陈康先 ，陆以勤，罗旭光，杨 峰

(1.华南理工大学电子与信息学院，广州510640;2.广州杰赛科技股份有限公司，广州510310)

无线Mesh 网络(Wireless Mesh Network，WMN)是一种WLAN 的扩展形式［1－2］，通过无线多跳方式构建无线网状骨干网，为用户提供便捷的宽带无线接入服务. 该协议物理层基于IEEE802.11 系列标准，结合MIMO 技术，具有较高的网络带宽、更广的无线网络覆盖范围、灵活的自组网、扩展方便等特点.用户可以在移动无线网络环境下通过不同的Mesh 接入点(MAP)便捷接入无线网络，但由于用户的移动性或网络拓扑及其无线信号强度的动态变化导致接入MAP 的不断变化，因此迫切需要一种高效的无线Mesh 网络切换机制以提高用户在漫游过程中的持续通信能力.

目前，主流的解决方案是iMesh 和MobiMesh 提出的［3］，主要通过在共同一个无线网状网域内实现特定主机路由，采用节点移动来触发路由的不断更新，以确保本域内的路由表的实时性和有效性. 但Mesh 无线频段使用的工业开放频道(ISM)受到的无线干扰严重，加上频繁的广播路由更新消息会给域内无线网络带来大量路由通讯开销和二次复杂的干扰，致使无线网络可靠性、可扩展性变差［4］. 另外，SMesh 通过采用多播组和多个接入点同时为一个终端提供服务，以牺牲带宽以及固有的通信频道资源为代价来保证连续的通信，会使得无线网络容量变得非常有限［5］，网络的鲁棒性和用户体验受到严重制约.当终端发生域间或者较为复杂的移动环境时，采用以上方案将不能保障用户与通信之间实现端对端的连续通信［6］.

为解决这个问题，本文搭建了一个典型的Mesh网络域间切换场景，设计出一种新的路由算法，结合构建Mesh 设备的缓存机制，提出了一种新的无线网状网域间无缝切换机制，实现Mesh 网络的不同网络域之间的漫游切换，可以更有效地解决无线网状网域间切换问题.

1 无线Mesh 网络域间切换模型

无线Mesh 网络域间切换模型主要在2个Mesh域之间，基于设计新的切换协议机制. 在原接入Mesh 域与目标域之间实现切换请求与响应，实现STA 从一个Mesh 域移动到另一外域的所有通信消息过程.设计新的路由表(地址映射表)，实现Mesh网对一个正在移动中的STA 进行识别与绑定.在每个Mesh 域接入点(MAP)设置数据缓冲区，保存正在切换中的STA 已发起的通信而未接收处理的数据信息.当STA 完成从源Mesh 域移动到目标Mesh域时，通过地址映射表识别当前的STA，并将由目标Mesh 域向源Mesh 域请求接收该STA 在切换过程中未处理数据，并由目标Mesh 域中的MAP 向STA下发数据，从而实现无缝切换.

图1 无线Mesh 网络域间切换场景Figure 1 Scene for inter-domain handoff in Mesh network

本文使用的无线Mesh 网络域间切换场景见图1，WMN 由以下4 类节点组成:Mesh 网关节点(MPP)，负责连接无线Mesh 网络中其他节点与有线网络的网关，也是单个WMN 的唯一有线接入网关实体;Mesh转发节点(MP)，负责WMN 各个无线节点之间建立无线网络，实现数据传输以形成WMN 主干传输网，主要实现无线网络节点间形成自组网功能;Mesh 接入节点(MAP)，它兼容了WLAN 中AP 的功能，同时具备MP 无线路由转发的功能;无线用户终端(STA)主要通过无线网络接入MAP 接入WMN 取得服务.通常将由一个MPP 及多个MP 和多个MAP构成的Mesh 网络称为一个域，图1 为包含2个域的WMN 场景，分别处于MPP1 和MPP2 的覆盖中.

当STA 接入无线Mesh 网络时，获得由WMN 域分配的一个动态IP 地址.通过接入的WMN，STA 不断地与接入的WMN 取得通信与服务. STA 在域内移动时，IP 地址可以保持不变. 当STA 移动到另一个域(目标域)时，则需要由目标WMN 域重新分配一个该无线局域网内的IP 地址.原WMN 域及目标WMN 域需要通过MAC 和IP 地址的映射实现对应关系，通过缓存、路由等手段实现数据的不间断通信.当STA 从一个WMN 域移动到另一个WMN 域时，能够迅速知道切换前后的IP 以及其映射关系，并将原缓存数据通过映射的路由，将数据发送到新的WMN 域，实现快速无缝切换.

