信息通信专业无线MESH网络的路由介绍.ppt

无线MESH网络的路由介绍,纲要,无线MESH网络Wireless Mesh Network(WMN)一、无线MESH网络概述二、多信道无线MESH网络MAC协议三、无线MESH网络的路由,无线MESH网络概述,什么是无线MESH网络WMN的三种结构WMN的特点WMN与传统WLAN的区别,什么是无线MESH网络,无线Mesh网络，也称为“多跳（multi-hop）”网络，它是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术。无线Mesh网络的核心指导思想是让网络中的每个节点都可以发送和接收信号，与传统的无线局域网相比，具有更好的伸缩性和更强的健壮性。在无线Mesh网络中，不是每个Mesh节点都需要有线电缆连接，这是它与有线AP最大的不同。Mesh的设计目标就是将有线设备和有线AP的数量降至最低。,WMN的结构骨干网Mesh结构,这种可分为三层：接入节点和Internet形成最上层；中间层由无线路由器之间通过单跳或多跳通信形成无线路由器网络，它们通过无线接人点(AP)形成无线Mesh网络的骨干网；用户结点层。,WMN的结构客户端Mesh结构,客户端Mesh结构是由Mesh客户端组成的在用户设备间提供点到点服务的WMN。客户端组成一个能提供路由和配置功能的网络,支持用户的终端应用。由于组成此网络的各节点不需要有网关或中继功能,所以这种无线网络中无需Mesh路由器。,WMN的结构混合结构,Mesh客户端可以通过Mesh路由器接入骨干Mesh网络。这种结构提供了与其他一些网络结构的连接,如因特网、WLAN、WiMAX、蜂窝和传感器网络。同时,客户端的路由能力可以为WMN增强连接性和扩大覆盖范围,WMN的特点（1）,在无线Mesh网络中，任何无线设备节点都可以同时作为access point（AP）和路由器，网络中的每个节点都可以发送和接收信号，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。传统的WLAN采用的是单跳访问方式，这就要求每个客户端在访问网络时都需要一条无线链路连接AP，用户之间进行通信时，必须首先访问一个固定的AP。采用多跳访问的访问方式：如果最近的AP由于流量过大而导致拥塞的话，那么数据可以自动重新路由到一个通信流量较小的邻近节点进行传输。依此类推，数据包还可以根据网络的情况，继续路由到与之最近的下一个节点进行传输，直到到达最终目的地为止。这样的访问方式就是多跳访问。,WMN的特点（2）,与传统无线网络WLAN相比，WMN具有五大无可比拟的优势：1、快速部署和易于安装2、非视距传输(NLOS)3、健壮性4、结构灵活5、高带宽任何事物都不可避免的存在着不足，WMN也不例外。1、互操作性（没有一个统一的标准）2、通信延迟（多跳访问的访问机制）3、安全（多跳访问的访问机制）,WMN与传统WLAN的区别,从拓扑结构上讲，WLAN是典型的点对多点网络，而且采取单跳方式，因而数据不可转发。WLAN可在较小的范围内提供高速数据服务（802.11b可达11 Mbit/s，802.11a可达54 Mbit/s），但由于典型情况下WLAN接入点的覆盖范围仅限于几百米，因此如果想在大范围内应用WLAN 的这种高速率的服务模式，成本将非常高。而对于WMN，则可以通过WR对数据进行不断转发，直至把它们送至目的节点，从而把接入点的覆盖服务延伸到几公里远。WMN的显著特点就是可以在大范围内实现高速通信。,WMN的路由,1、WMN路由的重要性2、WMN路由设计必须考虑的因素3、WMN路由设计的思路4、WMN路由协议的现状5、WMN vs.Ad Hoc从结构到路由,WMN的路由设计的重要性,由于MESH网络的特殊性，路由协议对于WMN网络十分关键。首先，在多跳MESH网络中，路由协议不能仅仅依据最小跳数来进行路由选择，而是要综合考虑多种性能指标来进行路由选择；其次，MESH路由需要提供网络容错性和健壮性支持；第三，MESH路由要能过利用流量工程技术，在多条路径间进行负载均衡，尽量最大限度地利用网络资源；第四，路由协议要能同时支持MESH路由器和MESH终端。因此，设计一种可靠、高效的MESH路由是WMN网络设计的关键之一。