一種輕量化無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的設(shè)計與實現(xiàn)

劉作學(xué), 代健美, 盛懿君, 王子凡

(1.裝備學(xué)院信息裝備系,北京101416; 2.裝備學(xué)院研究生管理大隊,北京101416)

一種輕量化無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的設(shè)計與實現(xiàn)

劉作學(xué)1, 代健美1, 盛懿君2, 王子凡2

(1.裝備學(xué)院信息裝備系,北京101416; 2.裝備學(xué)院研究生管理大隊,北京101416)

BATMAN(better approach to mobile Ad-hoc networking)是一種新的無線Mesh路由協(xié)議。分析了BATMAN協(xié)議的數(shù)據(jù)格式和算法思想,設(shè)計了具有多Wi-Fi模塊的無線Mesh節(jié)點,在節(jié)點上基于嵌入式Linux開發(fā)環(huán)境設(shè)計實現(xiàn)了BATMAN路由協(xié)議,并對BATMAN協(xié)議在多跳無線Mesh原型網(wǎng)絡(luò)中的實際使用性能進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：BATMAN協(xié)議具有輕量化、快收斂、高效運行等特點,其吞吐量、時延等特性,可以滿足無線Mesh網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的實時、寬帶傳輸?shù)囊蟆?/p>

BATMAN路由協(xié)議;無線Mesh網(wǎng)絡(luò);Wi-Fi模塊

1 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議現(xiàn)狀

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)(wireless Mesh network)[1-2]是一種融合了WLAN和Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢的多跳網(wǎng)絡(luò),其伸縮性更強、健壯性更好[3],更適合與IEEE802.11、802.16、802.20等寬帶通信技術(shù)相結(jié)合,提供更高的帶寬和更好的可擴(kuò)展性,在智慧城市建設(shè)、搶險救災(zāi)應(yīng)急通信、試驗靶場寬帶信息接入、戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)等方面具有廣闊的應(yīng)用空間。

路由協(xié)議是無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù),是制約網(wǎng)絡(luò)性能的主要因素。現(xiàn)有應(yīng)用于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議主要有以下3類：

第一類是以優(yōu)化鏈路狀態(tài)路由協(xié)議OLSR為代表的先驗式路由及其改進(jìn)版本,包括基于信噪比的OLSR路由協(xié)議[4]、基于信譽的OLSR擴(kuò)展路由協(xié)議[5]、基于鏈路質(zhì)量的OLSR協(xié)議[6]、基于認(rèn)知的LC-OLSR協(xié)議[7]等,此類路由協(xié)議在路由判據(jù)上有所差別,但其基本思想是一致的,即都屬于表驅(qū)動的逐跳路由協(xié)議范疇,在選擇路由時主要考慮了“最小跳數(shù)”這個約束條件,且在路徑的評判標(biāo)準(zhǔn)上比較單一,沒有考慮網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的平衡性問題。

第二類是以距離向量路由協(xié)議AODV為代表的按需式路由及其改進(jìn)版本,包括利用Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)速率切換機制的Wi-Fi-AODV[8]、考慮多路徑特性的AOMDV協(xié)議[9]、基于鏈路狀態(tài)加權(quán)的路由協(xié)議[10]以及多判據(jù)跨層優(yōu)化ACRO路由協(xié)議[11]等。與先驗式路由不同的是,此類路由協(xié)議只有當(dāng)需要發(fā)送消息的時候才進(jìn)行路由計算,避免了周期性發(fā)送控制報文帶來的系統(tǒng)開銷,但其未考慮無線鏈路的穩(wěn)定性問題,當(dāng)出現(xiàn)非對稱鏈路時,極易產(chǎn)生路由環(huán)路,以及丟包率增高、時延增大等現(xiàn)象。

第三類是以802.11s工作組專門為無線Mesh網(wǎng)絡(luò)開發(fā)制定的HWMP(hybrid wireless mesh protocol)[12]為代表的綜合路由協(xié)議及其改進(jìn)版本,此類路由協(xié)議結(jié)合了反應(yīng)式路由協(xié)議和基于樹狀拓?fù)涞南闰炇铰酚蓞f(xié)議的優(yōu)點,能較好地適應(yīng)無線Mesh網(wǎng)絡(luò)特點,但協(xié)議缺乏有效的擁塞控制策略,也沒有充分考慮到公平性和負(fù)載均衡的問題,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有大量數(shù)據(jù)要傳輸時,會產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)根節(jié)點流量過載的情況。

