无线MESH网络Word格式.docx
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无线Mesh网络是一种高容量高速率的多点对多点分布式网络。
802.11宽带无线网络接入已经渐渐的普及开来。
现在的802.11x技术很好地支持了单中心节点（比如单AP（AccessPoint））方式的部署（比如家庭使用，小型的公司和孤立的热点），但是还不能很好的支持多中心节点部署的情况（比如大型的企业，校园等）。
传统的解决办法是把所有的AP直接连接到一个Internet的网关上去（每一个AP都用有线和主干网络相连），这样部署无线网络的花费将会随着网络规模的增加而大幅增加。
一个直接可行的解决办法就是通过无线把各个AP连接成一个多跳的网中网（Meshnetwork），然后由一个核心AP接入有线网络（该AP称为SuperJoint）。
这样一个AP-AP的Meshnetwork结构需要对现在的网络路由协议进行改进。
WBDMR的设计借鉴了传统的Ad-Hoc网络路由协议，能够动态建立和维护Meshnetwork网络的路由，机制是每个AP根据本地状态信息按需计算路由，无线客户端节点通过AP进行数据的交换，该协议适用于十几个BSS基本服务集的中型Meshnetwork网络。
在发展历程上，业界中有三种Wi-Fi方案：
第一代集中式网络模式——是一种非智能的网络，相互独立的多个接入点（AP）连接到同一个有线局域网中。
第二代集中式网络模式——是对已有交换机最简单的一种扩展方式，大多数有线交换机设备均支持。
这种模式倾向于将智能功能从AP剥离出来放到交换机中。
然而，这种方法产生了许多意想不到的后果（例如，单点故障、带宽瓶颈以及缺乏扩展性和灵活性）。
此外，要是增加AP设备使得现有的WLAN交换机端口不够用时，就必须购买新的交换机。
这两种Wi-Fi方案还存在着一个共性的问题——它们不是真正的无线，只是“更少的”有线。
连接AP的以太网还是必要的。
第三代Wi-Fimesh网络——是一种智能网络。
由于网络节点间能够通过802.11无线链路相互连接，因此它们不需要通过有线连接到交换机上。
Mesh网络架构可以扩展通信传输区域，也可以同时为无线用户和网络节点提供接入服务。
如果设计的合理，mesh网络可以成为高性能、高可靠并具有冗余能力，并且能够扩展到包含成千上万个设备。
这种类型的网络安装快捷，并且不要求精细的规划和位置选择即可获得可靠的通讯。
简单地移动某个网络节点或者增加一个节点就可以立即完善一个信号较弱或无信号的区域。
二.MESH的工作原理和结构
1．网络结构
无线Meshnetwork网络可以通过2维平面上的单位圆图（UDG，unitdiskgraph）来进行建模。
UDG图的定义是：
当且仅当图中的2个节点的距离小于单位圆半径时，2个节点通过边相连。
图1是Meshnetwork网络拓扑图。
在2000×
2000的单位区域里面随机分布了9个节点（用圆圈表示），节点的传输距离约为130。
节点间的距离小于传输距离，则可以相互通信，用实线进行连接。
椭圆表示中心节点所在的BSS，在同一个BSS内的无线客户端通过中心节点进行通信。
WBDMR的主要目的是在不同的BSS内的无线客户端通过中心节点间的无线链路中继进行通信。
只有中心节点才保持路由信息，在不同BSS内的客户端若要通信需要把报文交给自己的中心节点进行路由计算。
2．路由实现
DSR（dynamicsourcerouting）和AODV（AdHocon-demanddistancevector）路由协议是AdHoc网络中2种经典的按需路由协议。
特点是在需要的时候才创建路由，由路由发现和路由维护两个过程组成。
当源节点想要向目的节点发送消息，并且没有有效路径可以到达该目的节点时，将启动路由发现过程来查找目的节点的路由。
DSR路由的建立和维护由路由请求（RREQ）、路由回复（RREP）和路由错误（RERR）3种消息实现。
采用源路由机制，数据包头携带路由信息，使用路由缓存技术来减少路由请求的数量。
AODV路由的建立和维护由RREP、RREP消息和距离矢量表来实现，使用路由缓存技术减少路由请求的数量。
每个路由都有用于防止路由环回的序列号，由目的节点生成。
