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【摘 要】随着无线通信技术的发展,提供移动因特网访问的无线网络正逐步改变人们的日常生活。但是传统的单跳无线接入网传输距离有限,无法满足人们的需要,因此一种基于多跳的网络无线Mesh网络进入了人们的视野。无线Mesh网络(也称无线网状网)是一种新型的无线网络技术,即一种高容量、高速率的分布式网络,它不同于传统的无线网络,可以看成是无线局域网和移动Ad hoc网络的融合,且发挥了两者的优势,是因特网的无线版本。目前基于无线Mesh网络这一热点技术日益成熟的背景,本文从Mesh网络的概念开始,逐步介绍了其优缺点,网络特点,网络结构,着重介绍无线Mesh网络的关键技术以及应用现状,跟着介绍了IEEE802里面关于Mesh的一些标准。最后,介绍了Mesh的未来潜在的领域。随着未来网络的发展,无线Mesh技术和网络将成为无线移动通信的基本网络技术和网络结构,渗透到各种无线网络中,发挥更大的作用。
【关键词】无线Mesh网络;IEEE802协议;无线局域网;移动Ad hoc网络
Research on Wireless Mesh Networks
Yang Wen-tai
(Shanxi Tianyuan Communication Design Consulting Co., Ltd. Xi'an Shanxi 710075)
【Abstract】 Along with the wireless communication development, provides moves the wireless network which the Internet visits to change people's daily life gradually. But the tradition only jumps the wireless access network transmitting range to be limited, is unable to meet people's needs, therefore one kind based on jumps the network wireless Mesh network entered people's field of vision. The wireless Mesh network (also called wireless mesh network) is one kind of new wireless networking, namely one kind of high-capacity, the high speed distribution network, it is different with the traditional wireless network, may regard as is the wireless local area network and moves Ad the hoc network the fusion, also has displayed both superiority, is Internet's wireless edition. At present based on the wireless Mesh network this hot spot technology day by day mature background, this article from the Mesh network concept start, gradually introduced its good and bad points, the network characteristic, the network architecture, introduced emphatically the wireless Mesh network the key technologies as well as the application present situation, with were introducing inside IEEE802 about Mesh some standards. Finally, introduced the Mesh in the future latent domain. Along with the future network development, the wireless Mesh technology and the network will become the wireless mobile communication the basic network technology and the network architecture, will seep to each kind of wireless network in, will play the major role.
【Key words】The wireless Mesh network;The IEEE802 agreement;The wireless local area network;Moves Ad the hoc network
1. 無线 mesh网络概述
无线mesh网络(WMN,Wireless Mesh Network,又称无线网状网、无线网格网等)这个名词出现的时间并不长,大约在20世纪90年代中期以后,而真正引起人们特别关心只是在近两年。
为了能够实现无线通信中无处不在的通信目标,我们需要一种基于移动Ad hoc网络的技术基础,开发出一种完全适用于民用通信的无线多跳网络技术,于是WMN技术就随着这一需求而出现。