BATMAN是一種新的引入了綜合人工智能(collective intelligence)思想的路由協(xié)議[13]。與上述路由協(xié)議不同的是,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒉皇菃斡梢粋€節(jié)點進(jìn)行處理,而是分布在整個網(wǎng)絡(luò)中,因而能夠更好地對抗由于網(wǎng)絡(luò)波動而引起的邊界效應(yīng)并補償其不穩(wěn)定性;節(jié)點不保存完整的路由表而只保存最佳下一跳節(jié)點的信息,使得協(xié)議更加輕量化,收斂速度更快,運行效率更高,非常適用于傳輸質(zhì)量不穩(wěn)定的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)。BATMAN有BATMAN Daemon(BATMAND)和BATMAN Advanced(BATMAN-ADV)2種版本,分別在網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層實現(xiàn),本文主要對其BATMAND版本進(jìn)行研究。

2 BATMAN協(xié)議分析

2.1 數(shù)據(jù)包格式

BATMAN通過周期性地廣播OGM消息(originator message)來完成路由的發(fā)現(xiàn)、建立和拆除。圖1描述了BATMAN路由包的基本樣式,長度為12個字節(jié)的OGM消息包括：

1)版本號(Version),用1個字節(jié)表示,用于區(qū)分不同的無線網(wǎng)絡(luò),協(xié)議通過判斷接收到的OGM消息的Version值與自身OGM消息的Version值是否相同來決定轉(zhuǎn)發(fā)或丟棄該消息;

2)直連鏈路標(biāo)志(U),標(biāo)志該節(jié)點是否是直連鄰居節(jié)點;

3)對稱鏈路標(biāo)志(D),標(biāo)志該鄰居節(jié)點是否雙向可達(dá);

4)生存時間TTL(time to live),該字段定義了OGM消息的發(fā)送次數(shù),最大值為255,TTL值隨著OGM轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)的增加而遞減,當(dāng)TTL降為0時,該OGM消息被丟棄;

5)網(wǎng)關(guān)標(biāo)志(GWFlags),用1個字節(jié)表示,主要用于設(shè)定是否為網(wǎng)關(guān)節(jié)點及其上下行帶寬;

6)序列號(Sequence Number),用2個字節(jié)表示,在TTL周期內(nèi),該號碼隨著OGM轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)的增加而遞增;

7)發(fā)起者地址(Originator Address)用4個字節(jié)表示,用于記錄生成OGM消息的IPV4地址,只有在該地址與接收節(jié)點的地址不一致的情況下,該消息才能被繼續(xù)處理。除了固定長度的OGM消息之外,路由包還包括可選的主機網(wǎng)絡(luò)地址(HNA)消息,主要用于設(shè)定或查看網(wǎng)絡(luò)地址(Network Address)和子網(wǎng)掩碼(Netmask)等信息。

圖1 BATMAN包格式

2.2 路由算法

BATMAN將網(wǎng)絡(luò)建模為G=(N,E),其中N代表1組節(jié)點,而E代表節(jié)點對之間的1組鏈路。對于任意1個包含于N的節(jié)點都存在1組單跳鄰居節(jié)點K。假設(shè)s代表源節(jié)點,d代表目的節(jié)點,如果d∈K,則源節(jié)點s到目的節(jié)點d的消息在Llink(s,d)上傳輸,Llink(s,d)∈E;如果d?K,則該消息需要多跳傳輸,其鏈路由Llink(s,i)和Rroute(i,d)構(gòu)成,其中i是K中的1個成員, Llink(s,i)是鏈路組E中的1條鏈路,Rroute(i,d)代表從節(jié)點i到節(jié)點d的路由,該路由從屬于S子網(wǎng)絡(luò),可以建模為S=(N-{s},E-{(s,i)：i∈K})。

路由思想為：

1)在網(wǎng)絡(luò)G中,假設(shè)路由消息m需要從s發(fā)送到d,估計所有Llink(s,i),其中i是K中的1個成員;

2)判斷每條鏈路的權(quán)重Wsi;

3)選擇具有最大權(quán)重的鏈路傳送m;

4)如果i不是目的節(jié)點d,則構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)子集S,并重復(fù)1)～4)。

