论文总字数：25416字

摘 要

快速发展的无线宽带接入系统，其网络覆盖范围和带宽容量已经不能满足当前用户的需求，无线Mesh网络（WMN）作为一个理想的解决方案，不但能够提升系统的覆盖范围，还能够增强无线网络的带宽容量和可靠性，渐渐获得无线行业的关注。WMN是一种多跳的无线网状网，具备自组织、自管理以及自愈的特点，并且可以同当前多种无线网络兼容。但是，在很多应用场景下，比如智能交通系统（ITS），网络中的很多应用需要依赖互联网资源，而Mesh网关是网内节点与外网通信的关键节点，所以网关处很容易成为网络流量瓶颈，使用多网关的方法，即在网络中设置多个网关，网内节点通过多个网关与外网进行通信，可以提高网络的吞吐量，解决网关节点拥塞问题。

在这样的背景下，本文先对无线Mesh网络相关知识进行了归纳性研究，包括概念、架构、特点等，然后对IEEE802.11s协议草案的关键技术以及多网关无线Mesh网络的研究现状进行研究总结，接着对基于Open80211s嵌入式多网关实现方案进行了详细阐述，最后在开发板上搭建了测试平台，对多网关无线Mesh网络的功能和性能进行验证与测试。

关键词：无线Mesh网络；多网关；IEEE802.11s

Study and Implement of Multi-gateway Wireless Mesh Network

Abstract

Wireless broadband access systems, with rapid development, face the problem that the network coverage and bandwidth capacity can not meet the needs of today's users. Wireless Mesh Network (WMN), as an ideal solution, can not only increase the coverage of the system, but also enhance bandwidth capacity and reliability of the wireless network, which makes it gradually get the attention of wireless industry. WMN is a kind of multi-hop wireless mesh network, with features of self-organizing, self-managing and self-healing, and can be compatible with the current variety of wireless networks. However, in many scenarios, such as Intelligent Transportation Systems (ITS), many applications need to rely on Internet resources, and Mesh Gateway is a key node of communication between nodes in WMN and external network. So it is easy for Mesh Gateway to become the traffic bottlenecks. By the method of multi-gateway, which sets multiple gateways in the network, the node in the network can communicate with external networks through multiple gateways, which could improve network throughput and then solve the congestion problem at the gateway.

In such context, the paper first learns and summarizes knowledge about Wireless Mesh Network, including concepts, architecture, features, etc. And the key technology in IEEE802.11s draft protocol and status of multi-gateway wireless mesh networks is also studied. Then the embedded multi-gateway implementation, based on Open80211s, is described in detail, and finally a test platform is built on the development board for the verification and testing of functionality and performance of multi-gateway WMN.

