無線Mesh網(wǎng)絡組播研究分析

張 萌，宋建新

（南京郵電大學 圖像處理與圖像通信實驗室，江蘇 南京 210003）

0 引言

無線Mesh網(wǎng)絡（WMN）是不斷演進的無線網(wǎng)絡的基本網(wǎng)絡形式之一，它與傳統(tǒng)的集中式無線系統(tǒng)存在著不同。無線Mesh網(wǎng)絡由兩種類型的節(jié)點組成：Mesh路由器和Mesh客戶端。為了提高Mesh網(wǎng)絡的適應性，Mesh路由器通常裝配有多個無線射頻接口，這些無線射頻接口的無線接入技術可以相同也可以不同。Mesh路由器的移動性很小，并且為Mesh客戶端形成了Mesh架構。除Mesh路由器和Mesh客戶端之間的Mesh網(wǎng)絡之外，Mesh路由器的網(wǎng)關功能使得WMN可以和多種其他網(wǎng)絡相融合。雖然Mesh客戶端也可以作為Mesh網(wǎng)絡中的路由器，但是其硬件平臺和軟件都比Mesh路由器要簡單得多[1]。WMN的主要優(yōu)點在于它內(nèi)在的對于網(wǎng)絡的容錯性，建立網(wǎng)絡的簡單性和寬帶能力。

組播是一種帶寬有效的技術，它可以通過同時傳遞一個單一的分組流到一組接收端，來減少通信流量。在有線網(wǎng)絡環(huán)境中，一個主機加入一個組播組要通知一個本地組播路由器，然后本地組播路由器再通知其他的組播路由器，一個組播樹就這樣通過一個組播路由協(xié)議被創(chuàng)建。組播路由器周期性地查詢它覆蓋范圍內(nèi)的主機是否依然是組播組的成員。主機與組播路由器之間的所有通信都通過IGMP協(xié)議實現(xiàn)[2]。

筆者結合WMN和組播技術的優(yōu)點，重點分析了為WMN開發(fā)組播協(xié)議時要注意的因素。

1 無線Mesh網(wǎng)絡組播

組播是一種同時傳遞信息到一組目的節(jié)點的通信方式，使用最有效的方式在網(wǎng)絡上的各個鏈路上只傳遞一次消息，只有當通往多個目的節(jié)點的鏈路分叉的時候，才創(chuàng)建消息副本。許多組播路由協(xié)議是為單射頻多跳無線網(wǎng)絡設計的。在這種環(huán)境中支持組播的一個典型的方式是構造一個組播樹，讓每一個父節(jié)點負責向它的子節(jié)點組播數(shù)據(jù)。這種方法工作的前提是，一個父節(jié)點和它的子節(jié)點共享同一個信道。然而，在多信道WMN中這個假設可能不成立。除此之外，如果信道分配是動態(tài)的話，由于樹的頻繁重建或組播分組的重傳，導致的額外開銷必須注意[3]。在WMN中應用這種組播方法是有難度的，因為在一個WMN中，一個組播協(xié)議必須考慮若干因素，如靜態(tài)Mesh路由器基礎設施架構的有效性、節(jié)點之間多信道的有效性、信道之間和節(jié)點之間的負載均衡、組播路由性能指標的選擇、保證QoS和跨層優(yōu)化等。

