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      基于雙收發(fā)信機(jī)的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)

      2013-10-15 07:38:26張志超鄢楚平苑海濤張鈞媛張立茹
      計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化 2013年11期
      關(guān)鍵詞:鏈狀吞吐量信道

      張志超,鄢楚平,苑海濤,張鈞媛,計(jì) 龍,張立茹

      (華北計(jì)算技術(shù)研究所,北京 100083)

      0 引言

      無線 Mesh網(wǎng)絡(luò)(Wireless Mesh Network,WMN)是一種多跳、具有自組織和自愈特點(diǎn)的寬帶無線網(wǎng)絡(luò),是一種高容量、高速率的分布式網(wǎng)絡(luò)。目前主要認(rèn)為,WMN是一種由無線鏈路連接路由器和終端設(shè)備的固定/弱移動無線網(wǎng)絡(luò),是Internet的無線版本。WMN可以看成是WLAN(單跳)和移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)(多跳)的融合,且發(fā)揮了兩者的優(yōu)勢,是一種新型的可以解決“最后一英里”瓶頸問題的分布式網(wǎng)絡(luò)。

      對于多收發(fā)信機(jī)多信道MAC協(xié)議,不少學(xué)者進(jìn)行了研究。Wu等人提出了一種動態(tài)分配信道的協(xié)議(Dynamic Channel Assignment,DCA)[12],它使用一個信道傳輸信令,其他信道傳輸數(shù)據(jù),每個節(jié)點(diǎn)使用2個收發(fā)信機(jī),因?yàn)橐粋€收發(fā)信機(jī)一直在監(jiān)聽信道,可以避免多信道隱藏終端問題。該協(xié)議不需同步,信令開銷小。但是,控制信令獨(dú)占一個信道浪費(fèi)極大;Sana Ghannay等人提出了一種聚合路由和信道分配的機(jī)制(Joint Routing and Channel Assignment Protocol,JRCAP)[13],將全網(wǎng)按照聚類算法分簇(Cluster),對于每一簇選定一個固定信道,而每對通信鏈路的選擇在路由算法中協(xié)商好,之后跳變到協(xié)商好的信道傳輸數(shù)據(jù),若協(xié)商失敗,則用固定信道傳輸。其特色是使大網(wǎng)變小網(wǎng),但是處于網(wǎng)簇之間的節(jié)點(diǎn)負(fù)載較大,容易造成瓶頸,使全網(wǎng)的吞吐量上不去;Chia-Yu ku等人觀測到網(wǎng)卡的增多并不能帶來吞吐量的線性增加,提出了采用少量收發(fā)信機(jī)替代每個信道一個收發(fā)信機(jī)的機(jī)制來降低成本[14]。

      除了如Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中存在的暴露終端和隱藏終端問題之外,無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的MAC還存在新的問題,表現(xiàn)在3個方面:

      (1)在無線環(huán)境中,每一跳如果都需要競爭,就會產(chǎn)生大量不確定的延時,多跳后累積的延時可能會非常大;

      (2)對于采用單收發(fā)信機(jī)多信道的MAC,不停的信道切換會導(dǎo)致開銷變大;

      (3)當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時,下一跳的路由選擇機(jī)制是個很大的問題,在多跳環(huán)境中,這個問題更加突出[15]。

      本文采用基于多收發(fā)信機(jī)的設(shè)計(jì)方法來解決作為骨干Mesh網(wǎng)絡(luò)的帶寬逐跳衰減問題,進(jìn)而提高全網(wǎng)的吞吐量,降低網(wǎng)絡(luò)時延。

      1 802.11s無線Mesh協(xié)議架構(gòu)

      1.1 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

      802.11 s中定義的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示?;痉?wù)集BSS無需直接連到有線網(wǎng)絡(luò),可以通過多跳連接最終接入到有線網(wǎng),即網(wǎng)絡(luò)中只要有節(jié)點(diǎn)可以接入Internet網(wǎng)絡(luò)即可。在802.11s中定義了3類新節(jié)點(diǎn):Mesh節(jié)點(diǎn)(MP)是支持無線Mesh服務(wù)的802.11實(shí)體,其作用是作為中繼節(jié)點(diǎn);Mesh接入點(diǎn)(MAP)是作為接入點(diǎn)的 MP;Mesh門橋節(jié)點(diǎn)(MPP)是MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元(MSDU)接入或離開無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的橋接。

