无线Mesh网络技术在高校校园中的应用

无线Mesh网络技术在高校校园中的应用罗奇（湖南信息职业技术学院，湖南长沙，410200）摘要：无线Mesh网络是一种无线多跳网状拓扑网络，可以和多种宽带无线接入技术相结合，具有很大的应用前景。本文论述了无线Mesh的网络架构、特点和关键技术，以及在高校校园中的应用。关键词：无线Mesh；网状拓扑；高校校园；应用AnalysisofWirelessMeshNetworkTechnologyAppliedintheCollegeCampusLuoQi(HunanCollegeofInformation,Changsha410200,China)Abstract:WirelessMeshNetworkisawirelessmulti-hopmeshtopologynetworkandcancombinewithavarietyofbroadbandwirelessaccesstechnology,whichhasgreatapplicationprospects.ThispaperdiscussestheWirelessMeshNetworkarchitecture,featuresandkeytechnologies,aswellasitsapplicationincampus.Keywords:wirelessMesh;meshtopology;collegecampus;application0引言目前国内部分高校已经部署了无线校园网，但是一些学校的无线校园网的使用没有达到预期的效果。遇到的问题主要有：①室外覆盖基本不可用，设备容易受到损坏；②和现有有线设备不能统一管理，维护工作量巨大；③无线信号不稳定，用户经常断线；④无法对无线用户进行有效管理，存在很大的安全隐患；⑤无线带宽得不到保障，下载速率远低于有线。解决这些问题的传统作法是在室内高密度地安装AP，而在室外安装的AP数量则很少。但由于校园网的用户需求变化较大，有可能经常需要增加新的AP或调整AP的部署位置，这会带来很大的成本增加。而使用无线Mesh方式组网，不仅易于实现网络的结构升级和调整，而且能够实现室外和室内之间的无缝漫游。1无线Mesh网络技术综述无线Mesh网，即无线网状网，也称为无线多跳网，它可以和多种宽带无线接入技术如802.11、802.16、802.20以及3G移动通信等技术相结合，组成一个含有多跳无线链路的无线网状网络。这种无线网状网，可以大大增加无线系统的覆盖范围，同时可以提高无线系统的带宽容量以及通信可靠性，是一种非常有发展前途的宽带无线接入技术。无线Mesh网主要由两种网络节点组成：Mesh路由器和Mesh终端。Mesh路由器除了具有传统的无线路由器的网关、中继功能外，还具有支持Mesh网络互连的路由功能。Mesh路由器通常具有多个无线接口，这些无线接口可以是基于相同的无线接入技术构建，也可以是基于不同的无线接入技术。与传统的无线路由器相比，无线Mesh路由器可以通过无线多跳通信，以极低的发射功率获得同样的无线覆盖范围。在无线Mesh网络中，由Mesh路由器互连构成无线骨干网，这个无线骨干网再通过其中的网关Mesh路由器与外部网络如Internet相连。Mesh终端也具有一定的Mesh网络互连和分组转发功能，但是一般不具有网关桥接功能。通常，Mesh终端通常只具有一个无线接口，实现复杂度远小于Mesh路由器。Mesh终端可以是笔记本电脑、掌上电脑、PDA以及手机等终端设备。Mesh终端之间互连可以构成一个小型对等通信网络。2无线Mesh网络的特点无线Mesh网络是一种非常适合于覆盖大面积开放区城（包括室外和室内）的无线区域网络解决方案。无线Mesh网络的特点是：由包括一组呈网状分布的无线AP构成，AP均采用点对点方式通过无线中继链路互联，将传统WLAN中的无线“热点”扩展为真正大面积覆盖的无线“热区”。这种结构的好处有：①自组织。网络节点和授权最终用户可即时加入网络，扩展网络覆盖范围，并可连接至所有其他节点；②自愈合。如果网络中的某台设备发生故障或从其拓扑位置上拆卸，网络会自动适应这种改变。既使发端与对端之间的连接涉及多台中继设备，网络也会找到从发端到对端的新的路由；③多跳式。每个网络节点和用户端设备（无线通信单元）均能转发和路由发送至另一个对端的数据包，能选择并确定一个从发端到对端的最佳路由；④点对点网络。自组织网络通常由平等的网元构成，只要发端和对端的距离足够近，就能直接连接发端和对端。而不必通过中央管理节点。因此，最适合部署无线Mesh网络的环境有：较大的大学校园，作育场馆，公共场所，住宅小区，以及需要监控的公共场所。3无线Mesh网络的关键技术3.1MAC协议无线Mesh网络的Mac层协议需要根据无线Mesh网络的特性作相应的改动。尽管存在一个集中实体（网关），但网关将不可能协调几跳之外的节点的Mac层。有大量为Manets设计的Mac协议，它们之中很多都能够在无线Mesh网络中工作得相当好。特别是Macaw，（802.11中标准化的RTS/CTSoption），在避免隐藏节点问题的影响方面非常有效。无线MeshMac中的一个重要问题是如何高效利用多个物理信道。可能涉及的问题包括：信道分配、单信道Mac层、多信道Mac层、智能天线的Mac层。