WBDMR在中心节点的路由保持了AODV和DSR按需路由的优点，并且引入Meshnetwork网络体系结构的特点，根据动态的网络拓扑来调整路由，并对路由表进行维护和更新。
WBDMR路由协议框架结构如图2所示，路由协议的执行包含以下
步骤：
（1）定期接受邻居负载播报并用更新控制算法更新路由。
（2）定期接受有线接入点（superjoint）的播报并用更新控制算法更新路由。
（3）如果源发起节点为非中心节点，则该节点向与之相连的中心节点发送连接请求，如果客户是第一次接入该BSS，则中心节点广播路由发现报文，报告该客户端接入网络；
如果源发起节点为中心节点，那么直接进入（4）。
（4）查找路由缓存中的路由表，如果不存在满足条件的路由，则泛洪路由寻找报文。
（5）找到满足要求的路由之后，使用更新控制算法更新路由缓存中的路由表。
数据报通过第三步中建立的路由转发到目的中心节点，由中心节点将数据报转发给目的客户端，如果目的地就是中心节点，则直接接受数据包。
2.1路由更新控制
根据上述的Meshnetwork的网络特点，Meshnetwork的中心节点的路由结构很少发生改变。
在设计WBDMR时，中心节点并不定期交换路由表信息。
而是只向邻居节点定期播报自己的当前负载和自己的邻居节点列表。
中心节点的当前负载可以通过任何策略进行计算（比如时延，噪声，吞吐量和流量等）。
当邻居收到该播报信息后，把该节点的负载插入邻居负载列表NLL。
如果几次接受到的负载的平均值与当前使用的路由表里该邻居的负载记录值之差超过负载抖动门限。
那么重新启动路由选择算法寻找是否有一条更好的备用路由。
例如，A和B互为邻居节点。
每次当B发出播报的时候，A把收到的B的负载放入到一个循环的数组里面，长度为N并且第N+1个播报会替代第一个记录以保持N的长度。
根据公式
（1）计算新的负载NewLoad和与当前记录的差值Diff。
如果Diff>
Threshold（负载抖动门限），那么把NewLoad作为B的负载值。
如果A有路由把B作为下一跳，那么便对路由进行重新计算。
具体是如果更新后的路由的负载与首选备用路由的负载的差Diff>
ThresholdRoute（路由更新门限），那么便把备用路由作为主用路由，并发出路由播报。
负载播报让每个节点计算自己的负载而不是链路负载来让邻居进行链路选择。
使得可以采用很灵活的负载算法，实现了网络的动态路由选择并保持负载均衡。
由于NLL和路由更新都有门限值，保持了路由和邻居状态的稳定。
不会因为一时的抖动影响路由。
由于不发送路由表信息，因此报文较小，而且泛洪限制在自己的邻居节点，减小了对网络性能的影响。
2.2有线接入点状态播报
有线接入点（superjoint）定期进行有线状态播报。
在有线状态播报里面包含了该有线接入点的当前负载和对整个Meshnetwork中心节点网络的配置策略。
中心节点在收到有线状态播报后启动路由更新算法来调整或者更新到有线接入点的路由，在泛洪距离内对播报进行转发并且更新路由损耗。
通过播报中的策略来控制网络中中心节点的各种参数，以实现通过一个有线节点来管理整个Meshnetwork以方便对设备的管理。
2.3路由发现和路由寻找
由于只有中心节点才参与路由计算，无线客户不缓存任何的路由信息。
因此，中心节点对客户端的路由建立采用了路由播报。
具体是在路由报文里面加入APID域，该域用来广播无线客户端的接入并赋值为该客户所属的中心节点的地址。
所有收到报文的节点将会把该客户端地址放入到中心节点路由对应的MAC地址链表里面。
如果客户漫游，那么将会引起新的路由播报并导致邻居中心节点更新路由表。
如果客户端在发送报文时找不到目的路由，那么就发送报文寻找报文。
中间节点发现路由后便发送路由播报，并用自己的负载加上路由播报的负载值作为新的负载填充报文并重发。
2.4路由环路的消除和路由备份
由于路由播报采用泛洪，因此会出现环路路由，可能导致系统瘫痪。
如图3，
椭圆区域内的中心节点是邻居，能够相互收到对方的信号，C1和C2是以A为中心节点的客户端。
如果C1接入A，C首先播报到C1的路由，对应的中心节点为A。
B收到后更新路由表，也播报到C1的路由（C为下一跳），C接受到后认为从B到C1是一跳新的路径。
因此加入到自己的备用路由。