Keywords: Wireless Mesh Network；Multi-gateway； IEEE802.11s

目录

摘要 I

Abstract III

目录 V

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 论文的主要工作 1

1.3 论文的内容与结构 2

1.4 本章小结 2

第2章 无线Mesh网络概论 3

2.1 无线Mesh网络简介 3

2.2 无线Mesh网络架构 3

2.3 无线Mesh网络特点 6

2.4 基于802.11s的无线Mesh网络基本原理和机制 7

2.4.1 基于IEEE802.11s协议的网络架构 8

2.4.2 关键技术标准 9

2.5 多网关无线Mesh网络 11

2.6 本章小结 13

第3章 基于Open80211s嵌入式多网关实现 15

3.1 基于Open80211s多网关实现 15

3.1.1 Open80211s简介 15

3.1.2 Open80211s在Linux内核中的实现 15

3.1.3 基于Open80211s多网关无线Mesh网络的实现 17

3.2 Linux嵌入式平台的搭建 20

3.2.1 硬件环境选择 20

3.2.2 软件环境选择 22

3.2.3 系统环境配置 22

3.2.4 功能节点的配置 23

3.3 本章小结 23

第4章 多网关无线Mesh网络测试 25

4.1 测试方案 25

4.2 功能验证 25

4.2.1 多网关功能的实现 25

4.2.2 无线Mesh网络与Internet的互连互通 28

4.3 性能测试 30

4.3.1 测试过程 30

4.3.2 吞吐量的测试结果 31

4.3.3 延迟的测试结果 32

4.4 本章小结 33

第5章 总结与展望 35

致谢 37

参考文献 39

绪论

研究背景和意义

快速发展的无线宽带接入系统，在网络覆盖范围以及带宽容量不能满足当前用户需求的缺点下，很难进行后续发展。这些年，无线Mesh网络（WMN）渐渐获得无线行业的关注，它提供了一种实惠的解决方案，为住宅小区和写字楼提供“最后一英里”的无线宽带互联网接入[1]。无线Mesh网络，是一种多跳的无线网状网，具备自组织、自愈以及自管理的特点，并且可以同当前多种无线网络兼容。同多种无线接入技术相结合，例如WLAN、WPAN和无线城域网，可以组成一个包含多跳链路的无线网状网。这种网络，不但能够提升系统的覆盖范围，还能够增强无线网络的带宽容量和可靠性，这也让它成为无线宽带接入系统的一个理想的解决方案[2]。

Mesh路由器通过无线链路可以组成WMN骨干网供移动客户端使用，并且，客户端发出的数据也能够通过Mesh路由器转发到外网，WMN的目的是为Mesh用户提供网络连接，在很多应用场景下，比如智能交通系统（ITS）中，业务大都为汇聚型业务，网络中的很多应用需要依赖互联网资源，而Mesh网关常常是Mesh数据流的源节点或目的节点，所以网关处很容易成为网络流量瓶颈[3]，网关节点的拥塞对用户获得互联网服务有很大的影响，并且因为网关节点拥塞导致的丢包，会降低网络吞吐量，采取有效的方案均衡网关之间的流量，避免网关处的拥塞现象是Mesh网络近年来的研究热点[4]。

使用多网关的方法，即在网络中设置多个网关，网内信息通过多个网关与外网进行通信，可以提高网络的吞吐量，解决网关节点拥塞问题，本课题在辅助研究生实现多网关无线Mesh网络负载均衡方案的基础上，采用不同的度量值与算法对原有的网关选择算法进行改动，并利用已有的单网关的Linux嵌入式移植平台，进行内核的编译与移植并搭建多网关无线Mesh网络，对网络的功能和性能的测试。

论文的主要工作

本文在对无线Mesh网络的概念、IEEE802.11s协议的关键技术以及多网关无线Mesh网络的现状进行研究与总结的基础上，又对基于Open80211s的嵌入式多网关的实现方案和移植进行阐述，最后对所搭建的多网关无线Mesh网络的测试方案和测试结果做了详细的介绍。

论文的内容与结构

本文内容主要分为四章，每一章的主要内容安排如下：

第一章介绍了本课题的研究背景以及意义，论文的主要工作、论文的内容和结构等。

第二章介绍了无线 Mesh 网络的相关背景知识，包括无线 Mesh 网络的概念、网络结构及其特点，然后对基于802.11s的WMN的部分原理进行介绍，最后对多网关Mesh网络方案进行研究与总结。