在WMN 域之间，WMN 需要以MAC 地址作为STA 的唯一标识，减少有的方案提到的多重逻辑结构关系［7］.MAP 建立与维护STA 的MAC 与IP 的对应列表，MAC 地址绑定源IP 与目标IP，实现源Mesh域至目标Mesh 域的数据包的转发路由. 对应列表含有STA 的MAC 地址和被分配的IP 地址信息.地址对应映射表存储有STA 的MAC 地址、STA 的IP地址、MAP 的IP 和MAP 的MAC 地址信息，形成了各个节点的地址对应关系以及各STA 的MAC 地址与接入MAP 的MAC 地址的绑定关系，MPP 维护的地址映射表如图2 所示.

图2 MPP 维护的地址映射表Figure 2 Address mapping table in MPP

2 无线Mesh 网络域间无缝切换技术

用户终端STA 通过2 种方式确认是否接入到新的MAP，以切换到新的WMN 域.一种是根据接收到的MAP 信号强度(RSS)，当前的MAP 信号强度低于设定值时，STA 将不断扫描附近的无线信号及其强度，从接收到的MAP 中选择信号强度最好的MAP 作为接入目标MAP［3，8］. 另一种方式是根据实际场景需求，主动选择下一个接入点MAP，实现主动切换.

接入的目标MAP 与原MAP 根据接入网络拓扑有2 种情况:在同一个WMN 域内或在不同的WMN域内.通常将前者称之为域内切换，后者称之为域间切换.域内切换，从一个MAP 到另一个MAP，STA的IP 地址保持不变，切换与数据通信均可通过在2层(链路2 层)实现. 在域间切换情况下，接入的MAP 不存在同一个域，需要变动IP 地址，这样就会发生3 层(网络层)切换［9］.Mesh 节点协议栈见图3.

图3 Mesh 节点协议栈Figure 3 Mesh protocol stack

以下主要聚焦于无线Mesh 网络的域间切换问题，基于终端的MAC 地址，构建相应的地址映射表，能够提高STA 从一个WMN 域切换到另一个WMN域的效率.在切换过程中，通过增加源MAP 节点的数据包缓存，以解决切换过程中数据包的丢包问题.

当STA 从一个MPP 的覆盖范围移动到另一个MPP 的覆盖范围时，即MPP 发生了改变，这时需要向新MPP 进行代理更新，STA 同时和新旧网络进行协议交互.结合图1 中的实体编号，切换过程中2个网络的信令交互过程(图4):

阶段一:准备阶段.Step1:在确定切换目标MAP为MAP2 之后，STA 首先向MAP1 发送切换请求消息，该切换请求消息包含MPP2 的IP 地址和STA 的原IP 地址;Step2:MAP1 收到切换请求消息后转发给MPP1 节点;Step3:MPP1 节点通过有线网络发送该切换请求消息给MPP2 节点;Step4:MPP2 节点为STA 分配一个新的IP 地址;Step5:MPP2 节点将切换准备消息发给MAP2 节点，该消息中包含有分配给STA 的MAC 地址和新的IP 地址;Step6:MAP2 节点预留相应资源，并返回切换准备完成消息给MPP2 节点;Step7:MPP2 节点返回切换响应消息给MPP1 节点;Step8:MPP1 节点转发该切换响应消息给MAP1 节点;Step9:MAP1 节点转发切换响应消息给STA，同时缓存发给STA 原IP 地址的数据包;

阶段二:切换过程. Step10:STA 更新自己的IP地址，并向MAP2 节点发起接入请求消息;Step11:MAP2 节点发送接入完成通告消息给MPP2 节点;Step12:MPP2 节点向MPP1 节点发送切换完成通告消息;Step13:MPP1 节点更新自己的STA 列表，通知通信对端STA 新的IP 地址以及STA 切换后对应的MPP2 和MAP2 的IP 地址，并返回一个切换完成响应消息;Step14:MPP2 节点更新自己的STA 列表，并返回接入响应消息给MAP2 节点;Step15:MAP2 节点转发该接入响应消息给STA，并转发其通信对端发送来的数据包;

阶段三:资源释放. Step16:STA 收到切换响应消息后，向MAP1 节点发送断开连接请求消息;Step17:MAP1 节点检查自己的缓存中是否还有需要发送给STA 原IP 地址的数据包;Step18:如果没有，则释放资源.如果有则更新这些数据的目的地址为STA 的新IP 地址，并转发数据到MPP1 节点;Step19:MPP1 节点转发该数据到MPP2 节点;Step20:MPP2 节点转发该数据到MAP2 节点;Step21:MAP2 节点转发这些数据包到STA 节点;Step22:当数据包发送完毕，MAP1 节点释放资源.

