基于“溫度”的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡路由協(xié)議研究

楊峰　楊艷華　彭杰　吳啟祥

摘要：為了解決無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由開銷過大和負(fù)載不均的問題，分析了無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和業(yè)務(wù)特點(diǎn)，并提出了一種基于“溫度”的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡路由機(jī)制。在建立路由時(shí)為每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置一個(gè)溫度數(shù)值，并依據(jù)該數(shù)值確定數(shù)據(jù)的路由方向，進(jìn)而選擇負(fù)載較輕的備選路由節(jié)點(diǎn)，以確定最終的路徑，從而有效控制網(wǎng)絡(luò)中的路由開銷，在保障網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡的同時(shí)提高了無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的整體路由效率。

關(guān)鍵詞：無線Mesh網(wǎng)絡(luò) 溫度值 負(fù)載均衡 路由機(jī)制

1 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)概述

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)（WMN，Wireless Mesh Network）是一種新型的寬帶無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，它不同于傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)，可以看成是無線局域網(wǎng)（WLAN，Wireless Local Area Network）和Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的融合[1]。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間以完全對(duì)等的無線連接方式構(gòu)成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，這大大提高了網(wǎng)絡(luò)部署的延展性。

WMN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，包括網(wǎng)狀網(wǎng)端口節(jié)點(diǎn)（MPP，Mesh Point with a Portal）、網(wǎng)狀網(wǎng)節(jié)點(diǎn)（MP，Mesh Point）、網(wǎng)狀網(wǎng)接入節(jié)點(diǎn)（MAP，Mesh Access Point）和用戶終端節(jié)點(diǎn)（STA，Station）。其中，MAP實(shí)現(xiàn)STA接入Mesh網(wǎng)絡(luò)的功能；MPP實(shí)現(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的互通功能。

WMN與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)最大的區(qū)別是：WMN網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)相互作為其鄰居節(jié)點(diǎn)的路由器，通過節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)之間和內(nèi)部節(jié)點(diǎn)與外部網(wǎng)絡(luò)之間的通信。WMN網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)既可以作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)體，又可以作為連接到其他有線網(wǎng)絡(luò)的橋接器。

對(duì)于用戶終端節(jié)點(diǎn)來說，WMN的骨干部分主要是為用戶提供穩(wěn)定的無線接入功能，所以通常WMN的骨干Mesh節(jié)點(diǎn)是固定不動(dòng)的，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及數(shù)據(jù)路由方式與Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)還是有所不同[2]。另外，用戶接入Mesh網(wǎng)絡(luò)主要的目的是通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接入Internet，故可以預(yù)計(jì)網(wǎng)絡(luò)的主要業(yè)務(wù)存在于各節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間[3]。由于WMN網(wǎng)絡(luò)的這些特點(diǎn)，因此如何為WMN中的業(yè)務(wù)選擇一條最佳的傳輸路由，將直接影響WMN的數(shù)據(jù)傳輸效率[4]。

2 研究現(xiàn)狀

由于WMN繼承了Ad Hoc的許多特性，因而適用于移動(dòng)自組網(wǎng)的路由協(xié)議常被引入使用[5-7]。目前，主流的Ad Hoc路由協(xié)議是自組網(wǎng)按需距離矢量路由（AODV，Ad hoc On-demand Distance Vector Routing）協(xié)議，它是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的距離矢量協(xié)議。其特點(diǎn)是按需維護(hù)路由信息，該方法最大程度地減少了維護(hù)的路由信息數(shù)量，但由于在沒有路由時(shí)需要執(zhí)行路由學(xué)習(xí)查找過程，增大了數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)延以及網(wǎng)絡(luò)中尋路信息的數(shù)量。尤其是對(duì)于頻繁上下線的用戶來說，路由信息將頻繁改變，這大大增加了網(wǎng)絡(luò)的路由開銷，嚴(yán)重影響了網(wǎng)絡(luò)的整體性能。