1.1 多信道和信道分配的影響

WMN使用IEEE 802.11標準協(xié)議族（802.11a/b/g/n）。在物理層，頻率帶寬被分為多個信道。各個標準所擁有的信道數(shù)是不同的。例如，IEEE 802.11b中，頻率帶寬2.4～2.485 GHz被分為11個信道。如果兩個信道之間的間隔大于等于4，就稱這兩個信道為非重疊信道。這樣的話，在802.11b信道1，6和11是非重疊的。在像MANET的單信道無線網(wǎng)絡中，所有的節(jié)點僅配置單個射頻接口，并且分配的是同一個信道。要想互相通信，網(wǎng)絡中的節(jié)點必須共享同一個信道。這就限制了網(wǎng)絡的能力，因為兩個節(jié)點不能同時通信。就WMN來說，Mesh路由器一般裝配有多個射頻接口，并且這些接口可以分配非重疊信道。通過非重疊信道允許同時存在的傳輸，增加了網(wǎng)絡的性能。WMN中的路由問題（單播和組播）決定哪個節(jié)點會包含到路由路徑上，路徑上的每條鏈路使用哪個信道。為了充分利用WMN中的多信道，路由算法應該考慮網(wǎng)絡中路徑上存在的信道分集。由于網(wǎng)絡拓撲由信道分配來決定，所以多信道WMN中的路由問題不易解決。例如，即使兩個節(jié)點都位于彼此的傳輸范圍之內(nèi)，如果射頻沒有調(diào)制到一個共同的信道上，它們之間也不能互相直接通信。信道分配可以是靜態(tài)的，可以是動態(tài)的，也可以是混合的。文獻[3]和文獻[4]研究了信道分配機制的具體細節(jié)。

1.2 靜態(tài)Mesh路由器基礎設施架構的有效性

從組播組成員之間路由的創(chuàng)建方式來劃分，組播可以分為基于樹的組播、基于網(wǎng)的組播和混合式組播。有線網(wǎng)絡中的組播方式大多數(shù)是基于樹的。這些協(xié)議構造了一個共享的組播轉(zhuǎn)發(fā)樹來支持一個組播會話的多發(fā)送端和多接收端。MANET中的組播也使用了相同的原則。MANET中基于樹的組播協(xié)議有：ID號遞增的Ad Hoc組播路由協(xié)議（AMRIS）、組播Ad Hoc按需距離矢量協(xié)議（MAODV）和輕量自適應組播（LAM）?；诰W(wǎng)的組播協(xié)議中，任何源節(jié)點和接收節(jié)點對之間都存在多條路徑，MANET中基于網(wǎng)的組播協(xié)議有：按需組播路由協(xié)議（ODMRP）、輔助核心Mesh協(xié)議（CAMP）和轉(zhuǎn)發(fā)組組播協(xié)議（FGMP）?；跇涞姆绞教峁┝烁咝У臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，但是它的穩(wěn)健性很低；相反，基于網(wǎng)的方式提供了較好的穩(wěn)健性（鏈路失敗不會引起一次重新配置），但是它需要較高的轉(zhuǎn)發(fā)開銷，并且增加了網(wǎng)絡負載?；旌戏绞浇Y合了基于樹和基于網(wǎng)兩種方式的優(yōu)點。MANET中基于混合方式的組播協(xié)議有：Ad Hoc組播路由協(xié)議（AMRoute）和組播核心提取分布式Ad Hoc路由。在一個拓撲動態(tài)變化的網(wǎng)絡環(huán)境中，基于網(wǎng)的組播性能要好于基于樹的組播，混合式協(xié)議利用了樹狀和網(wǎng)狀結構，適合移動性居中的網(wǎng)絡[5]。

在WMN中，Mesh路由器為Mesh客戶端形成了一個Mesh架構的基礎設施。一般來講，Mesh路由器移動性最小，就像一個固定的路由器[6]。與基于網(wǎng)的組播路由協(xié)議相比，基于樹的方式更適合于WMN，因為WMN中的網(wǎng)絡拓撲的移動性較MANET要小。但是在一個混合WMN中，客戶端節(jié)點不必是靜止的，混合組播也是較合適的。

