無線局域網(wǎng)(WLAN" title="WLAN">WLAN)技術(shù)的發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用在給人們生活帶來便利的同時(shí),，也帶來了很多其它問題，如WLAN并不是真正意義上的“無線”,；可靠性低,；覆蓋能力有限；多數(shù)WLAN網(wǎng)絡(luò)在其有效距離內(nèi)具有“盲區(qū)”等等,。而無線Mesh" title="Mesh">Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn),，則很好地解決了上述問題。它徹底擺脫了線纜的束縛,，能夠?qū)崿F(xiàn)非視距傳輸,，可靠性高，結(jié)構(gòu)靈活,，魯棒性強(qiáng),，因而越來越受到人們的重視,，對無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的研究也逐漸增多,。目前對無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的研究，比較典型的有2種方法：a)采用仿真方法開展研究工作，例如,，基于NS-2和OPNET的仿真軟件,，建立無線Mesh網(wǎng)絡(luò)(Wireless Mesh Network，WMN)協(xié)議模型和業(yè)務(wù)傳輸模型,，進(jìn)行協(xié)議的設(shè)計(jì)和性能分析,。但對于真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，仿真還有一定局限性,，畢竟它只是對現(xiàn)實(shí)環(huán)境的模擬,。b)搭建測試床的方法，它基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)抽象出更小的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型,、業(yè)務(wù)模型及關(guān)鍵技術(shù),，與真實(shí)環(huán)境基本相同，研究結(jié)果可直接運(yùn)用到實(shí)際當(dāng)中,，這也是目前許多國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)正在進(jìn)行的研究工作,。測試床研究方法中，比較典型的有卡靈頓大學(xué)的WMN,。除此之外,，還有普渡大學(xué)項(xiàng)目和西安電子科技大學(xué)的Mesh網(wǎng)絡(luò)性能測試平臺。在它們所搭建的測試床中,，每一個(gè)被稱作MAP的Mesh路由器是一臺裝有兩塊無線網(wǎng)卡和一塊有線網(wǎng)卡的臺式機(jī),，有線網(wǎng)卡主要用來實(shí)現(xiàn)管理功能。這種設(shè)計(jì)對MAP節(jié)點(diǎn)的性能要求過高,，也不利于Mesh網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展,。鑒于此問題，本文在上述研究的基礎(chǔ)上,，對無線Mesh網(wǎng)絡(luò)測試床進(jìn)行了改進(jìn),。

1 現(xiàn)有的Mesh測試床分析

在Mesh網(wǎng)絡(luò)中，MAP節(jié)點(diǎn)既是客戶端網(wǎng)絡(luò)的終點(diǎn),，又是Mesh骨干網(wǎng)的起點(diǎn),，將客戶端網(wǎng)絡(luò)和Mesh骨干網(wǎng)兩個(gè)邏輯上獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體，連接成一個(gè)功能上統(tǒng)一的整體,。目前,，大多數(shù)研究機(jī)構(gòu)在MAP節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，普遍遵循如下思想：用單獨(dú)一個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的連接,，即用一臺裝有兩塊無線網(wǎng)卡的PC來實(shí)現(xiàn)骨干網(wǎng)絡(luò)和客戶端網(wǎng)絡(luò)的連接,，該節(jié)點(diǎn)同時(shí)處于兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。其中一塊無線網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)AP功能,，另一塊實(shí)現(xiàn)MP功能,，兩塊網(wǎng)卡之間通過相應(yīng)的地址轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)卡間地址的轉(zhuǎn)換,。