此外，雖然無線Mesh網(wǎng)絡(luò)與Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類似，但路由技術(shù)還是有本質(zhì)區(qū)別[8]。文獻(xiàn)[9]首先給出一種分層的部署場(chǎng)景模型及相關(guān)假設(shè)，并在此基礎(chǔ)上利用混合整數(shù)線性規(guī)劃（MILP，Mixed Integer Linear Programming）方法對(duì)測(cè)量報(bào)告（MR，Measurement Report）部署問題進(jìn)行形式化描述；然后提出一種基于網(wǎng)絡(luò)流的MR部署貪心算法NF Greedy，該算法以迭代的方式從MR候選位置集中選擇權(quán)重最大的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)部署，通過一系列仿真實(shí)驗(yàn)將NF Greedy算法與現(xiàn)有算法進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該算法與基于MILP的算法相比，雖然所部署的MR數(shù)量略多，但是能夠適用于較大規(guī)模的WMN。文獻(xiàn)[10]提出了一種針對(duì)無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的具有公平性擁塞控制策略，與IEEE 802.11e EDCA相比，在有效緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞的同時(shí)，可以保證高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)與低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)之間的公平性，使整個(gè)系統(tǒng)吞吐量提高了6.3%，防止了“餓死現(xiàn)象”的發(fā)生，并通過仿真證明了該算法的有效性。

由于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)的主要目標(biāo)是為了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)快速變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且設(shè)備的業(yè)務(wù)也受能量限制，因此重點(diǎn)關(guān)注路由的節(jié)能問題。而無線Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎鄬?duì)穩(wěn)定，大容量、高傳輸可靠性和低時(shí)延是路由設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)。

3 基于“溫度”的WMN負(fù)載均衡路由

機(jī)制

上述文獻(xiàn)通過不同方面對(duì)WMN的路由協(xié)議進(jìn)行研究，以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能。本文針對(duì)WMN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和業(yè)務(wù)特點(diǎn)，提出了一種基于“溫度”值的無線網(wǎng)狀網(wǎng)負(fù)載均衡路由管理方法，可以有效減少網(wǎng)絡(luò)中的路由開銷，保障網(wǎng)絡(luò)路由的負(fù)載均衡，提高路由的建立效率。本文的主要思想來源于空調(diào)的制冷效果，空調(diào)制冷的特點(diǎn)如下：

（1）距離空調(diào)越近溫度就越低；反之，越遠(yuǎn)的溫度就越高。

在無線網(wǎng)狀網(wǎng)中，終端接入的主要目的是接入Internet，可以預(yù)計(jì)網(wǎng)狀網(wǎng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)（端口節(jié)點(diǎn)）的業(yè)務(wù)量將是最繁重的。距離端口節(jié)點(diǎn)近的Mesh節(jié)點(diǎn)由于要為其他節(jié)點(diǎn)提供轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)，因此業(yè)務(wù)量也較重；距離端口節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)的Mesh節(jié)點(diǎn)由于承擔(dān)的轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)較少，或者僅僅為終端提供接入功能，因此業(yè)務(wù)量較少。

（2）使用空調(diào)時(shí)，為了保持室內(nèi)的制冷效果，通常將門窗密閉以防止冷氣擴(kuò)散。

在無線網(wǎng)狀網(wǎng)中，路由的建立和維護(hù)的過程中會(huì)產(chǎn)生大量的路由開銷。如果不對(duì)這些開銷進(jìn)行控制，擴(kuò)散到外網(wǎng)，不僅浪費(fèi)了網(wǎng)絡(luò)資源，而且會(huì)對(duì)外網(wǎng)產(chǎn)生一些不必要的干擾。因此，需要采用一種機(jī)制將域內(nèi)的路由信息限制在本Mesh網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部。