1.3 負載均衡

網(wǎng)絡中不平衡的負載可能導致網(wǎng)關過載、中心過載或信道過載[7]。在一個WMN中，大部分的流量都是以網(wǎng)關為目的地的，流量在網(wǎng)關節(jié)點處集中造成了負載的不平衡，導致了網(wǎng)關過載。中心過載的問題歸因于位于網(wǎng)絡中心附近的節(jié)點與網(wǎng)絡中的其他節(jié)點相比而變得過載。中心過載的主要原因是：1）位于網(wǎng)絡中心附近的節(jié)點與網(wǎng)絡中的其他節(jié)點相比，在最短路徑上的可能性更大；2）使用多跳中繼；3）WMN相關的靜態(tài)特性。

多射頻無線Mesh網(wǎng)絡中的信道過載歸因于某些信道與其他信道相比變得過載。這樣，對任何靜態(tài)網(wǎng)絡，比如多射頻無線Mesh網(wǎng)絡，負載均衡對避免熱點和增加網(wǎng)絡效用來說是必不可少的，因為不好的路徑可能在一個靜態(tài)的網(wǎng)絡中存在很長時間，并且導致?lián)砣途W(wǎng)絡資源使用的效率低下。一個WMN組播協(xié)議應該考慮以上3種過載情況。

1.4 組播路由性能指標的選擇

路由性能指標是判斷路由算法中一個路徑好壞的標準。WMN中主要的路由性能指標有：期望傳輸次數(shù)（ETX）、期望傳輸時間（ETT）、加權累計期望傳輸時間（WCETT）、成功概率乘積（SPP）和組播ETX（METX）。ETX記錄從一個發(fā)送端到接收端成功傳遞一個分組，期望的MAC層傳輸次數(shù)和重傳次數(shù)。ETT代表了一個分組在某條鏈路上的MAC層期望傳輸時間。通過利用每一條鏈路的數(shù)據(jù)速率可以提高ETX的性能。WCETT是基于ETT、丟包率感知和鏈路帶寬的。有關這些路由指標的一個相關的研究在文獻[8]中可以看到。MAC層處理組播分組和單播分組有著本質(zhì)的區(qū)別。與單播分組不同，為了利用無線組播的特點，典型的組播分組在MAC層被廣播[9]。由于無線信道的廣播特性，通過一個發(fā)射節(jié)點的一次傳播，在發(fā)射節(jié)點傳輸范圍內(nèi)的所有節(jié)點都能夠收到它的傳輸。無線媒體的這個特性被稱為無線組播優(yōu)點（WMA）。所以單播的基于鏈路質(zhì)量的路由性能指標不適用于WMN中的組播。文獻[10]中對ETX，ETT，METX和SPP進行了修改，以適應WMA。

1.5 QoS的保證

WMN中最具挑戰(zhàn)性的問題之一是怎樣有效地支持多媒體應用，如移動電視和音視頻會議。為了提供一個可接受的服務，多媒體通信對QoS的要求更嚴格。特別是多媒體通信對時間的敏感度比較強，對帶寬的要求比較嚴格。為了使終端用戶得到可接受的QoS水平，這些應用需要對時延、抖動、丟包率和吞吐量予以保證。雖然組播是一種帶寬管理的有效技術，然而，由于有限的帶寬和無線媒體的共享特性，為WMN中不同的應用服務設計能夠滿足一系列QoS限制的組播路由算法和協(xié)議依然是一個具有挑戰(zhàn)性的研究問題[11]。

1.6 跨層優(yōu)化

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡基于嚴格的協(xié)議棧分層方式。在這種方式中，基本的功能如媒體接入（鏈路層）、路由（網(wǎng)絡層）和擁塞控制（傳輸層）都是互相獨立的。在有線網(wǎng)絡中，這種分層方式是非常成功的，因為基礎設施是基于容量恒定不變、可靠性高的鏈路。然而，跨層設計方法是一種在協(xié)議棧的不同層進行信息交互的方法。近年來的許多研究都強調(diào)在不同層之間進行信息交互的跨層設計可以獲得重大的性能增益?？鐚釉O計雖然可以增加系統(tǒng)性能，但是它的代價、復雜性和通信開銷會增大。因此，這兩個方面應該仔細考慮。最近，一種稱為網(wǎng)絡編碼的技術被提了出來，通過在中繼節(jié)點進行信息編碼實現(xiàn)組播[12]。網(wǎng)絡編碼已經(jīng)被證明可以有效地增加組播的吞吐量。