图1 无线Mesh网络原理结构图2 WMN单层结构
图3 WMN双层结构图4 无线mesh网络的混合结构
无线mesh网络(WMN)是一种全新的无线网络技术,是移动Ad hoc网络的一种特殊形式。其核心是让网络中的每个节点都发送和接收信号,使普通的无线技术过去一直存在的可扩充能力低和传输可靠性等问题迎刃而解。网络中大量终端设备能自动通过天线连成网状结构,网络中的每个节点都具备自动路由功能,每个节点只能和邻近节点进行通信,因此是一种自组织、自管理的智能网络,不需要主干网即可构筑富有弹性的网络。
图5 WiMAX-Wi-Fi组网结构
无线mesh网络通过共享网络、相互连接的传感器、移动电话以及其他的能够互联和通过有线网格互联的相关设备。
无线mesh组网比传统的点到点方式的无线接入有很多无可比拟的优点。
与无线mesh网络最密切的网络技术有WLAN和无线宽带接入(WBAN, WirelessBroadbandAccess Network)技术。
2. 无线mesh网络的原理结构
2.1 无线mesh网络的基本原理。
MANET就是移动用户节点通过无线连接起来,这些节点能够并且自由且动态地形成一个任意和临时的Ad hoc网络拓扑结构。实际上,Ad hoc网络并不是什么新的概念,在过去30年,它以不同的形式和名词存在,比如在20世纪70年代,人们称之为无线网络,到20世纪80年代,改名为生存自适应无线网络,到最后20世纪90年代,人们称之为全球移动信息系统。MANET每个节点都要保留整个网络的路由信息表,传递和更新路由信息表会占去大量的无线资源,很难用于大规模组网。这也是至今MANET未能普及的两大主要原因。
无线MESH将会彻底解决MANET遇到的问题,它采用分层结构,很好地将传统的网络结构和Ad hoc网络的优点糅合起来,使集中控制管理和自由动态组网有机结合起来。图2-1为无线MESH网络,可定义为:首先是一个完整的无线网络,它通过多跳技术将前向业务传到互联有限网络的接入点或接收来自接入点的业务。它同MANET最大的区别是:MANET是扁平结构,而MESH网是分层结构和等级结构,在每层内部是形成多个小Ad hoc网络,不同层之间通过无线窜连起来。如图2-1所示,无线MESH结构可分3层,接入点和Internet形成最上层,中间层由无线路由器之间通过单跳或多跳通信形成无线路由器网络,它们通过无线接入点(AP)形成无线MESH网络的骨干网。能够提供给最下层用户节点低花费,高带宽和无缝的多跳Internet。图1中,最底层是用户节点层,距离较近的用户形成多个小的局域Ad hoc网,如最左边的5个用户A1-A5自动构成的无线网络,它们要向Internet传输数据,数据经由路由器RE或RA,通过接入点AD1、AD2或AD3最后到达Internet。因此,可称无线MESH网络為分层Ad hoc网络,是自由动态组网和集中控制的有机结合体,极大地提高了网络容量。例如,用户A2想接入Internet,有很多条途径,这里仅给出两条:A1-A2-RE-AD1和A2-A1-RA-RF-AD2。很显然,Mesh结构的引入为用户接入Internet提供极大的方便和灵活性。
2.2 无线mesh网络的网络结构。
WMN的结构与传统的移动Ad hoc网络结构有一定的差异。一般来讲,WMN由客户节点、Mesh路由节点和网关节点组成,但根据网络具体配置的不同,WMN不一定包含以上所有类型的节点。通常Mesh客户节点可以是笔记本电脑、PDA、Wi-Fi手机、RFID阅读器和无线传感器或控制器等;Mesh路由器可以是普通的PC,也可以是专业的嵌入式系统:如ARM等。
网络结构的划分,以下分别加以介绍。
2.2.1 平面网络结构。
图2为WMN中最简单的一种结构——平面结构。图中所有节点为对等结构,具有完全一致的特性,即每个节点均包含相同的MAC、路由、管理和安全等协议,既具有客户完全一致的特性,即每个节点均包含相同的MAC、路由、管理和安全协议,既具有客户端节点的功能,也具有能够转发业务的路由器节点功能。显然,网络中的节点与现在的WLAN等技术不直接兼容。这种结构适用于节点数目较少且不需要接入到核心网络的应用场合。
2.2.2 多级网络结构。
图3所示为WMN典型的多级结构,分为上层和下层两个部分。
2.2.3 混合网络结构。
图4所示的混合结构为以上两种结构的混合。在这种结构中,终端节点已不是目前市面上仅仅支持WLAN的普通设备,而是增加了具有转发和路由功能的Mesh设备,设备之间可以Ad hoc方式互联,直接通信。一般来说,终端节点设备需要同时能够支持接入上层网络Mesh路由器和本层网络对等节点的功能。
以上各种结构中,为了简明起见,没有在细分Mesh路由器的种类。实际上,在构建WMN的典型应用时,上层的网络边缘路由器,还需要具有网关或网桥节点的功能,以便与IP核心网相连,接入因特网。
由于上述结构中的两种接入模式具有优势互补,因此同时支持这两种模式的设备可以在一个广阔的区域内实现多跳方式的无线通信;移动终端既可以与其他网络互连,实现无线宽带接入,又可以与其他用户直接通信;并且可以作为中间的路由器转发其他节点的数据,送往目的节点。所以,WMN不仅可以看作是WLAN与移动Ad hoc网络的一种融合,也可以看做是因特网的一种无线版本。
要迅速发展WiMAX,必然要与目前蓬勃发展的Wi-Fi相融合。从组网结构上讲,可以采用两种融合模式。其网络结构如下图5所示。
3. 无线mesh网络的关键技术
3.1 无线mesh网络的安全。
WMN是一项极有前途的技术,被誉为下一代无线因特网,它除了具备一般的无线网络的特征外,还具有多跳、自组织等特征,一方面这些特征是它的高明之处,而另外一方面从安全的角度看,这也是其命门和症结所在。