基于以上兩個(gè)方面啟示，本文的路由機(jī)制步驟如下：

（1）網(wǎng)狀網(wǎng)端口節(jié)點(diǎn)廣播聲明消息

網(wǎng)狀網(wǎng)組網(wǎng)完成后，所述端口節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)狀網(wǎng)內(nèi)部周期廣播一個(gè)網(wǎng)狀網(wǎng)端口節(jié)點(diǎn)也稱為根節(jié)點(diǎn)的聲明消息（RANN，Root Announcement），聲明自己為端口節(jié)點(diǎn)。該聲明消息包含的內(nèi)容如下：

◆源地址（產(chǎn)生RANN消息的節(jié)點(diǎn)地址）：MPP節(jié)點(diǎn)地址。

◆本節(jié)點(diǎn)地址：本節(jié)點(diǎn)的IP地址。

◆上一跳地址：這里初始值設(shè)置為MPP節(jié)點(diǎn)。

◆溫度值：網(wǎng)狀網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的默認(rèn)值是一個(gè)足夠大的正整數(shù)。當(dāng)MPP節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生RANN消息向外廣播時(shí)，將其溫度值修改為0。

◆跳數(shù)值TTL：該TTL值是為了防止RANN消息被無限轉(zhuǎn)發(fā)。RANN消息每走一跳，TTL值減1，當(dāng)TTL值為0時(shí)，RANN消息停止轉(zhuǎn)發(fā)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模設(shè)置一個(gè)合適的TTL值，如網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)為10，則TTL值為15基本可以滿足網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都能接收到RANN消息。

（2）端口聲明消息處理

網(wǎng)狀網(wǎng)內(nèi)的Mesh節(jié)點(diǎn)收到RANN消息后，根據(jù)溫度值判斷是否已經(jīng)接收過該RANN消息，如果已經(jīng)接收過，則丟棄該消息；否則，接收該消息。

節(jié)點(diǎn)收到RANN消息后提取其溫度值，與本節(jié)點(diǎn)的溫度值進(jìn)行比較，當(dāng)該溫度值不小于本節(jié)點(diǎn)的溫度值時(shí)，則丟棄該消息；否則，接收該消息。

接收該RANN消息，提取其源地址、上一跳地址、溫度值、TTL值。

建立本節(jié)點(diǎn)到上一跳節(jié)點(diǎn)的路由，將RANN消息中本節(jié)點(diǎn)地址加到本節(jié)點(diǎn)的路由表的上一跳地址。將該消息的溫度值加1，作為本節(jié)點(diǎn)的溫度值。

同時(shí)，向上一跳節(jié)點(diǎn)單播返回一個(gè)路由回復(fù)消息（RREP，Route Reply）。該RREP消息包含的內(nèi)容如下：

◆源地址（產(chǎn)生該RREP消息的節(jié)點(diǎn)地址）：本節(jié)點(diǎn)地址。

◆上一跳地址：本節(jié)點(diǎn)地址。

◆下一跳地址：向本節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)RANN消息的節(jié)點(diǎn)地址，即RANN消息中的上一跳地址。

◆目的地址：產(chǎn)生RANN消息的節(jié)點(diǎn)地址，該路由回復(fù)消息RREP最終會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點(diǎn)MPP。

然后將RANN消息的源地址不變，上一跳地址更新為本節(jié)點(diǎn)的地址，溫度值更新為本節(jié)點(diǎn)的溫度值加1，TTL值減1，并向與本節(jié)點(diǎn)相連的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)該RANN消息。

（3）路由回復(fù)消息RREP的處理

提取其下一跳地址，與本節(jié)點(diǎn)地址進(jìn)行比較，如果一致，則接收該消息；否則，丟棄該消息。

節(jié)點(diǎn)接收該消息后，提取其上一跳地址，添加到本地路由表的下一跳地址，建立到發(fā)送該消息的節(jié)點(diǎn)的路由。如果本節(jié)點(diǎn)是MPP節(jié)點(diǎn)，則銷毀該消息；如果本節(jié)點(diǎn)不是MPP節(jié)點(diǎn)，則轉(zhuǎn)發(fā)該RREP消息，具體步驟如下：

