基于DSR路由协议的PMP网络和Mesh网络的特点及应用比较
作者： 解亚琦;张海林;赵力强;曾宪玮 来源：西安电子科技大学ISN国家重点实验室
无线接入是最为自由，也是最受欢迎的一种接人手段。近年来，各种宽带无线接入（BWA）技术开始得到快速发展。在BWA技术中，IEEE802.1l定义的WLAN是发展相对成熟的一种，在IEEE802.11中定义了两种网络配置模式。一种采用有中心结构，称为AP模式或是In-frastructure模式。另一种采用无中心结构，称为Ad Hoc模式。当WLAN用于接入环境时，一般都采用有中心的AP模式，因为在这种模式下，通过AP接入主干网十分方便。但是，在WLAN中使用AP作为接入环境有一个十分重要的条件，这就是无线站点（STA）必须位于可以直接与AP联通的环境中。这些条件对实际组网形成了一个十分不利的限制。而当前受到广泛关注的Mesh网正在努力克服这一限制。 本文主要是在MAC层采用IEEE802.1l的条件下，比较基于DSR路由协议的PMP网络和Mesh网络的性能。
1 无线Mesh网络的拓扑结构和特点
1.1 什么是无线Mesh网络
无线Mesh网（Wireless Mesh Network，WMN）是一种多跳、具有自组织和自愈特点的宽带无线网络结构，即一种高容量、高速率的分布式网络。目前主要观点认为，WMN是一种由无线链路连接路由器和终端设备的静态无线网络，是Internet的无线版本。WMN不同于传统的无线网络，可以看成是WLAN（单跳）和移动Ad Hoc网络（多跳）的融合且发挥了两者的优势。作为一种新型网络结构形态，Mesh结构已被纳入到802.16-2004，802.16e和即将制定的802.1ls标准中。WMN可以通过一些中间节点连接互相远离不能直接连接的无线路由器。
1.2 拓扑结构
在传统的各种无线接入网络中，拓扑结构主要采用点到点或点到多点的结构形式。在点到多点结构中，一般都有一个中心节点与骨干网直接相连，中心节点负责控制各用户节点的接入和提供到骨干网的网络接口，功能上远比用户节点复杂，成本也比较高昂。无线Mesh网采用的则是一种网状结构，也被称为多点到多点的系统。各用户节点可以通过相邻的其他用户节点以多跳方式实现到骨干网的连接，新用户可以通过他周围的其他用户节点很方便地接入到网络中，由于在网络扩展时不再需要中心节点，无线Mesh网可以极大地减少整个网络的建设成本。
1.3 无线Mesh网的特点
自愈性WMN可以提供完全的端到端的多重冗余路由，这就意味着若由于某种原因某个链路失效，网络能自动地更换路由。
可靠性 为了提高链路质量，可通过增加中间节点，即缩短节点之间的距离来实现。
自配置能力 WMN是一种自组织网络，不需要或很少需要人工配制网络。因而，网络能够自动判断并更新网络相关配置。
分散管理问题 由于WMN的分散性，很难实现像有线网络那样的集中管理，即使对于低移动性的WMN，网络配置与管理仍然是一个不易解决的问题。
共存干扰问题 对于非许可证频段的WMN必然存在与其他共存网络的无线干扰问题。
安全问题 由于WMN结构本身的脆弱性，极易遭受其他恶意节点的攻击、干扰和窃听，所以安全问题是WMN需要解决的重要问题之一。
1.4 无线Mesh网的应用
Mesh网络将可以被政府与市政应用，为城内（如公园等公共场所）的市民提供宽带无线接入。可成为本地的商业企业和传媒等潜在伙伴，为旅游观光客人等提供旅游信息的宽带接入。为无线服务提供商（WISP）提供热点地区的服务覆盖的延伸，向移动用户提供高性能的Internet接入服务。在教育上，将大学校园网覆盖延伸到校外，向身处校外的学生和教职员工提供无处不在的宽带接入。另外在应急通信临时网络（临时集群通信系统），还能为警察、消防等提供应急通信服务，特别是在通信基础设施遭受破坏的突发事件现场更加重要。他还能为城市地铁、轻轨等通勤车辆提供移动Wi-Fi接入，通过站台无线AP，为车内旅客建立移动Wi-Fi环境，站间信号可以通过安装多个无线AP来延伸站内信号。在无线数字化家庭，Mesh能轻松构成多媒体家庭无线网络，实现家庭安全系统联网、家庭Internet接入、家庭通信设备互联等。
