無線網(wǎng)狀網(wǎng)域間無縫切換技術研究與設計

陳康先 ，陸以勤，羅旭光，楊 峰

(1.華南理工大學電子與信息學院，廣州510640;2.廣州杰賽科技股份有限公司，廣州510310)

無線Mesh 網(wǎng)絡(Wireless Mesh Network，WMN)是一種WLAN 的擴展形式［1－2］，通過無線多跳方式構建無線網(wǎng)狀骨干網(wǎng)，為用戶提供便捷的寬帶無線接入服務. 該協(xié)議物理層基于IEEE802.11 系列標準，結合MIMO 技術，具有較高的網(wǎng)絡帶寬、更廣的無線網(wǎng)絡覆蓋范圍、靈活的自組網(wǎng)、擴展方便等特點.用戶可以在移動無線網(wǎng)絡環(huán)境下通過不同的Mesh 接入點(MAP)便捷接入無線網(wǎng)絡，但由于用戶的移動性或網(wǎng)絡拓撲及其無線信號強度的動態(tài)變化導致接入MAP 的不斷變化，因此迫切需要一種高效的無線Mesh 網(wǎng)絡切換機制以提高用戶在漫游過程中的持續(xù)通信能力.

目前，主流的解決方案是iMesh 和MobiMesh 提出的［3］，主要通過在共同一個無線網(wǎng)狀網(wǎng)域內(nèi)實現(xiàn)特定主機路由，采用節(jié)點移動來觸發(fā)路由的不斷更新，以確保本域內(nèi)的路由表的實時性和有效性. 但Mesh 無線頻段使用的工業(yè)開放頻道(ISM)受到的無線干擾嚴重，加上頻繁的廣播路由更新消息會給域內(nèi)無線網(wǎng)絡帶來大量路由通訊開銷和二次復雜的干擾，致使無線網(wǎng)絡可靠性、可擴展性變差［4］. 另外，SMesh 通過采用多播組和多個接入點同時為一個終端提供服務，以犧牲帶寬以及固有的通信頻道資源為代價來保證連續(xù)的通信，會使得無線網(wǎng)絡容量變得非常有限［5］，網(wǎng)絡的魯棒性和用戶體驗受到嚴重制約.當終端發(fā)生域間或者較為復雜的移動環(huán)境時，采用以上方案將不能保障用戶與通信之間實現(xiàn)端對端的連續(xù)通信［6］.

為解決這個問題，本文搭建了一個典型的Mesh網(wǎng)絡域間切換場景，設計出一種新的路由算法，結合構建Mesh 設備的緩存機制，提出了一種新的無線網(wǎng)狀網(wǎng)域間無縫切換機制，實現(xiàn)Mesh 網(wǎng)絡的不同網(wǎng)絡域之間的漫游切換，可以更有效地解決無線網(wǎng)狀網(wǎng)域間切換問題.

1 無線Mesh 網(wǎng)絡域間切換模型

無線Mesh 網(wǎng)絡域間切換模型主要在2個Mesh域之間，基于設計新的切換協(xié)議機制. 在原接入Mesh 域與目標域之間實現(xiàn)切換請求與響應，實現(xiàn)STA 從一個Mesh 域移動到另一外域的所有通信消息過程.設計新的路由表(地址映射表)，實現(xiàn)Mesh網(wǎng)對一個正在移動中的STA 進行識別與綁定.在每個Mesh 域接入點(MAP)設置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，保存正在切換中的STA 已發(fā)起的通信而未接收處理的數(shù)據(jù)信息.當STA 完成從源Mesh 域移動到目標Mesh域時，通過地址映射表識別當前的STA，并將由目標Mesh 域向源Mesh 域請求接收該STA 在切換過程中未處理數(shù)據(jù)，并由目標Mesh 域中的MAP 向STA下發(fā)數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)無縫切換.