第三章介绍了基于Open80211s多网关的实现与Linux嵌入式平台的搭建。

第四章介绍了对于组网的多网关无线Mesh网络进行功能和性能的验证与测试，包括测试方案、测试过程与结果，并对测试结果进行分析和总结。

第五章对整个毕业设计的工作进行了归纳总结。

本章小结

本章首先介绍了本文的研究背景以及研究的意义所在，接着阐述了本课题所进行的主要工作，最后介绍了本文的主要内容和各章节的组织与结构。

无线Mesh网络概论

无线Mesh网络简介

无线Mesh网络（Wireless Mesh Network，WMN），也被称为无线网状网，无线网格网，是一种部分或者说全部具有网状拓扑的网络。这种网络的组织形式，与Ad-hoc网络（移动自组织网络）的形式非常相像。网状拓扑，即点对点的拓扑，如图 2‑1(a)所示，各组网节点之间构成网状的网络，每个组网节点都可以提供接入服务，移动终端可以通过这些节点与外网或者网内节点进行通信。这和传统的网络，比如无线局域网（WLAN）的拓扑相差很大，因为WLAN常常采用的是星状拓扑，如图 2‑1(b)所示，只有中心节点提供接入服务，与网内节点通信也必须通过中心节点。

图 2‑1(a) 点对点拓扑 图 2‑1(b) 星状拓扑

图 2‑1 无线网络拓扑

由于无线设备传输功率的限制，传统网络的星状拓扑使得它的覆盖范围受到极大的限制，并且由于必须配备有线网络，使得它的应用范围缩小了很多，在一些特殊场景下，比如ITS智能交通系统，缺乏有线网络，传统网络无法使用。而无线Mesh网络这种对等式的拓扑结构很好的解决了这些问题，它将原来单一的中心节点扩展为由多个节点组成的网络，扩大了覆盖范围。在一些特殊场景下，节点间可以临时组网，进行内部通信，解决了没有有线网的问题。虽然与Ad-hoc网络相比，它们拓扑结构相似，但是相比于Ad-hoc网络的适用于节点高速移动的环境，WMN更适合移动性较小的或者节点静止的环境，所以它们的设计标准相差很大。

无线Mesh网络架构

无线Mesh网络具有自组织、自愈合以及自配置的特点。广义上，它由三类功能节点组成，第一类是网关Mesh路由节点，具有连接Mesh网络与外部网络的功能；第二类是普通的Mesh路由节点，具有路由转发的功能；第三类则是具有接入功能的Mesh路由节点，为移动客户端提供接入服务，使得移动客户端能够与Mesh网络内部，乃至外网进行通信。这三类节点都具有Mesh路由转发的功能。但并不是所有的无线Mesh网络都同时具有这三类功能节点。当然，Mesh客户端作为Mesh网络的用户，在某些Mesh网络架构中可以替代功能节点的一些功能。按照结构层次划分，Mesh网络被分成了三种不同的网络架构，分别为平面结构、分层结构和混合结构[5]。

1. 平面结构

具有平面结构的无线Mesh网络由对等的Mesh客户端组成，各节点通过自组织或自配置的方式进行组网，从而在各个终端设备之间，提供一种点对点的无线通信服务，客户端起到了Mesh路由的功能，无需Mesh路由节点。这种结构在某种程度上是一种传统的Ad-hoc网络，因为节点的移动性相对增大，拓扑自然由静态变为动态。在一些特殊应用场景，比如在通信基础设施出现故障或者遭到破坏的情况下，可以提供临时的网络，为网内的移动设备提供相互通信的服务。平面结构的网络结构如图 2‑2，其中虚线表示无线链路。

图 2‑2 无线Mesh网络平面结构

1. 分层结构

具有分层结构的无线Mesh网络是应用最多、最典型的Mesh网络，拓扑如图 2‑3所示，其中，虚线表示无线链路，实线表示有线链路。三类功能节点：Mesh网关、普通Mesh路由器以及具有接入功能的Mesh路由器，共同构成了Mesh骨干网，这三类节点位置相对固定，更加体现了Mesh网络的特点。网关节点与Internet通过有线相连，为网内节点提供互联网服务；网内节点通过无线相连，并具有自组织与自配置的特点；而接入点为使用不同无线技术的客户端提供接入服务，接入点运行着两种协议，一种是Mesh网络协议，一种是能够支持它所接入的移动客户端使用的协议，因此，这种结构能够很好的兼容现有的设备，使得网络的覆盖率与可靠性得到了很大的提升。

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