基于IEEE802.11s的無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究（一）

0 引言

無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)是一種多跳、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、抗毀性強(qiáng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，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(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問(wèn)題之一，如何進(jìn)行路由選擇是影響網(wǎng)絡(luò)性能的一個(gè)重要問(wèn)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織在多種覆蓋不同物理范圍的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中融入對(duì)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)準(zhǔn)均在支持無(wú)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(wú)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)瓶頸的不足，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，改進(jìn)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?jī)?nèi)容。

1 IEEE 802.11s 標(biāo)準(zhǔn)化情況

IEEE 802.11 于2004 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(wú)線分布式系統(tǒng)(Wireless DiSTribution System,WDS)的協(xié)議，在原IEEE 802.11體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議基礎(chǔ)上提供ESS(ExtendedService Station)的Mesh 功能，使各WLAN 設(shè)備能夠無(wú)線互連、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)并進(jìn)行動(dòng)態(tài)路徑的配置，同時(shí)，對(duì)MAC協(xié)議進(jìn)行了擴(kuò)展，支持單播/多播/廣播，并在MAC層使用無(wú)線信道感知機(jī)制與多跳拓?fù)鋪?lái)達(dá)到理想的覆蓋范圍，保證網(wǎng)絡(luò)的靈活性。IEEE 802.11s的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)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(dòng)設(shè)備的節(jié)能機(jī)制;互操作性。

WLAN Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與節(jié)點(diǎn)類(lèi)型如圖1所示。

Mesh 節(jié)點(diǎn)(Mesh Point,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(guò)MAP 與Mesh網(wǎng)絡(luò)通信的站點(diǎn)，通常指?jìng)鹘y(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(cè)量、網(wǎng)絡(luò)互連和安全等功能模塊。IEEE 802.11s協(xié)議各個(gè)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(gè)關(guān)鍵功能，下面將對(duì)IEEE 802.11s 定義的HWMP 協(xié)議進(jìn)行詳細(xì)分析。

2 混合無(wú)線Mesh 協(xié)議(HWMP)

HWMP協(xié)議將先驗(yàn)式路由協(xié)議和基于樹(shù)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)用于基礎(chǔ)設(shè)施Mesh 模式和客戶機(jī)Mesh 模式的無(wú)線Mesh 網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行最優(yōu)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(shù)型拓?fù)溥M(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)。路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程根據(jù)網(wǎng)絡(luò)是否配置根節(jié)點(diǎn)有所區(qū)別。通常，樹(shù)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(shù)型拓?fù)渎酚伞?/p>

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(guò)路徑請(qǐng)求消息PREQ(PathRequest)、路徑響應(yīng)消息PREP(Path Reply)、路徑錯(cuò)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(qǐng)求，PREP 用于對(duì)路由請(qǐng)求消息的應(yīng)答，PERR 用于鏈路發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)進(jìn)行的應(yīng)答或維護(hù)，以及RA用于對(duì)自己根節(jié)點(diǎn)身份的消息的廣播。

2.2.1 PREQ

路徑請(qǐng)求消息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 1~7 為預(yù)留位。PREQ 控制標(biāo)識(shí)包括目的標(biāo)識(shí)DO(Destination Only)、回復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)標(biāo)識(shí)(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(qǐng)求，該路徑請(qǐng)求和路徑回復(fù)包含了完整路徑并收集當(dāng)前的metric 值，以確保度量值是最新的。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 Reply)格式如圖5所示。

HWMP允許使用一條PREQ消息尋找到達(dá)多個(gè)目標(biāo)的路徑。Mode Flags標(biāo)志位中，Bit 0~7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(cuò)誤消息PERR(PathError)格式如圖6所示。

其中，標(biāo)志位的Bit 0~7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為在路由建立過(guò)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(gè)標(biāo)識(shí)：宣告類(lèi)型標(biāo)識(shí)AN(Announcement Type Flag)，用于區(qū)分非根Porta(l AN=0)與根Porta(l AN=1);注冊(cè)標(biāo)識(shí)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)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 消息進(jìn)行度量信息交互，并且在PREQ中采用序列號(hào)來(lái)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)建到源節(jié)點(diǎn)S的一條路徑，或PREQ 經(jīng)過(guò)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(duì)當(dāng)前的路徑進(jìn)行更新。如果路徑進(jìn)行了創(chuàng)建或更新的過(guò)程，則節(jié)點(diǎn)更新PREQ消息的路徑標(biāo)志域并進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)創(chuàng)建或更新路徑完成后，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(guò)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PREP消息快速建立路由，并且滿足發(fā)送數(shù)據(jù)幀的路由發(fā)現(xiàn)時(shí)延較低和較低的緩存要求，當(dāng)反向路徑建立過(guò)程完成后，路由選擇最佳的路徑度量機(jī)制。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)S到目的節(jié)點(diǎn)D之間沒(méi)有一條有效的路由，并且需要和目的節(jié)點(diǎn)之間建立一條新路由時(shí)，源節(jié)點(diǎn)設(shè)置PREQ消息中的目的DO標(biāo)志位為0,設(shè)置RF標(biāo)志位為1.正如前文所提到的，RREQ中的DO標(biāo)志位通常設(shè)置為1.