基于IPv6的无线Mesh网络切换技术研究
2014-02-25陈康先杨峰
陈康先+杨峰
【摘 要】
如何提高无线Mesh网络的切换效率,同时保障其服务质量一直是一个很具有挑战性的问题,它直接关系到无线Mesh网络是否能够被广泛应用。基于此,提出将IPv6技术引入到无线Mesh网络中,使得网络中的每个设备都有一个唯一的IPv6地址和响应的MAC地址,实现移动终端的快速切换,提高了无线Mesh网络的切换效率。
【关键词】
IPv6 无线Mesh网络 切换
1 概述
无线网状网(Mesh)给用户提供接入服务,要比单跳网络更加稳定。无线Mesh网络技术是面向基于IP接入的新型无线移动通信技术,适合于区域环境覆盖和宽带高速无线接入。无线Mesh网络基于呈网状分布的众多无线接入点间的相互合作和协同,具有动态自组织、自配置、自维护等突出特点。IEEE 802.11s中定义的无线Mesh网络架构如图1所示:
图1 无线Mesh网络架构示意图
在无线Mesh网络架构中,依据节点功能不同将其分为以下四种:
(1)MP(Mesh Point):它是802.11的实体,支持Mesh服务的控制、管理和操作的IEEE 802.11站(STA),其功能类似一个无线路由器,构建Mesh网络拓扑,路由数据包通过Mesh网络。
(2)MAP(Mesh Access Point):它的功能类似于MP节点,是在MP的基础上额外支持客户节点和其它非Mesh节点的接入功能,提供基本服务集服务。在实际应用中,MP与MAP节点都具有较小的移动性。
(3)MPP(Mesh Portal Point):一个Mesh节点结合一个或多个端口,通常作为无线网状网络的网关节点。它是MAC服务数据单元从其它802.11 LAN或非802.11 LAN网络进入/退出Mesh网络的逻辑节点。
(4)STA(Station):一个基于IEEE 802.11媒体接入控制和与无线介质的物理层接口的工作站。
IPv6(互联网协议第6版)是被指定取代IPv4的下一代互联网协议版本,主要用于分组交换。相比于32位的IPv4地址,IPv6是128位的,不仅提供了更大的地址空间,而且IPv6中的协议设计要比IPv4更为合理。
移动IPv6技术充分发挥技术优势,实现了通信在网络层移动过程中持续不断,可以简单地归纳为以下三点:
(1)定义了家乡地址,上层通信应用全程使用家乡地址,保证了对应用的移动透明。
(2)定义了转交地址(CoA,Care of Address),从外地网络获得转交地址,保证了现有路由模式下通信可达。
(3)家乡地址与转交地址的映射,建立了上层应用所使用的网络层标识与网络层路由所使用的目的标识之间的关系。
如图2所示,移动IPv6的切换过程具体如下:
(1)移动节点(MN,Mobile Node)在外地链路上收到路由器的广播,通过有状态或者无状态自动配置,获得转交地址。为了保证获得的CoA正常可用,MN还需要进行重复地址检测。
(2)MN向家乡代理(HA,Home Agent)发送绑定更新消息,在该消息中设置了家乡注册和确定标志。
(3)HA返回一个绑定确认消息。
(4)为了保证安全性,MN必须进行返回路由可达过程测试。如图2所示,MN使用隧道经由HA将家乡测试初始(HoTI)消息发到通信对端节点(CN,Correspondent Node);MN直接发送转交测试初始(CoTI)至CN;CN回应家乡测试(HoT)消息响应HoTI;CN回应转交测试(CoT)消息响应CoTI。如果MN是由外地链路移动到一条新的外地链路,由于只是与转交地址相关的路径发生了改变,所以在返回路由可达过程中只需要交换CoTI和CoT消息。
(5)返回路由可达过程成功后,MN向CN发送绑定更新。
(6)CN向MN发送绑定确认。
2 存在问题
在现有无线Mesh网络中,快速切换方案主要基于无线信号强度检测。STA在移动过程中,周期性的检测接入MAP的接收信号强度,当接收信号强度低于某个特定的值时,进行网络扫描,从扫描应答中选择接收信号强度最大的MAP作为目标MAP。
这种方式主要存在以下方面的问题:
(1)基于无线信号下的接入,因为政策或物理移动的原因,MAP无线信号强弱会飘忽不定,导致STA不断地更换MAP。不断地切换信号与数据通信渠道,反而会进一步影响现有的快速切换。