其实B是通过C到达C1的，因此是冗余的环路路由，需要去除。
由于B通过C建立了到达A（C1）的路由。
因此B播报的路由损耗肯定比C当前的要大。
因此，在WBDMR中，只要收到到相同路径的更大损耗的路由播报就丢弃并不予转发。
比如在图3中，C转发到C1的路由发现后，B又播报到C1的路由，不过由于这时候B播报的路由损耗比C现有的损耗大，C直接丢弃这个报文并不予转发。
不过相同路径的定义是到相同的客户端，而不是中心节点。
因此，在有多个客户接入的时候，如果中心节点收到了来自不同路径的客户端路由播报，便把这条新的路径加入到路由表中，实现了备份路由。
比如对于D处而言，C2又接入了A，D播报了C2的路由。
C收到了来自D的目的中心节点为A的C2的路由，C查看自己的路由表并没有到C2记录，因此把这条记录加入到目的节点为A的路由表项，并且把C2放入A的挂接客户端链表里面，并且判断A-D-C和A-C两条路由的损耗，选择小的作为主用路由（如果是更新损耗差值必须超过更新路由门限）。
如果A-C的链路一直很好，D发出的报文总是后到，那么C不会建立D的备用路由。
这样不仅能够产生备份路由，消除冗余路由，而且备份路由条数会随着网络接入客户端数目的增加和网络的负载情况动态建立。
3．协议
3.1概要
由于无线Mesh网络的多跳性，所以每个节点都要有报文转发功能，这就要求节点实现合适的路由协议。
无线Mesh网络中节点是可以自由移动的，网络拓扑结构会发生变化，这样传统的基于Intemet的路由选择协议，如距离矢量方法的RIP和链路连接状态方法的OSPF等不适合在无线Mesh网络中使用，原因如下:
（I）无线传输信道与有线传输信道具有不同的特性。
自组网中主机间的无线信道可能存在单向信道，常规路由协议设计中常常没有考虑这个问题或者必须以双向链路作为工作的前提假设，由此计算出来的路由可能不能准确反映无线Mesh网络的拓扑结构，也没有考虑单向信道的存在。
（2）无线信道的广播特性产生了许多冗余链路。
由于在无线Mesh网络中一个主机的广播可能覆盖周围的数个主机，在常规路由协议看来，这些链路是冗余的。
因为在有线网络环境中，两个相邻的网络之间通常只会用一个或少数几个路由器进行连接。
冗余的链路需要常规路由协议发送更多更大的路由更新报文。
（3）周期性的广播路由更新报文会消耗大量的网络带宽。
无论哪种常规路由协议，都需要路由器定期发送路由更新报文，即使网络的拓扑结构没有发生变化也是如此。
因为路由器之间通过交换路由报文进行邻居“活动”状态监测。
这将对有限的无线信道带宽带来更多的压力。
（4）周期性的广播路由更新报文会消耗大量的主机能源。
无线Mesh网络中的主机每次发送分组都会消耗主机的能源，接收分组相对发送分组消耗的能源要少，但是由于需要经常接收分组，使得主机很难进入“休眠”节能状态。
此外，某些常规路由协议需要的复杂计算使得CPU始终处于很高的负载下，这也同样消耗了大量的能源。
这将对有限的主机能源带来更多的压力。
（5）常规路由协议不适应动态变化的网络拓扑结构。
常规路由协议是为有线固定网络设计的，它们的网络拓扑结构通常是较为固定的，不会出现大的网络拓扑结构变化。
而无线Mesh网络的网络拓扑结构会动态变化。
常规路由协议通常是没有考虑这一点的。
产生的后果就是在无线Mesh网络环境中，当网络拓扑结构变化后，常规路由协议需要花费很长的时间才能到达收敛状态，而此时拓扑结构可能在达到收敛状态之前又发生了变化。
所以可能造成这样的一种情况:
无线Mesh网络主机在花费了很高的代价（如网络带宽、能源、CPU资源等）之后得到了网络的临时拓扑结构，而由于动态变化的拓扑结构导致这个结果中的大部分内容变得陈旧，协议状态始终处于不收敛状态。
正是由于传统的基于固定网络的路山选择协议无法适应无线网络拓扑快速变化的需求，所以有必要设计专用于无线Mesh网络的路由选择协议。
一个好的无线Mesh网络路由协议同AdHoe网络的一样，应当满足以下要求
（1）分布式运行方式;
（2）提供无环路路由;
（3）按需进行协议操作;
（4）安全性;
（5）提供设备“睡眠”操作特性;
（6）对单向信道的支持。
无线Mesh网络路由协议的目标是快速、准确、高效、可扩展性好。
快速指的是查找路由的时间要尽量的短，减小引入的额外时延;
