无线Mesh网网络层和MAC层相关研究

0 引言
    Mesh网起源于海湾战争时期美国的军事领域，作为一种新型的公共无线城域网解决方案，已经在美国等地被广泛用于市政、公共安全、教育、医疗、物流等领域。它提供持续的连接，并且当链路中断或者阻塞时可以通过“多跳”的形式从一个节点跳到另一节点，直到目的地址。与其他网络不同的是Mesh网的各个组成部分通过多跳的形式彼此连接，一般来说这些节点是不移动的(这点与adhoc网络不同)。Mesh 网可以看作是adhoc网络的一种。因此移动adhoc网(MANet)和mesh网之间有紧密联系。但移动adhoc网还需要考虑各个节点的移动性。

1 WMN网络特点
    无线网状网(WMN)是移动adhoc网络的一种特殊形态，它继承了adhoc网络的特点，具有自配置、自组织与自管理等特性，能以很低的发射功率提供无处不在的宽带服务。WMN是动态自组织自配置的网络系统。其网络节点能够自动形成类似于adhoc一样的网络并保持网络的连通。因此，WMN不仅是adhoc网络的另一种形态，而且能使adhoc网络更多样化。

2 WMN中的MAC层
2．1 WMN与无线网络的不同
    WMN网络的MAC协议与典型的无线网络的MAC协议是不一样的。WMN的MAC协议关注的是大于一跳时的通信。典型的MAC协议仅局限于单跳通信而路由协议则需考虑多跳通信的问题。该假设使协议设计简单化。但是这种方法不适用WMN，因为在WMN内数据的发送和接收不仅受单跳节点的影响，两跳甚至多跳外的节点都有影响。多跳无线局域网中的隐藏节点问题就是个例子。MAC层是分布式互相协作共同完成多点到多点间的通信。在WMN网络中，没有中央控制器。 MAC功能通过分布式的
方法来完成。所以MAC协议在传输时能保证所有的节点相互协作，任何具有Mesh网络功能的网络节点都能与其邻居节点通信。因此，在这些节点之间可以建立多点对多点通信。网络的自组织性对MAC层来说是必需的。
2．2 在单通道MAC层中改进现有的MAC协议
    通过提高CSMA／CA协议，人们提出了很多多跳adhoc网络的MAC协议。这些方案通常都是调整CSMA／CA参数，比如调整竞争窗口的大小或者更改回退机制等。这些方案可提高单跳通信机制的吞吐量。但对于像WMN这样的多跳网络来讲，那些方案并不能显著减少相邻节点之间竞争的可能。一旦竞争频繁发生，就不停的有回退等待的情况，由于各节点之间的累积效应，端到端的吞吐量会显著下降。
2．3 为单通道MAC层提出新的MAC协议
    为从根本上解决WMN网络端到端之间吞吐量低的问题，必需提出新的设计方案。到目前为止几乎没有TD-MA或者CDMA的MAC协议是针对WMN提出的。这可能有两方面原因：一方面是因为用TDMA或者CDMA开发一个分布式相互协作的MAC协议非常复杂，开销很大。另一方面可能由于TDMA或者CDMA与目前的MAC协议存在兼容性问题。例如，IEEE802．16中，最初的MAC协议都是TDMA方案。适用于IEEE802．16的分布式TDMAMAC协议仍在研究。在基于IEEE802．11的wMN中，如何设计一个涵盖CSMA／CA的分布式TDMAMAC协议还是一个相当有挑战的问题。因为要设计一个分布式TDMA或者CSMAMAC协议有许多问题需要考虑，比如基于网络拓扑和功率控制的网络自组织能力等。
2．4 多通道MAC协议
    多通道MAC能在多种不同的硬件平台上实现，在各平台上实现的方式也有所不同。如果主要关注成本和兼容性，那么多通道的无线单收发机是首选的硬件平台。该网络中每个网络节点一次只能使用一个收发机和一条信道。然而，为了提高系统容量，不同节点可能同时使用不同信道。为了协调该情况下不同节点之间信息的发送，就需要多信道MAC协议。
    每个网络节点在多无线电MAC体系中都有各自的MAC层和物理层。这些无线电之间的通信是完全独立的。因此，虚拟的MAC协议比如多射频MAC协议 (MUP)要求在MAC层顶端以便协调各通道之间的通信。事实上一个无线电可以有多条信道。然而为了简化设计和应用，每个无线电只用一条信道。

