【大学课件】信息通信专业 Wireless Mesh Network.ppt

Wireless Mesh Network介绍,主要内容：,概述路由问题容量问题定时同步跨层设计安全问题,WMN概述,WMN：wireless mesh network 动态的实现自组织、自管理，网络中的节点可以自动的建立并维护自身的mesh连接。两种节点类型：mesh路由器和mesh客户端。1、每个节点既可作为一个主机，也可作为一个路由器。2、mesh路由移动性最小，它形成了无线mesh网络的骨干。,WMN的特点,多跳无线网络 1、扩展当前无线网络的覆盖范围 2、提供非视距连接 支持ad hoc网络 移动性、功耗限制与mesh节点类型有关 1、Mesh路由器一般具有最小的移动性 2、Mesh路由器一般对功耗没有严格的限制 多种网络接入方式 支持回程接入因特网和P2P通信 兼容性和互用性 无线mesh网络可以很好的与现有的网络进行兼容和互用,WMN和ad hoc网络、蜂窝型网络的比较,Architecture(1):Infrastructure/Backbone WMNs,由mesh 路由器构建网络的基本结构，用户连接到路由器，通过路由器与其他节点进行通信，可以很方便地连接到其他各种网络。这种网络结构可以很好地与现有的网络结合，适合规模很大的网络。,Architecture(2):Client WMNs,用户具有路由功能，负责数据接收和转发。对于不能直接通信的节点，数据通过中间节点多跳转发。这种网络的优点是无需事先铺设基础设施便可以直接使用，适合网络规模较小时使用，网络性能随网络规模的增大迅速下降。,Architecture(3):Hybrid WMNs,用户可以通过路由器与其他节点通信，也可以直接和其他结点进行通信。这种网络结构是最具有可实施性。,Virtual Backbone选取和维护,Virtual Backbone：由Mesh路由器(或称作AP)和一些比较稳定的Mesh用户构成，选取这些用户的目的是在某些情况下，路由器无法覆盖到整个网络，用这些比较稳定的用户充当路由器，通过多跳转发实现数据通行。由于网络中会不断有节点加入和失效，所以有必要维护Backbone集合。,WMN 路由协议,由于WMN和ad hoc具有很多共同的特征，ad hoc的一些路由协议也可用于WMN。但仍存在一些问题：1、可扩展性 2、跨层的特点 3、功率限制 4、节点的移动性WMN路由协议需要关注的一些因素 1、路由判据 2、链路容错能量 3、负载均衡 4、可扩展性,WMN路由协议：1、基于各种性能检测的路由协议2、多频段路由3、多径路由4、分级路由5、地理路由,Capacity-Aware Routing 协议,1、CAR协议的目标是要找出从源端到目的端的具有最高最大空闲能力(Residual Capacity)的路径。考虑丢失率，传输率，链路接口，以及链路负载等因素。协议的基本思路是建立在：如果一条链路有很高的Radio Quality（包括丢失率，传输率），但是却没有较大的Residual Capacity的话，也是不适合被选上的。2、基于路径选择算法BLC(Bottleneck Link Capacity)，该算法可以解决链路质量，各链路连接，以及链路的负荷问题。3、算法：（1）源节点先通过控制channel泛洪RREQ(Route Request)，RREQ信息有四部分(N,C,E,CE)分别代表：node,channel,EBT,CEBT,（2）接到RREQ的节点先检测自己是否出现在路径里面，丢弃该分组，否则就自行利用决定一个适合自己跟自己邻居节点的channel，然后加入进路径，并更新RREQ信息（3）终端等待一段时间得到所有可能的路由，从中选取一个具有最大RC的路径。