,WMN路由设计必须考虑的因素,1、路由判据：要能解决因路径质量差而影响网络吞吐量等性能的问题，且能正确反映出链路质量对各指标的影响2、负载均衡：WMN 中,所有节点都通过路由协议共享网络资源，因此,WMN 路由协议必须满足负载均衡的要求。3、路由容错：路由发生错误时,要尽快完成路由重建,以避免服务中断。4、网络容量：由于网络规模的限制,广播机制进行路由查找的方法会消耗很多网络资源。同时,由于大规模网络建立路径时将花费很长时间,使端到端的延时变大,一旦路径建立起来,由于路径发生变化又需要消耗很大的网络资源进行路由重建。5、如何在WMN 中为用户提供QoS 保证也是路由设计时必须考虑的一个关键问题。,WMN的路由设计的思路,WMN路由的设计主要有以下几种方法：1、使用多判据路由2、使用多径路由3、跨层路由,另外，还有其他的方法，比如，使用多信道路由，使用分级路由，根据QoS 路由，基于地理位置的路由等等。,使用多判据路由,所谓多判据路由即是使用多个路由准则对WMN路由进行性能评价。例如，将平均传输次数ETX、RTT和数据对延迟时间PKT Pair 与最小跳数HOP(HopCount)进行对比作为判据，然后设计出相对优化的路由协议,使用多径路由,多径技术可以很好地避免单径时网络震荡的影响，并在充分利用带宽等网络资源的同时实现负载均衡、路由迂回、容错等。当其中的某一链路，由于信道质量恶化而不能正常工作时，其他链路仍可以使用，因此，在路由出现故障时，可以避免路由重建等操作。,跨层路由,以往的研究都集中在网络第三层上，其实验结果并不理想。可以对此进行改进：从网络的第二层提取一些参数，作为路由判据，再考虑合并MAC层与网络层之间的一些功能。跨层设计可以使路由协议收集到节点底层实际数据的传输情况，并能做出正确的路径选择，它对网络性能的提高也有很大的意义,WMN的路由WMN路由协议现状,由于WMN还比较“年轻”，暂时还没有形成一个统一的标准，专门为无线MESH网路设计的路由协议比较少，目前主要有以下几种：1、支持多射频的链路质量源路由MR-LQSR2、可预测的无线路由协议PWRP3、基于链路质量选择路由的协议,支持多射频的链路质量源路由,它是微软公司研发的多信道WMN 路由协议，采用一种新的路由性能准则：加权累计传输时间WCETT，该准则不但需要获得路径中节点和其邻居链路相关状态信息，而且还要综合链路状态信息来评价链路质量的优劣。WCETT 综合考虑了带宽等链路性能参数以及最小跳数等因素。因此该协议能在吞吐量与延时之间获得一种平衡。,可预测的无线路由协议,该协议是基于传统的有线网络(如因特网)路由协议OSPF 改进的，并针对Wi-Fi 无线网格小区应用而设计。它通过比较数据包错误率及其他网络条件来选择在特定环境下的最优路径。它选择可达到最大吞吐量的路径来传输到达有线网关的业务，通过选用性能最佳的路径，减小了射频干扰、路径故障以及业务载荷等因素的影响。适用于大规模网络,具有路由开销小等优点。,基于链路质量选择路由的协议,该协议以到达因特网接入点的路径质量为判据选择最优路径。所有节点接收来自接入点的路由数据包,该数据包记录了到达接入点的路由信息。该协议使节点在经过三次选择后获得最佳的路由通道。,WMN vs.Ad Hoc,结构及基础设施(Infrastructure/Backbone):两者结构的不同也是两者最大的区别：Ad Hoc是扁平结构，而Mesh网是分层和等级结构，在每层内部是形成多个小Ad Hoc网络，不同层之间通过无线串联起来。因此，可称无线Mesh网络为分层Ad Hoc网络，是自由动态组网和集中控制的有机结合体。,WMN vs.Ad Hoc,整合性能(Integration):WMN可以整合现有的很多网络，如internet，wifi，蜂窝网，传感器网络。并通过无线网络基础设施对不同网络的用户提供服务。但是Ad Hoc则不具备这些性能。,WMN vs.Ad Hoc,路由和配置的专一性(Dedicated routing and configuration)：Ad Hoc中，由于所有终端用户承担了router和网络配置的角色，每个用户都有负担(load)。而WMN中的mesh router承担了路由和网络配置，从而减轻了终端用户的负担，对终端用户提供了低能量消耗和高应用容量，使可能的受能量限制的用户受益，减少了加入网络中设备的成本。