基于AODV的无线Mesh网络路由协议优化设计

胡伏湘

摘 要 无线Mesh网络（WMN）融合了WLAN和Ad hoc网络的优势，具有高速、多跳和自组织的特点，广泛用于会场、医院和车站等场合.由于其开放性和无线链路，导致路由协议效率不高.针对Ad hoc单跳路由的缺陷，从WMN的体系结构入手，提出了设计原则和方法，并在AODV的基础上，通过修改数据包的格式，优化设计了相应的网络协议，并给出了相应的路由算法，然后选择时延和负载两个核心指标，在OPNET平台上进行了仿真实现，结果表明，15个节点组成的WMN和4个节点的网络相比，其关键指标值优势明显，说明这种算法更加适合于规模较大的网络.

关键词 无线Mesh网络；路由协议；AODV；数据包；OPNET

中图分类号 TP393 文献标识码 A 文章编号 1000-2537（2015）03-0085-06

无线Mesh网络（Wireless Mesh Network-WMN）是一种基于IP协议的无线宽带接入技术，它融合了WLAN和Ad hoc两者的优势，支持多点对多点的网状通信模式，具有自动组网、自动修复、多跳级联和节点自我管理等智能优势以及移动性、宽带宽和无线定位的特点，是一种高速率、大容量和宽覆盖范围的网络，是解决最后1km无线宽带接入瓶颈问题的理想方案.任意无线设备节点在接入此网络后，既能发送和接收信号，又具备路由转发功能，即充当路由器，能同时与一个或多个对等节点直接通信.其最大好处在于：如果邻近的AP由于流量过大而导致拥塞，数据可以自动重新路由到一个通信流量较小的相邻节点传输，直到送达最终目的地，即多跳访问.因而被广泛应用于会场、医院、机场、学校和小区等各种场合[1-2].

WMN最初源于军事领域，应用在战场上的移动网络需要极高的数据速率、极低的被检出概率和防外来干扰的能力.随着802.11局域网技术的深入研究，无线Mesh技术逐步成为业界和研究的焦点，并沿不同的分支演进.其路由技术的核心主要是两个方面[3]，路由协议和路由算法.路由判据、路由容错、负载均衡、多径路由、跨层信息交互、QoS、多信道等都是路由设计要考虑的因素.

文献[4]以动态源路由协议DSR为基础，提出了一种新的安全增强的多径DSR路由协议SE-DSR，通过多径路由发现机制为协议提供负载均衡和路由容错能力，采用双向路径信任评估和单向证书链验证为协议提供安全保障，通过牺牲存储缩短了网络延时.文献[5]利用蚁群算法求解跨域跨层跨节点的QoS自适应体系架构模型，设计了双层规划模型的蚁群优化路由算法.文献[6]提出了多信道无线Mesh网络路由度量CLIDH概念，设计了跨层多信道路由协议CMAODV，提高了网络资源利用率.文献[7]通过分布式免干扰的链路调度机制，根据带宽要求为链路分配时槽数，保证带宽链路流，增加了通信连接成功概率.文献[8]提出了面向吞吐量效率的机会主义路由算法，通过引入传输时间因素，在转发节点数量与链路稳定度之间取得平衡，提高了网络性能.文献[9]分析了在路由算法设计时，链路质量、期望传输次数、每一跳的往返时间等相关参数对网络性能的影响，提出了基于加权累计期望传输次数的路由度数指标，较好地解决了信道相互影响的问题.

无线Mesh网络兼容现有任何IEEE802.11的无线网络通信协议，并且在802.11s，802.15，802.16d/e，802.20等标准中对Mesh组网技术作了一定的规范.学术界已经取得了一定的研究成果，并有相关产品投入市场，但作为一种新型网络架构，国际上尚未形成非常成熟的标准.我国参与IEEE802标准开发的很少，影响了它的迅速推广，还有许多问题值得进一步探索，特别是路由算法的设计还有很大的研究空间，成为其推广应用的瓶颈.

1 无线Mesh网络体系结构

WMN包括无线骨干网和无线移动接入两部分，前者由无线 Mesh 路由器组成，节点位置相对固定，提供无线回程功能，移动性较少，而无线移动接入部分则是由用户节点连接接入点 AP和无线用户终端节点组成.近端用户节点可以直接关联接入点，而距离骨干网节点较远的用户，可以通过其他用户节点中继后连入WMN，用户节点通过自组织、自配置互联.其体系结构如图1所示.

无线Mesh网络的节点通常包括3类：客户端（移动终端）节点，路由节点和网关节点，它是一个可靠而冗余的无线网络.当一个节点发生故障，其他节点可以通过一个或者多个中间节点互相连接后通讯，节点的接入和撤出都容易实现.

2 无线Mesh网络路由协议设计的原则与方法

无线Mesh网络是WLAN和Ad hoc自组织网络技术的结合，其路由算法可以通过继承并进行改造而实现[10-11].

2.1 无线Mesh网络的路由协议类型

无线Mesh网络路由协议主要分为4类[12]：（1）先验式路由，即每一个节点平时维护一张路由表，预先存储了目标节点的IP地址及下一跳的位置信息，在发送数据时直接调用表的相关记录，节点间通过周期性交换路由信息更新表的内容；（2）反应式路由，即后验式，只有当向目的节点发送包时，源节点才在网络中发起路由查找过程，找到相应的路由信息后记录到路由表；（3）混合式路由，包括先验式路由协议和反应式路由协议两部分；（4）机会路由，利用无线网络的广播特性，每次数据包总是转发给一组节点，这些节点根据它们到目标节点的度量（Metric）确定其优先级，然后选择优先级最高的节点再次转发数据包给另外一组节点，如此重复转发直到目的节点.

2.2 无线Mesh网络路由协议的设计原则

Ad hoc网络采用最小跳数优先的路由协议.无线Mesh网络仅依靠跳数还远远不够，还要综合考虑线路状况等多种度量指标，以满足网络的健壮性和容错性并使其能够在链路失效时快速恢复，并通过流量统计进行负载均衡，以充分利用系统资源.