在實(shí)際搭建過程中，這種方案具有明顯的局限性,，主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

a)網(wǎng)卡選擇：前期的探索性實(shí)驗(yàn)證實(shí)了在一臺PC中安裝兩塊相同的無線網(wǎng)卡,，由于驅(qū)動(dòng)程序完全相同，沖突是在所難免的,，它將導(dǎo)致兩塊無線網(wǎng)卡無法同時(shí)正常工作,。另外，即使兩塊無線網(wǎng)卡不相同,，若它們工作在同一頻段(2．4 GHz或者5GHz),，由于距離較近，也會產(chǎn)生很大的同頻干擾,，從而影響了數(shù)據(jù)的正常傳輸,。因此，該方案在很大程度上限制了無線網(wǎng)卡的自由選擇,。

b)節(jié)點(diǎn)故障處理：在Mesh網(wǎng)絡(luò)的日常使用和維護(hù)過程中,，節(jié)點(diǎn)隨時(shí)會出現(xiàn)故障。若采用該方案,，一旦MAP節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題,，由于節(jié)點(diǎn)自身的復(fù)雜性，很難進(jìn)行故障排除,，如果需要對設(shè)備進(jìn)行更換,，成本相對較高。

c)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性：當(dāng)現(xiàn)有的WLAN網(wǎng)絡(luò)需要加入Mesh網(wǎng)絡(luò)時(shí),，在該方案下,，必須破壞現(xiàn)有的WLAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所有客戶端節(jié)點(diǎn)重新搜索MAP節(jié)點(diǎn),。若有多個(gè)WLAN網(wǎng)絡(luò)存在,，處理方法也如此。這樣不但浪費(fèi)了現(xiàn)有的硬件資源(WLAN的接入點(diǎn)AP),，而且由于所有欲加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)都需要斷開并重新獲得網(wǎng)絡(luò)參數(shù),，增加了網(wǎng)絡(luò)重建的復(fù)雜性。如圖1所示,，WLAN網(wǎng)絡(luò)A和B欲加入Mesh網(wǎng)絡(luò),，接入點(diǎn)AP下的所有客戶端節(jié)點(diǎn)首先斷開與原AP的連接，接著在搜索到就近的MAP后重新建立連接,，從而加入到Mesh網(wǎng)絡(luò),，最終得到如圖2所示的Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。



采用上述方案搭建Mesh網(wǎng)絡(luò)測試床的性價(jià)比是很低的,，為了降低測試床實(shí)現(xiàn)的難度,，方便后期測試床的維護(hù)和擴(kuò)展,，本文提出一種新的MAP實(shí)現(xiàn)方案。

2 一種新的Mesh測試床

2．1 測試床規(guī)劃

根據(jù)測試床設(shè)計(jì)的可重復(fù),、可擴(kuò)展性、靈活性和可靠性原則,，結(jié)合WMN自身特點(diǎn),，設(shè)計(jì)了如圖3所示的Mesh網(wǎng)絡(luò)測試床。



2．2 功能子網(wǎng)的設(shè)計(jì)

平臺由三大功能子網(wǎng)組成,，各自的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃如下：

a)Mesh骨干網(wǎng)：骨干網(wǎng)通過交換機(jī)連接到外網(wǎng),，提供internet接入服務(wù)。由于骨干網(wǎng)本質(zhì)上是一個(gè)Ad-hoc網(wǎng)絡(luò),，因此每個(gè)骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的無線網(wǎng)卡模式均為“Ad-hoc”,。

b)客戶端網(wǎng)絡(luò)：傳統(tǒng)的WLAN網(wǎng)絡(luò)，移動(dòng)客戶端節(jié)點(diǎn)就是普通的移動(dòng)終端,，它們連接在AP節(jié)點(diǎn)上,，與AP節(jié)點(diǎn)處于同一個(gè)子網(wǎng)中，通過AP的動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議(Dynamic Host Configuration Protocol,，DHCP)功能獲取IP地址后方可通信,，通過Mesh骨干網(wǎng)訪問外網(wǎng)。依據(jù)WLAN的中心主從網(wǎng)絡(luò)特性,，AP作為接入點(diǎn),，無線網(wǎng)卡的模式為“Master”，移動(dòng)客戶端節(jié)點(diǎn)的無線網(wǎng)卡模式均為“Managed”,。

c)Mesh骨干網(wǎng)與客戶端網(wǎng)絡(luò)的連接網(wǎng)絡(luò)：Mesh骨干網(wǎng)與客戶端網(wǎng)絡(luò)作為獨(dú)立的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò),，只有通過一定的方式將二者連接起來才符合無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的核心思想。