假設(shè)某網(wǎng)絡(luò)有5個節(jié)點,其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示,節(jié)點1～5的IP分別為“192.168.0.2”“192.168.0.3”“192.168.0.4”“192.168.0.5”和“192.168.0.6”,假設(shè)節(jié)點1要給節(jié)點5發(fā)送消息,其路由過程為：

1)節(jié)點2、節(jié)點3∈K為節(jié)點1的鄰居節(jié)點,則節(jié)點1到其鄰居節(jié)點的鏈路集Llink(1,2)和Llink(1,3)∈E;

2)選擇鏈路集E中的權(quán)重最高者為最佳鏈路,假設(shè)Llink(1,2)是最佳鏈路,則消息m沿此鏈路進(jìn)行發(fā)送;

3)由于節(jié)點2不是目的節(jié)點,縮小圖N為圖S;

4)考慮節(jié)點2與其鄰居節(jié)點3、節(jié)點4∈KI的鏈路集Llink(2,3)和Llink(2,4)∈EI;

5)選擇鏈路集EI中的權(quán)重最高者為最佳鏈路,假設(shè)Llink(2,4)是最佳鏈路,則消息m沿此鏈路進(jìn)行發(fā)送;

6)由于節(jié)點4不是目的節(jié)點,繼續(xù)縮小圖S為圖S′;

7)考慮節(jié)點4與其鄰居節(jié)點3、節(jié)點5∈KII的鏈路集Llink(4,3)和Llink(4,5)∈EII;

8)選擇鏈路集EII中的權(quán)重最高者為最佳鏈路,假設(shè)Llink(4,5)是最佳鏈路,則沿著這條鏈路發(fā)送m;

9)節(jié)點5是目的節(jié)點,路由完成。

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼奥酚勺兓瘓D

2.3 最佳鏈路選擇

最佳鏈路的選擇是實現(xiàn)有效路由的主要問題,BATMAN通過鏈路權(quán)重指標(biāo)Wsi來衡量鏈路性能的優(yōu)劣,Wsi充分考慮了由于網(wǎng)絡(luò)波動而引起的不穩(wěn)定性以及無線鏈路上下行信道的差異性,由分別代表節(jié)點s與節(jié)點i上、下行鏈路連通特性的和2部分構(gòu)成。

式中：Qsi是在當(dāng)前滑動窗口內(nèi)節(jié)點s通過鄰居節(jié)點i收到的目的節(jié)點發(fā)出的OGM消息數(shù)量;Qsd是節(jié)點s收到的由目的節(jié)點d發(fā)起的OGM消息總數(shù)。假設(shè)節(jié)點s的鄰居節(jié)點數(shù)為X,則Qsd與 Qsi的關(guān)系可表示為

式中：Ss中表示節(jié)點s發(fā)送給節(jié)點i的OGM消息數(shù)量;Rs表示節(jié)點s收到的由節(jié)點i轉(zhuǎn)發(fā)的發(fā)起者為節(jié)點s本身的OGM消息數(shù)量。由于節(jié)點s和節(jié)點i之間存在多種可能的路徑,而且無線鏈路總會存在丟包現(xiàn)象,因而總會小于1。

基于此思想,全網(wǎng)各節(jié)點都保存了1張包含最佳鄰居節(jié)點信息的鄰居節(jié)點表,將源節(jié)點到目的節(jié)點之間的所有最佳鄰居節(jié)點串聯(lián)起來,就構(gòu)成了1條最佳鏈路。

3 BATMAN協(xié)議在自主無線Mesh網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計

節(jié)點使用Atheros公司的高性能網(wǎng)絡(luò)處理器AR7161(主頻680 MHz)作為主控單元,利用Mini-PCI接口最多可連接4個Wi-Fi模塊,使用16 MB SPI FLASH和128 MB DDR內(nèi)存分別作為系統(tǒng)存儲器和高速數(shù)據(jù)交換設(shè)備,擴(kuò)展了有線網(wǎng)口和串口,便于性能測試和應(yīng)用擴(kuò)展。

