基于IEEE802.11s的無線Mesh網絡路由協議研究（一）

無線Mesh網絡是一種多跳、機動性強、抗毀性強的無線網絡結構，靈活的組網方式以及易部署的特點是其在應急系統等特殊環境中應用的重要前提。路由協議的設計是設計無線Mesh網絡的關鍵問題之一，如何進行路由選擇是影響網絡性能的一個重要問題。在探討關鍵技術的同時，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絡技術標準中融入對Mesh 組網方式的誘因，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網絡及其相關關鍵技術方面做出了努力。

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

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(Wireless DiSTribution System,WDS)的協議，在原IEEE 802.11體系結構與協議基礎上提供ESS(ExtendedService Station)的Mesh 功能，使各WLAN 設備能夠無線互連、實現自動拓撲發現并進行動態路徑的配置，同時，對MAC協議進行了擴展，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，保證網絡的靈活性。IEEE 802.11s的優勢體現在以下方面：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;電池驅動設備的節能機制;互操作性。

WLAN Mesh網絡結構與節點類型如圖1所示。

Mesh 節點(Mesh Point,MP)：與相鄰MP 建立通信鏈路，參與ESS Mesh網絡服務;

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

IEEE 802.11s 基于傳統物理層標準，提供WLANMesh服務，包括拓撲發現、路徑選擇和轉發、媒體接入協調、Mesh網絡的配置和管理、網絡測量、網絡互連和安全等功能模塊。IEEE 802.11s協議各個功能模塊如圖2所示。

Mesh拓撲發現、路徑選擇和轉發模塊在MAC協議中具有重要作用，也是IEEE 802.11s中的一個關鍵功能，下面將對IEEE 802.11s 定義的HWMP 協議進行詳細分析。

2 混合無線Mesh 協議(HWMP)

HWMP協議將先驗式路由協議和基于樹型拓撲的反應式路由(即按需路由)協議相結合，廣泛應用于基礎設施Mesh 模式和客戶機Mesh 模式的無線Mesh 網絡。網絡中的節點可以進行最優路由發現和路由維護，或依賴根節點(即MPP)形成的樹型拓撲進行路由發現和路由維護。路由發現過程根據網絡是否配置根節點有所區別。通常，樹型拓撲配置MPP為根節點，在這樣的情況下，其余的MP 按需地維護到達根節點的路徑，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 協議實現通過路徑請求消息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 用于鏈路發生錯誤時進行的應答或維護，以及RA用于對自己根節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)、回復轉發標識(Reply-and-Forward)，其中，DO=0 時，表示中間節點接收到PREQ 消息產生PREP;DO=1時，表示目的節點產生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的跳數范圍。