      圖1 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

      (1)骨干網(wǎng)絡(luò)。

      無線Mesh網(wǎng)絡(luò)從邏輯上可以理解為一個二層網(wǎng)絡(luò),其中由無線MP組成的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)的核心,因此也被稱為骨干網(wǎng)絡(luò)。骨干網(wǎng)絡(luò)是無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的一種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),這與WLAN類似,不過是將有線的骨干節(jié)點(diǎn)替換為無線MP。

      (2)客戶端網(wǎng)絡(luò)。

      與骨干網(wǎng)絡(luò)相對的便是有客戶端組成的客戶端網(wǎng)絡(luò),它是無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的二層網(wǎng)絡(luò)。在WMN中,由于客戶端也具備信息收發(fā)功能,所以它們之間也可以進(jìn)行有效的通信,所以客戶端也可以組成一個網(wǎng)絡(luò)。在這種網(wǎng)絡(luò)中沒有明確的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),其本質(zhì)就是一個純Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。

      (3)混合無線Mesh網(wǎng)。

      混合無線Mesh網(wǎng)就是有骨干網(wǎng)絡(luò)與客戶端網(wǎng)絡(luò)混合而成的WMN網(wǎng)絡(luò),這是我們最常見的一種無線Mesh網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。MP節(jié)點(diǎn)組成了整個網(wǎng)絡(luò)的骨干架構(gòu),一般是靜態(tài)而且變化較小。移動節(jié)點(diǎn)通過MAP接入網(wǎng)絡(luò),具備可移動性,節(jié)點(diǎn)間也可以進(jìn)行有效的通信。

      1.2 802.11s多跳性能仿真分析

      為了對802.11s無線 Mesh協(xié)議[1]的多跳性能進(jìn)行摸底,對仿真工具NS3[2]自帶的Mesh協(xié)議進(jìn)行了多跳測試,圖2為隨著跳數(shù)的增加,全網(wǎng)的吞吐量整體呈指數(shù)下降的趨勢,即逐跳減半,嚴(yán)重限制了傳統(tǒng)Mesh網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性和實(shí)用性。

      圖2 多跳后的吞吐量

      1.3 干擾模式圖

      假設(shè)每個無線Mesh節(jié)點(diǎn)采用同種網(wǎng)卡、全向天線,發(fā)射功率、天線增益、調(diào)制速率都相同,則每個節(jié)點(diǎn)射頻覆蓋范圍都相同,可以近似為一個圓。單收發(fā)信機(jī)的鏈狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的干擾模式如圖3所示,處于網(wǎng)絡(luò)中間的節(jié)點(diǎn)(如B、C、D)射頻覆蓋范圍有大量的重疊,造成多個節(jié)點(diǎn)競爭使用信道,在節(jié)點(diǎn)數(shù)量密集的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,會使端到端的吞吐量逐跳地快速衰減。

      圖3 單收發(fā)信機(jī)鏈狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的干擾模式示意圖

      2 基于雙收發(fā)信機(jī)的Mesh組網(wǎng)算法

      2.1 雙收發(fā)信機(jī)鏈狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的無干擾信道分配模式

      802.11網(wǎng)絡(luò)2.4GHz、ISM 頻段內(nèi)理論上可以找到3個正交的無線信道(頻率上不相重疊的信道,如信道 1、6、11,簡稱為 1、2、3 邏輯信道),考慮每個節(jié)點(diǎn)配備2個收發(fā)信機(jī),可以選擇使用3個正交信道中的2個,在鏈狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)情況下,可以構(gòu)造出如圖4所示的無干擾信道分配模式。節(jié)點(diǎn)A分配1、2信道,節(jié)點(diǎn)B分配2、3信道,則節(jié)點(diǎn)A、B通信,可以使用2信道,并且2信道在局部網(wǎng)絡(luò)中沒有其他節(jié)點(diǎn)的干擾,近似于一個理想的單跳通信模式,則A、B鏈路帶寬達(dá)到最大;同理B、C使用3信道通信也可以使鏈路帶寬達(dá)到最大。將這些無干擾的鏈路串聯(lián)起來,使得端到端帶寬保持單跳的帶寬而不減少。

