無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)域間無(wú)縫切換技術(shù)研究與設(shè)計(jì)

陳康先 ，陸以勤，羅旭光，楊 峰

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

無(wú)線(xiàn)Mesh 網(wǎng)絡(luò)(Wireless Mesh Network，WMN)是一種WLAN 的擴(kuò)展形式［1－2］，通過(guò)無(wú)線(xiàn)多跳方式構(gòu)建無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀骨干網(wǎng)，為用戶(hù)提供便捷的寬帶無(wú)線(xiàn)接入服務(wù). 該協(xié)議物理層基于IEEE802.11 系列標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合MIMO 技術(shù)，具有較高的網(wǎng)絡(luò)帶寬、更廣的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、靈活的自組網(wǎng)、擴(kuò)展方便等特點(diǎn).用戶(hù)可以在移動(dòng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下通過(guò)不同的Mesh 接入點(diǎn)(MAP)便捷接入無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，但由于用戶(hù)的移動(dòng)性或網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼捌錈o(wú)線(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)變化導(dǎo)致接入MAP 的不斷變化，因此迫切需要一種高效的無(wú)線(xiàn)Mesh 網(wǎng)絡(luò)切換機(jī)制以提高用戶(hù)在漫游過(guò)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(guò)在共同一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)特定主機(jī)路由，采用節(jié)點(diǎn)移動(dòng)來(lái)觸發(fā)路由的不斷更新，以確保本域內(nèi)的路由表的實(shí)時(shí)性和有效性. 但Mesh 無(wú)線(xiàn)頻段使用的工業(yè)開(kāi)放頻道(ISM)受到的無(wú)線(xiàn)干擾嚴(yán)重，加上頻繁的廣播路由更新消息會(huì)給域內(nèi)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)大量路由通訊開(kāi)銷(xiāo)和二次復(fù)雜的干擾，致使無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可靠性、可擴(kuò)展性變差［4］. 另外，SMesh 通過(guò)采用多播組和多個(gè)接入點(diǎn)同時(shí)為一個(gè)終端提供服務(wù)，以犧牲帶寬以及固有的通信頻道資源為代價(jià)來(lái)保證連續(xù)的通信，會(huì)使得無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)容量變得非常有限［5］，網(wǎng)絡(luò)的魯棒性和用戶(hù)體驗(yàn)受到嚴(yán)重制約.當(dāng)終端發(fā)生域間或者較為復(fù)雜的移動(dòng)環(huán)境時(shí)，采用以上方案將不能保障用戶(hù)與通信之間實(shí)現(xiàn)端對(duì)端的連續(xù)通信［6］.

為解決這個(gè)問(wèn)題，本文搭建了一個(gè)典型的Mesh網(wǎng)絡(luò)域間切換場(chǎng)景，設(shè)計(jì)出一種新的路由算法，結(jié)合構(gòu)建Mesh 設(shè)備的緩存機(jī)制，提出了一種新的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)域間無(wú)縫切換機(jī)制，實(shí)現(xiàn)Mesh 網(wǎng)絡(luò)的不同網(wǎng)絡(luò)域之間的漫游切換，可以更有效地解決無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)域間切換問(wèn)題.

1 無(wú)線(xiàn)Mesh 網(wǎng)絡(luò)域間切換模型

無(wú)線(xiàn)Mesh 網(wǎng)絡(luò)域間切換模型主要在2個(gè)Mesh域之間，基于設(shè)計(jì)新的切換協(xié)議機(jī)制. 在原接入Mesh 域與目標(biāo)域之間實(shí)現(xiàn)切換請(qǐng)求與響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)STA 從一個(gè)Mesh 域移動(dòng)到另一外域的所有通信消息過(guò)程.設(shè)計(jì)新的路由表(地址映射表)，實(shí)現(xiàn)Mesh網(wǎng)對(duì)一個(gè)正在移動(dòng)中的STA 進(jìn)行識(shí)別與綁定.在每個(gè)Mesh 域接入點(diǎn)(MAP)設(shè)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(dāng)STA 完成從源Mesh 域移動(dòng)到目標(biāo)Mesh域時(shí)，通過(guò)地址映射表識(shí)別當(dāng)前的STA，并將由目標(biāo)Mesh 域向源Mesh 域請(qǐng)求接收該STA 在切換過(guò)程中未處理數(shù)據(jù)，并由目標(biāo)Mesh 域中的MAP 向STA下發(fā)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換.

