基于HWMP协议的无线Mesh网络多网关路由策略

科技信息计算机与网络1、引言无线网状网(WirelessMeshNetwork，WMN)是基于无线自组网发展而来的一种相对静态的无线网状网络。无线网状网[2]不同于以往任何一种有线或无线的网络技术，它的技术关键是允许节点通过邻近节点的多跳中继后接入网络，它的主要作用是帮助网内节点快速、高效地与外网进行数据交换（这个外网主要是指Internet）。无线网状网不仅满足了人们日益增长的对网络的高速度、高吞吐量的追求，而且它的低成本和易安装等特性，也让它更广泛地应用在各种场景中。无线网状网的技术指标正由IEEE802.11、IEEE802.15和IEEE802.16标准工作组研究制定。802.11s工作组主要研究制定基于IEEE802.11协议下的无线网状网相关技术指标。2、HWMP协议HWMP[3]（HybridWirelessMeshProtocol）是IEEE802.11s默认的路由协议，是一种混合路由协议。它的优势是可以在复杂多变的网络环境下，为源节点找到一条通往目的节点的快速、有效的网络路径。协议支持三种路由模式，一种是按需路由模式，一种是前摄式树状路由模式，另一种是将以上两种路由模式相融合的混合路由模式。该协议的信息元素包括路由请求帧RREQ（RouteRequest）、路由应答帧RREP（RouteReply）、路由报错帧RERR（RouteError）、路由通告帧RANN（RouteAnnouncement）四种。按需路由模式主要取自AdHoc按需距离矢量路由协议(AdhocOn-demandDistanceVector,AODV)。在该模式下，节点A要和节点B通信，首先广播RREQ，节点B收到RREQ后发送单播的RREP给A，这样节点A就有了到达节点B的路径。这种模式适用于网络中不存在根节点的网络环境，或是存在根节点但是网络使用AODV能取得更好的路径使用状态。前摄式树状路由模式下，根节点维护着到网内所有节点的路由信息，网内所有节点需要交换信息，都得经过根节点转发，该模式适用于有根节点配置的网络环境。混合路由模式下，节点发送数据时同时使用以上两种模式。源节点首先将数据转发到根节点，然后发送按需路由模式下的RREQ,寻找到目的节点的直接路径。当找到了直接路径后，如果这条直接路径比之前通过根节点转发的路径性能更优，以后在传送信息时，就选择这条直接路径。这种路由模式有效地减少了数据传送时延，并且源节点可以选择最有效的路径进行传输。HWMP协议虽然可以减少端到端延时、提升网络性能，但是HWMP协议使用了以网关节点为根节点的树状拓扑结构，使得节点在通过根节点（网关）与外网进行数据交换时，在根节点（网关）处形成网络瓶颈，降低了网络的吞吐量。3、基于HWMP的多网关选择策略3.1网关选择问题描述图1多网关网状网对于HWMP协议下产生的网络瓶颈，本文认为可在网络中设置多个网关，网内信息同时通过多个网关与外界进行数据交换，以此提高网络与外网的数据交换能力。如图1，无线终端通过Mesh接入点接入网络进而接入到Internet上。终端节点既可以从A进入Internet，也可以通过B进入Internet。终端最终选择A或B进出Internet的过程，称为网关选择问题[4]。3.2网关选择依据网关选择问题不仅需要考虑各网关节点的状态，还要考虑源节点到网关节点的传输过程。为此文章综合以下几个因素作为路由判断依据：一是节点到各网关节点的跳数，它反映了节点到网关节点的距离因素；二是各网关节点剩余的缓存空间，该参数反映了网关节点的剩余传输能力；三是各节点在单位时间内成功接收的RANN帧数，这个参数反映出节点通往各网关的链路质量。在多网关选择问题中，对于节点i，我们设立一个决策函数f（i）。