圖1 無線Mesh 網(wǎng)絡域間切換場景Figure 1 Scene for inter-domain handoff in Mesh network

本文使用的無線Mesh 網(wǎng)絡域間切換場景見圖1，WMN 由以下4 類節(jié)點組成:Mesh 網(wǎng)關節(jié)點(MPP)，負責連接無線Mesh 網(wǎng)絡中其他節(jié)點與有線網(wǎng)絡的網(wǎng)關，也是單個WMN 的唯一有線接入網(wǎng)關實體;Mesh轉發(fā)節(jié)點(MP)，負責WMN 各個無線節(jié)點之間建立無線網(wǎng)絡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸以形成WMN 主干傳輸網(wǎng)，主要實現(xiàn)無線網(wǎng)絡節(jié)點間形成自組網(wǎng)功能;Mesh 接入節(jié)點(MAP)，它兼容了WLAN 中AP 的功能，同時具備MP 無線路由轉發(fā)的功能;無線用戶終端(STA)主要通過無線網(wǎng)絡接入MAP 接入WMN 取得服務.通常將由一個MPP 及多個MP 和多個MAP構成的Mesh 網(wǎng)絡稱為一個域，圖1 為包含2個域的WMN 場景，分別處于MPP1 和MPP2 的覆蓋中.

當STA 接入無線Mesh 網(wǎng)絡時，獲得由WMN 域分配的一個動態(tài)IP 地址.通過接入的WMN，STA 不斷地與接入的WMN 取得通信與服務. STA 在域內(nèi)移動時，IP 地址可以保持不變. 當STA 移動到另一個域(目標域)時，則需要由目標WMN 域重新分配一個該無線局域網(wǎng)內(nèi)的IP 地址.原WMN 域及目標WMN 域需要通過MAC 和IP 地址的映射實現(xiàn)對應關系，通過緩存、路由等手段實現(xiàn)數(shù)據(jù)的不間斷通信.當STA 從一個WMN 域移動到另一個WMN 域時，能夠迅速知道切換前后的IP 以及其映射關系，并將原緩存數(shù)據(jù)通過映射的路由，將數(shù)據(jù)發(fā)送到新的WMN 域，實現(xiàn)快速無縫切換.

在WMN 域之間，WMN 需要以MAC 地址作為STA 的唯一標識，減少有的方案提到的多重邏輯結構關系［7］.MAP 建立與維護STA 的MAC 與IP 的對應列表，MAC 地址綁定源IP 與目標IP，實現(xiàn)源Mesh域至目標Mesh 域的數(shù)據(jù)包的轉發(fā)路由. 對應列表含有STA 的MAC 地址和被分配的IP 地址信息.地址對應映射表存儲有STA 的MAC 地址、STA 的IP地址、MAP 的IP 和MAP 的MAC 地址信息，形成了各個節(jié)點的地址對應關系以及各STA 的MAC 地址與接入MAP 的MAC 地址的綁定關系，MPP 維護的地址映射表如圖2 所示.

圖2 MPP 維護的地址映射表Figure 2 Address mapping table in MPP

2 無線Mesh 網(wǎng)絡域間無縫切換技術

用戶終端STA 通過2 種方式確認是否接入到新的MAP，以切換到新的WMN 域.一種是根據(jù)接收到的MAP 信號強度(RSS)，當前的MAP 信號強度低于設定值時，STA 將不斷掃描附近的無線信號及其強度，從接收到的MAP 中選擇信號強度最好的MAP 作為接入目標MAP［3，8］. 另一種方式是根據(jù)實際場景需求，主動選擇下一個接入點MAP，實現(xiàn)主動切換.

接入的目標MAP 與原MAP 根據(jù)接入網(wǎng)絡拓撲有2 種情況:在同一個WMN 域內(nèi)或在不同的WMN域內(nèi).通常將前者稱之為域內(nèi)切換，后者稱之為域間切換.域內(nèi)切換，從一個MAP 到另一個MAP，STA的IP 地址保持不變，切換與數(shù)據(jù)通信均可通過在2層(鏈路2 層)實現(xiàn). 在域間切換情況下，接入的MAP 不存在同一個域，需要變動IP 地址，這樣就會發(fā)生3 層(網(wǎng)絡層)切換［9］.Mesh 節(jié)點協(xié)議棧見圖3.

圖3 Mesh 節(jié)點協(xié)議棧Figure 3 Mesh protocol stack

以下主要聚焦于無線Mesh 網(wǎng)絡的域間切換問題，基于終端的MAC 地址，構建相應的地址映射表，能夠提高STA 從一個WMN 域切換到另一個WMN域的效率.在切換過程中，通過增加源MAP 節(jié)點的數(shù)據(jù)包緩存，以解決切換過程中數(shù)據(jù)包的丟包問題.

