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1、基于综合判据的无线Mesh网路由协议作者简介：沈 呈（1982），男，博士生，研究方向为移动通信与无线网络技术。联系方式：Email: ， 基金项目：国家自然科学基金重大研究计划项目(90604003)、国家自然科学基金项目(60603067)、高等学校博士学科专项科研基金资助课题(20090092120029)。沈呈1,2，陆一飞1,2，夏勤1,2（1东南大学计算机网络和信息集成教育部重点实验室，江苏南京 210096；2东南大学计算机科学与工程学院，江苏南京 210096）摘 要： 为用户提供高质量，高性能的通信链路是无线Mesh网路由协议所面临的重要挑战，而当前从Ad Hoc网络沿袭下来
2、的路由协议并不能够满足无线Mesh网的性能要求。本文以OLSR协议为原型，结合跨层优化理论，为基础设施架构的无线Mesh网提出了一种新颖的、基于综合判据的路由协议。该协议通过跨层操作机制综合考虑无线链接的长度及通信效率对链接性能的影响，从而达到优化路由选择的效果。仿真结果表明，所提出的路由协议能够有效地提高网络中分组的递交率，降低端到端的延时，并且能够在一定程度上达到负载均衡的路由效果。关键词： 无线Mesh网；路由协议；跨层设计；先验式路由1 引言无线Mesh网（Wireless Mesh Network，简称WMN）是一种新型的分布式宽带无线网络架构，能够实现家庭宽带个域网、楼宇自动化网络
3、、社区组网、交通医疗系统网络、校园组网、企业组网以及城域组网等多层次、大范围的无线应用。当前，国内外的许多研究机构和相关厂商都对无线Mesh网技术进行了广泛的研究，相关的标准也在积极制定中1。通常来说，无线Mesh网有三种拓扑架构，分别为基础设施/骨干WMN架构、客户端WMN架构和混合WMN架构。其中，最常见的，也是应用最多的，是基础设施/骨干WMN架构，它被广泛地应用在无线城域网的建设中，本文中所有的论述都是针对这种架构进行的。图1显示了基础设施/骨干WMN架构的无线Mesh网的组成。从图中可以看出，这种架构被分为三层，最低一层为终端用户层，各种终端用户设备，如手机、笔记本电脑、PDA等通过
4、各种标准接入技术接入到无线Mesh网；中间一层为无线Mesh层，由无线接入点（Mesh Access Point，MAP）和超网关节点（Super Gateway，SGW）组成，这些节点相互连接形成一个自组织、自配置的无线骨干网。终端用户可以通过该层接入到核心网络，也可以通过该层进行彼此间的通信。为了达到这个目标，需要为该层设计一个高效可靠的路由协议，这也正是本文所关注的问题；最上面一层是核心网络层，主要提供各种网络互联服务2。图1 基础设施/骨干WMN网络架构如前面所述，基础设施/骨干WMN架构的无线Mesh网大多被运用在社区组网、城域组网等交互性强、普适性高、性能敏感的应用场合。而且随着互
5、联网的发展，网络服务呈现多元化趋势，特别是具有实时性要求的多媒体业务，如语音、视频等近几年得到了迅猛的发展。这样复杂的应用场景和多样的业务需求也就给无线Mesh网，特别是其中无线Mesh层的路由协议设计提出了更为苛刻的性能要求3。近年来的研究表明，传统的网络分层设计方法，对于无线Mesh网这样的无线网络来说，并不是有效的设计方法。这主要是由于无线信道的开放性和信道参数的时变性使得分层设计方法无法保证网络资源的利用率和用户业务的QoS需求。而且传统的路由协议基于“最小跳数”的选路机制，存在许多不足之处，例如无法有效地控制拥塞现象、公平性很差、不能实现负载均衡等等。因此，利用跨层设计的思想来实现新
