無線Ｍｅｓｈ網絡路由器的體系結構研究

摘要：多網卡多信道技術是當前無線Mesh網絡中的研究熱點。利用多網卡多信道的技術可以大大提高網絡的整體性能，但采用多網卡多信道技術的無線Mesh網絡存在容易受到來自網絡內部的自身干擾等問題。文章設計了一種無線Mesh網絡的路由器體系結構，解決了兩個關鍵領域的問題：第一，給出了能夠使用一般硬件實現分離無線路由器(separated Wireless Router，簡稱SWR)的架構；第二，設計了一個集中式的信道分配算法，這個算法考慮了信道分配和路由的相互影響，從而能使網絡達到最大吞吐量。

關鍵詞：Mesh；分離無線路由器；RU；SWR；ETT

0 引言

無線Mesh網絡(Wireless Mesh Network，簡稱WMN)是一種與傳統的無線網絡完全不同的網絡，是一種高速率、高容量的多點對多點網絡。由于具有不需要集中式的網絡管理和基礎設施等特點，無線Mesh網在近年來受到越來越多的關注。為了提高WMN的穩定性及容量等，多網卡多信道技術被普遍應用，是當前WMN中的研究熱點。但是多接口多信道技術的應用，也為研究工作帶來了許多新問題。例如，多接口多信道的WMN容易受到來自外界和網絡內部其它相同頻率信道的無線干擾，導致網絡吞吐量和穩定性的大幅度下降。如何有效地避免鄰節點的干擾以及如何進行信道分配，已經成為當前WMN研究的關鍵技術之一。

Chandra和Bahl發明了一種被稱為Multinet的多網卡體系結構。Multinet是專為有單一網卡的節點設計的。它把單一的物理網卡接到兩個虛擬網卡中，一個虛擬網卡用于連接網絡基礎設施，另—個用于連接Mesh網絡。但Multinet不能提供支持多信道間網卡轉換的所有條件，有其一定的局限性。

Chereddi等人建議利用Linux內核的系統擴展來支持多網卡的信道切換。但是，他們沒有考慮到信道分配和多網卡Mesh網部署的系統評估。

由于802.11提供了正交多信道，WMN路由器可裝備多個網卡。通過把網卡調諧到正交信道上去，路由器之間可以進行受到最小干擾程度的通信，而且容量問題也可以得到減輕，本文以此設計了一種WMN路由器的體系結構。該體系結構包括硬件結構和軟件結構兩方面。

1 硬件結構

常用的802.11無線網卡的自身干涉問題之所以發生，是常用網卡對相鄰節點的影響，網卡內部電路串話和輻射泄漏敏感等問題引起的，另外還有硬件不理想的原因。Raniwala等人通過將網卡之間的天線分離來減少干涉的影響。然而，實驗證明，當每個節點有多于兩個網卡工作于相同的頻率時，這個方法是無效的。

WMN硬件結構源于市場上最新型的路由硬件。在這種硬件中，模塊化的設計使得一個路由單元可以支持不同的技術，從而使得無線路由器也能使用不同的無線技術，比如802.11和WiMAX。SWR是根據自身內部的干擾問題得來的。每個SWR包含三個網卡，每個網卡位于一個獨立的處理節點(如圖1)。

我們將一個網卡和它的處理節點定義為一個網卡單元(Ru)。網卡間通過超寬帶無線技術(UWB)進行連接，從而構成一個內部回饋網絡。一個需要通過相鄰RU發送的包被回饋網絡發送到該RU，然后該節點通過無線媒介將其發送。據觀察，在SWR中安裝常用802.11無線網卡并在其之間有3厘米的間隔距離時，所獲得的吞吐量在信道間隔為40MHZ時只有51％，在信道間隔為最大的625MHZ時也低于80％。在大約0.5米或更大(由于硬件設計的需求，此距離應小于1米)的物理分隔時，自身干涉的影響能夠有效地減小，而這種分隔在SWR中能很容易地實現。有了適當地物理分隔，能有效地減少相鄰干擾問題，并且電路串話和輻射泄漏等問題也能得到解決。通過測量，網卡之間間距大約為0.6米，頻帶間隔至少50MHZ時，吞吐量高于理想中的87％。因此，我們的SWR結構使得多網卡路由器能夠裝置同頻帶的無線網卡。