然后转发一个给源端（4）源端收到RREQ后开始转发数据,WMN的容量,容量是无线网络性能指标的重要参数之一，它由多个因素决定：网络的物理结构、网络的拓扑结构、传输模式、节点密度、节点所用的信道数目、传输功率、节点移动性等。两种最近提出的根据无线mesh网络的特点来提高容量的技术。,1、基于多频段(multi-radios)技术提高WMN容量：实现方案：不互相干扰的两个节点可以同时发送数据，即空间复用。如图1，链路6-5和链路2-1、1-G可以同时传送数据，链路5-4、8-4和链路1-G也可以同时传送数据。通过空间复用，碰撞域的有效负荷降低。,2、基于环的多信道无线mesh网：将Mesh 单元分割成几个环，每个环上的节点分配不同的信道。所有的用户以多跳的形式连到网关上，每个中间结点类似一个无线中继器负责把数据转发到网关。网关通过有线或无线的形式连接到主干网上。采用MINLP优化技术折中处理每个mesh单元的吞吐量和覆盖范围，从而获得了更好的吞吐量和覆盖率。,WMN的定时同步,时间同步对于网络协议的性能来说是一个至关重要的因素。比如，功率管理往往要倚赖于同步的时间根据某些性能准则决定何时将一个网络节点设置为启动、关闭或休眠状态。没有足够精确的时间同步，在TDMA MAC中很大一部分带宽将被用作警戒时间（guard time）。研究一种更好的功率管理方案或MAC协议，使其对同步定时的精度要求不是那么苛刻。,一种基于synchronization tree的自动定时同步算法,1、三类节点：（1）master node（2）slave node（3）root node2、三种消息：（1）同步请求，（2）同步结束，（3）改变优先级 3、算法过程(基于链路优先级的思想)（1）时钟同步（clock sync）（2）取消从属关系（cancel subordination）（3）改变最高级别的时钟（change superordinate colck），（4）改变优先级。4、优点（1）可以自适应的建立整个WMN的定时同步（2）当WMN中的某条链路中断时，能迅速检测并恢复同步,一个已经建立好定时同步的WMN：,WMN中某些链路中断的同步恢复,WMN 的跨层设计,在无线网络中，由于在拓扑、传输和业务上的特性，以及无线环境的不确定因素导致无线信道容量和误码率等特性具有时变性，物理层仍无法向上层协议层保证提供固定的带宽，上层协议层必然受到物理层不可靠特性的影响。不同业务的不同特性或同一业务的不同部分需要不同级别的QoS。为改善无线网络的性能及支持不同种类的QoS，MAC、路由协议和传输协议，甚至应用层必须与物理层进行有效的状态信息交互，也即需要探索跨层设计方法，充分合理利用现有网络资源(包括码字、传输功率、信道、调制方式、天线分集、调度策略、路由等)达到系统总吞吐量最大化、总传输功率最小化、QoS最优化等最终目的。,WMN 的跨层设计,跨层设计思想如下图所示，打破传统OSI参考模型中严格分层的束缚，在层与层之间进行信息传递和共享，针对各层相关模块/协议的不同状态和要求，利用层与层之间的相互依赖和影响对网络性能进行整体优化。,WMN 的跨层设计,WMN的跨层设计方法可以从两个方向进行考虑：一是通过考虑其它协议层的参数来改进协议的性能。把底层协议的参数报告到高层(如把MAC层的丢包率报告到传输层，使得TCP能够区分由于丢包产生的拥塞；或物理层把链路质量报告到路由协议作为对路由算法的一个附加性能机制)。下图所示为各网络层之间的参数交换。,WMN 的跨层设计,二是把关系密切的几个协议融合在一起，例如把MAC和路由协议融合为一个协议。第一个方法优点是没有完全放弃协议层之间的透明性；第二个方法将完全失去了这个优点，而是通过考虑协议层之间一种最优化的相互作用以实现更好的性能。,物理层主要是向数据链路层(尤其是MAC子层)、IP协议(路由协议)、传输控制协议(TCP/UDP等)等提供本层的状态参数，如信噪比(SNR)、误码率(BER)和数据传输速率等，作为其他协议层优化设计的依据。