设立跳数比hi，它是网关节点A到节点i的跳数ha与网关节点B到节点i的跳数hb的比值，即hi=ha/hb；设立网关节点缓存比mi，它是网关节点a与网关节点b剩余缓存空间的比值，mmax是该节点的最大缓存空间值，mr是该节点已用的缓存空间，ml是该节点剩余的缓存空间，ml=mmax-mr，mi=mla/mlb；设立正确接收RANN数的比值ｒi，它是节点i成功接收来自网关节点a的RANN数与节点i成功接收来自网关节点b的RANN数之比，即ri=ra/rb。决策函数：f(i)=(mi×ri)/hi节点选择使f(i)值取最大值所对应的网关接口作为与外网交换数据的接口。3.3网关工作过程根据HWMP协议，首先是根节点构建网络树。当网络中出现多个网关如图1，A网关在发送信息时，B将自己作为普通节点并将来自A的信息全部保存下来。同理，B网关在发送信息时，A亦记录下来自B的所有信息并默认B为网关。中间节点将来自所有网关的信息都保存下来，以备在网关选择时作为判据使用。具体工作过程如下：根节点在全网内广播一个RREQ，该RREQ中包含了metric值和序列号。节点在收到RREQ时，记录下metric值和相关节点信息，然后在路由表中做相应更新后再行转发。因为需要通知各节点每个根节点（网关节点）的剩余缓存空间，所以我们将根节点（网关节点）的剩余缓存空间的大小作为初值赋给metric。网内各节点在收到相应的RREQ后，记录下跳数、metric等信息，完成路由的更新。然后继续转发RREQ并返回根节点一个RREP。经过一段时间，每个节点均建立起了一条到根节点的双向路由。中间节点在接收到RREQ时，首先检查RREQ的序列号是否存在于自己的路由表中。如果没有，则更新自己的路由表，然后再行转发。如果RREQ的序列号之前就已存在于自己的路由表中，再比较RREQ分组中的跳数、metric等是否更优于之前已经存在的RREQ信息。如果有，则记录下相应信息后再行转发；如果没有，则丢弃该数据分组。假设新收到的RREQ分组中的metric为0，表示该网关节点处于过载状态，中间节点就在自己路由表中删除一切与该根节点有关的所有信息，再向前转发。路由树建立后，根节点会周期性的广播RANN分组以告知各节点自己的状态信息。各节点在需要选择网关时，会计算出单位时间内收到的RANN分组数。如果单位时间内，没有收到来自某网关节点的RANN，表示从网关到该节点的链路出现断裂或拥塞，节点就会在路由表中删除该网关信息。如果有RANN统计，则会通过决策函数选择出与外网进行数据交换的网关接口。4、实验仿真文章为了证明在多网关环境下数据传输能取得更大优越性，本节利用NS2实验平台比较了单网关和多网关环境下，数据在成功传输率和传送延迟上的差别。数据成功传输率是指目的节点收到的数据包个数与源节点发送的数据包个数的比值。传输延迟是指从源节点发送这个数据开始到目的节点收到这个数据为止的这段时间。网络仿真环境是由25个节点组成的一个正方形方阵，在方阵的4个拐角处的节点充当网关。在网络外部设置一个节点充当目的节点。基于HWMP协议的无线Mesh网络多网关路由策略安徽中医药高等专科学校公共基础教学部过珺［摘要］无线网状网是一种多跳中继网络技术，它有效解决了网络接入“最后一公里”[1]问题。本文在基于HWMP协议下，提出给网络配置多个网关以缓解无线网状网网关处的瓶颈问题。并在网关选择问题上，综合考虑了网关的剩余传输能力、节点到网关节点的跳数以及节点收到的来自网关节点的RANN数。实验发现，在多网关环境中，网络性能得到有效提升。［关键词］无线网状网HWMP多网关路由——282科技信息计算机与网络语言呈现教学内容的，因此声音媒体呈现艺术是多媒体画面艺术的重要组成部分。声音运用得好往往可以起到解构画面、烘托气氛、渲染情感的作用。声音与画面恰当结合，可以锦上添花，达到最佳的视听效果。声音主要包括语音、音乐、音响效果。话音语言主要指解说，是三种声音形式中的主体。由于话音语言的逻辑性强，具有和文本一样的“表意准确”的特点，能够系统和完整的表达概念和理论，可以用以配合画面中的图、文表述教学内容的具体含义，以加强对文、图的理解与记忆。