圖1 無(wú)線(xiàn)Mesh 網(wǎng)絡(luò)域間切換場(chǎng)景Figure 1 Scene for inter-domain handoff in Mesh network

本文使用的無(wú)線(xiàn)Mesh 網(wǎng)絡(luò)域間切換場(chǎng)景見(jiàn)圖1，WMN 由以下4 類(lèi)節(jié)點(diǎn)組成:Mesh 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)(MPP)，負(fù)責(zé)連接無(wú)線(xiàn)Mesh 網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)與有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，也是單個(gè)WMN 的唯一有線(xiàn)接入網(wǎng)關(guān)實(shí)體;Mesh轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)(MP)，負(fù)責(zé)WMN 各個(gè)無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間建立無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸以形成WMN 主干傳輸網(wǎng)，主要實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間形成自組網(wǎng)功能;Mesh 接入節(jié)點(diǎn)(MAP)，它兼容了WLAN 中AP 的功能，同時(shí)具備MP 無(wú)線(xiàn)路由轉(zhuǎn)發(fā)的功能;無(wú)線(xiàn)用戶(hù)終端(STA)主要通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入MAP 接入WMN 取得服務(wù).通常將由一個(gè)MPP 及多個(gè)MP 和多個(gè)MAP構(gòu)成的Mesh 網(wǎng)絡(luò)稱(chēng)為一個(gè)域，圖1 為包含2個(gè)域的WMN 場(chǎng)景，分別處于MPP1 和MPP2 的覆蓋中.

當(dāng)STA 接入無(wú)線(xiàn)Mesh 網(wǎng)絡(luò)時(shí)，獲得由WMN 域分配的一個(gè)動(dòng)態(tài)IP 地址.通過(guò)接入的WMN，STA 不斷地與接入的WMN 取得通信與服務(wù). STA 在域內(nèi)移動(dòng)時(shí)，IP 地址可以保持不變. 當(dāng)STA 移動(dòng)到另一個(gè)域(目標(biāo)域)時(shí)，則需要由目標(biāo)WMN 域重新分配一個(gè)該無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)的IP 地址.原WMN 域及目標(biāo)WMN 域需要通過(guò)MAC 和IP 地址的映射實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)緩存、路由等手段實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的不間斷通信.當(dāng)STA 從一個(gè)WMN 域移動(dòng)到另一個(gè)WMN 域時(shí)，能夠迅速知道切換前后的IP 以及其映射關(guān)系，并將原緩存數(shù)據(jù)通過(guò)映射的路由，將數(shù)據(jù)發(fā)送到新的WMN 域，實(shí)現(xiàn)快速無(wú)縫切換.

在WMN 域之間，WMN 需要以MAC 地址作為STA 的唯一標(biāo)識(shí)，減少有的方案提到的多重邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系［7］.MAP 建立與維護(hù)STA 的MAC 與IP 的對(duì)應(yīng)列表，MAC 地址綁定源IP 與目標(biāo)IP，實(shí)現(xiàn)源Mesh域至目標(biāo)Mesh 域的數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)路由. 對(duì)應(yīng)列表含有STA 的MAC 地址和被分配的IP 地址信息.地址對(duì)應(yīng)映射表存儲(chǔ)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(gè)節(jié)點(diǎn)的地址對(duì)應(yīng)關(guān)系以及各STA 的MAC 地址與接入MAP 的MAC 地址的綁定關(guān)系，MPP 維護(hù)的地址映射表如圖2 所示.

圖2 MPP 維護(hù)的地址映射表Figure 2 Address mapping table in MPP

2 無(wú)線(xiàn)Mesh 網(wǎng)絡(luò)域間無(wú)縫切換技術(shù)

用戶(hù)終端STA 通過(guò)2 種方式確認(rèn)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(hào)強(qiáng)度(RSS)，當(dāng)前的MAP 信號(hào)強(qiáng)度低于設(shè)定值時(shí)，STA 將不斷掃描附近的無(wú)線(xiàn)信號(hào)及其強(qiáng)度，從接收到的MAP 中選擇信號(hào)強(qiáng)度最好的MAP 作為接入目標(biāo)MAP［3，8］. 另一種方式是根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景需求，主動(dòng)選擇下一個(gè)接入點(diǎn)MAP，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)切換.

接入的目標(biāo)MAP 與原MAP 根據(jù)接入網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆? 種情況:在同一個(gè)WMN 域內(nèi)或在不同的WMN域內(nèi).通常將前者稱(chēng)之為域內(nèi)切換，后者稱(chēng)之為域間切換.域內(nèi)切換，從一個(gè)MAP 到另一個(gè)MAP，STA的IP 地址保持不變，切換與數(shù)據(jù)通信均可通過(guò)在2層(鏈路2 層)實(shí)現(xiàn). 在域間切換情況下，接入的MAP 不存在同一個(gè)域，需要變動(dòng)IP 地址，這樣就會(huì)發(fā)生3 層(網(wǎng)絡(luò)層)切換［9］.Mesh 節(jié)點(diǎn)協(xié)議棧見(jiàn)圖3.