(2)STA主动移动时,会造成STA只知道目标MAP的IP地址,而不能搜索到目标MAP的信号,无法通过所检测到的信号强弱来选择切换后的MAP。
(3)缓存的数据容易受到两个MAP之间的信号覆盖影响,两个MAP之间的数据无法交换,MPP无法更新绑定表而将缓存数据发送给最初的绑定表。
(4)当切换成功后,原MAP收到切换响应消息后会将数据分别发送给STA和目标MAP。而当STA接入目标MAP时,目标MAP再把这些数据发送给STA,造成数据重复发送,浪费资源。
本文巧妙地将移动IPv6的切换原理引入到无线Mesh网络中,结合IPv6技术实现无线Mesh网络的快速切换,提高了无线Mesh网络的切换效率。
3 一种基于移动IPv6的无线Mesh网络切换方案
3.1 方案原理
本方案将移动IPv6技术引入到无线Mesh网络中,使得网络中的每个设备都有一个唯一的IPv6地址和响应的MAC地址。在指定的切换目标MAP前提下,能够保证STA可靠地切换到目标MAP上,而且不会出现数据包丢失及数据重复发送的问题。endprint
本方案在原MAP中添加了绑定表,将STA的IP地址、MAC地址与所属MAP的IP地址绑定。原MAP一旦收到目标MAP的切换响应消息,便更新自己的绑定表,以后发给STA的数据立马通过MPP发送给目标MAP,不用存储在自己的队列中,提高了效率。
原MAP接收到切换响应消息后,只向目标MAP发送数据包,不会发数据包给STA,只向STA发送切换响应消息。
目标MAP收到资源请求消息后,释放之前为STA预留的资源,发经由MPP给原MAP的资源响应消息,当原MAP收到资源释放响应后,释放之前给STA分配的资源。
在图3所示的网络模型中,STA(用户终端)第一次进入无线Mesh网络区域,通过MAP1连入无线Mesh网络。MAP1与多个MP或者MAP相互连接,最终通过MPP连到Internet上。一旦STA接入Mesh网络中,就获得一个IP地址,STA的IP地址是唯一且可路由的。所谓唯一,是指这个IP地址在该网段是唯一且可以识别的;所谓可路由,是指以该IP地址为目的地的IP数据包最终可以路由到该STA。当STA进行域内切换时,要求切换后的MAP(本文指MAP2)能够预先为STA做好资源预留的准备。
无线Mesh网络切换方法:在MPP中配置地址对应表,记录MPP管辖范围内MAP的MAC地址与IP地址的对应关系信息;由MPP将STA发出的切换请求消息转发给目标MAP2,使STA在搜索不到目标MAP2或不知道目标MAP2的MAC地址的情况时,仍然能够切换到目标MAP2上。而且在STA当前接入的MAP1本身配置的地址绑定表中,记录STA的IP、MAC地址与目标MAP2的IP地址的绑定信息,使MAP1能够将转发队列中之前为STA接收的数据包,通过MPP转发给MAP2,在STA切换到MAP2后,再由MAP2将数据包发送给STA,从而不会出现数据包丢失及数据重复发送的问题,同时提高了切换效率。
3.2 方案实施流程
在方案实施流程中,MPP中配置有地址对应关系表、代理表和地址转换表,具体如下:
(1)地址对应关系表包含MPP管辖范围内MAP的MAC地址与IP地址的对应关系信息。
(2)代理表包含各STA的MAC地址与所接入的MAP的IP地址的绑定信息。
(3)地址转换表包含STA的IP地址与通信对端的IP地址绑定信息,以及STA的MPP的IP地址与通信对端的MPP的IP地址的绑定信息。
此外,每个网状网接入点MAP中均配置有一个地址绑定表。地址绑定表包含STA的MAC地址、IP地址与该STA当前所连接的MAP的IP地址的绑定信息;STA包含本MAP曾经连接的和当前连接的所有STA,以及该MAP相邻的STA。
本方案的详细流程如图4所示。
当STA第一次进入无线Mesh网络区域,通过MAP1连入无线Mesh网络,按照正常的机制得到一个IP地址连入Internet。STA切换到目标MAP2上,并要求MAP2能够在STA接入MAP2之前预先为STA分配资源。无线Mesh网络切换流程具体如下:
S1:用户终端STA向MAP1发送第一切换请求消息,该切换请求消息包含MAP2的IP地址。
S2:MAP1将第一切换请求消息转发给带入口的网状节点MPP。
S3:MPP根据第一切换请求消息中MAP2的IP地址查找地址对应关系表,获得MAP2的MAC地址。