2 軟件結構

在分離路由器的軟件體系結構設計中我們有兩個目標。第一，每個分離路由器要作為一個獨立單元路由器并裝置著多個接口。這種抽象很重要，否則由于路由協議和網絡管理工具屬于分離無線路由器，就需要進行修改來識別個別的可視RU。第二個目標是支持現有軟件的運行，比如路由協議不需要改變。

SWR的軟件體系結構如圖2所示。分離無線路由器中的一介RU被指定為主網卡單元。在分離無線路由器中，每個RU處理相應的硬件抽象層。它運行在內核層，以此將發現的RU作為本地接口告訴每個用戶空間的應用程序。RU的動態發現過程如下：分離無線路由器的每個RU在回饋網絡上周期性地廣播它的身份使大家知道它的存在。在我們的實現中，廣播每分鐘一次。RU的列表由軟狀態保持，每三分鐘超時。

硬件抽象層還揭露了兩個基本的前置單元——為了單播和廣播發送——在無線路由器上運行著，沒有作更改。這個前置比如路由協議等是軟件的根本。單播單元確保去往下一跳路由器的包準確地通過分離無線路由器運送到一個鄰近的RU，然后該RU通過無線媒介將包傳送到下一跳。

為了支持這個前置單元，分離路由器里的所有RU周期性地通過回饋網絡改變它們觀察到的相鄰節點的設置。在我們的實現中，這種改變每秒一次。每個節點保持鄰節點信息作為軟狀態。這個狀態在鄰節點暫停時間后結束，我們將這個時間設置為2秒。同樣，廣播單元確保了那些要求mesh—wide分發的包由每個RU廣播和接收。

3 實現

分離無線路由器通過Linux的Netfilter內核模塊實現，該內核模塊支持ETT度量。ETT的計算公式是根據De Couto等人提出的期望傳輸次數(ETX，Expected Transmission Count)得來的：

ETT＝ETX×S/B

式中，S表示數據包的大小(例如，1024比特)，B表示鏈路的帶寬(原始數據率)。ETT計算的結果每5秒向信道分配服務器(CAS)報告一次，CAS位于Mesh網絡網關的位置。

我們使用SRCR作為路由協議，以WCETT作為路由選擇的度量。在實驗中，把WCETT的B參數設置為0.5。這樣就賦予了路徑的信道多樣化和其包傳輸延遲以同樣的權重。

我們用最短路徑算法(Dijkstra)實現信道分配。其算法描述如下：

1：輸入：

P＝AP目錄；m＝Mesh沖突圖：T＝鄰居連通圖

2：while notAIIAPsFound{P}do

3： d＝head(P)

4： n＝findGateway(d)

5： 從n到d的Dijkstra搜索中讓PQ成為優先隊列

6： while true dO

7：

makePermanent(n)

8： for all ri such that ri is a radio Of n dO

9：

for all ri such that rj is a neighbor of n do

10：

neigh＝getRelayContainingRadio(rj)

11：

使用m選擇沒有沖突的信道c作為鏈路(ri;rj)

12：

if c不存在then

13：

選擇一個隨機信道為鏈路(ri;rj)

14：

end if

15：

cost＝computePathCostWithNewLink(d，(ri，rj))，c)

16：

if cost

17：

visit(neigh)

18：

setTentativeChannelForLink((ri;rj))，c)

19：

addToPriorityQueue(PQ，neigh)

20：

end if

21：

end for

22： end for

23： r＝findMinimuminPriodtyQueue(PQ)

24： if r＝d then

25：

finalizeChannelsOnPathTo(r)

26：

break

27： end if

28： end while

29：end while

30：給沒有被分配到持久的信道的網卡分配信道

CAS調用拓撲發現的周期為5分鐘(我們發現，周期為5分鐘對了解鏈路長遠的性能特點是足夠的)。通過上述算法可以發現，AP的次序可以影響到Mesh中信息之間的干擾。作為下一步的工作，我們計劃探索利用AP次序進一步優化TIC性能的技術。