一種新的WLAN無線Mesh網(wǎng)絡(luò)測試床的設(shè)計與實現(xiàn)

    無線局域網(wǎng)(WLAN)技術(shù)的發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用在給人們生活帶來便利的同時，也帶來了很多其它問題，如WLAN并不是真正意義上的“無線”；可靠性低；覆蓋能力有限；多數(shù)WLAN網(wǎng)絡(luò)在其有效距離內(nèi)具有“盲區(qū)”等等。而無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)，則很好地解決了上述問題。它徹底擺脫了線纜的束縛，能夠?qū)崿F(xiàn)非視距傳輸，可靠性高，結(jié)構(gòu)靈活，魯棒性強，因而越來越受到人們的重視，對無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的研究也逐漸增多。目前對無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的研究，比較典型的有2種方法：a)采用仿真方法開展研究工作，例如，基于NS-2和OPNET的仿真軟件，建立無線Mesh網(wǎng)絡(luò)(Wireless Mesh Network，WMN)協(xié)議模型和業(yè)務(wù)傳輸模型，進(jìn)行協(xié)議的設(shè)計和性能分析。但對于真實的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，仿真還有一定局限性，畢竟它只是對現(xiàn)實環(huán)境的模擬。b)搭建測試床的方法，它基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)抽象出更小的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型、業(yè)務(wù)模型及關(guān)鍵技術(shù)，與真實環(huán)境基本相同，研究結(jié)果可直接運用到實際當(dāng)中，這也是目前許多國內(nèi)外研究機構(gòu)正在進(jìn)行的研究工作。測試床研究方法中，比較典型的有卡靈頓大學(xué)的WMN。除此之外，還有普渡大學(xué)項目和西安電子科技大學(xué)的Mesh網(wǎng)絡(luò)性能測試平臺。在它們所搭建的測試床中，每一個被稱作MAP的Mesh路由器是一臺裝有兩塊無線網(wǎng)卡和一塊有線網(wǎng)卡的臺式機，有線網(wǎng)卡主要用來實現(xiàn)管理功能。這種設(shè)計對MAP節(jié)點的性能要求過高，也不利于Mesh網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展。鑒于此問題，本文在上述研究的基礎(chǔ)上，對無線Mesh網(wǎng)絡(luò)測試床進(jìn)行了改進(jìn)。

1 現(xiàn)有的Mesh測試床分析
    在Mesh網(wǎng)絡(luò)中，MAP節(jié)點既是客戶端網(wǎng)絡(luò)的終點，又是Mesh骨干網(wǎng)的起點，將客戶端網(wǎng)絡(luò)和Mesh骨干網(wǎng)兩個邏輯上獨立的網(wǎng)絡(luò)實體，連接成一個功能上統(tǒng)一的整體。目前，大多數(shù)研究機構(gòu)在MAP節(jié)點結(jié)構(gòu)的設(shè)計上，普遍遵循如下思想：用單獨一個節(jié)點實現(xiàn)兩個網(wǎng)絡(luò)的連接，即用一臺裝有兩塊無線網(wǎng)卡的PC來實現(xiàn)骨干網(wǎng)絡(luò)和客戶端網(wǎng)絡(luò)的連接，該節(jié)點同時處于兩個網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。其中一塊無線網(wǎng)卡實現(xiàn)AP功能，另一塊實現(xiàn)MP功能，兩塊網(wǎng)卡之間通過相應(yīng)的地址轉(zhuǎn)換技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)卡間地址的轉(zhuǎn)換。
    在實際搭建過程中，這種方案具有明顯的局限性，主要表現(xiàn)在以下3個方面：
    a)網(wǎng)卡選擇：前期的探索性實驗證實了在一臺PC中安裝兩塊相同的無線網(wǎng)卡，由于驅(qū)動程序完全相同，沖突是在所難免的，它將導(dǎo)致兩塊無線網(wǎng)卡無法同時正常工作。另外，即使兩塊無線網(wǎng)卡不相同，若它們工作在同一頻段(2．4 GHz或者5GHz)，由于距離較近，也會產(chǎn)生很大的同頻干擾，從而影響了數(shù)據(jù)的正常傳輸。因此，該方案在很大程度上限制了無線網(wǎng)卡的自由選擇。
    b)節(jié)點故障處理：在Mesh網(wǎng)絡(luò)的日常使用和維護(hù)過程中，節(jié)點隨時會出現(xiàn)故障。若采用該方案，一旦MAP節(jié)點出現(xiàn)問題，由于節(jié)點自身的復(fù)雜性，很難進(jìn)行故障排除，如果需要對設(shè)備進(jìn)行更換，成本相對較高。
    c)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性：當(dāng)現(xiàn)有的WLAN網(wǎng)絡(luò)需要加入Mesh網(wǎng)絡(luò)時，在該方案下，必須破壞現(xiàn)有的WLAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所有客戶端節(jié)點重新搜索MAP節(jié)點。若有多個WLAN網(wǎng)絡(luò)存在，處理方法也如此。這樣不但浪費了現(xiàn)有的硬件資源(WLAN的接入點AP)，而且由于所有欲加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點都需要斷開并重新獲得網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，增加了網(wǎng)絡(luò)重建的復(fù)雜性。如圖1所示，WLAN網(wǎng)絡(luò)A和B欲加入Mesh網(wǎng)絡(luò)，接入點AP下的所有客戶端節(jié)點首先斷開與原AP的連接，接著在搜索到就近的MAP后重新建立連接，從而加入到Mesh網(wǎng)絡(luò)，最終得到如圖2所示的Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