3.2 協(xié)議模塊設(shè)計

參考Open WRT開源社區(qū)提供的BATMAN協(xié)議框架[14],基于嵌入式Linux2.6.32系統(tǒng)以及mips-uclibc-gcc_4.3.3交叉編譯器,在自研節(jié)點上設(shè)計實現(xiàn)了BATMAN 3層路由協(xié)議。協(xié)議分為應(yīng)用層接口模塊和內(nèi)核層模塊2部分,應(yīng)用層接口模塊主要完成協(xié)議的配置工作,如工作模式查詢或變更、已知網(wǎng)絡(luò)的加入或刪除,以及調(diào)試級別的設(shè)置等;內(nèi)核層模塊主要完成路由數(shù)據(jù)包的發(fā)送、接收、處理和轉(zhuǎn)發(fā),鄰居節(jié)點信息列表的建立和路由的選擇等功能,下面重點對鄰居節(jié)點信息獲取模塊、鄰居節(jié)點列表創(chuàng)建模塊和路由選擇模塊進(jìn)行分析。

3.2.1 鄰居節(jié)點信息獲取模塊

鄰居節(jié)點信息獲取模塊主要完成對接收到的OGM包的分析與處理。如圖3所示,模塊在設(shè)定的超時時間內(nèi)對OGM包進(jìn)行接收,接收端口為4305端口。如果在超時之前收到有效的BATMAN包,則解析BATMAN包,獲取包序列號、網(wǎng)關(guān)標(biāo)志、版本號、雙向鏈路標(biāo)志、發(fā)起者IP地址、前一發(fā)送者IP地址以及鄰居節(jié)點IP地址等信息;否則重新設(shè)定定時器并進(jìn)入下一次接收過程。如果收到的OGM包的版本號與本節(jié)點版本號一致,則對OGM包內(nèi)的“發(fā)起者地址”進(jìn)行分析,否則丟棄該OGM包;如果收到的OGM包的發(fā)送地址是一個廣播地址,則丟棄該OGM包;如果OGM包內(nèi)的“發(fā)起者地址”與本節(jié)點的IP地址一致,說明存在鄰居節(jié)點,進(jìn)而判斷鏈路的雙向特性;如果OGM包的直連鏈路標(biāo)志(U)為1,則記錄OGM包中的“前一發(fā)送地址”,并更新鄰居節(jié)點列表項。需要說明的是,如果收到了來自于單跳鄰居節(jié)點發(fā)起的OGM包,或者來自于非鄰居節(jié)點且具有全新的生存時間(TTL)的OGM包,則該OGM包應(yīng)該被再次廣播轉(zhuǎn)發(fā)。

圖3 鄰居節(jié)點信息獲取模塊

3.2.2 鄰居節(jié)點列表創(chuàng)建及路由選擇模塊

本模塊用于創(chuàng)建和維護(hù)鄰居節(jié)點列表,列表主要包括以下6項內(nèi)容：

1)Neigh_addr,記錄鄰居節(jié)點的IP地址;

2)New_seqno,表示的是在固定滑動窗口內(nèi)收到的OGM包序號,由于節(jié)點會收到多個來自同一發(fā)起者的OGM包,這里只是記錄最新收到的但尚未被標(biāo)記的序號;

3)PCount_S,在滑動窗口內(nèi)收到的由本節(jié)點發(fā)起的OGM包數(shù)量,此條目可作為該鄰居節(jié)點到本節(jié)點之間路徑質(zhì)量的度量依據(jù),包計數(shù)值越大,表示鏈路質(zhì)量越好;

4)PCount_O,在滑動窗口內(nèi)收到的由非本節(jié)點發(fā)起的OGM包數(shù)量,此條目可作為該鄰居節(jié)點到發(fā)起者之間路徑質(zhì)量的度量依據(jù),包計數(shù)值越大,表示鏈路質(zhì)量越好;

5)Last_VLD_TimeStamp,記錄的是通過該鄰居獲取到的最新OGM消息的時間戳;

6)Last_TTL,記錄了通過該鄰居獲取到的最新OGM消息的生存時間。

以2.2節(jié)給出的原型網(wǎng)絡(luò)為例,節(jié)點1的鄰居節(jié)點列表如表1所示。

表1 鄰居節(jié)點列表

路由選擇過程如圖4所示。

圖4 路由選擇過程

4 BATMAN協(xié)議性能分析

目前大多數(shù)針對路由協(xié)議的分析都是基于仿真工具完成的,由于仿真環(huán)境往往較為理想,其仿真結(jié)果僅能給出性能的大致估計,并不能代表協(xié)議的實際使用特性;另外,使用不同的仿真軟件,其仿真結(jié)果也不盡相同。為此,本文在自主構(gòu)建的無線Mesh原型網(wǎng)絡(luò)中實際測試分析了BATMAN協(xié)議的使用效能。