WMN对恶意攻击显得比较脆弱。
首先,无线链路的应用使得WMN易受从被动偷听到主动破坏的影响。
其次,移动单元如果没有充分的物理保护易被捕获、劫持和泄密。
第三,WMN中的决策经常是分散的,许多WMN算法依赖于所有节点的参与合作。
3.2 无线mesh网络的路由协议。
无线 mesh网络是以移动Ad hoc网络路由协议为基础的,虽然现在提出的WMN的路由协议很多,包括多径源路由(MSR)协议、多射频链路质量源路由(MR-LQSR)协议、可预测的无线路由(PWRP)协议、单收发器多信道路由(MCRP)协议等等,但是很多路由协议都不是很成熟,下面我们来看2种比较常见的路由协议。
4. 无线mesh网络的应用
作为一种新兴的网络形式,WMN可应用于许多方面,但应用方式主要是无线接入、无线传输和简单组网。今年来,WMN技术日新月异,并在很多领域的应用都取得了成功。
4.1 关于无线mesh网络的802协议。
WMN只是一种网络结构,并不限定所采用的通信技术,底层的通信技术可以采用Wi-Fi、WiMAX、UWB等各种无线通信技术。目前的研究集中在基于Wi-Fi技术 (IEEE802.11)的WMN和基于WiMAX技术 (IEEE802.16)的WMN上。
4.2 无线mesh网络的未来展望。
WMN目前在很多领域小试牛刀,展现它强大的无线接入网络特性,有些专家也称其为第4代无线移动网络,它可以与现在流行的WLAN、GPRS、3G等网络实现融合,提供更广泛的无线接入覆盖,带来更大的网络带宽,全面提升无线网络的服务质量。WMN的大规模应用,将引领我们走向新的未来,让生活因无线而精彩。
[文章编号]1006-7619(2010)09-28-898
【关键词】无线Mesh网络;IEEE802协议;无线局域网;移动Ad hoc网络
Research on Wireless Mesh Networks
Yang Wen-tai
(Shanxi Tianyuan Communication Design Consulting Co., Ltd. Xi'an Shanxi 710075)
【Abstract】 Along with the wireless communication development, provides moves the wireless network which the Internet visits to change people's daily life gradually. But the tradition only jumps the wireless access network transmitting range to be limited, is unable to meet people's needs, therefore one kind based on jumps the network wireless Mesh network entered people's field of vision. The wireless Mesh network (also called wireless mesh network) is one kind of new wireless networking, namely one kind of high-capacity, the high speed distribution network, it is different with the traditional wireless network, may regard as is the wireless local area network and moves Ad the hoc network the fusion, also has displayed both superiority, is Internet's wireless edition. At present based on the wireless Mesh network this hot spot technology day by day mature background, this article from the Mesh network concept start, gradually introduced its good and bad points, the network characteristic, the network architecture, introduced emphatically the wireless Mesh network the key technologies as well as the application present situation, with were introducing inside IEEE802 about Mesh some standards. Finally, introduced the Mesh in the future latent domain. Along with the future network development, the wireless Mesh technology and the network will become the wireless mobile communication the basic network technology and the network architecture, will seep to each kind of wireless network in, will play the major role.