在此引入第三大功能子網(wǎng)(圖3矩形框內(nèi)所示),，即兩臺PC分別安裝一塊無線網(wǎng)卡,，并啟用PC自帶的有線以太網(wǎng)卡。其中一臺PC的無線網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)AP功能,，稱為“AP”,，另一臺PC的無線網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)MP功能，稱為“MP”,，然后用一根網(wǎng)線連接兩臺PC的有線網(wǎng)卡接口,，使二者結(jié)合成完整的MAP節(jié)點(diǎn)。這種方案彌補(bǔ)了單一節(jié)點(diǎn)模擬MAP的不足,，表現(xiàn)在：

a)網(wǎng)卡選擇：兩塊無線網(wǎng)卡安裝在不同的節(jié)點(diǎn)上,，節(jié)點(diǎn)間距離可以調(diào)整，因此在網(wǎng)卡的選擇上有較大的自由度,。不用考慮同頻干擾,，即使網(wǎng)卡完全相同也可正常使用,。

b)節(jié)點(diǎn)故障處理：由于MAP的AP功能與MP功能被分解到獨(dú)立的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上，較容易進(jìn)行故障點(diǎn)的判斷,，故障處理簡單,，即使需要對設(shè)備進(jìn)行更換，成本也相對較低,。

c)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性：當(dāng)現(xiàn)有的WLAN網(wǎng)絡(luò)需要加入Mesh網(wǎng)絡(luò)時(shí),，只需用一根線纜連接就近的MP節(jié)點(diǎn)和WLAN網(wǎng)絡(luò)的接人點(diǎn)。若出現(xiàn)多個(gè)WLAN網(wǎng)絡(luò)加人的情況,，只需在MP節(jié)點(diǎn)和多個(gè)接入點(diǎn)間放置一臺交換機(jī)連接即可,。圖4為圖1在該方案下進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2．3 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
    測試床由5個(gè)節(jié)點(diǎn)組成,，其中MPP(MP3),，MP1和AP3個(gè)節(jié)點(diǎn)分別由裝有兩塊網(wǎng)卡的PC(PC自帶一塊有線網(wǎng)卡，另安裝一塊802．11 b／g的無線PCI網(wǎng)卡)充當(dāng),，MP2由一臺裝有802．11 b／g無線PCI網(wǎng)卡的PC充當(dāng),，客戶端終端(station)由一臺筆記本電腦充當(dāng)。測試床各個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識及所屬網(wǎng)絡(luò)見表1,，各節(jié)點(diǎn)網(wǎng)卡的IP配置見表2,。

2．4 實(shí)現(xiàn)環(huán)境
2．4．1 硬件環(huán)境
    a)系統(tǒng)配置：P4-2．4 CPU；512 M內(nèi)存,；80 G硬盤,；
    b)無線網(wǎng)卡：TP-LINK的TL-WN650 G；芯片Atheros 5212,，支持802．1l b／g,。
2．4．2 軟件環(huán)境
    a)操作系統(tǒng)：fedora 6(內(nèi)核：2．6．18-1．2798．fc6)；Windows XP Professional(僅用于客戶端節(jié)點(diǎn)),；
    b)無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)：madwifi-dfs-current．tar．gz,；
    c)相關(guān)軟件：kernel-xen-deve1-2．6．18-1．2798．fc6．i686．rpm；subversion-1．4．6．tar．gz,；subversion-deps-1．4．6．tar．gzsharutils-4．6．1-2．i386．rpm,，這些軟件是確保無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)madwifi順利安裝的前提；dhcp-3．0．4-21．fc6．i386．rpm,，該軟件使模擬AP中動(dòng)態(tài)地址分配的功能得以實(shí)現(xiàn),。
2．5 實(shí)現(xiàn)技術(shù)
    在測試床的搭建過程中需要解決以下關(guān)鍵技術(shù)：操作系統(tǒng)的選擇、網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)的選擇和安裝,；可加載內(nèi)核模塊,；Linux無線工具；動(dòng)態(tài)主機(jī)分配協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換等等,。這些技術(shù)的使用并不是相對獨(dú)立的,，而是有一定的先后順序，它們相互配合,，協(xié)調(diào)作用,，有機(jī)地結(jié)合在一起共同支撐該測試床系統(tǒng)。