    采用上述方案搭建Mesh網(wǎng)絡(luò)測試床的性價比是很低的，為了降低測試床實現(xiàn)的難度，方便后期測試床的維護(hù)和擴(kuò)展，本文提出一種新的MAP實現(xiàn)方案。
2 一種新的Mesh測試床
2．1 測試床規(guī)劃
    根據(jù)測試床設(shè)計的可重復(fù)、可擴(kuò)展性、靈活性和可靠性原則，結(jié)合WMN自身特點，設(shè)計了如圖3所示的Mesh網(wǎng)絡(luò)測試床。

2．2 功能子網(wǎng)的設(shè)計
    平臺由三大功能子網(wǎng)組成，各自的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃如下：
    a)Mesh骨干網(wǎng)：骨干網(wǎng)通過交換機連接到外網(wǎng)，提供internet接入服務(wù)。由于骨干網(wǎng)本質(zhì)上是一個Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)，因此每個骨干網(wǎng)節(jié)點的無線網(wǎng)卡模式均為“Ad-hoc”。
    b)客戶端網(wǎng)絡(luò)：傳統(tǒng)的WLAN網(wǎng)絡(luò)，移動客戶端節(jié)點就是普通的移動終端，它們連接在AP節(jié)點上，與AP節(jié)點處于同一個子網(wǎng)中，通過AP的動態(tài)主機配置協(xié)議(Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP)功能獲取IP地址后方可通信，通過Mesh骨干網(wǎng)訪問外網(wǎng)。依據(jù)WLAN的中心主從網(wǎng)絡(luò)特性，AP作為接入點，無線網(wǎng)卡的模式為“Master”，移動客戶端節(jié)點的無線網(wǎng)卡模式均為“Managed”。
    c)Mesh骨干網(wǎng)與客戶端網(wǎng)絡(luò)的連接網(wǎng)絡(luò)：Mesh骨干網(wǎng)與客戶端網(wǎng)絡(luò)作為獨立的兩個網(wǎng)絡(luò)，只有通過一定的方式將二者連接起來才符合無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的核心思想。
    在此引入第三大功能子網(wǎng)(圖3矩形框內(nèi)所示)，即兩臺PC分別安裝一塊無線網(wǎng)卡，并啟用PC自帶的有線以太網(wǎng)卡。其中一臺PC的無線網(wǎng)卡實現(xiàn)AP功能，稱為“AP”，另一臺PC的無線網(wǎng)卡實現(xiàn)MP功能，稱為“MP”，然后用一根網(wǎng)線連接兩臺PC的有線網(wǎng)卡接口，使二者結(jié)合成完整的MAP節(jié)點。這種方案彌補了單一節(jié)點模擬MAP的不足，表現(xiàn)在：
    a)網(wǎng)卡選擇：兩塊無線網(wǎng)卡安裝在不同的節(jié)點上，節(jié)點間距離可以調(diào)整，因此在網(wǎng)卡的選擇上有較大的自由度。不用考慮同頻干擾，即使網(wǎng)卡完全相同也可正常使用。
    b)節(jié)點故障處理：由于MAP的AP功能與MP功能被分解到獨立的兩個節(jié)點上，較容易進(jìn)行故障點的判斷，故障處理簡單，即使需要對設(shè)備進(jìn)行更換，成本也相對較低。
    c)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性：當(dāng)現(xiàn)有的WLAN網(wǎng)絡(luò)需要加入Mesh網(wǎng)絡(luò)時，只需用一根線纜連接就近的MP節(jié)點和WLAN網(wǎng)絡(luò)的接人點。若出現(xiàn)多個WLAN網(wǎng)絡(luò)加人的情況，只需在MP節(jié)點和多個接入點間放置一臺交換機連接即可。圖4為圖1在該方案下進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2．3 節(jié)點設(shè)計
    測試床由5個節(jié)點組成，其中MPP(MP3)，MP1和AP3個節(jié)點分別由裝有兩塊網(wǎng)卡的PC(PC自帶一塊有線網(wǎng)卡，另安裝一塊802．11 b／g的無線PCI網(wǎng)卡)充當(dāng)，MP2由一臺裝有802．11 b／g無線PCI網(wǎng)卡的PC充當(dāng)，客戶端終端(station)由一臺筆記本電腦充當(dāng)。測試床各個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識及所屬網(wǎng)絡(luò)見表1，各節(jié)點網(wǎng)卡的IP配置見表2。