S4:MPP根据MAP2的IP地址和MAC地址,向MAP2发送第二切换请求消息,该消息中包含STA的IP地址、MAC地址和MAP1的IP地址。
S5:MAP2向MPP返回是否同意为STA预留资源的第二切换应答消息。
具体地,如果同意,则MAP2为STA预留资源;如果不同意,则表示STA无法在MAP2中得到预留资源,只能在切换到MAP2后,再向MAP2申请资源(优选的资源为带宽)。
S6:MPP收到第二切换应答消息后,向MAP1发送第一切换应答消息,该消息中包含MAP2的IP地址。
S7:MAP1收到第一切换应答消息后,向STA发送切换通知消息,通知STA切换至MAP2,且MAP1在本身配置的地址绑定表中记录STA的IP、MAC地址与MAP2的IP地址的绑定信息。
由于MAP1本身配置的地址绑定表中记录有STA的IP、MAC地址与MAP2的IP地址的绑定信息,因此在MAP1的转发队列中之前为STA接收的数据包,都可以通过MPP发给MAP2,等到STA切换到MAP2后,再由MAP2发给STA,从而不会出现数据包丢失和数据重复发送的问题,而且支持STA的快速切换,提高了效率。
S8:STA收到切换通知消息后,断开与MAP1的连接,与MAP2建立连接。
S9:STA与MAP2建立连接后,MAP2向MPP发送第一切换完成报告,该报告中包含MAP1的IP地址以及STA的MAC、IP地址。
S10:MPP接收到第一切换完成报告后,向MAP1发送第二切换完成报告,该报告中包含MAP2的IP地址以及STA的IP、MAC地址的绑定信息。
S11:MAP1收到第二切换完成报告后,将该报告中MAP2的IP地址以及STA的IP、MAC地址,与本身配置的地址绑定表中的绑定信息进行比较。如果一致,则向MPP发送第二切换完成响应消息,该消息中包含MAP1的MAC地址;否则,向MPP发送切换出错的响应消息或者不发送响应消息。
在一个实施方式中,在步骤S5,MAP2为STA预留资源,并在本身配置的地址绑定表中记录STA的IP、MAC地址与MAP1的IP地址的绑定信息;则在步骤S11之后,还包括:
◆MPP收到第二切换完成响应消息后,将本身配置的代理表中记录的STA的MAC、IP地址与MAP1的IP地址的绑定信息,更新为STA的MAC、IP地址与MAP2的IP地址的绑定信息,并向MAP2发送第一切换完成响应消息(如图4所示的S12);endprint
◆MAP2收到第一切换完成响应消息后,将本身配置的地址绑定表中记录的STA的MAC、IP地址与MAP1的IP地址的绑定信息,更新为STA的MAC、IP地址与MAP2的IP地址的绑定信息(如图4所示的S13)。
在另一个实施方式中,在步骤S5,MAP2不同意为STA预留资源;则在步骤S11之后,还包括:
◆MPP收到第二切换完成响应消息后,将本身配置的代理表中记录的STA的MAC、IP地址与MAP1的IP地址的绑定信息,更新为STA的MAC、IP地址与MAP2的IP地址的绑定信息,并向MAP2发送第一切换完成响应消息(如图4所示的S12);
◆MAP2收到第一切换完成响应消息后,在本身配置的地址绑定表中记录STA的MAC、IP地址与MAP2的IP地址的绑定信息(如图4所示的S13);
◆STA向MAP2发送资源申请消息;
◆MAP2为STA预留资源。
进一步,在STA连接到MAP2,且MAP2已为STA预留资源后,还包括:
◆MAP1判断本身的转发队列中是否还有STA的数据包,数据包是MAP1在STA接入MAP2之前为STA接收的,需要发送给STA的数据包;
◆若转发队列中还有STA的数据包,则MAP1通过查询本身配置的地址绑定表将数据包发送给MPP,由MPP将数据包转发给MAP2,在STA切换到MAP2后,MAP2再将数据包发送给STA;
◆若转发队列中没有STA的数据包,则执行步骤S14~S16:
S14:MAP1向MAP2发送资源释放请求消息。
具体地,资源释放请求消息经由MPP转发给MAP2,即MAP1先向MPP发送资源释放请求消息,再由MPP将资源释放请求消息转发给MAP2。
S15:MAP2收到资源释放请求消息后,释放为STA预留的资源,并向MAP1发送资源释放响应消息;同理,资源释放响应消息经由MPP转发给MAP1。