在按照MAC协议、路由协议、TCP协议和应用层业务的QoS需求进行功率控制和自适应调制解调控制。链路/MAC层向其他协议层提供的状态信息主要包括前向纠错(FEC)方案信息、媒介空闲/忙信息、剩余带宽信息等。MAC层需要包括对于网络拓扑控制和自组织的机制，采取优先级或预留信道资源的调度机制，和区分接入业务类型的能力，而这种机制必须依据其上协议层的业务建模信息，以及物理层的信道状态等信息，这种信息能够直接被路由层协议共享。,具体跨层设计要求,由于最短路径准则没有考虑到下层物理信道特性的变化对MAC层接入性能的影响等因素，造成所选路径无法适应底层性能的变化，可能会造成传输层性能的较大波动。此外，就无线信道的特点而言，即使信道环境在通信期间没有产生变化，最短路径也未必意味着最优路径。需要为WMN设计一种新的能满足网络业务QoS需求的路由准则，准则中应能体现网络剩余带宽、BER、丢包率、分组延时等参数。此外，在路由维护过程中，WMN的路由协议可以主动根据相关链路的状态全部或局部调整路由，这样可以大大降低由于链路中断而实施路径维护的开销。,具体跨层设计要求,TCP层就可以通过检测物理层的SNR变化来判定是由于拥塞还是由于移动性导致了数据包丢失，从而分别采用不同的窗口控制和包重传机制。路由选择与链路跳数、链路稳定性等有关，这些参数同样对QoS产生影响。链路层对各个业务流优先级的设置、调度以及信道选择等也会影响端到端的QoS(如延时等)。而物理层选择不同的调制方式和传输功率，同样也会使得QoS中的误码率、吞吐量、发送速率等性能发生变化。由于不同业务对上述QoS参数的要求不同，相应的各层选择策略也不同。,具体跨层设计要求,WMN跨层设计存在的问题,跨层设计的分层结构基础 跨层架构的设计 基于跨层信息的自适应速率与节能机制 基于QoS需求的跨层MAC协议与资源分配 基于QoS需求的跨层路由协议 基于流媒体业务传输的跨层协议设计 跨层设计的尺度问题 跨层功能的网络控制,虽然从对通信系统进行资源管理和整体优化的角度讲，不同协议层之间有跨层信息交互的必要，但不必要的跨层信息交互可能会对整个系统的性能产生消极影响，甚至将严重威胁系统的稳定性。,WMNs 的安全问题,主要内容：安全问题的引入WMNs的特性：1、WMNs与蜂窝网的不同。2、WMNs与internet的区别。WMNs的安全威胁举例三种基本的安全操作 1、探测中断TAPs 2、保护多跳路由 3、保持平等性,WMNs安全问题的引入,WMNs成功的解决了普遍存在的宽带internet接入问题，且网络配置成本低廉，但并没有大规模应用，主要原因是面临的安全问题并不能有效解决。结构如下：,WMNs的特性,通过比较与蜂窝网和因特网的区别介绍其特点：与蜂窝网的不同：1、占用不同的频带。WMNs通常使用未授权的频率。2、WMNs中WHS起了蜂窝网中基站的作用。基站能够解决所有的安全问题，但WHS并不能，因为WMNs中的通信是多跳，故路由机制必须安全。与internet的区别：WMNs中，无线TAPs起了internet中路由器的作用。但TAPs不能被物理保护。,WMNs的安全威胁,相比其他网络，新的安全威胁主要由多跳无线通信带来的，同时TAPs并不受到物理保护。多跳延迟了攻击侦测和处理，使得路由成为网络服务中的关键问题，多跳还可能导致TAPs间严重的不平等；而TAPs的物理暴露允许了攻击者捕获，复制和篡改的发生。,三种基本的安全操作,探测中断TAPs；保护路由机制；定义一个合适的公平机制来确保WMN中一定程度的平等；这些安全问题不仅是WMN中着重考虑的，在其他网络中照样需要确保其安全，（MAC协议，节电位置），我们之所以在此详细讨论，是因为它们是WMNs中最关键的安全问题。,Thanks!,