在STA 与MPP2 域内的MAP2 建立连接过程中，原MPP1 域中的MAP1 保存STA 在通信后续的网络通信数据;STA 完成从MPP1 域切换到MPP2域后，MAP2 将之前缓存的属于STA 的通信数据通过MPP1 转到MPP2，MPP2 将通过地址映射表，找到STA 的接入目标MAP2，并将数据包发送到STA 当前连接的MAP2 上，再由MAP2 将该数据包发送给STA.由此一方面可以解决数据包丢失的问题，另外也可进一步提高无线Mesh 网络的切换与接入效率.

图4 无线Mesh 网络域间切换时序图Figure 4 Sequence diagram of inter-domain handoff in wireless Mesh network

综上所述，在STA 将要从MPP1 切换到MPP2之前，MPP2 已经为STA 分配了一个IP 地址，以及为STA 指定了MPP2 域内的供STA 接入的MAP2;当STA 进入到MPP2 域中时，STA 既可以选择接入MPP2 指定的MAP2，能够保证STA 可靠地完成从一个MPP 域到另一个MPP 域的无缝切换，且适用于类WLAN 的网络环境.

3 实验验证

为验证上面的切换机制，以Mesh 路由器设备MSR2000 为基础，修改其数据包的处理机制，组建以下网络实验环境来验证终端的实际切换效果. 主要基于Layer3(3 层)的切换为基础，网络拓扑图如图5 所示.

MAP1、MAP2 处于不同Mesh 子网中，构建2个不同的Mesh 子网:Mesh1 域和Mesh2 域，2个子网设置不同的频道.测试切换过程如下:

图5 网络实验拓扑图Figure 5 Experimental topology for inter-domain handoff in Mesh

(1)设置MPP1 的IP 分别为172.0.0.10、10.0.10.1，网口与交换机相连，无线与MAP1 相连;MAP1 的IP 分别设置为10.0.10.10、192.168.30.1，10.0.10.10 的IP 连接MPP1，保证网络相连，192.168.30.1 的IP 即为无线网络方面，保证STA可以成功关联到Mesh 网络上.

(2)MAP1 建立缓存，同时建立与维护STA 的MAC 与IP 的对应列表，MPP1 加入切换原语与路由.

(3)同Mesh1 域相同，设置MPP2 的IP 分别为172.0.0.20、10.0.20.1，网口与交换机相连，无线与MAP2 相连;MAP2 的IP 分别设置为10.0.20.20、192.168.50.1，10.0.20.20 的IP 连接MPP2，保证网络相连，192.168.50.1 的IP 即为无线网络方面，保证STA 可以成功关联到Mesh 网络上.

(4)2个Mesh 网用一堵室内(砖墙)40 m 隔开，并依据场强(RSSI)进行切换，使STA 靠近MAP1 通过MAP1 接入无线网络.

(5)从STA ping 交换机100个报文，同时向MAP2 方向以步行的速度移动STA，使STA 通过MAP2 接入无线网络.

(6)记录下发生切换时的丢包率.

(7)重复第5 步骤，来回验证测试10 次.

基于UDP 协议的PING 包本身也存在丢包的情况，但本方案忽略该协议执行情况，以实测数据为准，结果见表1.

表1 实际测试数据结果Table 1 Results of real data test

来回10 次的实验结果显示，数据的丢包率在0.7%以内，而WLAN 的AP 切换(漫游)平均丢包率通常在3%左右，这一数据远远低于该标准.

终端STA 在从MAP1 切换到MAP2 过程中，通过缓存机制，将正在切换中的数据保存在源MAP，切换完成后，根据新的IP 地址，结合地址映射表，将数据重新发送到目标MAP，通过MAP 将数据转发到STA，不存在数据包丢包现象，而且网络连接稳定，基本可以做到STA 的无缝切换.

4 结论

本文提出的无线Mesh 网络域间切换方法实现无线宽带的不同WMN 网络域之间的无缝快速切换.通过建立终端MAC 地址与IP 地址的映射，取得源域与目标域的关联关系，提高了终端在不同WMN域间切换的效率;通过增加源MAP 的数据包缓存，有效减少了切换过程的丢包率.另外，该思想也可应用在WLAN 的无线快速无缝切换领域，解决WLAN的快速切换问题.

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