試驗區(qū)域為50 m×50 m的空間,每個節(jié)點安裝2個Router Board公司的Atheros 92xx系列Wi-Fi模塊,各節(jié)點在鄰近節(jié)點覆蓋范圍內(nèi)自由移動(移動速度約為1 m/s),工作在802.11n模式,使用正交信道,發(fā)送功率設(shè)為0 dBm,其無線信號覆蓋半徑約為5 m,保持相鄰節(jié)點間的直線距離約為9 m。

BATMAN路由算法的設(shè)置如下：OGM間隔為1 s;TTL為255;窗口大小為100。

首先利用Ix Chariot軟件對吞吐量進(jìn)行了測試,Ix Chariot服務(wù)器端設(shè)置網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為TCP協(xié)議,服務(wù)質(zhì)量為H263CIF,連接數(shù)為10對,各跳測試時間均為10 min。測試結(jié)果如圖5所示,在單跳情況下,平均吞吐量可達(dá)到78.237 Mb/s;當(dāng)跳數(shù)增加為2跳時,無線信道中的數(shù)據(jù)碰撞增加,用于路由的OGM消息也相應(yīng)增加,吞吐量下降為52.474 Mb/s;隨著跳數(shù)進(jìn)一步增加為3跳、4跳時,吞吐量進(jìn)一步下降為44.431 Mb/s和37.568 Mb/s。可以看出,吞吐量隨著跳數(shù)的增加逐漸下降,但得益于BATMAN協(xié)議較少的OGM包和基于統(tǒng)計方法的路由查找策略,并沒有像傳統(tǒng)路由那樣隨著跳數(shù)n的增加呈現(xiàn)1/n的趨勢急劇下降[15-16]。

圖5 吞吐量測量結(jié)果示意圖

另外還進(jìn)行了高速視頻多跳傳輸試驗,測試發(fā)現(xiàn),在中繼節(jié)點靜止的情況下,視頻傳輸流暢,無明顯丟包現(xiàn)象;在中繼節(jié)點移動的情況下,由于發(fā)生了路由鏈路的更新,視頻傳輸偶爾有丟包現(xiàn)象,但恢復(fù)時間很快,不影響顯示效果;多跳后的視頻傳輸時延不超過450 ms,具有良好的實時性,能夠滿足視頻的實時傳輸需要。

5 結(jié)束語

本文對BATMAN路由協(xié)議的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)、算法思想進(jìn)行了深入研究,自主研發(fā)了多接口的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,并在自主構(gòu)建的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)原型系統(tǒng)上設(shè)計實現(xiàn)了BATMAN路由協(xié)議,最后對BATMAN協(xié)議的實際使用性能進(jìn)行了分析。得益于BATMAN協(xié)議輕量化的設(shè)計思想和基于統(tǒng)計方法的路由查找策略,該算法在原型系統(tǒng)中具有良好的帶寬和時延特性,能夠滿足小型Mesh網(wǎng)絡(luò)的實時、寬帶數(shù)據(jù)傳輸要求。下一步將針對拓?fù)鋭討B(tài)變化大、節(jié)點數(shù)量較多(超過30個)的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行協(xié)議應(yīng)用與分析。

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(編輯：孫陸青)

The Design and Realization of
a Lightweight Wireless Mesh Network Routing Protocol

LIU Zuoxue1, DAI Jianmei1, SHENG Yijun2, WANG Zifan2

(1.Department of Information Equipment,Equipment Academy,Beijing 101416,China; 2.Department of Graduate Management,Equipment Academy,Beijing 101416,China)

BATMAN(better approach to mobile Ad-hoc networking)is a new wireless Mesh network routing protocol.The data format and algorithm of BATMAN protocol are analyzed,and the BATMAN protocol is designed based on the embedded Linux and realized on the self-developed wireless Mesh node mounting multiple Wi-Fi modules.The pragmatic performance is tested in the multihop Mesh prototype network.The result shows that the characteristics of latency of BATMAN protocol which is lightweight,rapid convergence,and efficient can meet the real-time and broadband transmission requirement of wireless Mesh network.

BATMAN routing protocol;wireless Mesh network;Wi-Fi module

TP 393.0

2095-3828(2014)02-0065-06

ADOI10.3783/j.issn.2095-3828.2014.02.016

2013-10-18

劉作學(xué)(1962-),男,教授,碩士.主要研究方向：軍事無線通信技術(shù).lzx626@sohu.com.