無線Mesh網(wǎng)網(wǎng)絡層和MAC層相關研究

0 引言
    Mesh網(wǎng)起源于海灣戰(zhàn)爭時期美國的軍事領域，作為一種新型的公共無線城域網(wǎng)解決方案，已經(jīng)在美國等地被廣泛用于市政、公共安全、教育、醫(yī)療、物流等領域。它提供持續(xù)的連接，并且當鏈路中斷或者阻塞時可以通過“多跳”的形式從一個節(jié)點跳到另一節(jié)點，直到目的地址。與其他網(wǎng)絡不同的是Mesh網(wǎng)的各個組成部分通過多跳的形式彼此連接，一般來說這些節(jié)點是不移動的(這點與adhoc網(wǎng)絡不同)。Mesh 網(wǎng)可以看作是adhoc網(wǎng)絡的一種。因此移動adhoc網(wǎng)(MANet)和mesh網(wǎng)之間有緊密聯(lián)系。但移動adhoc網(wǎng)還需要考慮各個節(jié)點的移動性。

1 WMN網(wǎng)絡特點
    無線網(wǎng)狀網(wǎng)(WMN)是移動adhoc網(wǎng)絡的一種特殊形態(tài)，它繼承了adhoc網(wǎng)絡的特點，具有自配置、自組織與自管理等特性，能以很低的發(fā)射功率提供無處不在的寬帶服務。WMN是動態(tài)自組織自配置的網(wǎng)絡系統(tǒng)。其網(wǎng)絡節(jié)點能夠自動形成類似于adhoc一樣的網(wǎng)絡并保持網(wǎng)絡的連通。因此，WMN不僅是adhoc網(wǎng)絡的另一種形態(tài)，而且能使adhoc網(wǎng)絡更多樣化。

2 WMN中的MAC層
2．1 WMN與無線網(wǎng)絡的不同
    WMN網(wǎng)絡的MAC協(xié)議與典型的無線網(wǎng)絡的MAC協(xié)議是不一樣的。WMN的MAC協(xié)議關注的是大于一跳時的通信。典型的MAC協(xié)議僅局限于單跳通信而路由協(xié)議則需考慮多跳通信的問題。該假設使協(xié)議設計簡單化。但是這種方法不適用WMN，因為在WMN內(nèi)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收不僅受單跳節(jié)點的影響，兩跳甚至多跳外的節(jié)點都有影響。多跳無線局域網(wǎng)中的隱藏節(jié)點問題就是個例子。MAC層是分布式互相協(xié)作共同完成多點到多點間的通信。在WMN網(wǎng)絡中，沒有中央控制器。 MAC功能通過分布式的
方法來完成。所以MAC協(xié)議在傳輸時能保證所有的節(jié)點相互協(xié)作，任何具有Mesh網(wǎng)絡功能的網(wǎng)絡節(jié)點都能與其鄰居節(jié)點通信。因此，在這些節(jié)點之間可以建立多點對多點通信。網(wǎng)絡的自組織性對MAC層來說是必需的。
2．2 在單通道MAC層中改進現(xiàn)有的MAC協(xié)議
    通過提高CSMA／CA協(xié)議，人們提出了很多多跳adhoc網(wǎng)絡的MAC協(xié)議。這些方案通常都是調(diào)整CSMA／CA參數(shù)，比如調(diào)整競爭窗口的大小或者更改回退機制等。這些方案可提高單跳通信機制的吞吐量。但對于像WMN這樣的多跳網(wǎng)絡來講，那些方案并不能顯著減少相鄰節(jié)點之間競爭的可能。一旦競爭頻繁發(fā)生，就不停的有回退等待的情況，由于各節(jié)點之間的累積效應，端到端的吞吐量會顯著下降。
2．3 為單通道MAC層提出新的MAC協(xié)議
    為從根本上解決WMN網(wǎng)絡端到端之間吞吐量低的問題，必需提出新的設計方案。到目前為止幾乎沒有TD-MA或者CDMA的MAC協(xié)議是針對WMN提出的。這可能有兩方面原因：一方面是因為用TDMA或者CDMA開發(fā)一個分布式相互協(xié)作的MAC協(xié)議非常復雜，開銷很大。另一方面可能由于TDMA或者CDMA與目前的MAC協(xié)議存在兼容性問題。例如，IEEE802．16中，最初的MAC協(xié)議都是TDMA方案。適用于IEEE802．16的分布式TDMAMAC協(xié)議仍在研究。在基于IEEE802．11的wMN中，如何設計一個涵蓋CSMA／CA的分布式TDMAMAC協(xié)議還是一個相當有挑戰(zhàn)的問題。因為要設計一個分布式TDMA或者CSMAMAC協(xié)議有許多問題需要考慮，比如基于網(wǎng)絡拓撲和功率控制的網(wǎng)絡自組織能力等。
2．4 多通道MAC協(xié)議
    多通道MAC能在多種不同的硬件平臺上實現(xiàn)，在各平臺上實現(xiàn)的方式也有所不同。如果主要關注成本和兼容性，那么多通道的無線單收發(fā)機是首選的硬件平臺。該網(wǎng)絡中每個網(wǎng)絡節(jié)點一次只能使用一個收發(fā)機和一條信道。然而，為了提高系統(tǒng)容量，不同節(jié)點可能同時使用不同信道。為了協(xié)調(diào)該情況下不同節(jié)點之間信息的發(fā)送，就需要多信道MAC協(xié)議。
    每個網(wǎng)絡節(jié)點在多無線電MAC體系中都有各自的MAC層和物理層。這些無線電之間的通信是完全獨立的。因此，虛擬的MAC協(xié)議比如多射頻MAC協(xié)議 (MUP)要求在MAC層頂端以便協(xié)調(diào)各通道之間的通信。事實上一個無線電可以有多條信道。然而為了簡化設計和應用，每個無線電只用一條信道。