當STA 從一個MPP 的覆蓋范圍移動到另一個MPP 的覆蓋范圍時，即MPP 發(fā)生了改變，這時需要向新MPP 進行代理更新，STA 同時和新舊網(wǎng)絡進行協(xié)議交互.結合圖1 中的實體編號，切換過程中2個網(wǎng)絡的信令交互過程(圖4):

階段一:準備階段.Step1:在確定切換目標MAP為MAP2 之后，STA 首先向MAP1 發(fā)送切換請求消息，該切換請求消息包含MPP2 的IP 地址和STA 的原IP 地址;Step2:MAP1 收到切換請求消息后轉發(fā)給MPP1 節(jié)點;Step3:MPP1 節(jié)點通過有線網(wǎng)絡發(fā)送該切換請求消息給MPP2 節(jié)點;Step4:MPP2 節(jié)點為STA 分配一個新的IP 地址;Step5:MPP2 節(jié)點將切換準備消息發(fā)給MAP2 節(jié)點，該消息中包含有分配給STA 的MAC 地址和新的IP 地址;Step6:MAP2 節(jié)點預留相應資源，并返回切換準備完成消息給MPP2 節(jié)點;Step7:MPP2 節(jié)點返回切換響應消息給MPP1 節(jié)點;Step8:MPP1 節(jié)點轉發(fā)該切換響應消息給MAP1 節(jié)點;Step9:MAP1 節(jié)點轉發(fā)切換響應消息給STA，同時緩存發(fā)給STA 原IP 地址的數(shù)據(jù)包;

階段二:切換過程. Step10:STA 更新自己的IP地址，并向MAP2 節(jié)點發(fā)起接入請求消息;Step11:MAP2 節(jié)點發(fā)送接入完成通告消息給MPP2 節(jié)點;Step12:MPP2 節(jié)點向MPP1 節(jié)點發(fā)送切換完成通告消息;Step13:MPP1 節(jié)點更新自己的STA 列表，通知通信對端STA 新的IP 地址以及STA 切換后對應的MPP2 和MAP2 的IP 地址，并返回一個切換完成響應消息;Step14:MPP2 節(jié)點更新自己的STA 列表，并返回接入響應消息給MAP2 節(jié)點;Step15:MAP2 節(jié)點轉發(fā)該接入響應消息給STA，并轉發(fā)其通信對端發(fā)送來的數(shù)據(jù)包;

階段三:資源釋放. Step16:STA 收到切換響應消息后，向MAP1 節(jié)點發(fā)送斷開連接請求消息;Step17:MAP1 節(jié)點檢查自己的緩存中是否還有需要發(fā)送給STA 原IP 地址的數(shù)據(jù)包;Step18:如果沒有，則釋放資源.如果有則更新這些數(shù)據(jù)的目的地址為STA 的新IP 地址，并轉發(fā)數(shù)據(jù)到MPP1 節(jié)點;Step19:MPP1 節(jié)點轉發(fā)該數(shù)據(jù)到MPP2 節(jié)點;Step20:MPP2 節(jié)點轉發(fā)該數(shù)據(jù)到MAP2 節(jié)點;Step21:MAP2 節(jié)點轉發(fā)這些數(shù)據(jù)包到STA 節(jié)點;Step22:當數(shù)據(jù)包發(fā)送完畢，MAP1 節(jié)點釋放資源.

在STA 與MPP2 域內(nèi)的MAP2 建立連接過程中，原MPP1 域中的MAP1 保存STA 在通信后續(xù)的網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù);STA 完成從MPP1 域切換到MPP2域后，MAP2 將之前緩存的屬于STA 的通信數(shù)據(jù)通過MPP1 轉到MPP2，MPP2 將通過地址映射表，找到STA 的接入目標MAP2，并將數(shù)據(jù)包發(fā)送到STA 當前連接的MAP2 上，再由MAP2 將該數(shù)據(jù)包發(fā)送給STA.由此一方面可以解決數(shù)據(jù)包丟失的問題，另外也可進一步提高無線Mesh 網(wǎng)絡的切換與接入效率.