3.2路由协议路由协议是任何网络的一个重要因素，但对无线Mesh网络来说意味着成败的关键，因为无线Mesh网络与其竞争技术相比较的好几个优势都是由路由协议带来的。由于无线Mesh网络中节点分为不同类型（MobileRouter以及MobileClient）并具有不同的移动性、能量约束及业务模式，所以对路由协议也有相应的不同要求。主要要求包括：可扩展性、可靠性、移动用户连接性、QoS以及高效Mesh基础网络路由。目前比较重要的无线Mesh网络路由协议包括：802.11s默认的HWMP协议、802.11s可选的RA-OLSR协议、微软公司研发的MR-LQSR协议、Tropos公司开发的PWRP协议等。3.3安全性无线Mesh网络的多跳及自组织特性，也是其在安全性方面的天然缺陷。首先无线链路的应用使得WMN易受从被动偷听到主动破坏的影响；其次，移动单元如果没有充分的物理保护易被捕获、劫持和泄密；第三，WMN中的决策经常是分散的，没有可靠的中心授权在WMN中分发公共密钥；WMN的路由也呈现了另一种脆弱性。WLAN是直接在接入点之上或通过网关的AAARadius（远程鉴权拨入用户服务）来处理的，这样一种集中化的体制不能应用于无线Mesh网络中。需要为无线Mesh网络提出一种具有安全密钥管理的分布式鉴权与授权机制。为进一步保证无线Mesh网络的安全性，需要考虑两种另外的类别：将安全机制嵌入到网络协议中，例如安全路由和Mac协议，或者开发安全监控和反馈系统以检测攻击，监控服务中断，以及对攻击快速反应。3.4移动性支持无线Mesh网络分为两种类型：基于网络二层的无线Mesh网络和基于网络三层的无线Mesh网络。从TCP/IP的角度来看，基于网络二层的无线网状网是把整个无线Mesh网络当作一个IP子网。这个IP子网是一个完整的广播域。而基于网络三层的无线Mesh网络则允许把整个无线网状网划分为多个IP子网。子网之间的通信是通过IP路由来实现的。基于二层的无线网状网实现起来简单一些，但由于广播域的限制以及管理的方便，当网络覆盖稍大时需要采用基于网络三层的无线网状网。在基于网络二层的无线网状网中，整个无线Mesh网络被当作一个IP子网。从外部IP路由的角度来看，新旧的接入点在同一个目的地，从路由上无须调整，只是网状网内部二层网桥转发信息需要调整，实现起来比较简单。但用纯二层的方法无法将无线网状网铺到稍具规模而不影响网络性能，所以在这种情况下支持基于三层的跨子网漫游是必不可少的。4无线Mesh网络在校园网中的应用采用无线Mesh，完全满足高校校园无线网络对多跳高带宽、多跳低时延、网络拓展好、抗干扰能力强、覆盖范围广、安全性能高和建设成本低等要求，可以轻松的构造一个高速率、低成本、建设方便快捷、功能服务齐全、运营维护简单的高效优质无线专网，以满足校校园的校园视频监控、无线上网、重大活动直播和突发事件对无线网络的需求，如图1所示。图1校园无线Mesh网络拓扑图4.1应用需求①无线宽带上网：对教学楼、图书馆、实验楼、办公楼、学生宿舍、体育馆等室内环境和草坪、操场、主干道路等室外主要活动区域进行无线覆盖，实现无线宽带上网；②安全视频监控：对道路、校园出入口、宿舍出入口、停车场、餐厅、财务室、器材室、实验室等安全、治安防范重点区域进行集中实时视频监控；③无线VoIP：建设校园内部无线VoIP网络，通过WiFi手机等进行移动语音通信，实现内部通话“零”话费，并和本地公用电话网络互联。4.2建网难点①学生宿舍区、教学楼、实验室等场景，用户密度高，业务流量大；②对网络安全有较高要求，需提供完整的用户认证管理和计费系统。4.3解决方案①室内环境一般采用AP，根据建筑物特征，可选择室内分布式覆盖或室外穿透式覆盖方式布点；②室外环境通常采用无线Mesh路由器，按照广覆盖策略进行布点，无线视频监控则采取定点回传方式；③体育馆等空旷或不方便布线的室内场景可选用室内小Mesh模块；④用户密度较稀，流量较小的场景，采用宏AP进行覆盖；用户密度高，流量大的场景可采用多模块AP进行覆盖；⑤中心机房配备无线接入控制器、网络管理服务器、用户管理和计费服务器、监控服务器、语音网关等设备，对无线设备及用户进行统一管理，并提供接口连接公网。5结语总之，作为一种新型的网络，无线Mesh网络具有组网快速灵活，接入速率高，覆盖范围广，投资较小，技术相对成熟，网络建设时间短，便于升级等优点，将在更多的高校校园网络中得到更广泛的应用，并有望给无线领域带来一场重大变革。参考文献[1]H3C.新一代网络建设理论与实践[M].北京:电子工业出版社,2011.381-449.[2]王达.网络工程师必读-网络系统设计[M].北京:电子工业出版社,2006.92-120.[3]陈丽娟.应用于无线Mesh路由协议的研究[J].通信技术,2009,42(06):68-70.[4]杨峰,黄俊,罗小华.无线Mesh网络综述[J].数据通信,2009,9(1):12-18.作者简介：罗奇（1982-），男，湖南长沙人，助理实验师，工学学士，研究方向为计算机技术。联系电话：[phone]（办），邮箱：[e-mail]联系地址：湖南省长沙市望城区旺旺中路8号，湖南信息职业技术学院，计算机工程系，410200