【Key words】The wireless Mesh network;The IEEE802 agreement;The wireless local area network;Moves Ad the hoc network
1. 無线 mesh网络概述
无线mesh网络(WMN,Wireless Mesh Network,又称无线网状网、无线网格网等)这个名词出现的时间并不长,大约在20世纪90年代中期以后,而真正引起人们特别关心只是在近两年。
为了能够实现无线通信中无处不在的通信目标,我们需要一种基于移动Ad hoc网络的技术基础,开发出一种完全适用于民用通信的无线多跳网络技术,于是WMN技术就随着这一需求而出现。
图1 无线Mesh网络原理结构图2 WMN单层结构
图3 WMN双层结构图4 无线mesh网络的混合结构
无线mesh网络(WMN)是一种全新的无线网络技术,是移动Ad hoc网络的一种特殊形式。其核心是让网络中的每个节点都发送和接收信号,使普通的无线技术过去一直存在的可扩充能力低和传输可靠性等问题迎刃而解。网络中大量终端设备能自动通过天线连成网状结构,网络中的每个节点都具备自动路由功能,每个节点只能和邻近节点进行通信,因此是一种自组织、自管理的智能网络,不需要主干网即可构筑富有弹性的网络。
图5 WiMAX-Wi-Fi组网结构
无线mesh网络通过共享网络、相互连接的传感器、移动电话以及其他的能够互联和通过有线网格互联的相关设备。
无线mesh组网比传统的点到点方式的无线接入有很多无可比拟的优点。
与无线mesh网络最密切的网络技术有WLAN和无线宽带接入(WBAN, WirelessBroadbandAccess Network)技术。
2. 无线mesh网络的原理结构
2.1 无线mesh网络的基本原理。
MANET就是移动用户节点通过无线连接起来,这些节点能够并且自由且动态地形成一个任意和临时的Ad hoc网络拓扑结构。实际上,Ad hoc网络并不是什么新的概念,在过去30年,它以不同的形式和名词存在,比如在20世纪70年代,人们称之为无线网络,到20世纪80年代,改名为生存自适应无线网络,到最后20世纪90年代,人们称之为全球移动信息系统。MANET每个节点都要保留整个网络的路由信息表,传递和更新路由信息表会占去大量的无线资源,很难用于大规模组网。这也是至今MANET未能普及的两大主要原因。
无线MESH将会彻底解决MANET遇到的问题,它采用分层结构,很好地将传统的网络结构和Ad hoc网络的优点糅合起来,使集中控制管理和自由动态组网有机结合起来。图2-1为无线MESH网络,可定义为:首先是一个完整的无线网络,它通过多跳技术将前向业务传到互联有限网络的接入点或接收来自接入点的业务。它同MANET最大的区别是:MANET是扁平结构,而MESH网是分层结构和等级结构,在每层内部是形成多个小Ad hoc网络,不同层之间通过无线窜连起来。如图2-1所示,无线MESH结构可分3层,接入点和Internet形成最上层,中间层由无线路由器之间通过单跳或多跳通信形成无线路由器网络,它们通过无线接入点(AP)形成无线MESH网络的骨干网。能够提供给最下层用户节点低花费,高带宽和无缝的多跳Internet。图1中,最底层是用户节点层,距离较近的用户形成多个小的局域Ad hoc网,如最左边的5个用户A1-A5自动构成的无线网络,它们要向Internet传输数据,数据经由路由器RE或RA,通过接入点AD1、AD2或AD3最后到达Internet。因此,可称无线MESH网络為分层Ad hoc网络,是自由动态组网和集中控制的有机结合体,极大地提高了网络容量。例如,用户A2想接入Internet,有很多条途径,这里仅给出两条:A1-A2-RE-AD1和A2-A1-RA-RF-AD2。很显然,Mesh结构的引入为用户接入Internet提供极大的方便和灵活性。
2.2 无线mesh网络的网络结构。
