAP1 節(jié)點(diǎn)發(fā)送斷開連接請求消息;Step17:MAP1 節(jié)點(diǎn)檢查自己的緩存中是否還有需要發(fā)送給STA 原IP 地址的數(shù)據(jù)包;Step18:如果沒有，則釋放資源.如果有則更新這些數(shù)據(jù)的目的地址為STA 的新IP 地址，并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到MPP1 節(jié)點(diǎn);Step19:MPP1 節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)到MPP2 節(jié)點(diǎn);Step20:MPP2 節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)到MAP2 節(jié)點(diǎn);Step21:MAP2 節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)這些數(shù)據(jù)包到STA 節(jié)點(diǎn);Step22:當(dāng)數(shù)據(jù)包發(fā)送完畢，MAP1 節(jié)點(diǎn)釋放資源.

在STA 與MPP2 域內(nèi)的MAP2 建立連接過程中，原MPP1 域中的MAP1 保存STA 在通信后續(xù)的網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù);STA 完成從MPP1 域切換到MPP2域后，MAP2 將之前緩存的屬于STA 的通信數(shù)據(jù)通過MPP1 轉(zhuǎn)到MPP2，MPP2 將通過地址映射表，找到STA 的接入目標(biāo)MAP2，并將數(shù)據(jù)包發(fā)送到STA 當(dāng)前連接的MAP2 上，再由MAP2 將該數(shù)據(jù)包發(fā)送給STA.由此一方面可以解決數(shù)據(jù)包丟失的問題，另外也可進(jìn)一步提高無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)的切換與接入效率.

圖4 無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)域間切換時序圖Figure 4 Sequence diagram of inter-domain handoff in wireless Mesh network

綜上所述，在STA 將要從MPP1 切換到MPP2之前，MPP2 已經(jīng)為STA 分配了一個IP 地址，以及為STA 指定了MPP2 域內(nèi)的供STA 接入的MAP2;當(dāng)STA 進(jìn)入到MPP2 域中時，STA 既可以選擇接入MPP2 指定的MAP2，能夠保證STA 可靠地完成從一個MPP 域到另一個MPP 域的無縫切換，且適用于類WLAN 的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境.

3 實(shí)驗驗證

為驗證上面的切換機(jī)制，以Mesh 路由器設(shè)備MSR2000 為基礎(chǔ)，修改其數(shù)據(jù)包的處理機(jī)制，組建以下網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗環(huán)境來驗證終端的實(shí)際切換效果. 主要基于Layer3(3 層)的切換為基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖5 所示.

MAP1、MAP2 處于不同Mesh 子網(wǎng)中，構(gòu)建2個不同的Mesh 子網(wǎng):Mesh1 域和Mesh2 域，2個子網(wǎng)設(shè)置不同的頻道.測試切換過程如下:

圖5 網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗拓?fù)鋱DFigure 5 Experimental topology for inter-domain handoff in Mesh

(1)設(shè)置MPP1 的IP 分別為172.0.0.10、10.0.10.1，網(wǎng)口與交換機(jī)相連，無線與MAP1 相連;MAP1 的IP 分別設(shè)置為10.0.10.10、192.168.30.1，10.0.10.10 的IP 連接MPP1，保證網(wǎng)絡(luò)相連，192.168.30.1 的IP 即為無線網(wǎng)絡(luò)方面，保證STA可以成功關(guān)聯(lián)到Mesh 網(wǎng)絡(luò)上.

(2)MAP1 建立緩存，同時建立與維護(hù)STA 的MAC 與IP 的對應(yīng)列表，MPP1 加入切換原語與路由.

(3)同Mesh1 域相同，設(shè)置MPP2 的IP 分別為172.0.0.20、10.0.20.1，網(wǎng)口與交換機(jī)相連，無線與MAP2 相連;MAP2 的IP 分別設(shè)置為10.0.20.20、192.168.50.1，10.0.20.20 的IP 連接MPP2，保證網(wǎng)絡(luò)相連，192.168.50.1 的IP 即為無線網(wǎng)絡(luò)方面，保證STA 可以成功關(guān)聯(lián)到Mesh 網(wǎng)絡(luò)上.

(4)2個Mesh 網(wǎng)用一堵室內(nèi)(磚墻)40 m 隔開，并依據(jù)場強(qiáng)(RSSI)進(jìn)行切換，使STA 靠近MAP1 通過MAP1 接入無線網(wǎng)絡(luò).

(5)從STA ping 交換機(jī)100個報文，同時向MAP2 方向以步行的速度移動STA，使STA 通過MAP2 接入無線網(wǎng)絡(luò).

(6)記錄下發(fā)生切換時的丟包率.

(7)重復(fù)第5 步驟，來回驗證測試10 次.

基于UDP 協(xié)議的PING 包本身也存在丟包的情況，但本方案忽略該協(xié)議執(zhí)行情況，以實(shí)測數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，結(jié)果見表1.

表1 實(shí)際測試數(shù)據(jù)結(jié)果Table 1 Results of real data test

來回10 次的實(shí)驗結(jié)果顯示，數(shù)據(jù)的丟包率在0.7%以內(nèi)，而WLAN 的AP 切換(漫游)平均丟包率通常在3%左右，這一數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于該標(biāo)準(zhǔn).

終端STA 在從MAP1 切換到MAP2 過程中，通過緩存機(jī)制，將正在切換中的數(shù)據(jù)保存在源MAP，切換完成后，根據(jù)新的IP 地址，結(jié)合地址映射表，將數(shù)據(jù)重新發(fā)送到目標(biāo)MAP，通過MAP 將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到STA，不存在數(shù)據(jù)包丟包現(xiàn)象，而且網(wǎng)絡(luò)連接穩(wěn)定，基本可以做到STA 的無縫切換.

4 結(jié)論

本文提出的無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)域間切換方法實(shí)現(xiàn)無線寬帶的不同WMN 網(wǎng)絡(luò)域之間的無縫快速切換.通過建立終端MAC 地址與IP 地址的映射，取得源域與目標(biāo)域的關(guān)聯(lián)關(guān)系，提高了終端在不同WMN域間切換的效率;通過增加源MAP 的數(shù)據(jù)包緩存，有效減少了切換過程的丟包率.另外，該思想也可應(yīng)用在WLAN 的無線快速無縫切換領(lǐng)域，解決WLAN的快速切換問題.

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