6、的路由协议，改进上述不足之处，从而进一步提高无线Mesh网的性能，是本文的主要出发点。本文结合跨层优化理论，提出了一种适用于无线Mesh环境的综合判据，并以此为基础，为无线Mesh网的无线Mesh层设计了基于综合判据的自适应路由协议IMAR（Integrated Metrics based Adaptive Routing）。论文的后续部分安排如下：第2部分讨论了相关的研究工作；第3部分给出了综合判据的定义，并且详细介绍了IMAR协议的实现；第4部分对协议进行了仿真实验及结果分析；最后部分对全文的研究工作进行了总结。2 相关工作2.1 网络层路由协议当前，无线Mesh网作为一种新兴的网络技术，
7、其路由协议的研究和设计尚未形成统一的标准，大多数现有的无线Mesh网路由协议都是从Ad Hoc网络的路由协议发展而来的。因此，和Ad Hoc类似，目前无线Mesh网的路由协议根据路由的生成时间可以分为先验式和反应式两大类，根据分组的转发机制又可以分为逐跳（hop-by-hop）和源路由两大类。在无线Mesh网的无线Mesh层中，网络节点相对固定，只有无线接入点的故障、加入和退出以及无线链路的一些不确定性会造成网络拓扑的变化，网络拓扑变化的速率要远远低于数据流的到达速率，并且无线Mesh网中的主流业务为存在一定延迟要求的Internet业务。基于这样的网络环境，Yaling Yang等人在文献4
8、中给出论证：先验式的逐跳路由协议最适合无线Mesh网。OLSR5（Optimized Link State Routing）就是一种典型的先验式逐跳路由协议，其融合多点转播技术6，对传统的链路状态路由协议做了两方面的改进：一是在节点构造拓扑控制分组的时候，对所包含的局部拓扑信息进行有效的压缩，可以减少传输拓扑控制分组所需的带宽开销；二是在拓扑控制分组的广播过程中采用多点转播技术来代替泛洪，能够在达到相同广播效果的同时，大大降低广播操作所造成的开销。这两点改进都旨在减少路由维护操作给网络带来的额外开销，能够在很大程度上减少路由协议所占用的网络资源。然而，OLSR路由协议在进行路由选择时主要考虑“
9、最小跳数”这个约束条件，却忽略了无线链路的可靠程度以及路径上节点的繁忙程度，这样容易导致如下的问题：（1）协议倾向于选择跳数少的路径以减少其中的转发次数，这样容易导致每跳的距离相应增大，对于无线传输来说，对端节点间的距离一定程度上决定了单跳链接的质量，过大的传输距离势必会导致无线干扰增大，数据传输率降低，所以，好的路由判据需要在跳数和每跳距离间作出权衡；（2）网络中的流量容易集中于某些链路，从而形成一些“热区”，在这些“热区”中容易出现网络拥塞，导致经过这些区域的数据包经历严重的延迟甚至被丢失，而与此同时，网络中的其它一些节点和链路可能长期处于空闲状态，这些潜在的网络资源没有得到有效的利用。因
10、此，对于无线Mesh网来说，OLSR路由协议的性能还达不到理想的要求。近几年，有不少学者对OLSR协议进行了深入的研究，并针对无线Mesh网络的特点对其进行了优化。例如：文献7提出了一种新的路由判据，叫做信号噪音比，并将其运用于OLSR协议，实验表明，和最小跳数相比，该判据能够提高无线Mesh网的整体性能；文献8设计了一种OLSR扩展路由协议，其中包含了一套节点信誉管理框架，协议采用节点信誉作为路由判据，能够缩短网络中的端到端延时；文献9对OLSR协议进行了改进，使其支持多信道多收发器配置，并在路由选择过程中融入了对路径质量的考量，从而提高了协议的综合性能和可扩展性。上述的这些OLSR改进方案
11、，大多已经跳出了以最小跳数作为路由判据的传统套路，且或多或少地引入了跨层设计的思想，但是也存在着一些不足之处，例如：路径的评判标准相对单一；没有考虑节点处理能力对路径质量的影响；缺乏对网络负载平衡特性的关注等。因此，针对这些不足之处进行改进，从而进一步提高无线Mesh网路由协议的性能，成为下一步研究的一种可行思路。2.2 跨层优化设计网络协议跨层设计的核心思想在于：维持层间分离准则的同时，放松对分层结构的严格要求，允许不同层的算法共享网络的状态信息，这样有利于层内和层间操作的优化，从而使得网络的整体性能，如运行效率、资源利用、QoS保证、安全协作和能量管理等，有较大程度的促进（如图2（a）所示