      圖4 雙收發(fā)信機(jī)鏈狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的無干擾信道分配

      2.2 入網(wǎng)信道分配

      對于一個新加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)需要選擇合適的信道接入網(wǎng)絡(luò),若只考慮某一信道上使用的鄰居數(shù),則可以根據(jù)信道掃描結(jié)果對信道排序,選擇使用數(shù)最少的信道和次少的信道分配給每個收發(fā)信機(jī)。另外接收信號強(qiáng)度指示(RSSI)指標(biāo)也是一個重要影響因素,較強(qiáng)的RSSI值則說明2個節(jié)點(diǎn)之間通信距離較近。綜合考慮,對信道的忙閑程度CBI(Channel Busy Index)值進(jìn)行排序,如式(1)所示,然后從3個信道中選取2個較閑的信道分配給本節(jié)點(diǎn)的2個收發(fā)信機(jī)。

      2.3 數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)

      無線 Mesh網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有的 Airtime link metric[1]反映的是在某條特定鏈路上傳輸數(shù)據(jù)幀所消耗的信道資源,這種方式是近似的測量方法,其主要目的是為了降低具體實(shí)現(xiàn)和交互的難度。

      式(2)中,O和Bt是常量,代表信道接入開銷和測試幀的長度(8192bit),r是數(shù)據(jù)調(diào)制速率,ef是傳輸幀的誤碼率。Ca即為Airtime link metric的開銷,這種度量只考慮了傳輸速率與信道質(zhì)量,并不適用于多收發(fā)信機(jī)多信道的Mesh網(wǎng)絡(luò)。

      在雙收發(fā)信機(jī)的Mesh網(wǎng)絡(luò)中,由于引入了網(wǎng)橋,通過網(wǎng)橋轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包走不同的信道通信能夠降低競爭信道的沖突,故得修改原有的Airtime link metric,加上網(wǎng)橋的因素。

      式(3)中Ca1、Ca2分別為接收數(shù)據(jù)包的收發(fā)信機(jī)和節(jié)點(diǎn)的第二個收發(fā)信機(jī)的路由Airtime link cost。在試驗(yàn)中,α取值0.8,這樣保證同等條件下的下一跳開銷,選取經(jīng)過網(wǎng)橋的路由,轉(zhuǎn)發(fā)接口由式(4)求出。轉(zhuǎn)發(fā)算法描述如Algorithm 1所示。

      2.4 信道切換算法

      在網(wǎng)絡(luò)使用過程中,節(jié)點(diǎn)的位置可能改變,入網(wǎng)分配的信道是按照以前周圍環(huán)境通信節(jié)點(diǎn)的狀況來分配的信道。那么,在節(jié)點(diǎn)移動后,周圍的無線環(huán)境發(fā)生了變化,這時候也應(yīng)考慮進(jìn)行信道切換使得節(jié)點(diǎn)間沖突最小,以降低信道的競爭。

      信道切換算法不僅需要按照式(1)考慮信道的繁忙程度,還要考慮鄰居節(jié)點(diǎn)每個收發(fā)信機(jī)的鄰居數(shù)。為了簡化信息收集工作,在每個節(jié)點(diǎn)的Beacon信標(biāo)幀中都攜帶本地節(jié)點(diǎn)的每個收發(fā)信機(jī)所在的信道號、鄰居數(shù)以及CBI值,節(jié)點(diǎn)收到其它節(jié)點(diǎn)的Bea-con信標(biāo)幀后會將其緩存到本地的鄰居信息列表里,根據(jù)每個信道的鄰居數(shù)和信號強(qiáng)度如式(1)所示對信道忙閑程度進(jìn)行排序,將信道分配在比較空閑的2個信道里,由于只使用了3個信道,故最多有一個收發(fā)信機(jī)的信道需要切換,算法如Algorithm 2所示。

      為了避免分布式切換算法出現(xiàn)碰撞,將各個節(jié)點(diǎn)執(zhí)行切換算法的時間取一個隨機(jī)值(10s~15s),這樣可以有效避免碰撞。

      3 Linux下雙收發(fā)信機(jī)Mesh組網(wǎng)算法的實(shí)現(xiàn)

      為了驗(yàn)證算法的有效性,在Linux系統(tǒng)下對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)核進(jìn)行了修改驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)所用的Linux版本是3.0.55,主要修改包括2部分,一部分是MAC層代碼修改,一部分是Bridge層代碼修改,在Linux內(nèi)核中分別為MAC80211和Bridge兩個個內(nèi)核模塊。Mesh節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖5所示。

      圖5 Mesh節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

      代碼詳細(xì)修改包括:

