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无线Mesh网络在企业中的研究与应用

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  [摘要] 无线网络技术的发展日新月异,而现有的传统无线区域网络在企业中进行大规模应用时常常因为线缆的限制而不能灵活地进行扩展。如今,一种新型的无线Mesh网络出现了。本文根据无线Mesh网络的节点功能对组网结构进行分析,并讨论基于企业网络的组网扩展技术。最后介绍无线Mesh 网络在企业中的应用及优势。
  [关键词] 无线Mesh 网络 组网结构 企业
  
  一、概述
  无线Mesh网络(无线网状网络)也称为“多跳(multi-hop)”网络,它是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术。
  在无线通信中,传统的做法通常是在接入用户的“最后一公里”的接入网部分采用各种无线接入技术,使得网络提供方能迅速将网络覆盖至用户需求的热点地区,用户也可以摆脱接入线缆的限制而随意接入通信网络。尽管各种无线网络技术在传输速率上远远比不上同期的有线传输技术,但却为通信网络的发展提供良好的技术支持。
  但是,随着网络覆盖区域的扩大,各类无线接入点的有线连接要求使其在某些缺乏有线基础架构的环境中遇到诸多挑战和不便。而新的无线网络技术——无线网状网(Wireless Mesh Network,WMN)因其具有宽带无线汇聚连接功能、有效的路由及故障发现特性、无需有线网络资源等独特的优势,正受到越来越多的关注。
  二、WMN的网络结构
  传统的无线接入技术中,主要采用点到点或者点到多点的拓扑结构。这种拓扑结构一般都存在一个中心节点,例如移动通信系统中的基站、802.11 WLAN 中的 AP 等。中心节点一方面与各个无线终端通过单跳无线链路相连,控制各无线终端对无线网络的访问;另一方面,中心节点又通过有线链路与有线骨干网相连,提供到骨干网的连接。
  而在无线 Mesh 网络中,采用网状 Mesh拓扑结构,也可以说是一种多点到多点的网络拓扑结构。在这种Mesh 网络结构中,各网络节点通过相邻的其他网络节点以无线多跳方式相连。这种结构的最大好处在于:如果最近的AP由于流量过大而导致拥塞的话,那么数据可以自动重新路由到一个通信流量较小的邻近节点进行传输。依此类推,数据包还可以根据网络的情况,继续路由到与之最近的下一个节点进行传输,直到到达最终目的地为止。这样的访问方式就是多跳访问。
  与传统的交换式网络相比,无线Mesh网络去掉了节点之间的布线需求,但仍具有分布式网络所提供的冗余机制和重新路由功能。在无线Mesh网络里,如果要添加新的设备,只需要简单地接上电源就可以了,它可以自动进行自我配置,并确定最佳的多跳传输路径。添加或移动设备时,网络能够自动发现拓扑变化,并自动调整通信路由,以获取最有效的传输路径。
  三、WMN在企业中的组网扩展技术
  下面我们将主要讨论基于企业网络的扩展技术即无线局域网(WLAN)中的网络扩展技术。
  IEEE在1997年制定了一个WLAN标准,即802.11协议,该标准主要用于解决办公室局域网中用户终端之间的无线接入,主要工作在ISO 协议的最低两层(PHY层和MAC 层)。最初 802.11 业务主要限于数据存取,速率最高只能达到 2 Mbit/s,但随后提出的 802.11b 和 802.11 a/g峰值速率可以分别达到 11 Mbit/s 和 54 Mbit/s,而研究中802.11n的速率可以达到100Mbit/s。有这样的速率保证,对于企业办公和社区网络,就可以摒弃传统的线缆连接,增加组网灵活性,同时减少敷设和维护网络的开销。
  然而,传统的802.11 Ad hoc模式的MAC层协议的固有属性并不支持网状连接,使得网络性能很差。为此,IEEE成立802.11s子工作组,制定标准化的扩展服务集(ESS),即802.11s专门为无线Mesh网络定义MAC层协议以及基于该MAC层的网络和其他协议。
  在传统的802.11中有两种基本结构:基础设施的网络结构和终端设备的网络结构。802.11 s工作组为支持这两种结构制定了新的规范。图1所示的树形多跳WLAN网状网是基础设施的网络结构的扩展。