圖3 Mesh 節(jié)點(diǎn)協(xié)議棧Figure 3 Mesh protocol stack

以下主要聚焦于無(wú)線(xiàn)Mesh 網(wǎng)絡(luò)的域間切換問(wèn)題，基于終端的MAC 地址，構(gòu)建相應(yīng)的地址映射表，能夠提高STA 從一個(gè)WMN 域切換到另一個(gè)WMN域的效率.在切換過(guò)程中，通過(guò)增加源MAP 節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包緩存，以解決切換過(guò)程中數(shù)據(jù)包的丟包問(wèn)題.

當(dāng)STA 從一個(gè)MPP 的覆蓋范圍移動(dòng)到另一個(gè)MPP 的覆蓋范圍時(shí)，即MPP 發(fā)生了改變，這時(shí)需要向新MPP 進(jìn)行代理更新，STA 同時(shí)和新舊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行協(xié)議交互.結(jié)合圖1 中的實(shí)體編號(hào)，切換過(guò)程中2個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信令交互過(guò)程(圖4):

階段一:準(zhǔn)備階段.Step1:在確定切換目標(biāo)MAP為MAP2 之后，STA 首先向MAP1 發(fā)送切換請(qǐng)求消息，該切換請(qǐng)求消息包含MPP2 的IP 地址和STA 的原IP 地址;Step2:MAP1 收到切換請(qǐng)求消息后轉(zhuǎn)發(fā)給MPP1 節(jié)點(diǎn);Step3:MPP1 節(jié)點(diǎn)通過(guò)有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送該切換請(qǐng)求消息給MPP2 節(jié)點(diǎn);Step4:MPP2 節(jié)點(diǎn)為STA 分配一個(gè)新的IP 地址;Step5:MPP2 節(jié)點(diǎn)將切換準(zhǔn)備消息發(fā)給MAP2 節(jié)點(diǎn)，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(diǎn)預(yù)留相應(yīng)資源，并返回切換準(zhǔn)備完成消息給MPP2 節(jié)點(diǎn);Step7:MPP2 節(jié)點(diǎn)返回切換響應(yīng)消息給MPP1 節(jié)點(diǎn);Step8:MPP1 節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)該切換響應(yīng)消息給MAP1 節(jié)點(diǎn);Step9:MAP1 節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)切換響應(yīng)消息給STA，同時(shí)緩存發(fā)給STA 原IP 地址的數(shù)據(jù)包;

階段二:切換過(guò)程. Step10:STA 更新自己的IP地址，并向MAP2 節(jié)點(diǎn)發(fā)起接入請(qǐng)求消息;Step11:MAP2 節(jié)點(diǎn)發(fā)送接入完成通告消息給MPP2 節(jié)點(diǎn);Step12:MPP2 節(jié)點(diǎn)向MPP1 節(jié)點(diǎn)發(fā)送切換完成通告消息;Step13:MPP1 節(jié)點(diǎn)更新自己的STA 列表，通知通信對(duì)端STA 新的IP 地址以及STA 切換后對(duì)應(yīng)的MPP2 和MAP2 的IP 地址，并返回一個(gè)切換完成響應(yīng)消息;Step14:MPP2 節(jié)點(diǎn)更新自己的STA 列表，并返回接入響應(yīng)消息給MAP2 節(jié)點(diǎn);Step15:MAP2 節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)該接入響應(yīng)消息給STA，并轉(zhuǎn)發(fā)其通信對(duì)端發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)包;

階段三:資源釋放. Step16:STA 收到切換響應(yīng)消息后，向MAP1 節(jié)點(diǎn)發(fā)送斷開(kāi)連接請(qǐng)求消息;Step17:MAP1 節(jié)點(diǎn)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(méi)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(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到MPP1 節(jié)點(diǎn);Step19:MPP1 節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)到MPP2 節(jié)點(diǎn);Step20:MPP2 節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)到MAP2 節(jié)點(diǎn);Step21:MAP2 節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)這些數(shù)據(jù)包到STA 節(jié)點(diǎn);Step22:當(dāng)數(shù)據(jù)包發(fā)送完畢，MAP1 節(jié)點(diǎn)釋放資源.

在STA 與MPP2 域內(nèi)的MAP2 建立連接過(guò)程中，原MPP1 域中的MAP1 保存STA 在通信后續(xù)的網(wǎng)絡(luò)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(guò)MPP1 轉(zhuǎn)到MPP2，MPP2 將通過(guò)地址映射表，找到STA 的接入目標(biāo)MAP2，并將數(shù)據(jù)包發(fā)送到STA 當(dāng)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(wèn)題，另外也可進(jìn)一步提高無(wú)線(xiàn)Mesh 網(wǎng)絡(luò)的切換與接入效率.