2 WMN中組播的相關工作

文獻[6]中，Uyen Trang Nguyen和Jin Xu模擬比較了WMN中最小代價樹（MCT）和最短路徑樹組播（SPT）。SPT算法最小化了從發(fā)送端到各個接收端的距離，而MCT算法最小化了整個組播樹的代價。模擬結果顯示SPT算法為組播流提供的性能要好于MCT算法。在這個研究中，使用了平均組播分組投遞率（PDR）、平均端到端時延、平均吞吐量和平均延時抖動性能指標來衡量組播協(xié)議的性能。

文獻[11]中描述了一個QoS組播路由框架。架構Mesh路由器使用了一個先應式的網(wǎng)狀組播路由協(xié)議，Mesh接入點（MAP）與客戶端節(jié)點之間使用了一個反應式的樹狀組播協(xié)議。這有助于消除建立架構Mesh路由器之間路由時不必要的延遲，并且最小化控制開銷。

一種提高WMN組播通信QoS的負載感知算法在文獻[13]中提了出來。它把網(wǎng)關過載看作組播流量負載，因為一個網(wǎng)關節(jié)點在特定的時候負載是極其重的，當一個網(wǎng)關中繼組播消息的同時，還有單播分組通過網(wǎng)關。文獻[13]中描述的算法：網(wǎng)關相關組播算法（GAMP）由客戶端向網(wǎng)關注冊登記和組播樹構造兩部分組成。GAMP是一個混合組播協(xié)議，組播源以激活模式周期性地向所有的網(wǎng)關節(jié)點發(fā)送Hello消息，接收節(jié)點通過按需向它們的網(wǎng)關節(jié)點發(fā)送請求來加入到組播組中。每次通過一個新的客戶端節(jié)點請求注冊來探測網(wǎng)關帶寬，這樣網(wǎng)關負載就會減小。文獻[13]通過考慮網(wǎng)關過載，提到了負載均衡和QoS等問題。但是沒有考慮到節(jié)點的負載估計（不是網(wǎng)關路由器的負載估計）。信道分配和跨層設計也沒有提到。

文獻[14]中描述了網(wǎng)絡圖形預處理方法來提供QoS組播路由。這種方法的主要想法是，當一個連接請求到達時，原始的網(wǎng)絡圖被預處理，并且產(chǎn)生一個新的圖形。這個新的網(wǎng)絡圖形作為一個QoS組播算法的輸入，來發(fā)現(xiàn)有QoS保證的樹。在圖形預處理階段，使用優(yōu)先級準入控制來完成通信。一種聯(lián)合功率控制和提高組播吞吐量的隨機線性網(wǎng)絡編碼路由的跨層方法在文獻[12]中被提了出來。一種最優(yōu)功率算法用來選擇節(jié)點最優(yōu)的功率水平，網(wǎng)絡編碼技術用來在網(wǎng)絡上傳輸分組。但是其中沒有考慮信道分配和負載均衡。

3 小結

無線Mesh網(wǎng)絡中有效的組播適用于視頻分發(fā)、應急管理、視頻監(jiān)控和家庭娛樂。多信道的組播協(xié)議能夠同時傳輸數(shù)據(jù)，并且提高效率。避免過載可以減少時延，跨層優(yōu)化可以提高WMN的吞吐量。組播路由性能指標必須仔細選擇以適應WMN。最近的有關WMN中組播的研究只考慮到這些問題的一部分，但到目前為止還不存在一種通用的組播算法能夠解決本文中所提到的所有問題。為WMN中的視頻分發(fā)開發(fā)一種有效的組播協(xié)議是一個極具挑戰(zhàn)性的研究領域。

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