2．4 實現(xiàn)環(huán)境
2．4．1 硬件環(huán)境
    a)系統(tǒng)配置：P4-2．4 CPU；512 M內(nèi)存；80 G硬盤；
    b)無線網(wǎng)卡：TP-LINK的TL-WN650 G；芯片Atheros 5212，支持802．1l b／g。
2．4．2 軟件環(huán)境
    a)操作系統(tǒng)：fedora 6(內(nèi)核：2．6．18-1．2798．fc6)；Windows XP Professional(僅用于客戶端節(jié)點)；
    b)無線網(wǎng)卡驅(qū)動：madwifi-dfs-current．tar．gz；
    c)相關(guān)軟件：kernel-xen-deve1-2．6．18-1．2798．fc6．i686．rpm；subversion-1．4．6．tar．gz；subversion-deps-1．4．6．tar．gzsharutils-4．6．1-2．i386．rpm，這些軟件是確保無線網(wǎng)卡驅(qū)動madwifi順利安裝的前提；dhcp-3．0．4-21．fc6．i386．rpm，該軟件使模擬AP中動態(tài)地址分配的功能得以實現(xiàn)。
2．5 實現(xiàn)技術(shù)
    在測試床的搭建過程中需要解決以下關(guān)鍵技術(shù)：操作系統(tǒng)的選擇、網(wǎng)卡驅(qū)動的選擇和安裝；可加載內(nèi)核模塊；Linux無線工具；動態(tài)主機分配協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換等等。這些技術(shù)的使用并不是相對獨立的，而是有一定的先后順序，它們相互配合，協(xié)調(diào)作用，有機地結(jié)合在一起共同支撐該測試床系統(tǒng)。
    測試床的關(guān)鍵技術(shù)主要分為4個層次，如圖5所示：最底層是操作系統(tǒng)的選擇和安裝。這一步是測試床搭建的基礎(chǔ)，所有后續(xù)的工作都必須在此之上才能進(jìn)行。操作系統(tǒng)安裝完成后是網(wǎng)卡驅(qū)動的選擇和安裝，本平臺不僅要求驅(qū)動程序具有強大的功能，而且要求它是開源的，方便研究人員根據(jù)需要修改驅(qū)動代碼。網(wǎng)卡驅(qū)動程序安裝后并不能正常使用網(wǎng)卡，還需要可加載內(nèi)核模塊(Loadable Kernel Modules，LKM)技術(shù)。

    在LKM之上涉及3個工具的應(yīng)用，其作用各不相同：Linux無線工具用于對無線網(wǎng)卡進(jìn)行具體的參數(shù)配置，如傳輸信道、傳輸速率、無線模式等；平臺還需要利用DHCP工具在AP節(jié)點上模擬出動態(tài)主機分配功能；最后，還將利用NAT(Network Address Translation)原理，使用iptables工具來實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間的地址轉(zhuǎn)換。

3 測試床的功能驗證
    完成測試床的搭建后，需要對平臺的功能進(jìn)行驗證。本文主要從測試床平臺的客戶端網(wǎng)絡(luò)、Mesh骨干網(wǎng)絡(luò)、客戶端網(wǎng)絡(luò)與骨干網(wǎng)絡(luò)間的通信、Mesh網(wǎng)絡(luò)與Internet的融合4個方面加以驗證。
    客戶端網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)首先在于AP節(jié)點接入功能的模擬。打開終端節(jié)點的“無線網(wǎng)絡(luò)連接”窗口，看到終端連接到AP上，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識為“M-AP”，并通過AP的DHCP功能自動獲取到網(wǎng)絡(luò)配置信息，比如IP地址、子網(wǎng)掩碼、默認(rèn)網(wǎng)關(guān)等。
    為了進(jìn)一步證明客戶端網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)搭建成功，需對客戶端節(jié)點與AP的連通性加以測試，結(jié)果如圖6所示，節(jié)點間通信正常。據(jù)此得出：客戶端網(wǎng)絡(luò)搭建成功。

    骨干網(wǎng)絡(luò)是整個測試床實現(xiàn)的關(guān)鍵，Mesh骨干網(wǎng)本質(zhì)是一個Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)，只要安裝了無線網(wǎng)卡的計算機之間即可實現(xiàn)單跳或者多跳無線互聯(lián)。為驗證網(wǎng)絡(luò)的連通性，取其中任意兩個節(jié)點進(jìn)行測試(以MP1和MP2為例)，如圖7所示，節(jié)點間通信正常，骨干網(wǎng)絡(luò)搭建成功。
    采用同樣的方法對客戶端網(wǎng)絡(luò)與骨干網(wǎng)絡(luò)間以及Mesh網(wǎng)絡(luò)與Internet間的通信狀況進(jìn)行測試，所得結(jié)果表明平臺實現(xiàn)了子網(wǎng)間的通信及與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合。

4 結(jié)論
    本文介紹了基于WLAN的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)測試床。針對無線Mesh網(wǎng)絡(luò)節(jié)點MAP，在前人研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出了新的實現(xiàn)方案并成功地完成了測試床的搭建工作。該測試床的建立，為包括接入認(rèn)證、密鑰管理、安全路由在內(nèi)的Mesh網(wǎng)絡(luò)各關(guān)鍵技術(shù)，在真實環(huán)境下提供一個開發(fā)試驗平臺。