  图1 802.11s草案的树形多跳WLAN网状网拓扑
  该网络主要由3种节点构成:Mesh节点(MP)、Mesh接入点(MAP)、传统WLAN站点。其中,MP又分为一般MP和根MP。根MP是传统AP的扩展,它的一端通过有线或无线方式接入到因特网,而另一端则以生成树的形式向下延伸。一个生成树有且仅有一个根MP,它掌握整个网络的情况,如网络拓扑图、链路负载等,其作用相当于一个中心控制设备。由于受功率限制,根MP只能与它单跳范围内的子节点通信。同理,这棵生成树的其他一般MP也只能与它单跳范围内的子节点和父节点进行通信。因此,如果网络中不在单跳范围之内的节点想要进行通信时,就必须要使用草案中提出的路由协议,如RM-AODV、RM-OLSR等。为了保持与传统WLAN站点的兼容性,MAP扮演了多种角色:对于在它传输范围之内的传统802.11站点,它可以看成一个AP;而对于其他MP来说,它又可以看成是普通的MP。
  对于终端设备的网络结构,802.11s草案定义了一种如图2 所示的Ad hoc方式多跳WLAN网状网来作为其扩展。该网络仍然由MP、MAP和传统WLAN站点组成。MP和MAP的功能同传统移动Ad hoc网络中的移动节点非常类似,既可以发送本节点所产生的数据包,也可以转发来自其他节点的数据包。另外,该网络每个MP和MAP都是平等的,网络中没有中心控制节点,这是与树形网状网的最大不同。节点之间形成无线P2P的网络,不需任何网络基础设施来支持。
  图2 802.11s草案的Ad hoc方式多跳WLAN网状网络拓扑
  四、Mesh网络在企业中的应用及相关优势
  目前,企业中的无线通信系统大都采用传统的蜂窝电话式无线链路,为用户提供点到点和点到多点传输。无线Mesh网络则不同,它允许网络用户共享带宽,消除了目前单跳网络的瓶颈,并且能够实现网络负载的动态平衡。在无线Mesh网络中增加或调整AP也比有线AP更容易、配置更灵活、安装和使用成本更低。尤其是对于那些需要经常移动接入点的企业,无线Mesh技术的多跳结构和配置灵活将非常有利于网络拓朴结构的调整和升级。
  而与传统的WLAN相比,无线Mesh网络具有几个无可比拟的优势:
  1.快速部署和易于安装。安装Mesh节点非常简单,将设备从包装盒里取出来,接上电源就行了。对于那些需要快速部署或临时安装的地方,如展览会、交易会、灾难救援等,Mesh网络无疑是最经济有效的组网方法。
  2.非视距传输(NLOS)。利用无线Mesh技术可以很容易实现NLOS配置,因此在室外和公共场所有着广泛的应用前景。与发射台有直接视距的用户先接收无线信号,然后再将接收到的信号转发给非直接视距的用户。按照这种方式,信号能够自动选择最佳路径不断从一个用户跳转到另一个用户,并最终到达无直接视距的目标用户。
  3.健壮性。Mesh网络比单跳网络更加健壮,因为它不依赖于某一个单一节点的性能。在单跳网络中,如果某一个节点出现故障,整个网络也就随之瘫痪。而在Mesh网络结构中,由于每个节点都有一条或几条传送数据的路径。如果最近的节点出现故障或者受到干扰,数据包将自动路由到备用路径继续进行传输,整个网络的运行不会受到影响。
  此外,因为每个短跳的传输距离短,传输数据所需要的功率也较小。既然多跳网络通常使用较低功率将数据传输到邻近的节点,节点之间的无线信号干扰也较小,网络的信道质量和信道利用效率大大提高,因而能够实现更高的网络容量。
  五、结束语
  WMN 这一新兴网络在无线宽带接入中有着广阔的应用空间。同时,它也在无线网状网络应用中,面临3个方面的挑战:一是网状组网的关键技术;二是克服节点快速移动所带来的网络性能的恶化;三是进行大规模应用所必需的标准化技术。目前国内外相关技术研究工作相当广泛,已有产品问世,但还缺乏这3个方面的有机结合。但是,WMN相关技术还远远没有成熟,因此需要加紧对其核心技术的研究。
  
  参考文献:
  [1]赖晓龙:802.11无线局域网的安全技术[D].西安电子科技大学,2004
  [2]刘霞李亚中崔永生:无线局域网技术[J].治淮,2000,(08)
  [3]陈思亮陈凡:3G网络和无线局域网混合认证服务机制[J].电力系统通信,2006,(05)
  
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