      (1)Beacon信標(biāo)幀添加無線收發(fā)信機(jī)所在信道的鄰居數(shù)和CBI值,修改 Beacon信標(biāo)幀的間隔為100ms;

      (2)在MAC80211模塊中添加對Beacon信標(biāo)幀的發(fā)送與處理,并將此信息傳遞給Bridge;

      (3)在Bridge里添加信息統(tǒng)計(jì)、CBI更新以及本地信道鄰居信息的維護(hù),維護(hù)與MAC層本地信道鄰居信息的一致性,并處理由MAC收到的鄰居信息并觸發(fā)信道切換機(jī)制;

      (4)信道切換按照算法2實(shí)現(xiàn),首先檢驗(yàn)是否需要切換,若需切換則執(zhí)行信道切換;

      (5)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)按照算法1實(shí)現(xiàn),將經(jīng)過橋的路由設(shè)置優(yōu)先于經(jīng)過同一信道轉(zhuǎn)發(fā)的路由降低節(jié)點(diǎn)之間的干擾、競爭信道。

      4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

      代碼修改完畢后,在Linux環(huán)境下進(jìn)行了對比測試。實(shí)驗(yàn)環(huán)境部署了4個節(jié)點(diǎn),分別稱作A、B、C、D,每個Mesh節(jié)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備情況如表1所示。

      表1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

      先進(jìn)行單頻多跳組網(wǎng)測試,掃描2.4GHz頻段,周圍環(huán)境中1信道使用量最大并且周圍WiFi-AP設(shè)備太多、6信道次之、11信道再次之,故使用11信道做測試。通過指定A、B、C、D四個Mesh節(jié)點(diǎn)的Mesh路由來形成3跳的鏈狀拓?fù)?,?shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

      表2 單頻鏈狀組網(wǎng)TCP吞吐量測試(3次)

      由表2的數(shù)據(jù)可以看出,每加一跳吞吐量必然衰減,最多達(dá)一半。

      再進(jìn)行雙頻多跳組網(wǎng)測試,為了降低信道間的干擾,采用信道號為11、149、165的3個信道作為邏輯信道(1、2、3)。A 節(jié)點(diǎn)分配1、2邏輯信道,B節(jié)點(diǎn)分配2、3邏輯信道,C節(jié)點(diǎn)分配1、3邏輯信道,D節(jié)點(diǎn)分配1、2邏輯信道,構(gòu)成鏈狀拓?fù)?。為了防止鏈路成環(huán)、首位相接,關(guān)閉掉A節(jié)點(diǎn)1信道所在的收發(fā)信機(jī),關(guān)閉掉D節(jié)點(diǎn)2信道所在的收發(fā)信機(jī),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

      表3 雙收發(fā)信機(jī)多信道鏈狀組網(wǎng)TCP吞吐量測試(3次)

      單收發(fā)信機(jī)多跳TCP吞吐量與多收發(fā)信機(jī)多跳TCP吞吐量對比如圖6所示,單跳的對比有差距是因?yàn)槭褂玫木W(wǎng)卡為普通WiFi網(wǎng)卡,周圍有很多居民使用WiFi設(shè)備,造成的干擾所致。由圖6可知,經(jīng)過修改后的雙收發(fā)信機(jī)Mesh組網(wǎng)算法,多跳后帶寬基本保持不變,而單收發(fā)信機(jī)Mesh組網(wǎng),網(wǎng)絡(luò)帶寬逐跳衰減,網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性差。

      圖6 單雙收發(fā)信機(jī)TCP吞吐量對比

      5 結(jié)束語

      針對單收發(fā)信機(jī)Mesh組網(wǎng)吞吐量逐跳衰減、網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性差的特點(diǎn),本文提出了采用雙收發(fā)信機(jī)三信道Mesh組網(wǎng)的方案,并在Linux環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,修改后的雙收發(fā)信機(jī)Mesh組網(wǎng)算法,其網(wǎng)絡(luò)吞吐量經(jīng)過多跳后基本保持不變,使得網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性大大增強(qiáng),并且可有效抑制單收發(fā)信機(jī)組網(wǎng)算法的多跳吞吐量急劇下降的缺點(diǎn)。雙收發(fā)信機(jī)Mesh組網(wǎng)模式可以延伸到骨干組網(wǎng),適用于無線傳輸多路視頻等業(yè)務(wù),但對于大規(guī)模的外場測試、抗干擾等問題還需進(jìn)一步研究。

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