3 WMN中的網(wǎng)絡層
3．1 設計路由協(xié)議
    盡管目前adhoe網(wǎng)絡已有許多路由協(xié)議，但是專門為WMN網(wǎng)絡設計路由協(xié)議仍然有其積極意義。首先，新的性能指標需要去開發(fā)和利用以提高路由協(xié)議的性能。另外，現(xiàn)存的路由協(xié)議仍有很多的局限性。此外，必須考慮跨層交互以提高WMN網(wǎng)絡中路由協(xié)議的性能。更重要的是WMN和adhoc網(wǎng)絡對節(jié)點的功率和移動性都存在很大的區(qū)別。在WMN網(wǎng)絡中，骨干網(wǎng)中的網(wǎng)絡節(jié)點幾乎不移動并且在功耗方面沒有限制，而客戶端節(jié)點對移動性和功率等都要考慮。
3．2 WMN網(wǎng)絡的路由協(xié)議
    基于對現(xiàn)存adhoc網(wǎng)絡路由協(xié)議性能和WMN網(wǎng)絡需求的特殊性的考慮，WMN網(wǎng)絡理想的路由協(xié)議必須包括性能指標，具有鏈接失敗負載平衡的容錯能力，可測量性以及支持Mesh路由器和客戶端等特點。許多現(xiàn)存的路由協(xié)議都用最小跳數(shù)作為路由選擇的標準。該方案已被證明在很多情況下并不是最好的方法。假設兩個具有最小跳數(shù)的節(jié)點之間鏈路質(zhì)量很差，如果用最小跳數(shù)作為選擇標準的話，這兩個節(jié)點之間的吞吐量將會很低。為了解決該問題，性能指標還需要考慮鏈路質(zhì)量問題。一旦發(fā)生擁塞現(xiàn)象，最小跳數(shù)也不是精確的性能指標。通常往返時間(RTT)也是衡量網(wǎng)絡性能的一個性能指標。路由路徑的選擇需要考慮多個性能指標。
    設計WMN網(wǎng)絡時目標之一是保證鏈接失敗后網(wǎng)絡的健壯性。如果某條鏈路斷開了，路由協(xié)議要迅速找到另一條鏈路以避免服務中斷。WMN網(wǎng)絡的另一個目標是實現(xiàn)不同用戶之間網(wǎng)絡資源的共享。當部分WMN網(wǎng)絡發(fā)生擁塞時，新的數(shù)據(jù)流應避開該部分網(wǎng)絡。性能指標如RTT等有助于實現(xiàn)負載平衡，但并不是總是有效，因為RTT可能被鏈路質(zhì)量所影響。在大范圍的無線網(wǎng)絡中建立一條路由路徑可能需要很長時間，并且端到端的延遲會增大。此外，即使路由路徑已建立，路徑上各網(wǎng)絡節(jié)點的狀態(tài)也會變動。因此，在WMN網(wǎng)絡中測量路由非常困難?？紤]骨干網(wǎng)中路由器幾乎不移動和沒有功耗限制的特點，路由器的路由協(xié)議可以設計的比現(xiàn)存的 adhoc路由協(xié)議簡單的多。但是對客戶端來說，路由協(xié)議必須有adhoc路由協(xié)議的全部功能。因此，有必要為WMN網(wǎng)絡設計有效的路由協(xié)議使其不僅適應路由器同時也支持客戶端。
3．3 網(wǎng)橋和路由
    網(wǎng)橋用于控制數(shù)據(jù)流。其工作于MAC層，網(wǎng)橋是一個相關的數(shù)據(jù)移動的過程，依賴于三個F：泛洪搜索(Flood-ing)，轉(zhuǎn)發(fā)(Forwarding)，過濾(Filtering)。網(wǎng)橋是通過創(chuàng)建端口地址表來運作的。當網(wǎng)橋中的某個端口收到數(shù)據(jù)幀時，它檢查其目的地址并與端口地址表比較。如果網(wǎng)橋不能找到合適的目的地址它會以泛洪的方式向周圍的所有端口發(fā)送幀。另外，網(wǎng)橋關注數(shù)據(jù)幀的源地址和幀進入網(wǎng)橋的端口，利用該信息更新它的端口地址表。
    路由方法是網(wǎng)絡層控制數(shù)據(jù)流的方法。與第二層MAC層的網(wǎng)橋相比，有兩個關鍵的不同之處，一是網(wǎng)橋是自適應設備，而路由要手動配置。從本質(zhì)上來講網(wǎng)橋是一個即插即用設備，安裝好后無需手動配置。而路由器需要為每個接口定義地址以及其他的配置數(shù)據(jù)，或手動輸入數(shù)據(jù)或從先前定義的配置列表中選擇。第二個不同是路由器可以平衡通信量改變路由，因此路由器需要能通過網(wǎng)絡改變數(shù)據(jù)流的機制。路由器使用路由協(xié)議使數(shù)據(jù)從源地址通過中間設備發(fā)送至目標地址。當通信阻塞或者現(xiàn)存的路徑不起作用時中間路由器能改變路由尋找更合適的路徑。相比較而言，位于第二層的網(wǎng)橋只能簡單的檢查MAC地址或者轉(zhuǎn)發(fā)，泛洪搜索或過濾數(shù)據(jù)包，而不能改變數(shù)據(jù)流的發(fā)送路徑。