◆將RREP消息的下一跳地址設(shè)置為本地路由表的上一跳地址。

◆將RREP消息的上一跳地址設(shè)置為本地節(jié)點(diǎn)的地址。

◆沿下一跳地址方向轉(zhuǎn)發(fā)該RREP消息。

（4）路由建立過程完成后，節(jié)點(diǎn)的路由表里就存儲(chǔ)了到端口節(jié)點(diǎn)的路由，同時(shí)保存了到溫度值較高且路由回復(fù)信息由其轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)之間的路由。

（5）域內(nèi)各節(jié)點(diǎn)向周圍一跳節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)信標(biāo)幀，包含自己的溫度值和IP地址。收到周圍節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的信標(biāo)幀后，獲取周圍節(jié)點(diǎn)的IP地址和溫度值以確定冷源的方向。

（6）Mesh節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包后，查看該數(shù)據(jù)包的目的地址是否為Mesh內(nèi)部地址。如果不是，則將該數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給其周圍溫度值較低的節(jié)點(diǎn)，直到接收數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)為端口節(jié)點(diǎn)，再由端口節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到外網(wǎng)。

如果該數(shù)據(jù)包的目的地址是Mesh內(nèi)部地址，首先查找本地路由表，若沒有到該目的地址的路由，則將該數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給其周圍溫度值較低的節(jié)點(diǎn)，當(dāng)周圍有多個(gè)溫度值一樣的節(jié)點(diǎn)時(shí)，通過比對(duì)周圍溫度值較低節(jié)點(diǎn)的負(fù)載情況，選擇負(fù)載較輕的節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)，以保障網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡。直到找到路由，將數(shù)據(jù)包送至目的地。

4 具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合實(shí)例來說明本文的具體實(shí)施方式。

實(shí)例1：網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)外節(jié)點(diǎn)之間的通信（節(jié)點(diǎn)MP8與節(jié)點(diǎn)X通信）（見圖2）

具體步驟如下：

（1）依據(jù)端口節(jié)點(diǎn)MPP的聲明信息及網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)對(duì)該消息的回復(fù)，以節(jié)點(diǎn)MPP為冷源的樹狀路由在網(wǎng)絡(luò)中建立，并為網(wǎng)內(nèi)各Mesh節(jié)點(diǎn)分配了溫度值。

（2）節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行溫度值的交互，確定冷源的方向。

（3）如果節(jié)點(diǎn)MP8有數(shù)據(jù)包要路由到節(jié)點(diǎn)X時(shí)，發(fā)現(xiàn)X不是Mesh內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，則沿著冷源的方向轉(zhuǎn)發(fā)路由請(qǐng)求信息到周圍溫度值低的節(jié)點(diǎn)。MP8轉(zhuǎn)發(fā)路由請(qǐng)求消息到MP7或MP9，由于MP9、MP6的溫度值與MP7一樣，因此MP7將轉(zhuǎn)發(fā)路由請(qǐng)求消息到MP3或MP2，然后轉(zhuǎn)發(fā)路由請(qǐng)求消息到MPP。

（4）對(duì)于步驟（3）中的溫度值相同的節(jié)點(diǎn)，通過比較其待發(fā)數(shù)據(jù)包的數(shù)量，選擇負(fù)載較輕的節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)。具體來說，當(dāng)節(jié)點(diǎn)MP8發(fā)現(xiàn)下一跳節(jié)點(diǎn)有多個(gè)選項(xiàng)時(shí)，發(fā)送待發(fā)送數(shù)據(jù)包查詢消息給待選的下一跳節(jié)點(diǎn)MP7和MP9，這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)收到消息后，反饋待發(fā)送數(shù)據(jù)包信息給節(jié)點(diǎn)MP8，由節(jié)點(diǎn)MP8決定選擇哪個(gè)節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)，這種通過比較路由節(jié)點(diǎn)負(fù)載情況以決定下一跳節(jié)點(diǎn)的機(jī)制，可有效保障網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡。