如介绍语言实验室时，利用图片向学生展示各种语言实验室，通过同步解说，让学生更具体的了解各种语言实验室的功能特点。解说的设计要从教学的需要，充分发挥解说的优势。配音时，要考虑与画面内容的同步，同时，要求表述严谨、吐词清晰、声音悦耳。背景音乐作为画面和解说的陪衬，能很好地衬托环境，抒发感情，引发人的思维和想象，起到对画面情绪上的补充和深化、增强画面的艺术感染力的作用。背景音乐的选择要求与画面内容相适应，不能随便从音乐素材库中挑一段自以为动听的乐曲给配上，导致音乐那丰富的表现力就无法发挥出来。音乐的播放切忌喧宾夺主，要注意避免音乐的响度超过解说，或音乐旋律分散学习者的注意力。音响是指画面上物体运动或变化时发出的声音，在画面呈现教学内容时，恰当的配以音响，可以增强真实感或吸引注意力。如给学生讲授动物的特征和习性时，利用图形、图像，适当地配以动物的叫声，生动的情景、清晰逼真的声音使学生仿佛置身于动物园里，大大激发了学生的情感和想象。运用音响时，要注意音响效果的真实性。六、动画活泼有趣、播放自然流畅运用动画效果可以使多媒体画面更加生动活泼，可以活跃教学气氛，还可以控制信息演示流程，使教学内容按先后顺序依次呈现，避免信息的相互干扰，并突出重点内容。不过运用动画效果时，应该记住一条原则，那就是动画效果不能用得太多，而应该让它起到画龙点睛的作用；太多的闪烁和运动画面会让听众注意力分散甚至感到烦躁。动画方案的选择要注意内容与形式的统一，教学课件一般不宜使用过分跳跃的动画效果，会使读者产生眼花缭乱感。课件动画节奏要与画面内容以及解说速度相适应，对于复杂的、难以理解的重点、难点部分，以节奏慢一点为好，使学生有看清和思考的时间，节奏太快会使人产生紧迫感，不利于内容的消化和理解。但节奏太慢又会使人感到厌烦沉闷，为加强学生感官刺激，偶尔也可使用跳跃式的快节奏和大量的闪光，但在课件动画中不宜多用。例如，摄像机的结构介绍，动画呈现速度要慢，让学生清楚了解摄像机各个部分的结构组成，而展示各种类型的摄像机时，速度则可以加快，既可调节节奏，活跃气氛，又可用以表现摄像技术的快速发展。PPT提供了强大的超链接功能，使用它可以在幻灯片与幻灯片之间，幻灯片与其它文件或程序之间以及幻灯片与网络之间自由的转换，将PPT中的超链接功能灵活地运用于我们的课件中，课件的播放不再是单一的线性方式，而会按照我们的思路变得生动而丰富。利用PPT的超链接功能，在学习激光影碟机的使用时，可直接切换到录像机的使用，自然流畅地进行对比学习。很多教师不熟悉这一功能，在教学演示时，如要跳转到非下一张幻灯片或其它文件，往往停止播放，去寻找相应的幻灯片或文件，这样，打乱了原有的教学节奏，从而使课件演示无法自然流畅。超链接按钮的设置，要注意美观，根据需要，改变按钮的大小、形状、色彩。文本色彩要与按钮色有一定的区别，以便于识别。按钮色可以与背景色相同，以隐藏按钮，也可以选择与背景相协调的其它色彩，来美化画面，以增强画面的艺术效果。总之，多媒体画面的制作要借助一定的艺术形式，将艺术性贯穿于课件设计的始终，但也不能单纯地为艺术而艺术，要确保画面每一个因素存在的合理性、必要性，要将教育性、科学性、技术性与艺术性完美结合，创造出具有强烈艺术感染力的优秀课件。参考文献［1］游泽清.多媒体画面艺术设计.清华大学出版社.［2］雷钢.漫谈多媒体课件的艺术性.中国教育信息化，2007.(4):37-39.［3］赵克学.如何塑造多媒体课件的艺术性.信息技术教育，2006.(6):67-70.（上接第281页）网络全部为单信道环境。网络的参数设置：MAC类型是采用IEEE802.11b；节点传输速率：11Mb；流量发生器类型是CBR（恒定速率的数据流）；节点间传输距离是100米；数据包大小1000字节；仿真时间600s，其他数据采用默认值。仿真的思路是：在CBR流量发送速率不断增加即网络负载不断加重的情况下，观察不同网关数下网络的性能。为了表明不同数目网关的性能，我们引入数据传输成功率α。α=仿真期间到达目的节点的数据总和仿真期间