4 總結(jié)
    到目前為止，多跳adhoc網(wǎng)絡的可擴展性問題一直沒能很好解決。大部分現(xiàn)存的基于CSMA／CA的MAC協(xié)議只能解決部分問題。除了CSMA／CA技術，如果開發(fā)一套分布式方案能部分消除TDMA或CDMA在adhoc網(wǎng)絡應用中的困難，那么基于TDMA和CDMA的網(wǎng)絡技術也可應用于WMN。為了設計一個可擴展的MAC方案使之適用于WMN網(wǎng)絡，還需考慮論文先前討論的WMN網(wǎng)絡與無線局域網(wǎng)的區(qū)別。關于WMN的擴展性可以在MAC層中通過兩種方式實現(xiàn)。第一種是改善現(xiàn)存的MAC協(xié)議或者提出新的MAC協(xié)議以提高單信道網(wǎng)絡節(jié)點間端到端的吞吐量。第二種方式是允許每個網(wǎng)絡節(jié)點能多信道傳輸。在以后的研究中，將分別研究現(xiàn)存的單信道MAC協(xié)議和多信道MAC協(xié)議。IEEE802．11協(xié)議是一項廣泛應用于WMN網(wǎng)絡的無線電技術，因此以后研究的焦點也會集中在IEEE802．11MAC協(xié)議，例如帶RTS／CTS的CSMA／CA協(xié)議。多播應用中的路由是另一個重要的研究課題。對于該路由協(xié)議研究先前只關注第三層的功能，這樣的路由協(xié)議可能不能滿足當前狀況。第二層的MAC協(xié)議和第三層的路由協(xié)議之間應采用多種性能指標。然而媒體訪問控制和路由的交互如此緊密僅僅靠改變協(xié)議層的一些參數(shù)是遠不夠的，或許融合媒體訪問控制和路由的部分功能是個有效的方法。