（5）當(dāng)每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)選定后，由MPP將路由請(qǐng)求消息轉(zhuǎn)發(fā)給與其相連的外網(wǎng)路由器，最終建立節(jié)點(diǎn)MP8與節(jié)點(diǎn)X之間的路由：MP8→MP7→MP3→MPP→X。

（6）節(jié)點(diǎn)MP8沿著建立好的路由發(fā)送數(shù)據(jù)到節(jié)點(diǎn)X。

通過這種方式，網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)外節(jié)點(diǎn)可以迅速建立路由進(jìn)行相互通信。對(duì)于終端用戶來說，通過無線Mesh網(wǎng)絡(luò)接入Internet是其最終目的。通過這種路由機(jī)制，可以使用戶快速接入網(wǎng)絡(luò)，提高入網(wǎng)體驗(yàn)。

實(shí)例2：網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間的通信（見圖3）

具體步驟如下：

（1）依據(jù)端口節(jié)點(diǎn)MPP的聲明信息及網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)對(duì)該消息的回復(fù)，以節(jié)點(diǎn)MPP為冷源的樹狀路由在網(wǎng)絡(luò)中建立，并為網(wǎng)內(nèi)各Mesh節(jié)點(diǎn)分配了溫度值。

（2）如果節(jié)點(diǎn)MP8要發(fā)送數(shù)據(jù)給節(jié)點(diǎn)MP2，首先判斷MP2為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，然后檢查是否有到節(jié)點(diǎn)MP2的有效路由。

（3）如果沒有到節(jié)點(diǎn)MP2的有效路由，則節(jié)點(diǎn)MP8立即轉(zhuǎn)發(fā)路由請(qǐng)求信息到周圍溫度值低的節(jié)點(diǎn)MP7或MP9，具體選擇節(jié)點(diǎn)MP7還是節(jié)點(diǎn)MP9的方法與實(shí)例1中步驟（4）一致。

（4）重復(fù)步驟（2）和（3），建立一條MP8→

MP7→MP3→MPP→MP2的路由。

（5）節(jié)點(diǎn)MP8沿著建立好的路由發(fā)送數(shù)據(jù)到節(jié)點(diǎn)MP2。

通過這種方式，網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間也可以迅速建立路由。由圖3可以看出，在節(jié)點(diǎn)MP8與節(jié)點(diǎn)MP2之間沒有建立最短路由，但是在實(shí)際組網(wǎng)過程中，網(wǎng)狀網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量不大。另外，由于作為終端用戶接入Mesh的主要目的是通過其接入Internet，所以這種網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間的通信不是業(yè)務(wù)的主流。基于此，這種路由機(jī)制可以滿足用戶接入Internet和與Mesh內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間的通信需求。

5 結(jié)論

本文針對(duì)WMN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和業(yè)務(wù)特點(diǎn)，并結(jié)合空調(diào)的制冷原理，提出了一種基于“溫度”的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制，在建立路由時(shí)為每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置一個(gè)溫度數(shù)值，使得網(wǎng)絡(luò)的尋路機(jī)制方向明確，尋路效率高。通過采用先應(yīng)式機(jī)制，在數(shù)據(jù)發(fā)送之前建立樹狀路由，并且對(duì)數(shù)據(jù)包的目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行判斷，如果數(shù)據(jù)包的目的節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)外節(jié)點(diǎn)，則直接轉(zhuǎn)發(fā)給端口節(jié)點(diǎn)，以進(jìn)一步減小接入時(shí)延。在路由建立過程中發(fā)送RANN消息時(shí)采用廣播方式，而其余時(shí)間采用單播消息進(jìn)行路由控制。由于WMN的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展的概率較小，因此不需要頻繁地廣播RANN消息，可以明顯降低網(wǎng)絡(luò)的路由開銷，從而保障網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡以及提高網(wǎng)絡(luò)的路由效率。

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