WMN的结构与传统的移动Ad hoc网络结构有一定的差异。一般来讲,WMN由客户节点、Mesh路由节点和网关节点组成,但根据网络具体配置的不同,WMN不一定包含以上所有类型的节点。通常Mesh客户节点可以是笔记本电脑、PDA、Wi-Fi手机、RFID阅读器和无线传感器或控制器等;Mesh路由器可以是普通的PC,也可以是专业的嵌入式系统:如ARM等。
网络结构的划分,以下分别加以介绍。
2.2.1 平面网络结构。
图2为WMN中最简单的一种结构——平面结构。图中所有节点为对等结构,具有完全一致的特性,即每个节点均包含相同的MAC、路由、管理和安全等协议,既具有客户完全一致的特性,即每个节点均包含相同的MAC、路由、管理和安全协议,既具有客户端节点的功能,也具有能够转发业务的路由器节点功能。显然,网络中的节点与现在的WLAN等技术不直接兼容。这种结构适用于节点数目较少且不需要接入到核心网络的应用场合。
2.2.2 多级网络结构。
图3所示为WMN典型的多级结构,分为上层和下层两个部分。
2.2.3 混合网络结构。
图4所示的混合结构为以上两种结构的混合。在这种结构中,终端节点已不是目前市面上仅仅支持WLAN的普通设备,而是增加了具有转发和路由功能的Mesh设备,设备之间可以Ad hoc方式互联,直接通信。一般来说,终端节点设备需要同时能够支持接入上层网络Mesh路由器和本层网络对等节点的功能。
以上各种结构中,为了简明起见,没有在细分Mesh路由器的种类。实际上,在构建WMN的典型应用时,上层的网络边缘路由器,还需要具有网关或网桥节点的功能,以便与IP核心网相连,接入因特网。
由于上述结构中的两种接入模式具有优势互补,因此同时支持这两种模式的设备可以在一个广阔的区域内实现多跳方式的无线通信;移动终端既可以与其他网络互连,实现无线宽带接入,又可以与其他用户直接通信;并且可以作为中间的路由器转发其他节点的数据,送往目的节点。所以,WMN不仅可以看作是WLAN与移动Ad hoc网络的一种融合,也可以看做是因特网的一种无线版本。
要迅速发展WiMAX,必然要与目前蓬勃发展的Wi-Fi相融合。从组网结构上讲,可以采用两种融合模式。其网络结构如下图5所示。
3. 无线mesh网络的关键技术
3.1 无线mesh网络的安全。
WMN是一项极有前途的技术,被誉为下一代无线因特网,它除了具备一般的无线网络的特征外,还具有多跳、自组织等特征,一方面这些特征是它的高明之处,而另外一方面从安全的角度看,这也是其命门和症结所在。
WMN对恶意攻击显得比较脆弱。
首先,无线链路的应用使得WMN易受从被动偷听到主动破坏的影响。
其次,移动单元如果没有充分的物理保护易被捕获、劫持和泄密。
第三,WMN中的决策经常是分散的,许多WMN算法依赖于所有节点的参与合作。
3.2 无线mesh网络的路由协议。
无线 mesh网络是以移动Ad hoc网络路由协议为基础的,虽然现在提出的WMN的路由协议很多,包括多径源路由(MSR)协议、多射频链路质量源路由(MR-LQSR)协议、可预测的无线路由(PWRP)协议、单收发器多信道路由(MCRP)协议等等,但是很多路由协议都不是很成熟,下面我们来看2种比较常见的路由协议。
4. 无线mesh网络的应用
作为一种新兴的网络形式,WMN可应用于许多方面,但应用方式主要是无线接入、无线传输和简单组网。今年来,WMN技术日新月异,并在很多领域的应用都取得了成功。
4.1 关于无线mesh网络的802协议。
WMN只是一种网络结构,并不限定所采用的通信技术,底层的通信技术可以采用Wi-Fi、WiMAX、UWB等各种无线通信技术。目前的研究集中在基于Wi-Fi技术 (IEEE802.11)的WMN和基于WiMAX技术 (IEEE802.16)的WMN上。
4.2 无线mesh网络的未来展望。
WMN目前在很多领域小试牛刀,展现它强大的无线接入网络特性,有些专家也称其为第4代无线移动网络,它可以与现在流行的WLAN、GPRS、3G等网络实现融合,提供更广泛的无线接入覆盖,带来更大的网络带宽,全面提升无线网络的服务质量。WMN的大规模应用,将引领我们走向新的未来,让生活因无线而精彩。
[文章编号]1006-7619(2010)09-28-898