3 WMN中的网络层
3．1 设计路由协议
    尽管目前adhoe网络已有许多路由协议，但是专门为WMN网络设计路由协议仍然有其积极意义。首先，新的性能指标需要去开发和利用以提高路由协议的性能。另外，现存的路由协议仍有很多的局限性。此外，必须考虑跨层交互以提高WMN网络中路由协议的性能。更重要的是WMN和adhoc网络对节点的功率和移动性都存在很大的区别。在WMN网络中，骨干网中的网络节点几乎不移动并且在功耗方面没有限制，而客户端节点对移动性和功率等都要考虑。
3．2 WMN网络的路由协议
    基于对现存adhoc网络路由协议性能和WMN网络需求的特殊性的考虑，WMN网络理想的路由协议必须包括性能指标，具有链接失败负载平衡的容错能力，可测量性以及支持Mesh路由器和客户端等特点。许多现存的路由协议都用最小跳数作为路由选择的标准。该方案已被证明在很多情况下并不是最好的方法。假设两个具有最小跳数的节点之间链路质量很差，如果用最小跳数作为选择标准的话，这两个节点之间的吞吐量将会很低。为了解决该问题，性能指标还需要考虑链路质量问题。一旦发生拥塞现象，最小跳数也不是精确的性能指标。通常往返时间(RTT)也是衡量网络性能的一个性能指标。路由路径的选择需要考虑多个性能指标。
    设计WMN网络时目标之一是保证链接失败后网络的健壮性。如果某条链路断开了，路由协议要迅速找到另一条链路以避免服务中断。WMN网络的另一个目标是实现不同用户之间网络资源的共享。当部分WMN网络发生拥塞时，新的数据流应避开该部分网络。性能指标如RTT等有助于实现负载平衡，但并不是总是有效，因为RTT可能被链路质量所影响。在大范围的无线网络中建立一条路由路径可能需要很长时间，并且端到端的延迟会增大。此外，即使路由路径已建立，路径上各网络节点的状态也会变动。因此，在WMN网络中测量路由非常困难。考虑骨干网中路由器几乎不移动和没有功耗限制的特点，路由器的路由协议可以设计的比现存的 adhoc路由协议简单的多。但是对客户端来说，路由协议必须有adhoc路由协议的全部功能。因此，有必要为WMN网络设计有效的路由协议使其不仅适应路由器同时也支持客户端。
3．3 网桥和路由
    网桥用于控制数据流。其工作于MAC层，网桥是一个相关的数据移动的过程，依赖于三个F：泛洪搜索(Flood-ing)，转发(Forwarding)，过滤(Filtering)。网桥是通过创建端口地址表来运作的。当网桥中的某个端口收到数据帧时，它检查其目的地址并与端口地址表比较。如果网桥不能找到合适的目的地址它会以泛洪的方式向周围的所有端口发送帧。另外，网桥关注数据帧的源地址和帧进入网桥的端口，利用该信息更新它的端口地址表。
    路由方法是网络层控制数据流的方法。与第二层MAC层的网桥相比，有两个关键的不同之处，一是网桥是自适应设备，而路由要手动配置。从本质上来讲网桥是一个即插即用设备，安装好后无需手动配置。而路由器需要为每个接口定义地址以及其他的配置数据，或手动输入数据或从先前定义的配置列表中选择。第二个不同是路由器可以平衡通信量改变路由，因此路由器需要能通过网络改变数据流的机制。路由器使用路由协议使数据从源地址通过中间设备发送至目标地址。当通信阻塞或者现存的路径不起作用时中间路由器能改变路由寻找更合适的路径。相比较而言，位于第二层的网桥只能简单的检查MAC地址或者转发，泛洪搜索或过滤数据包，而不能改变数据流的发送路径。

4 总结
    到目前为止，多跳adhoc网络的可扩展性问题一直没能很好解决。大部分现存的基于CSMA／CA的MAC协议只能解决部分问题。除了CSMA／CA技术，如果开发一套分布式方案能部分消除TDMA或CDMA在adhoc网络应用中的困难，那么基于TDMA和CDMA的网络技术也可应用于WMN。为了设计一个可扩展的MAC方案使之适用于WMN网络，还需考虑论文先前讨论的WMN网络与无线局域网的区别。关于WMN的扩展性可以在MAC层中通过两种方式实现。第一种是改善现存的MAC协议或者提出新的MAC协议以提高单信道网络节点间端到端的吞吐量。第二种方式是允许每个网络节点能多信道传输。在以后的研究中，将分别研究现存的单信道MAC协议和多信道MAC协议。IEEE802．11协议是一项广泛应用于WMN网络的无线电技术，因此以后研究的焦点也会集中在IEEE802．11MAC协议，例如带RTS／CTS的CSMA／CA协议。多播应用中的路由是另一个重要的研究课题。对于该路由协议研究先前只关注第三层的功能，这样的路由协议可能不能满足当前状况。第二层的MAC协议和第三层的路由协议之间应采用多种性能指标。然而媒体访问控制和路由的交互如此紧密仅仅靠改变协议层的一些参数是远不够的，或许融合媒体访问控制和路由的部分功能是个有效的方法。