圖4 無線Mesh 網(wǎng)絡域間切換時序圖Figure 4 Sequence diagram of inter-domain handoff in wireless Mesh network

綜上所述，在STA 將要從MPP1 切換到MPP2之前，MPP2 已經(jīng)為STA 分配了一個IP 地址，以及為STA 指定了MPP2 域內(nèi)的供STA 接入的MAP2;當STA 進入到MPP2 域中時，STA 既可以選擇接入MPP2 指定的MAP2，能夠保證STA 可靠地完成從一個MPP 域到另一個MPP 域的無縫切換，且適用于類WLAN 的網(wǎng)絡環(huán)境.

3 實驗驗證

為驗證上面的切換機制，以Mesh 路由器設備MSR2000 為基礎，修改其數(shù)據(jù)包的處理機制，組建以下網(wǎng)絡實驗環(huán)境來驗證終端的實際切換效果. 主要基于Layer3(3 層)的切換為基礎，網(wǎng)絡拓撲圖如圖5 所示.

MAP1、MAP2 處于不同Mesh 子網(wǎng)中，構建2個不同的Mesh 子網(wǎng):Mesh1 域和Mesh2 域，2個子網(wǎng)設置不同的頻道.測試切換過程如下:

圖5 網(wǎng)絡實驗拓撲圖Figure 5 Experimental topology for inter-domain handoff in Mesh

(1)設置MPP1 的IP 分別為172.0.0.10、10.0.10.1，網(wǎng)口與交換機相連，無線與MAP1 相連;MAP1 的IP 分別設置為10.0.10.10、192.168.30.1，10.0.10.10 的IP 連接MPP1，保證網(wǎng)絡相連，192.168.30.1 的IP 即為無線網(wǎng)絡方面，保證STA可以成功關聯(lián)到Mesh 網(wǎng)絡上.

(2)MAP1 建立緩存，同時建立與維護STA 的MAC 與IP 的對應列表，MPP1 加入切換原語與路由.

(3)同Mesh1 域相同，設置MPP2 的IP 分別為172.0.0.20、10.0.20.1，網(wǎng)口與交換機相連，無線與MAP2 相連;MAP2 的IP 分別設置為10.0.20.20、192.168.50.1，10.0.20.20 的IP 連接MPP2，保證網(wǎng)絡相連，192.168.50.1 的IP 即為無線網(wǎng)絡方面，保證STA 可以成功關聯(lián)到Mesh 網(wǎng)絡上.

(4)2個Mesh 網(wǎng)用一堵室內(nèi)(磚墻)40 m 隔開，并依據(jù)場強(RSSI)進行切換，使STA 靠近MAP1 通過MAP1 接入無線網(wǎng)絡.

(5)從STA ping 交換機100個報文，同時向MAP2 方向以步行的速度移動STA，使STA 通過MAP2 接入無線網(wǎng)絡.

(6)記錄下發(fā)生切換時的丟包率.

(7)重復第5 步驟，來回驗證測試10 次.

基于UDP 協(xié)議的PING 包本身也存在丟包的情況，但本方案忽略該協(xié)議執(zhí)行情況，以實測數(shù)據(jù)為準，結果見表1.

表1 實際測試數(shù)據(jù)結果Table 1 Results of real data test

來回10 次的實驗結果顯示，數(shù)據(jù)的丟包率在0.7%以內(nèi)，而WLAN 的AP 切換(漫游)平均丟包率通常在3%左右，這一數(shù)據(jù)遠遠低于該標準.

終端STA 在從MAP1 切換到MAP2 過程中，通過緩存機制，將正在切換中的數(shù)據(jù)保存在源MAP，切換完成后，根據(jù)新的IP 地址，結合地址映射表，將數(shù)據(jù)重新發(fā)送到目標MAP，通過MAP 將數(shù)據(jù)轉發(fā)到STA，不存在數(shù)據(jù)包丟包現(xiàn)象，而且網(wǎng)絡連接穩(wěn)定，基本可以做到STA 的無縫切換.

4 結論

本文提出的無線Mesh 網(wǎng)絡域間切換方法實現(xiàn)無線寬帶的不同WMN 網(wǎng)絡域之間的無縫快速切換.通過建立終端MAC 地址與IP 地址的映射，取得源域與目標域的關聯(lián)關系，提高了終端在不同WMN域間切換的效率;通過增加源MAP 的數(shù)據(jù)包緩存，有效減少了切換過程的丟包率.另外，該思想也可應用在WLAN 的無線快速無縫切換領域，解決WLAN的快速切換問題.

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