    測試床的關(guān)鍵技術(shù)主要分為4個(gè)層次,，如圖5所示：最底層是操作系統(tǒng)的選擇和安裝,。這一步是測試床搭建的基礎(chǔ)，所有后續(xù)的工作都必須在此之上才能進(jìn)行,。操作系統(tǒng)安裝完成后是網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)的選擇和安裝，本平臺不僅要求驅(qū)動(dòng)程序具有強(qiáng)大的功能,，而且要求它是開源的,，方便研究人員根據(jù)需要修改驅(qū)動(dòng)代碼。網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序安裝后并不能正常使用網(wǎng)卡,，還需要可加載內(nèi)核模塊(Loadable Kernel Modules,，LKM)技術(shù)。

    在LKM之上涉及3個(gè)工具的應(yīng)用,，其作用各不相同：Linux無線工具用于對無線網(wǎng)卡進(jìn)行具體的參數(shù)配置,，如傳輸信道、傳輸速率,、無線模式等,；平臺還需要利用DHCP工具在AP節(jié)點(diǎn)上模擬出動(dòng)態(tài)主機(jī)分配功能；最后,，還將利用NAT(Network Address Translation)原理,，使用iptables工具來實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間的地址轉(zhuǎn)換。

3 測試床的功能驗(yàn)證
    完成測試床的搭建后,，需要對平臺的功能進(jìn)行驗(yàn)證,。本文主要從測試床平臺的客戶端網(wǎng)絡(luò)、Mesh骨干網(wǎng)絡(luò),、客戶端網(wǎng)絡(luò)與骨干網(wǎng)絡(luò)間的通信,、Mesh網(wǎng)絡(luò)與Internet的融合4個(gè)方面加以驗(yàn)證。
    客戶端網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)首先在于AP節(jié)點(diǎn)接入功能的模擬,。打開終端節(jié)點(diǎn)的“無線網(wǎng)絡(luò)連接”窗口,，看到終端連接到AP上，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識為“M-AP”,，并通過AP的DHCP功能自動(dòng)獲取到網(wǎng)絡(luò)配置信息,，比如IP地址、子網(wǎng)掩碼,、默認(rèn)網(wǎng)關(guān)等,。
    為了進(jìn)一步證明客戶端網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)搭建成功,，需對客戶端節(jié)點(diǎn)與AP的連通性加以測試，結(jié)果如圖6所示,，節(jié)點(diǎn)間通信正常,。據(jù)此得出：客戶端網(wǎng)絡(luò)搭建成功。

    骨干網(wǎng)絡(luò)是整個(gè)測試床實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵,，Mesh骨干網(wǎng)本質(zhì)是一個(gè)Ad-hoc網(wǎng)絡(luò),，只要安裝了無線網(wǎng)卡的計(jì)算機(jī)之間即可實(shí)現(xiàn)單跳或者多跳無線互聯(lián)。為驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)的連通性,，取其中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測試(以MP1和MP2為例),，如圖7所示，節(jié)點(diǎn)間通信正常,，骨干網(wǎng)絡(luò)搭建成功,。
    采用同樣的方法對客戶端網(wǎng)絡(luò)與骨干網(wǎng)絡(luò)間以及Mesh網(wǎng)絡(luò)與Internet間的通信狀況進(jìn)行測試，所得結(jié)果表明平臺實(shí)現(xiàn)了子網(wǎng)間的通信及與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合,。

4 結(jié)論
    本文介紹了基于WLAN的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)測試床,。針對無線Mesh網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)MAP，在前人研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),，提出了新的實(shí)現(xiàn)方案并成功地完成了測試床的搭建工作,。該測試床的建立，為包括接入認(rèn)證,、密鑰管理,、安全路由在內(nèi)的Mesh網(wǎng)絡(luò)各關(guān)鍵技術(shù)，在真實(shí)環(huán)境下提供一個(gè)開發(fā)試驗(yàn)平臺,。