S16:MAP1收到资源释放响应消息后,释放为STA分配的资源。
4 结束语
本文方案提供的无线Mesh网络域内切换方法具有以下有益效果:
(1)当STA是因为政策或物理移动的原因,需要从当前的MAP1移动到另一个MAP2时,在STA只知道目标MAP2的IP地址或者MAP1的信号覆盖不到MAP2的情况下,本方案通过在MPP中配置地址对应表,记录MPP管辖范围内MAP的MAC地址与IP地址的对应关系信息;由MPP将STA发出的切换请求消息转发给目标MAP2,使STA仍然能够切换到目标MAP2上。
(2)在STA当前接入的MAP1本身配置的地址绑定表中,记录STA的IP、MAC地址与目标MAP2的IP地址的绑定信息,使MAP1能够将转发队列中之前为STA接收的数据包,通过MPP转发给MAP2,在STA切换到MAP2后,再由MAP2将数据包发送给STA,从而不会出现数据包丢失的问题,提高了切换效率。
(3)MAP1收到MPP发送的切换完成响应消息后,将转发队列中之前为STA接收的数据包发送给MAP2,在STA切换到MAP2后,再由MAP2将数据包发送给STA,MAP1不再向STA发送数据包,从而避免数据重复发送。
(4)MAP2收到资源释放请求消息后,释放之前为STA预留的资源,经由MPP向MAP1发送资源响应消息;当MAP1收到资源释放响应消息后,释放之前给STA分配的资源。
随着宽带网络技术的发展,无线Mesh网络的架构得到了越来越广泛的应用。通过本文提出的解决方案,可以有效地提高无线Mesh网络的切换效率,保障网络服务质量,为无线Mesh网络的进一步推广提供了有力的技术支持。
参考文献:
[1] LAN/MAN Standards Committee IEEE P802.11s D5.0-2010. IEEE draft standard for information technology-telecommunications and information exchange between systems-local and metropolitan area networks-specific requirements-part11:wireless LAN medium access control(MAC) and physical layer(PHY) specifications amendment 10: mesh networking[S]. New York IEEE Computer Society, 2010.
[2] V Navda, A Kashyap, S Das. Design and Evaluation of iMesh: An Infrastructure-mode Wireless Mesh Network[A]. Proc. of the 6th IEEE International Symposium on a World of Wireless Mobile and Multimedia Networks[C]. Taormina, 2005.
[3] A Capone, S Napoli, A Pollastro. MobiMESH: An Experimental Platform for Wireless Mesh Networks with Mobility Support[A]. Proc. of IEEE International Conf. on Mobile Ad hoc and Sensor Systems[C]. Pisa, 2007.
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[5] 谢丽华,杨寿保,胡云,等. 异构无线Mesh网络层次化平滑切换方案[J]. 计算机工程, 2010,36(4): 82-84.
[6] 张立仿,闫娟,柴旭清,等. 移动IPv6切换技术研究[J]. 软件导刊, 2009,8(7): 132-134.
[7] 孔祥松,贾卓生. 移动IPv6的切换技术[J]. 计算机工程与设计, 2006,27(8): 1453-1455.
[8] 肖长水,姒茂新,沈萍萍. 移动IPv6切换技术综述[J]. 计算机应用与软件, 2010,27(4): 158-161.