圖4 無(wú)線(xiàn)Mesh 網(wǎng)絡(luò)域間切換時(shí)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(gè)IP 地址，以及為STA 指定了MPP2 域內(nèi)的供STA 接入的MAP2;當(dāng)STA 進(jìn)入到MPP2 域中時(shí)，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(gè)MPP 域到另一個(gè)MPP 域的無(wú)縫切換，且適用于類(lèi)WLAN 的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境.

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上面的切換機(jī)制，以Mesh 路由器設(shè)備MSR2000 為基礎(chǔ)，修改其數(shù)據(jù)包的處理機(jī)制，組建以下網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境來(lái)驗(yàn)證終端的實(shí)際切換效果. 主要基于Layer3(3 層)的切換為基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖5 所示.

MAP1、MAP2 處于不同Mesh 子網(wǎng)中，構(gòu)建2個(gè)不同的Mesh 子網(wǎng):Mesh1 域和Mesh2 域，2個(gè)子網(wǎng)設(shè)置不同的頻道.測(cè)試切換過(guò)程如下:

圖5 網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱DFigure 5 Experimental topology for inter-domain handoff in Mesh

(1)設(shè)置MPP1 的IP 分別為172.0.0.10、10.0.10.1，網(wǎng)口與交換機(jī)相連，無(wú)線(xiàn)與MAP1 相連;MAP1 的IP 分別設(shè)置為10.0.10.10、192.168.30.1，10.0.10.10 的IP 連接MPP1，保證網(wǎng)絡(luò)相連，192.168.30.1 的IP 即為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)方面，保證STA可以成功關(guān)聯(lián)到Mesh 網(wǎng)絡(luò)上.

(2)MAP1 建立緩存，同時(shí)建立與維護(hù)STA 的MAC 與IP 的對(duì)應(yīng)列表，MPP1 加入切換原語(yǔ)與路由.

(3)同Mesh1 域相同，設(shè)置MPP2 的IP 分別為172.0.0.20、10.0.20.1，網(wǎng)口與交換機(jī)相連，無(wú)線(xiàn)與MAP2 相連;MAP2 的IP 分別設(shè)置為10.0.20.20、192.168.50.1，10.0.20.20 的IP 連接MPP2，保證網(wǎng)絡(luò)相連，192.168.50.1 的IP 即為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)方面，保證STA 可以成功關(guān)聯(lián)到Mesh 網(wǎng)絡(luò)上.

(4)2個(gè)Mesh 網(wǎng)用一堵室內(nèi)(磚墻)40 m 隔開(kāi)，并依據(jù)場(chǎng)強(qiáng)(RSSI)進(jìn)行切換，使STA 靠近MAP1 通過(guò)MAP1 接入無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò).

(5)從STA ping 交換機(jī)100個(gè)報(bào)文，同時(shí)向MAP2 方向以步行的速度移動(dòng)STA，使STA 通過(guò)MAP2 接入無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò).

(6)記錄下發(fā)生切換時(shí)的丟包率.

(7)重復(fù)第5 步驟，來(lái)回驗(yàn)證測(cè)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果Table 1 Results of real data test

來(lái)回10 次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，數(shù)據(jù)的丟包率在0.7%以?xún)?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(yuǎn)遠(yuǎn)低于該標(biāo)準(zhǔn).

終端STA 在從MAP1 切換到MAP2 過(guò)程中，通過(guò)緩存機(jī)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(jié)合地址映射表，將數(shù)據(jù)重新發(fā)送到目標(biāo)MAP，通過(guò)MAP 將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到STA，不存在數(shù)據(jù)包丟包現(xiàn)象，而且網(wǎng)絡(luò)連接穩(wěn)定，基本可以做到STA 的無(wú)縫切換.

4 結(jié)論

本文提出的無(wú)線(xiàn)Mesh 網(wǎng)絡(luò)域間切換方法實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)寬帶的不同WMN 網(wǎng)絡(luò)域之間的無(wú)縫快速切換.通過(guò)建立終端MAC 地址與IP 地址的映射，取得源域與目標(biāo)域的關(guān)聯(lián)關(guān)系，提高了終端在不同WMN域間切換的效率;通過(guò)增加源MAP 的數(shù)據(jù)包緩存，有效減少了切換過(guò)程的丟包率.另外，該思想也可應(yīng)用在WLAN 的無(wú)線(xiàn)快速無(wú)縫切換領(lǐng)域，解決WLAN的快速切換問(wèn)題.

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