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基于DSR路由協議的PMP網絡和Mesh網絡的特點及應用比較

關鍵詞:無線接入 DSR路由協議 PMP網絡

時間:2021-09-18 09:46:55      來源:網絡

無線接入是最為自由,也是最受歡迎的一種接人手段。近年來,各種寬帶無線接入(BWA)技術開始得到快速發展。在BWA技術中,IEEE802.1l定義的WLAN是發展相對成熟的一種,在IEEE802.11中定義了兩種網絡配置模式。一種采用有中心結構,稱為AP模式或是In-frastructure模式。

作者: 解亞琦;張海林;趙力強;曾憲瑋 來源:西安電子科技大學ISN國家重點實驗室

無線接入是最為自由,也是最受歡迎的一種接人手段。近年來,各種寬帶無線接入(BWA)技術開始得到快速發展。在BWA技術中,IEEE802.1l定義的WLAN是發展相對成熟的一種,在IEEE802.11中定義了兩種網絡配置模式。一種采用有中心結構,稱為AP模式或是In-frastructure模式。另一種采用無中心結構,稱為Ad Hoc模式。當WLAN用于接入環境時,一般都采用有中心的AP模式,因為在這種模式下,通過AP接入主干網十分方便。但是,在WLAN中使用AP作為接入環境有一個十分重要的條件,這就是無線站點(STA)必須位于可以直接與AP聯通的環境中。這些條件對實際組網形成了一個十分不利的限制。而當前受到廣泛關注的Mesh網正在努力克服這一限制。 本文主要是在MAC層采用IEEE802.1l的條件下,比較基于DSR路由協議的PMP網絡和Mesh網絡的性能。

1 無線Mesh網絡的拓撲結構和特點

1.1 什么是無線Mesh網絡

無線Mesh網(Wireless Mesh Network,WMN)是一種多跳、具有自組織和自愈特點的寬帶無線網絡結構,即一種高容量、高速率的分布式網絡。目前主要觀點認為,WMN是一種由無線鏈路連接路由器和終端設備的靜態無線網絡,是Internet的無線版本。WMN不同于傳統的無線網絡,可以看成是WLAN(單跳)和移動Ad Hoc網絡(多跳)的融合且發揮了兩者的優勢。作為一種新型網絡結構形態,Mesh結構已被納入到802.16-2004,802.16e和即將制定的802.1ls標準中。WMN可以通過一些中間節點連接互相遠離不能直接連接的無線路由器。

1.2 拓撲結構

在傳統的各種無線接入網絡中,拓撲結構主要采用點到點或點到多點的結構形式。在點到多點結構中,一般都有一個中心節點與骨干網直接相連,中心節點負責控制各用戶節點的接入和提供到骨干網的網絡接口,功能上遠比用戶節點復雜,成本也比較高昂。無線Mesh網采用的則是一種網狀結構,也被稱為多點到多點的系統。各用戶節點可以通過相鄰的其他用戶節點以多跳方式實現到骨干網的連接,新用戶可以通過他周圍的其他用戶節點很方便地接入到網絡中,由于在網絡擴展時不再需要中心節點,無線Mesh網可以極大地減少整個網絡的建設成本。

1.3 無線Mesh網的特點

自愈性WMN可以提供完全的端到端的多重冗余路由,這就意味著若由于某種原因某個鏈路失效,網絡能自動地更換路由。

可靠性 為了提高鏈路質量,可通過增加中間節點,即縮短節點之間的距離來實現。

自配置能力 WMN是一種自組織網絡,不需要或很少需要人工配制網絡。因而,網絡能夠自動判斷并更新網絡相關配置。

分散管理問題 由于WMN的分散性,很難實現像有線網絡那樣的集中管理,即使對于低移動性的WMN,網絡配置與管理仍然是一個不易解決的問題。

共存干擾問題 對于非許可證頻段的WMN必然存在與其他共存網絡的無線干擾問題。

安全問題 由于WMN結構本身的脆弱性,極易遭受其他惡意節點的攻擊、干擾和竊聽,所以安全問題是WMN需要解決的重要問題之一。

1.4 無線Mesh網的應用

Mesh網絡將可以被政府與市政應用,為城內(如公園等公共場所)的市民提供寬帶無線接入。可成為本地的商業企業和傳媒等潛在伙伴,為旅游觀光客人等提供旅游信息的寬帶接入。為無線服務提供商(WISP)提供熱點地區的服務覆蓋的延伸,向移動用戶提供高性能的Internet接入服務。在教育上,將大學校園網覆蓋延伸到校外,向身處校外的學生和教職員工提供無處不在的寬帶接入。另外在應急通信臨時網絡(臨時集群通信系統),還能為警察、消防等提供應急通信服務,特別是在通信基礎設施遭受破壞的突發事件現場更加重要。他還能為城市地鐵、輕軌等通勤車輛提供移動Wi-Fi接入,通過站臺無線AP,為車內旅客建立移動Wi-Fi環境,站間信號可以通過安裝多個無線AP來延伸站內信號。在無線數字化家庭,Mesh能輕松構成多媒體家庭無線網絡,實現家庭安全系統聯網、家庭Internet接入、家庭通信設備互聯等。

