基于IEEE802.11s的无线Mesh网络路由协议研究( 一)

无线Mesh网络是一种多跳、机动性强、抗毁性强的无线网络结构，灵活的组网方式以及易部署的特点是其在应急系统等特殊环境中应用的重要前提。路由协议的设计是设计无线Mesh网络的关键问题之一，如何进行路由选择是影响网络性能的一个重要问题。在探讨关键技术的同时，应用需求的提出也是各国际标准化组织在多种覆盖不同物理范围的无线网络技术标准中融入对Mesh 组网方式的诱因，如支持WLAN 的IEEE802.11]标准、支持WMAN的IEEE 802.16标准以及支持WPAN的IEEE 802.15标准，这些标准均在支持无线Mesh网络及其相关关键技术方面做出了努力。

本文介绍IEEE 802.11s 中的关键技术之一--混合无线Mesh 协议(Hybrid WirelESS Mesh Protocol,HWMP)，尽管该协议存在根部节点易形成网络瓶颈的不足，但其结合了先验式路由协议的灵活性和按需路由协议的有效性，在应急系统中可以发挥重要作用。因此，改进现有协议以适应特殊领域的应用成为下一步的主要研究内容。

1 IEEE 802.11s 标准化情况

IEEE 802.11 于2004 年7 月成立Mesh 任务组(802.11 TGs任务组)。TGs任务组研究支持无线分布式系统(Wireless DiSTribution System,WDS)的协议，在原IEEE 802.11体系结构与协议基础上提供ESS(ExtendedService Station)的Mesh 功能，使各WLAN 设备能够无线互连、实现自动拓扑发现并进行动态路径的配置，同时，对MAC协议进行了扩展，支持单播/多播/广播，并在MAC层使用无线信道感知机制与多跳拓扑来达到理想的覆盖范围，保证网络的灵活性。IEEE 802.11s的优势体现在以下方面：增加覆盖范围和灵活性;性能可靠;安全;设备间的多媒体传输;电池驱动设备的节能机制;互操作性。

WLAN Mesh网络结构与节点类型如图1所示。

Mesh 节点(Mesh Point,MP)：与相邻MP 建立通信链路，参与ESS Mesh网络服务;

Mesh接入点(Mesh Access Point,MAP)：拥有MP的全部功能，并提供接入服务;Mesh 入口节点(Mesh Portal,MPP)：该节点为数据提供在Mesh网络与其他分布式系统或非802.11系统间的进出节点;用户站(Station,STA)：通过MAP 与Mesh网络通信的站点，通常指传统的802.11 用户终端，其不在ESSMesh网络范围内。

IEEE 802.11s 基于传统物理层标准，提供WLANMesh服务，包括拓扑发现、路径选择和转发、媒体接入协调、Mesh网络的配置和管理、网络测量、网络互连和安全等功能模块。IEEE 802.11s协议各个功能模块如图2所示。

Mesh拓扑发现、路径选择和转发模块在MAC协议中具有重要作用，也是IEEE 802.11s中的一个关键功能，下面将对IEEE 802.11s 定义的HWMP 协议进行详细分析。

2 混合无线Mesh 协议(HWMP)

HWMP协议将先验式路由协议和基于树型拓扑的反应式路由(即按需路由)协议相结合，广泛应用于基础设施Mesh 模式和客户机Mesh 模式的无线Mesh 网络。网络中的节点可以进行最优路由发现和路由维护，或依赖根节点(即MPP)形成的树型拓扑进行路由发现和路由维护。路由发现过程根据网络是否配置根节点有所区别。通常，树型拓扑配置MPP为根节点，在这样的情况下，其余的MP 按需地维护到达根节点的路径，并且形成树型拓扑路由。

2.1 帧格式

帧格式如图3所示。

2.2 消息格式

HWMP 协议实现通过路径请求消息PREQ(PathRequest)、路径响应消息PREP(Path Reply)、路径错误消息PERR(PathError)、路径响应确认ACK(PREPACK)和根宣告消息RA(Root Announcement)。PREQ用于路由请求，PREP 用于对路由请求消息的应答，PERR 用于链路发生错误时进行的应答或维护，以及RA用于对自己根节点身份的消息的广播。

2.2.1 PREQ

路径请求消息PREQ(Path Request)格式如图4所示。

标志位当Bit 0=0 时，为单播;Bit 0=1 时，为广播;Bit 1~7 为预留位。PREQ 控制标识包括目的标识DO(Destination Only)、回复转发标识(Reply-and-Forward)，其中，DO=0 时，表示中间节点接收到PREQ 消息产生PREP;DO=1时，表示目的节点产生PREP消息回应该路径请求，该路径请求和路径回复包含了完整路径并收集当前的metric 值，以确保度量值是最新的。TTL(Timeto Live)即生存时间，定义了PREQ的跳数范围。

2.2.2 PREP

路径响应消息PREP(Path Reply)格式如图5所示。

HWMP允许使用一条PREQ消息寻找到达多个目标的路径。Mode Flags标志位中，Bit 0~7均为预留位;LifeTime为该路径的有效生存时间。Metric为从目的MAC地址到处理RREP消息的节点之间所积累的度量(metric)。

2.2.3 PERR

路径错误消息PERR(PathError)格式如图6所示。

其中，标志位的Bit 0~7为预留位。

2.2.4 PREP ACK

路径响应确认ACK(PathReply ACK)格式如图7所示。

其中，Destination Address 为建立路由的目的节点的MAC地址;Source Address为在路由建立过程中发起RREQ消息的节点的MAC地址。

2.2.5 RANN

根宣告消息RANN(Root Announcement)格式如图8所示。

Mesh Portal中配置周期性RANN消息，以便使用先验式的扩展功能。RANN消息中定义了两个标识：宣告类型标识AN(Announcement Type Flag)，用于区分非根Porta(l AN=0)与根Porta(l AN=1);注册标识RE(Registra-tion Flag)用于Mesh 节点区分RANN 的两种不同处理模式。

2.3 HWMP协议的按需路由

HWMP 协议的按需路由是基于RM-AODV(RadioMetric AODV)的协议。HWMP协议中的按需路由使用PREQ 和PREP 机制在两节点之间建立路由，节点间使用PREQ 和PREP 消息进行度量信息交互，并且在PREQ中采用序列号来保证路由的时效性。

当源节点S 试图到达目的节点D 时，首先，源节点广播PREQ 消息，并初始化metric 为0.当中间节点收到PREQ消息时，该节点创建到源节点S的一条路径，或PREQ 经过的路径优于当前节点到达源节点S 的路径时，对当前的路径进行更新。如果路径进行了创建或更新的过程，则节点更新PREQ消息的路径标志域并进行转发，当创建或更新路径完成后，目的节点D向源节点S回复单播的PREP消息。当中间节点接收到PREP消息后，建立到目的节点D的路径，并且将PREP向源节点S转发。源节点S收到PREP消息后，建立到达目的节点D的路径;若目的节点收到的消息中的路径优于当前路径，则节点更新到达源节点S的路径，并且在该路径上发送新的PREP给源节点S.以上即为源节点S与目的节点D之间的双向链路的建立过程。

DO 和RF机制的目的是为了使得节点利用由中间节点产生PREP消息快速建立路由，并且满足发送数据帧的路由发现时延较低和较低的缓存要求，当反向路径建立过程完成后，路由选择最佳的路径度量机制。当源节点S到目的节点D之间没有一条有效的路由，并且需要和目的节点之间建立一条新路由时，源节点设置PREQ消息中的目的DO标志位为0,设置RF标志位为1.正如前文所提到的，RREQ中的DO标志位通常设置为1.