一种新的WLAN无线Mesh网络测试床的设计与实现

    无线局域网(WLAN)技术的发展和大规模应用在给人们生活带来便利的同时，也带来了很多其它问题，如WLAN并不是真正意义上的“无线”；可靠性低；覆盖能力有限；多数WLAN网络在其有效距离内具有“盲区”等等。而无线Mesh网络技术的出现，则很好地解决了上述问题。它彻底摆脱了线缆的束缚，能够实现非视距传输，可靠性高，结构灵活，鲁棒性强，因而越来越受到人们的重视，对无线Mesh网络的研究也逐渐增多。目前对无线Mesh网络的研究，比较典型的有2种方法：a)采用仿真方法开展研究工作，例如，基于NS-2和OPNET的仿真软件，建立无线Mesh网络(Wireless Mesh Network，WMN)协议模型和业务传输模型，进行协议的设计和性能分析。但对于真实的网络环境，仿真还有一定局限性，毕竟它只是对现实环境的模拟。b)搭建测试床的方法，它基于无线Mesh网络结构抽象出更小的网络结构模型、业务模型及关键技术，与真实环境基本相同，研究结果可直接运用到实际当中，这也是目前许多国内外研究机构正在进行的研究工作。测试床研究方法中，比较典型的有卡灵顿大学的WMN。除此之外，还有普渡大学项目和西安电子科技大学的Mesh网络性能测试平台。在它们所搭建的测试床中，每一个被称作MAP的Mesh路由器是一台装有两块无线网卡和一块有线网卡的台式机，有线网卡主要用来实现管理功能。这种设计对MAP节点的性能要求过高，也不利于Mesh网络的扩展。鉴于此问题，本文在上述研究的基础上，对无线Mesh网络测试床进行了改进。

1 现有的Mesh测试床分析
    在Mesh网络中，MAP节点既是客户端网络的终点，又是Mesh骨干网的起点，将客户端网络和Mesh骨干网两个逻辑上独立的网络实体，连接成一个功能上统一的整体。目前，大多数研究机构在MAP节点结构的设计上，普遍遵循如下思想：用单独一个节点实现两个网络的连接，即用一台装有两块无线网卡的PC来实现骨干网络和客户端网络的连接，该节点同时处于两个网络当中。其中一块无线网卡实现AP功能，另一块实现MP功能，两块网卡之间通过相应的地址转换技术实现网卡间地址的转换。
    在实际搭建过程中，这种方案具有明显的局限性，主要表现在以下3个方面：
    a)网卡选择：前期的探索性实验证实了在一台PC中安装两块相同的无线网卡，由于驱动程序完全相同，冲突是在所难免的，它将导致两块无线网卡无法同时正常工作。另外，即使两块无线网卡不相同，若它们工作在同一频段(2．4 GHz或者5GHz)，由于距离较近，也会产生很大的同频干扰，从而影响了数据的正常传输。因此，该方案在很大程度上限制了无线网卡的自由选择。
    b)节点故障处理：在Mesh网络的日常使用和维护过程中，节点随时会出现故障。若采用该方案，一旦MAP节点出现问题，由于节点自身的复杂性，很难进行故障排除，如果需要对设备进行更换，成本相对较高。
    c)网络的扩展性：当现有的WLAN网络需要加入Mesh网络时，在该方案下，必须破坏现有的WLAN网络结构，所有客户端节点重新搜索MAP节点。若有多个WLAN网络存在，处理方法也如此。这样不但浪费了现有的硬件资源(WLAN的接入点AP)，而且由于所有欲加入网络的节点都需要断开并重新获得网络参数，增加了网络重建的复杂性。如图1所示，WLAN网络A和B欲加入Mesh网络，接入点AP下的所有客户端节点首先断开与原AP的连接，接着在搜索到就近的MAP后重新建立连接，从而加入到Mesh网络，最终得到如图2所示的Mesh网络结构。

    采用上述方案搭建Mesh网络测试床的性价比是很低的，为了降低测试床实现的难度，方便后期测试床的维护和扩展，本文提出一种新的MAP实现方案。[!--empirenews.page--]
2 一种新的Mesh测试床
2．1 测试床规划
    根据测试床设计的可重复、可扩展性、灵活性和可靠性原则，结合WMN自身特点，设计了如图3所示的Mesh网络测试床。

