基于IEEE802.11s的無線Mesh網(wǎng)絡路由協(xié)議研究（一）

無線Mesh網(wǎng)絡是一種多跳、機動性強、抗毀性強的無線網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，靈活的組網(wǎng)方式以及易部署的特點是其在應急系統(tǒng)等特殊環(huán)境中應用的重要前提。路由協(xié)議的設計是設計無線Mesh網(wǎng)絡的關(guān)鍵問題之一，如何進行路由選擇是影響網(wǎng)絡性能的一個重要問題。在探討關(guān)鍵技術(shù)的同時，應用需求的提出也是各國際標準化組織在多種覆蓋不同物理范圍的無線網(wǎng)絡技術(shù)標準中融入對Mesh 組網(wǎng)方式的誘因，如支持WLAN 的IEEE802.11]標準、支持WMAN的IEEE 802.16標準以及支持WPAN的IEEE 802.15標準，這些標準均在支持無線Mesh網(wǎng)絡及其相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)方面做出了努力。

本文介紹IEEE 802.11s 中的關(guān)鍵技術(shù)之一--混合無線Mesh 協(xié)議(Hybrid WirelESS Mesh Protocol,HWMP)，盡管該協(xié)議存在根部節(jié)點易形成網(wǎng)絡瓶頸的不足，但其結(jié)合了先驗式路由協(xié)議的靈活性和按需路由協(xié)議的有效性，在應急系統(tǒng)中可以發(fā)揮重要作用。因此，改進現(xiàn)有協(xié)議以適應特殊領域的應用成為下一步的主要研究內(nèi)容。

1 IEEE 802.11s 標準化情況

IEEE 802.11 于2004 年7 月成立Mesh 任務組(802.11 TGs任務組)。TGs任務組研究支持無線分布式系統(tǒng)(Wireless DiSTribution System,WDS)的協(xié)議，在原IEEE 802.11體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議基礎上提供ESS(ExtendedService Station)的Mesh 功能，使各WLAN 設備能夠無線互連、實現(xiàn)自動拓撲發(fā)現(xiàn)并進行動態(tài)路徑的配置，同時，對MAC協(xié)議進行了擴展，支持單播/多播/廣播，并在MAC層使用無線信道感知機制與多跳拓撲來達到理想的覆蓋范圍，保證網(wǎng)絡的靈活性。IEEE 802.11s的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下方面：增加覆蓋范圍和靈活性;性能可靠;安全;設備間的多媒體傳輸;電池驅(qū)動設備的節(jié)能機制;互操作性。

WLAN Mesh網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)與節(jié)點類型如圖1所示。

Mesh 節(jié)點(Mesh Point,MP)：與相鄰MP 建立通信鏈路，參與ESS Mesh網(wǎng)絡服務;

Mesh接入點(Mesh Access Point,MAP)：擁有MP的全部功能，并提供接入服務;Mesh 入口節(jié)點(Mesh Portal,MPP)：該節(jié)點為數(shù)據(jù)提供在Mesh網(wǎng)絡與其他分布式系統(tǒng)或非802.11系統(tǒng)間的進出節(jié)點;用戶站(Station,STA)：通過MAP 與Mesh網(wǎng)絡通信的站點，通常指傳統(tǒng)的802.11 用戶終端，其不在ESSMesh網(wǎng)絡范圍內(nèi)。

IEEE 802.11s 基于傳統(tǒng)物理層標準，提供WLANMesh服務，包括拓撲發(fā)現(xiàn)、路徑選擇和轉(zhuǎn)發(fā)、媒體接入?yún)f(xié)調(diào)、Mesh網(wǎng)絡的配置和管理、網(wǎng)絡測量、網(wǎng)絡互連和安全等功能模塊。IEEE 802.11s協(xié)議各個功能模塊如圖2所示。

Mesh拓撲發(fā)現(xiàn)、路徑選擇和轉(zhuǎn)發(fā)模塊在MAC協(xié)議中具有重要作用，也是IEEE 802.11s中的一個關(guān)鍵功能，下面將對IEEE 802.11s 定義的HWMP 協(xié)議進行詳細分析。

2 混合無線Mesh 協(xié)議(HWMP)

HWMP協(xié)議將先驗式路由協(xié)議和基于樹型拓撲的反應式路由(即按需路由)協(xié)議相結(jié)合，廣泛應用于基礎設施Mesh 模式和客戶機Mesh 模式的無線Mesh 網(wǎng)絡。網(wǎng)絡中的節(jié)點可以進行最優(yōu)路由發(fā)現(xiàn)和路由維護，或依賴根節(jié)點(即MPP)形成的樹型拓撲進行路由發(fā)現(xiàn)和路由維護。路由發(fā)現(xiàn)過程根據(jù)網(wǎng)絡是否配置根節(jié)點有所區(qū)別。通常，樹型拓撲配置MPP為根節(jié)點，在這樣的情況下，其余的MP 按需地維護到達根節(jié)點的路徑，并且形成樹型拓撲路由。

2.1 幀格式

幀格式如圖3所示。

2.2 消息格式

HWMP 協(xié)議實現(xiàn)通過路徑請求消息PREQ(PathRequest)、路徑響應消息PREP(Path Reply)、路徑錯誤消息PERR(PathError)、路徑響應確認ACK(PREPACK)和根宣告消息RA(Root Announcement)。PREQ用于路由請求，PREP 用于對路由請求消息的應答，PERR 用于鏈路發(fā)生錯誤時進行的應答或維護，以及RA用于對自己根節(jié)點身份的消息的廣播。

2.2.1 PREQ

路徑請求消息PREQ(Path Request)格式如圖4所示。

標志位當Bit 0=0 時，為單播;Bit 0=1 時，為廣播;Bit 1~7 為預留位。PREQ 控制標識包括目的標識DO(Destination Only)、回復轉(zhuǎn)發(fā)標識(Reply-and-Forward)，其中，DO=0 時，表示中間節(jié)點接收到PREQ 消息產(chǎn)生PREP;DO=1時，表示目的節(jié)點產(chǎn)生PREP消息回應該路徑請求，該路徑請求和路徑回復包含了完整路徑并收集當前的metric 值，以確保度量值是最新的。TTL(Timeto Live)即生存時間，定義了PREQ的跳數(shù)范圍。