12、）。 (a) 网络协议的跨层设计 (b) IMAR协议中的跨层设计图2 跨层设计示意图至于跨层设计思想在网络层路由协议中的应用，主要体现在网络层与数据链路层之间的跨层设计上，映射到实际应用中，这种跨层设计又直接反映到跨层路由判据的设计上来。如前面所述，在无线Mesh网中，采用传统的“最小跳数”作为路由判据，不足以达到良好的路由效果，即网络吞吐量、端到端延时和可靠性等性能指标达不到理想的要求。原因在于“最小跳数”路由判据没有考虑到物理层无线信道参数的变化对MAC层接入性能的影响，造成所选路径无法适应链路质量和节点状态的变化，从而导致路由性能的衰减。而融合了跨层设计的路由判据，由于其收集了低层的链
13、路质量信息来作为路由决策时的依据，所以和“最小跳数”相比，有较为明显的性能优势。例如：文献10利用IEEE802.11的自适应速率切换机制，节点建立路由时以物理层的数据传输速率作为判据，从而建立高速率、低延时的路由；文献11通过减少干扰来找到高吞吐量的路径，并通过最优化传输功率的方法增加路径的可靠性；文献12，13综合考虑节点的剩余带宽，当前负载，以及缓冲队列饱和度等因素，对无线Mesh网络中的反应式路由协议进行优化，从而提高网络的吞吐率和负载均衡能力；文献14将跨层设计的思想扩展到多信道无线Mesh网络中。以上的方法有一个共同特点：它们在进行跨层设计时，都是从“节点”的角度出发，对单个节点的
14、性能指标进行衡量和优化。但是，在实际的数据传输过程中，单跳传输的质量和性能是由发送方和接收方两者共同决定的，因此，从“链接”的角度来优化跨层设计，是一个值得探索的研究方向。3 基于综合判据的自适应路由协议IMAR如前面所述，OLSR协议具有较高的运算效率，但是路由判据先天的不足使得其无法满足无线Mesh网的性能需求，而跨层优化机制在改进算法机理，提高协议性能方面有着显著的效果。因此，本文基于OLSR协议的优点，融合跨层设计思想，为无线Mesh网的无线Mesh层提出了一种易于实现、性能优良并能够动态处理网络变化的基于综合判据的自适应路由协议IMAR。首先给出网络模型：考虑一个由N个无线接入点组成
15、的无线Mesh层，在这里，为了简化模型，讨论路由问题时，将超网关节点（SGW）当作普通的无线接入点来对待，忽略其网关作用。同时，在路由计算过程中，只考虑具有双向性的无线链接，忽略其它不对称的单向链接。对应到图论中，该无线Mesh层可以用二维平面内的无向图G（V，E）来表示，其中V为图中的顶点集合，vV表示网络中的一个无线接入点，E为图中边的集合，eE表示网络中v和v之间的一条无线链接。我们假设网络中的无线接入点均是同构的，对于每个无线接入点都增加了两个跨层模块，如图2（b）所示。参数采集模块负责在数据链路层上收集无线接入点的状态信息，例如负载情况等。参数调用模块负责为网络层路由协议提供各种统计
16、信息的数据接口。3.1 综合判据从节点层面来看，无线接入点的负载情况反映了其当前的繁忙程度，网络流量应该尽量选择相对空闲的无线接入点，从而避免出现网络拥塞；从链接层面来看，对端无线接入点之间的距离决定了通信链接的质量，距离过大会加剧链接上的信道干扰并导致较低的数据传输率，另一方面，对端无线接入点都相对空闲的通信链接将会拥有较高的传输保障，从而表现出更高的通信效率。因此，无线Mesh网路由协议应该采纳自适应负载均衡设计，尽量选择对端无线接入点距离近且相对空闲的通信链接组成路由。IMAR路由协议中提出了一种描述无线接入点v和v之间通信链接性能优劣的综合判据，其值越小，表示链接的综合性能越好。给出启发式的定义，如公式（1）所示：