,WMN vs.Ad Hoc,移动性(Mobility)：Ad Hoc中，所有节点(终端用户)都具有不可知的移动性，网络拓扑结构变化大。这在路由和网络配置方面带来挑战。而WMN中，mesh router具有较低的移动性(甚至很固定)。整个WMN具有相对稳定的拓扑结构。,WMN vs.Ad Hoc,多信道(Multiple radios)：这里的多信道指的是物理设备上的通道(无线信号发射接收器)。由于具备了多通道，WMN中可以将路由和网络配置通过mesh router间的一个通道进行传输，而将终端用户的网络接入应用通过另一个通道进行传输。而Ad Hoc中所有网络流量都需在终端用户间通过同一个信道进行传输。可见，WMN中多信道结构提高了网络流量和承载能力。,WMN路由 vs.Ad Hoc路由,由于WMN与Ad Hoc以上的诸多差异，两者的路由设计思路上也存在差异，具体表现在：1、移动性(Mobility)2、能量约束(Power Management)3、业务模式(Service Pattern)4、支持多信道(Multichannel),移动性(Mobility),mesh网络可能连接着不同类型的网络，而不同类型的网络节点具有不同的移动性。mesh router一般具有很小的移动性,而mesh client则可为固定节点或移动节点。在设计WMN 路由协议时,可以弱化移动性对该协议的影响。,能量约束(Power Management),不同类型的节点具有不同的能量约束。mesh router通常不以电池为动力,所以不需要考虑能量约束。而mesh client则需要运行一种能量使用效率较高的路由协议。,业务模式(Service Pattern),而Ad hoc 网络主要业务是任意一对节点之间的业务流。WMN 节点的主要业务是来自于因特网网关的业务。对于WMN，假如条件允许,可以在接入点到任意节点之间使用先应式路由机制,从而降低这些业务的传送时间。,支持多信道(Multichannel),WMN路由中支持多信道特性。比如可以考虑将mesh router间路由和配置以一个信道传播，mesh client间的网络应用路由以另一个信道传播，以便发挥路由和配置的专注性。,为什么要用多信道,由于无线信道上存在着传输干扰，包括同一路径上相邻节点的干扰以及不同路径之间的节点相互干扰，大大降低了无线信道的容量；另外路由协议的开销，也会影响信道容量。因此，无线信道的容量是有限的，为了解决这一问题，就必须想办法改进信道容量，由此，多信道应运而生。,多信道无线MESH网络MAC协议,近几年来,在多信道MAC协议上有很多成果,主要有以下几种:按控制信道分有专用控制信道的多信道MAC协议、无专用控制信道的多信道MAC协议。前者采用专用的射频(在控制信道上)来传递控制信息,能更有效的传递控制信息,但信道的利用率不高;后者不能有效的传递控制信息。按节点射频分有多射频多信道MAC协议、单射频多信道MAC协议。前者每个节点有多个射频,节点可以同时在多个信道上传输数据,在多个信道上实现边说边听的功能,更有效的控制节点的传输。,动态信道分配(DCA)多信道MAC协议,动态信道分配(DCA)多信道MAC协议是有专用的控制信道、2个射频的多信道MAC协议。控制信道用来解决信道的冲突和为每个终端分配信道的问题;数据信道用来传输数据。每个终端有两个半双工的收发器,即控制收发器和数据收发器:控制收发器在控制信道上与其他终端交换控制信息,得到接入数据信道的权力;数据收发器动态地切换到一个数据信道上传输数据,MMAC多信道MAC协议（1）,MMAC（Multi-Channel MAC）多信道MAC协议是没有专用控制信道、1个射频的多信道的MAC协议，采用单射频的方式进行工作,因此信道利用率较高。但由于使用了同步,且对同步的要求较为严格,实现起来较复杂,同时,对广播数据支持较差。,MMAC多信道MAC协议（2）,在MMAC协议中,每个节点配置一个半双工收发器且是同步的。每个节点维持一个PCLPreferable Channel List表，表中的数据记录了这个节点可以使用的最优信道。基于这个信息,信道分成三个状态:高优先(HIGH)表示此信道在当前的信标内正在被节点使用；中优先(MID)表示此信道在节点传输范围内还没有被使用；低优先(LOW)表示此信道已被至少一个邻节点选取。,The End,Thank you!,