[9] 方旭明,戚彩霞,向征. IEEE 802系列无线网络网状组网与移动切换技术综述[J]. 计算机应用, 2006,26(8): 1756-1761.endprint
◆MAP2收到第一切换完成响应消息后,将本身配置的地址绑定表中记录的STA的MAC、IP地址与MAP1的IP地址的绑定信息,更新为STA的MAC、IP地址与MAP2的IP地址的绑定信息(如图4所示的S13)。
在另一个实施方式中,在步骤S5,MAP2不同意为STA预留资源;则在步骤S11之后,还包括:
◆MPP收到第二切换完成响应消息后,将本身配置的代理表中记录的STA的MAC、IP地址与MAP1的IP地址的绑定信息,更新为STA的MAC、IP地址与MAP2的IP地址的绑定信息,并向MAP2发送第一切换完成响应消息(如图4所示的S12);
◆MAP2收到第一切换完成响应消息后,在本身配置的地址绑定表中记录STA的MAC、IP地址与MAP2的IP地址的绑定信息(如图4所示的S13);
◆STA向MAP2发送资源申请消息;
◆MAP2为STA预留资源。
进一步,在STA连接到MAP2,且MAP2已为STA预留资源后,还包括:
◆MAP1判断本身的转发队列中是否还有STA的数据包,数据包是MAP1在STA接入MAP2之前为STA接收的,需要发送给STA的数据包;
◆若转发队列中还有STA的数据包,则MAP1通过查询本身配置的地址绑定表将数据包发送给MPP,由MPP将数据包转发给MAP2,在STA切换到MAP2后,MAP2再将数据包发送给STA;
◆若转发队列中没有STA的数据包,则执行步骤S14~S16:
S14:MAP1向MAP2发送资源释放请求消息。
具体地,资源释放请求消息经由MPP转发给MAP2,即MAP1先向MPP发送资源释放请求消息,再由MPP将资源释放请求消息转发给MAP2。
S15:MAP2收到资源释放请求消息后,释放为STA预留的资源,并向MAP1发送资源释放响应消息;同理,资源释放响应消息经由MPP转发给MAP1。
S16:MAP1收到资源释放响应消息后,释放为STA分配的资源。
4 结束语
本文方案提供的无线Mesh网络域内切换方法具有以下有益效果:
(1)当STA是因为政策或物理移动的原因,需要从当前的MAP1移动到另一个MAP2时,在STA只知道目标MAP2的IP地址或者MAP1的信号覆盖不到MAP2的情况下,本方案通过在MPP中配置地址对应表,记录MPP管辖范围内MAP的MAC地址与IP地址的对应关系信息;由MPP将STA发出的切换请求消息转发给目标MAP2,使STA仍然能够切换到目标MAP2上。
(2)在STA当前接入的MAP1本身配置的地址绑定表中,记录STA的IP、MAC地址与目标MAP2的IP地址的绑定信息,使MAP1能够将转发队列中之前为STA接收的数据包,通过MPP转发给MAP2,在STA切换到MAP2后,再由MAP2将数据包发送给STA,从而不会出现数据包丢失的问题,提高了切换效率。
(3)MAP1收到MPP发送的切换完成响应消息后,将转发队列中之前为STA接收的数据包发送给MAP2,在STA切换到MAP2后,再由MAP2将数据包发送给STA,MAP1不再向STA发送数据包,从而避免数据重复发送。
(4)MAP2收到资源释放请求消息后,释放之前为STA预留的资源,经由MPP向MAP1发送资源响应消息;当MAP1收到资源释放响应消息后,释放之前给STA分配的资源。
随着宽带网络技术的发展,无线Mesh网络的架构得到了越来越广泛的应用。通过本文提出的解决方案,可以有效地提高无线Mesh网络的切换效率,保障网络服务质量,为无线Mesh网络的进一步推广提供了有力的技术支持。
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[9] 方旭明,戚彩霞,向征. IEEE 802系列无线网络网状组网与移动切换技术综述[J]. 计算机应用, 2006,26(8): 1756-1761.endprint
◆MAP2收到第一切换完成响应消息后,将本身配置的地址绑定表中记录的STA的MAC、IP地址与MAP1的IP地址的绑定信息,更新为STA的MAC、IP地址与MAP2的IP地址的绑定信息(如图4所示的S13)。
在另一个实施方式中,在步骤S5,MAP2不同意为STA预留资源;则在步骤S11之后,还包括:
◆MPP收到第二切换完成响应消息后,将本身配置的代理表中记录的STA的MAC、IP地址与MAP1的IP地址的绑定信息,更新为STA的MAC、IP地址与MAP2的IP地址的绑定信息,并向MAP2发送第一切换完成响应消息(如图4所示的S12);
◆MAP2收到第一切换完成响应消息后,在本身配置的地址绑定表中记录STA的MAC、IP地址与MAP2的IP地址的绑定信息(如图4所示的S13);
◆STA向MAP2发送资源申请消息;
◆MAP2为STA预留资源。
进一步,在STA连接到MAP2,且MAP2已为STA预留资源后,还包括:
◆MAP1判断本身的转发队列中是否还有STA的数据包,数据包是MAP1在STA接入MAP2之前为STA接收的,需要发送给STA的数据包;
◆若转发队列中还有STA的数据包,则MAP1通过查询本身配置的地址绑定表将数据包发送给MPP,由MPP将数据包转发给MAP2,在STA切换到MAP2后,MAP2再将数据包发送给STA;
◆若转发队列中没有STA的数据包,则执行步骤S14~S16:
S14:MAP1向MAP2发送资源释放请求消息。
具体地,资源释放请求消息经由MPP转发给MAP2,即MAP1先向MPP发送资源释放请求消息,再由MPP将资源释放请求消息转发给MAP2。
S15:MAP2收到资源释放请求消息后,释放为STA预留的资源,并向MAP1发送资源释放响应消息;同理,资源释放响应消息经由MPP转发给MAP1。
S16:MAP1收到资源释放响应消息后,释放为STA分配的资源。
4 结束语
本文方案提供的无线Mesh网络域内切换方法具有以下有益效果:
(1)当STA是因为政策或物理移动的原因,需要从当前的MAP1移动到另一个MAP2时,在STA只知道目标MAP2的IP地址或者MAP1的信号覆盖不到MAP2的情况下,本方案通过在MPP中配置地址对应表,记录MPP管辖范围内MAP的MAC地址与IP地址的对应关系信息;由MPP将STA发出的切换请求消息转发给目标MAP2,使STA仍然能够切换到目标MAP2上。
(2)在STA当前接入的MAP1本身配置的地址绑定表中,记录STA的IP、MAC地址与目标MAP2的IP地址的绑定信息,使MAP1能够将转发队列中之前为STA接收的数据包,通过MPP转发给MAP2,在STA切换到MAP2后,再由MAP2将数据包发送给STA,从而不会出现数据包丢失的问题,提高了切换效率。
(3)MAP1收到MPP发送的切换完成响应消息后,将转发队列中之前为STA接收的数据包发送给MAP2,在STA切换到MAP2后,再由MAP2将数据包发送给STA,MAP1不再向STA发送数据包,从而避免数据重复发送。
(4)MAP2收到资源释放请求消息后,释放之前为STA预留的资源,经由MPP向MAP1发送资源响应消息;当MAP1收到资源释放响应消息后,释放之前给STA分配的资源。
随着宽带网络技术的发展,无线Mesh网络的架构得到了越来越广泛的应用。通过本文提出的解决方案,可以有效地提高无线Mesh网络的切换效率,保障网络服务质量,为无线Mesh网络的进一步推广提供了有力的技术支持。
参考文献:
[1] LAN/MAN Standards Committee IEEE P802.11s D5.0-2010. IEEE draft standard for information technology-telecommunications and information exchange between systems-local and metropolitan area networks-specific requirements-part11:wireless LAN medium access control(MAC) and physical layer(PHY) specifications amendment 10: mesh networking[S]. New York IEEE Computer Society, 2010.
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[8] 肖长水,姒茂新,沈萍萍. 移动IPv6切换技术综述[J]. 计算机应用与软件, 2010,27(4): 158-161.
[9] 方旭明,戚彩霞,向征. IEEE 802系列无线网络网状组网与移动切换技术综述[J]. 计算机应用, 2006,26(8): 1756-1761.endprint