2 無線Mesh網的路由協議

Mesh路由協議基本同Ad Hoc網絡路由協議,目前幾種典型的路由協議有:DSDV(目的序列距離矢量路由協議)、DSR(動態源路由協議)、TORA(臨時按序路由算法)和AODV(Ad Hoc按需距離矢量路由協議)等。

DSR是一種對等的、基于拓撲的反應式自組織路由協議。他的特點是采用積極的緩存策略以及從源路由中提取拓撲信息。圖2為DSR的路由創建。

2.1 路由發現過程

(1) 當源節點沒有到達目的節點的路由時,廣播一個路由請求報文。

(2) 每個收到該報文的中間節點附加上自己的ID然后重新廣播(忽略重復請求和已經包含自身ID的報文)。

(3) 當路由請求到達目的節點(或者某個知道某條到達目的節點的路由的中間節點)時,目的節點可以確定一條到達目的節點的完整的源路由。

(4) 目的節點(或中間節點)將所得的源路由包含在路由響應報文中,然后沿著反向路由發送回源節點(或者附帶在目的節點的路由請求報文中)。

(5) 源節點收到路由響應報文后,將源路由存入緩存,并添加到每個數據報的頭部。中問節點根據數據報頭中的源路由轉發數據報。

在DSR中結合了許多基于積極緩存和拓撲信息分析的優化措施。例如,中間節點可以從數據報的頭部獲得到達所有下游節點的路由,通過合并多條路徑的路由信息還可以推演出更多的拓撲信息。此外,如果設置節點的網絡接口工作在混雜模式下,通過監聽鄰居節點使用的路由,節點還可能獲得更多的拓撲信息。通過這些方式,節點可以將越來越多的“感興趣”的網絡拓撲信息存人緩存以提高路由查找的命中率。高的緩存命中率意味著可以減少進行路由發現過程的頻率,節約網絡帶寬。不過,積極緩存也會增加將過期的路由信息注入到網絡中的可能性。

2.2 路由維護過程

(1) 如果在數據報的逐跳傳輸過程中發現鏈路失敗,則可以由中間節點使用緩存中的可用路由來代替原頭部中含有失敗鏈路的路由,同時向源節點發送路由錯誤報文。

(2) 中間節點監聽路由錯誤報文以刪除失敗路由(減小緩存錯誤路由信息的影響)。

(3) 如果路由失敗,則由源節點重新開始一次新的路由發現過程。

(4) 如果節點發現數據報頭部的源路由中包括自己的ID(例如由于拓撲變化而產生更短的路由),可以主動發送路由響應報文告知源節點存在更短路由。

3 仿真參數設置,仿真結果及分析

仿真工具選取的是OPNET,仿真范圍為300 m*300 m,MAC層采用的是IEEE802.11協議,在節點固定的情況下,比較基于DSR的PMP和Mesh網絡的性能。仿真參數設置如下:

Data rate(bps):2Mbps
Physical Characteristics:Frequency Hopping
Start time(seconds):100.0
Packet Inter-Arrival Time:exponential(1)
Packet Size(bits):exponential(1024)
Destination IP Address:Random
Stop Time(seconds):End of Simulation

仿真中,在相同的負載下,選取以下幾個方面進行統計分析:端到端時延(Delay),吞吐量(thouhput)。端到端時延指的是將數據包從源節點發送到目的節點所需要的延遲時間,吞吐量為每單位時間傳輸的數據量。仿真結果如圖3~圖6所示。

仿真結果表明,在相同的負載條件下,Mesh網絡的吞吐量大于PMP網絡的吞吐量,Mesh網絡的時延小于PMP網絡的時延。基于DSR路由協議的Mesh網絡的性能優于相同負載下與其具有可比性的PMP網絡的性能。

4 結 語

無線Mesh網的組網能力強,靈活方便,具有自適應性、可靠性、可擴充性等優點。在成熟的寬帶無線接人中,例如在IEEE802.11和IEEE802.16,都已引入無線Mesh技術,相信在不久的將來,無線Mesh技術將使寬帶無線接人更加靈活方便。

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