2．2 功能子网的设计
    平台由三大功能子网组成，各自的网络规划如下：
    a)Mesh骨干网：骨干网通过交换机连接到外网，提供internet接入服务。由于骨干网本质上是一个Ad-hoc网络，因此每个骨干网节点的无线网卡模式均为“Ad-hoc”。
    b)客户端网络：传统的WLAN网络，移动客户端节点就是普通的移动终端，它们连接在AP节点上，与AP节点处于同一个子网中，通过AP的动态主机配置协议(Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP)功能获取IP地址后方可通信，通过Mesh骨干网访问外网。依据WLAN的中心主从网络特性，AP作为接入点，无线网卡的模式为“Master”，移动客户端节点的无线网卡模式均为“Managed”。
    c)Mesh骨干网与客户端网络的连接网络：Mesh骨干网与客户端网络作为独立的两个网络，只有通过一定的方式将二者连接起来才符合无线Mesh网络的核心思想。
    在此引入第三大功能子网(图3矩形框内所示)，即两台PC分别安装一块无线网卡，并启用PC自带的有线以太网卡。其中一台PC的无线网卡实现AP功能，称为“AP”，另一台PC的无线网卡实现MP功能，称为“MP”，然后用一根网线连接两台PC的有线网卡接口，使二者结合成完整的MAP节点。这种方案弥补了单一节点模拟MAP的不足，表现在：
    a)网卡选择：两块无线网卡安装在不同的节点上，节点间距离可以调整，因此在网卡的选择上有较大的自由度。不用考虑同频干扰，即使网卡完全相同也可正常使用。
    b)节点故障处理：由于MAP的AP功能与MP功能被分解到独立的两个节点上，较容易进行故障点的判断，故障处理简单，即使需要对设备进行更换，成本也相对较低。[!--empirenews.page--]
    c)网络的扩展性：当现有的WLAN网络需要加入Mesh网络时，只需用一根线缆连接就近的MP节点和WLAN网络的接人点。若出现多个WLAN网络加人的情况，只需在MP节点和多个接入点间放置一台交换机连接即可。图4为图1在该方案下进行网络扩展后的拓扑结构。

2．3 节点设计
    测试床由5个节点组成，其中MPP(MP3)，MP1和AP3个节点分别由装有两块网卡的PC(PC自带一块有线网卡，另安装一块802．11 b／g的无线PCI网卡)充当，MP2由一台装有802．11 b／g无线PCI网卡的PC充当，客户端终端(station)由一台笔记本电脑充当。测试床各个节点的网络标识及所属网络见表1，各节点网卡的IP配置见表2。

2．4 实现环境
2．4．1 硬件环境
    a)系统配置：P4-2．4 CPU；512 M内存；80 G硬盘；
    b)无线网卡：TP-LINK的TL-WN650 G；芯片Atheros 5212，支持802．1l b／g。
2．4．2 软件环境
    a)操作系统：fedora 6(内核：2．6．18-1．2798．fc6)；Windows XP Professional(仅用于客户端节点)；
    b)无线网卡驱动：madwifi-dfs-current．tar．gz；
    c)相关软件：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，这些软件是确保无线网卡驱动madwifi顺利安装的前提；dhcp-3．0．4-21．fc6．i386．rpm，该软件使模拟AP中动态地址分配的功能得以实现。
2．5 实现技术
    在测试床的搭建过程中需要解决以下关键技术：操作系统的选择、网卡驱动的选择和安装；可加载内核模块；Linux无线工具；动态主机分配协议、网络地址转换等等。这些技术的使用并不是相对独立的，而是有一定的先后顺序，它们相互配合，协调作用，有机地结合在一起共同支撑该测试床系统。[!--empirenews.page--]
    测试床的关键技术主要分为4个层次，如图5所示：最底层是操作系统的选择和安装。这一步是测试床搭建的基础，所有后续的工作都必须在此之上才能进行。操作系统安装完成后是网卡驱动的选择和安装，本平台不仅要求驱动程序具有强大的功能，而且要求它是开源的，方便研究人员根据需要修改驱动代码。网卡驱动程序安装后并不能正常使用网卡，还需要可加载内核模块(Loadable Kernel Modules，LKM)技术。

    在LKM之上涉及3个工具的应用，其作用各不相同：Linux无线工具用于对无线网卡进行具体的参数配置，如传输信道、传输速率、无线模式等；平台还需要利用DHCP工具在AP节点上模拟出动态主机分配功能；最后，还将利用NAT(Network Address Translation)原理，使用iptables工具来实现不同网络之间的地址转换。

3 测试床的功能验证
    完成测试床的搭建后，需要对平台的功能进行验证。本文主要从测试床平台的客户端网络、Mesh骨干网络、客户端网络与骨干网络间的通信、Mesh网络与Internet的融合4个方面加以验证。
    客户端网络的实现首先在于AP节点接入功能的模拟。打开终端节点的“无线网络连接”窗口，看到终端连接到AP上，网络标识为“M-AP”，并通过AP的DHCP功能自动获取到网络配置信息，比如IP地址、子网掩码、默认网关等。
    为了进一步证明客户端网络已经搭建成功，需对客户端节点与AP的连通性加以测试，结果如图6所示，节点间通信正常。据此得出：客户端网络搭建成功。

    骨干网络是整个测试床实现的关键，Mesh骨干网本质是一个Ad-hoc网络，只要安装了无线网卡的计算机之间即可实现单跳或者多跳无线互联。为验证网络的连通性，取其中任意两个节点进行测试(以MP1和MP2为例)，如图7所示，节点间通信正常，骨干网络搭建成功。
    采用同样的方法对客户端网络与骨干网络间以及Mesh网络与Internet间的通信状况进行测试，所得结果表明平台实现了子网间的通信及与异构网络的融合。

4 结论
    本文介绍了基于WLAN的无线Mesh网络测试床。针对无线Mesh网络节点MAP，在前人研究的基础上进行改进，提出了新的实现方案并成功地完成了测试床的搭建工作。该测试床的建立，为包括接入认证、密钥管理、安全路由在内的Mesh网络各关键技术，在真实环境下提供一个开发试验平台。