2 无线Mesh网的路由协议
Mesh路由协议基本同Ad Hoc网络路由协议，目前几种典型的路由协议有：DSDV（目的序列距离矢量路由协议）、DSR（动态源路由协议）、TORA（临时按序路由算法）和AODV（Ad Hoc按需距离矢量路由协议）等。
DSR是一种对等的、基于拓扑的反应式自组织路由协议。他的特点是采用积极的缓存策略以及从源路由中提取拓扑信息。图2为DSR的路由创建。
2.1 路由发现过程
（1） 当源节点没有到达目的节点的路由时，广播一个路由请求报文。
（2） 每个收到该报文的中间节点附加上自己的ID然后重新广播（忽略重复请求和已经包含自身ID的报文）。
（3） 当路由请求到达目的节点（或者某个知道某条到达目的节点的路由的中间节点）时，目的节点可以确定一条到达目的节点的完整的源路由。
（4） 目的节点（或中间节点）将所得的源路由包含在路由响应报文中，然后沿着反向路由发送回源节点（或者附带在目的节点的路由请求报文中）。
（5） 源节点收到路由响应报文后，将源路由存入缓存，并添加到每个数据报的头部。中问节点根据数据报头中的源路由转发数据报。
在DSR中结合了许多基于积极缓存和拓扑信息分析的优化措施。例如，中间节点可以从数据报的头部获得到达所有下游节点的路由，通过合并多条路径的路由信息还可以推演出更多的拓扑信息。此外，如果设置节点的网络接口工作在混杂模式下，通过监听邻居节点使用的路由，节点还可能获得更多的拓扑信息。通过这些方式，节点可以将越来越多的“感兴趣”的网络拓扑信息存人缓存以提高路由查找的命中率。高的缓存命中率意味着可以减少进行路由发现过程的频率，节约网络带宽。不过，积极缓存也会增加将过期的路由信息注入到网络中的可能性。
2.2 路由维护过程
（1） 如果在数据报的逐跳传输过程中发现链路失败，则可以由中间节点使用缓存中的可用路由来代替原头部中含有失败链路的路由，同时向源节点发送路由错误报文。
（2） 中间节点监听路由错误报文以删除失败路由（减小缓存错误路由信息的影响）。
（3） 如果路由失败，则由源节点重新开始一次新的路由发现过程。
（4） 如果节点发现数据报头部的源路由中包括自己的ID（例如由于拓扑变化而产生更短的路由），可以主动发送路由响应报文告知源节点存在更短路由。
3 仿真参数设置，仿真结果及分析
仿真工具选取的是OPNET，仿真范围为300 m*300 m，MAC层采用的是IEEE802.11协议，在节点固定的情况下，比较基于DSR的PMP和Mesh网络的性能。仿真参数设置如下：
Data rate（bps）：2Mbps
Physical Characteristics：Frequency Hopping
Start time（seconds）：100.0
Packet Inter-Arrival Time：exponential（1）
Packet Size（bits）：exponential（1024）
Destination IP Address：Random
Stop Time（seconds）：End of Simulation
仿真中，在相同的负载下，选取以下几个方面进行统计分析：端到端时延（Delay），吞吐量（thouhput）。端到端时延指的是将数据包从源节点发送到目的节点所需要的延迟时间，吞吐量为每单位时间传输的数据量。仿真结果如图3～图6所示。
仿真结果表明，在相同的负载条件下，Mesh网络的吞吐量大于PMP网络的吞吐量，Mesh网络的时延小于PMP网络的时延。基于DSR路由协议的Mesh网络的性能优于相同负载下与其具有可比性的PMP网络的性能。
4 结 语
无线Mesh网的组网能力强，灵活方便，具有自适应性、可靠性、可扩充性等优点。在成熟的宽带无线接人中，例如在IEEE802.11和IEEE802.16，都已引入无线Mesh技术，相信在不久的将来，无线Mesh技术将使宽带无线接人更加灵活方便。