准确指路由协议要适应网络拓扑的变化，提供准确的路由信息;
高效的含义比较复杂:
其一指提供最佳路由，其二指维护路由的控制信息尽量少，以降低路由协议的开销，其三指路由协议应能根据网络的拥塞状况和业务的类型选择路由，避免拥塞并提供QOS保证;
可扩展性指路由选择协议要能够适应网络规模增长的需要。
3.2先验式路由协议
3.2.1简介
先验式路由协议又被称为表驭动（table-driven）路由选择协议，是一种基于表格的路由协议。
在这种协议中，每个节点维护一张或多张表格，这些表格包含到达网络中其它所有节点的路由信息。
当检测到网络拓扑结构发生变化时，节点在网络中发送路由更新信息。
收到更新信息的节点更新自己的表格，以维护一致的、及时的、准确的路由信息。
不同的先验式路由协议的区别在于拓扑更新信息在网络中传输的方式和需要存储的表的类型。
先验式路由协议不断的检测网络拓扑和链路质量的变化，根据变化更新路由表，所以路由表可以准确地反映网络的拓扑结构。
源节点一旦需要发送报文，可以立即得到到达目的节点的路由。
图4先验式路由选择协议
DSDV（DestinationSequencedDistanceVector）路由协议是一种无环路距离矢量路由协议，它是传统的Bellman-Ford路由协议的改进，下节将专门对DSDV协议进行分析。
CGSR（CiusterGatewaySwitchRoutingProtocol）是DSDV的扩充版，它用于分级网络。
WRP（WirelessRoutingProtocol）也是一种距离矢量路由协议，每个节点包含距离表、路由表、链路权值表和消息重传表四张表。
GSR（GlobalStateRouting）是一种链路连接状态路由协议，每个节点存储邻居列表、拓扑表、下一跳表和距离表四张表格。
FSR（FisheyeStateRouting）对GSR进行了改进，它的更新信息只包含附近节点的信息，显著的减小了更新信息的大小。
HSR（HierarchicalStateRouting）是一种用于分级网络的路由协议.高级的节点保存它所有子孙节点的位置信息。
沿从最高级的根节点到最低级的叶节点的路径为节点分配逻辑序列地址。
序列地址指示了节点的位置，可以简单的利用序列地址进行寻址。
ZHLS（Zone-basedHierarchicalLinkState）路由协议是一种基于区域的路由协议。
网络被分割成不重叠的区域以减少路由控制报文的个数，降低路由开销。
并定义了两级拓扑:
节点级和区域级。
节点级拓扑指一个区域内的节点的物理连接。
区域级拓扑指各个区域如何相互连接。
网络中存在两种链路连接状态报文:
节点链路状态报文和区域链路状态报文。
节点链路状态报文包括节点的邻居信息，只在区域内传播。
区域链路状态报文包含区域间的链路状态，在全网内传播。
3.2.2DSDV协议
目的节点排序距离向量路由协议DSDV（DestinationSequencedDistanceVectorRouting）是一种基于经典的Bellman-Ford算法的表驱动路由的协议，它通过对路由编号等措施避免了路由环路的发生，并在路径自由度方面做了一定改善。
DSDV的基本原理是:
每一个节点维持一个到其它节点的路由表，表的内容为路由的“下一跳”节点。
DSDV创新之处是为每一条路由设置一个序列号，序列号大的路由为优选路由，序列号相同时，跳数少的路由为优选路由。
正常情况下，节点广播的序列号是单调递增的偶数，当节点B发现到节点D的路由（路由序列号为s）中断后，节点B就广播一个路由信息，告知该路由的序列号变为s+1,并把跳数设为无穷大，这样，任何一个通过B发送信息的节点A的路由表中就包括一个无穷大的距离，这一过程直到A收到一个到达D的有效路由〔路由序列号为s+1+1）为止。
在此方案中，网络内所有的移动终端都建立一个路由表，包括所有的目标节点和到达各个目标节点的跳进次数（或标识距离矢量的路径矩阵）。
每个登陆条日都有一个由目标节点设定的序列号。
序列号使移动终端可以区分当前有效路山路径和已过时的路由路径。
路由表周期性地做全网更新以维护全网的通信有效性。
通常，为了减少由于路由表更新而产生的大量路由信息传递，减少网络路由开销，可以采用两种路山更新方式。
第一种是全清除方式（fulldump），即通过多个网络协议数据单元伽PDU:
NetworkProtocolDataUnit）将路由更新信息在全网中传输。
如果网络内终端出现移动，则产生的新路由分组信息不定期地传达至网络内所有终端。
第二种是部分更新方式（incremental），或增量更新方式，即在最后一次全清除传输后，只传递那些涉及变化了的路由信息传输，这些信息通常被放置在一个标准NPDU里，从而减少路由信息的传递量。
在部分更新方式中，移动终端可以增加另外一个附加的表来存储路由更新信息。
新路由信息的广播信息包含目标节点的地址、到每个目标节点的跳进次数、接收信息的序列号，以及独有的广播序列号。
新路由信息使用最新的序列号。
如果两次更新具有相同的序列号，则具有较小距离矢量阵的路由具有优先权，因为它代表最短路径（或最少跳进次数）。
通常，从源节点到目的节点可能有很多条路径，如图2.2所示，但只有一条是最好的，比如说1-2-5，一旦确定了这一点，从1到5的信息传递就按1-2-5的路径走。
在最佳路由路径的确定过程中，移动终端跟踪不同路由路径的时间，最佳路由路径就是时间最短的路径。
在找到最佳路径之前，该时间呈收敛性涨落。
一旦路径确定，这些信息就存放到每个终端里，直到获得新的路径。
图5节点1到5的路由
3.3反应式路由协议
3.3.1简介
反应式路由选择协议，又称为源启动按需路由（SourceInitialedOn-DemandRouting）是一种当需要时才查找路由的路由选择方式。
节点并不保存及时准确的路由信息、。
当源节点要向目的节点发送报文时，源节点在网络中发起路由查找过程，找到相应的路由后，才开始发送报文。
为了提高效率，节点可以将找到的路由保存在缓存中供后续发送使用。
图6反应式路由协议
DSR（DynamicSourceRoutingProtocol）是一种动态源路由选择协议，本篇论文就是基于DSR协议的改进，稍后一章将对其进行详细描述。
AODV（AdhocOn-demandDistanceVectorRouting）是DSDV的改进型，通过按需路由来降低DSDV中控制报文的数目，从而提高系统效率。
TORA（TemporallyOrderedRoutingAlgorithm）是一个有效的、可扩展性好的反应式路由选择协议，它可以找到从源节点到日的节点的多条路由。
ABR（AssociativityBasedRouting）中路由的选择以节点（H）的连接稳定性作为度量依据eSSR（SignalStabilityRouting）中路由的选择以节点间的信号强度作为度量依据。
CBRP（ClusterBasedRoutingProtocol）被用于单频两级网络中，它也使用源节点发起路由查找，与AODV具有类似的请求一回应方式。
为了减少报文丢失率，引入了中间节点本地修复机制。
3.3.2AODV协议
专用按需距离向量路由协议AODV（AdhocOn-demandDistanceVectorRouting）DSDV算法之上的，但是它并不维持一个路由表，而是在需要的时候才启动路由选择过程，因此大大地降低了路由维持的开销。
事实上它是DSR和DSDV的组合，它借用了DSR的路由发现和路由维持机制，利用了DSDV的按跳（hopbyhop）路由、顺序编号（seq）和周期更新（只在路由维持阶段）的机制。
为了查找到达目的节点的路由，源节点广播一个路由请求消息。
它的邻居收到广播消息后再次广播，直到请求消息到达目的节点或到达知道到达目的节点路由的中间节点。
目的节点或知道到达目的节点的中间节点沿原来的路由向源节点返回存在路由响应消息。
源节点收到响应后，它就可以得到到达目的节点的路由。
AODV还包括路由维护部分，实现当路径上中间节点移动后对缓存中路由的修改和删除
AODV分为路由建立过程和路由维护过程两个阶段。
其路由建立过程与DSR基本一致，是基于一种泛洪路由（floodingrouting）的方式。
网络中的节点在接收到路径建立报文后，根据自己是否是目的节点，是否具有能够到达目的节点的有效缓存，或是应答路径建立报文，或是继续转发路由建立报文。
但由于AODV协议采用节点路由方式，而不是类似于DSR的源路由，其数据分组报文不
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