何淵淘　劉燕美

基于OLSR路由協(xié)議的Wireless Mesh Network實驗設(shè)計

何淵淘，劉燕美

（鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，河南 鄭州 450000）

摘要：WMN（Wireless Mesh Network）即無線網(wǎng)狀物，該網(wǎng)絡(luò)在無線媒介上以多跳的方式構(gòu)成通訊系統(tǒng)。無線網(wǎng)狀網(wǎng)是無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展重心，但由于無線網(wǎng)絡(luò)本身的各種標準和實現(xiàn)處于快速發(fā)展的時期，難以針對其開展有效的實踐教學(xué)活動。在本文中作者提出了基于OpenWRT和802.11標準的WMN實驗方案，解決了該難題。同時加強學(xué)生對多跳網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的認識和理解，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和科研素質(zhì)。

關(guān)鍵詞：WMN；OLSR；OpenWRT；實驗設(shè)計

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）19-4393-04

Abstract： WMN so called wireless mesh network，is a type of network construct by multi-hop structure on wireless media. WMN is the focus of wireless network， but it is difficult to conduct an experiment in class. The major reason for this is the fast development of the WMN itself and the diversity definition of the WMN protocols. To deal with the problem， the author propose a WMN experiment which base on OpenWRT and 802.11 in this paper. This solution not only enhance the comprehension concept of ‘multi hop network' and ‘wireless routing protocols '， but also develop the creative ability and scientific research quality of the students.

Key words： WMN； OLSR； OpenWRT； experiment design

伴隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，社會對無線網(wǎng)絡(luò)的需求在提升，人們迫切需要在任何時間地點接入網(wǎng)絡(luò)。由此帶來了各種無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，例如4G、WiFi和UWB。但受限于網(wǎng)絡(luò)部署的時間和成本的因素，在人口比較稀少或者臨時性場所以及災(zāi)難地區(qū)的組網(wǎng)一直面臨著較大的難題，WMN就是針對該問題而提出的解決方案[1]。WMN也是未來無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的核心和發(fā)展目標，但WMN其自身也處于快速的發(fā)展進程中，存在著眾多的私有和共有標準。以上這種現(xiàn)象給WMN的實驗帶來了極大的困難，而開源WMN路由協(xié)議的發(fā)展，給WMN網(wǎng)絡(luò)的實驗帶來了可能。利用價格低廉的家用路由器和開源軟件，學(xué)生可以在實驗室環(huán)境下進行WMN的部署。能極大加深WMN的理解，并認識到其優(yōu)勢和不足，開展該項實驗對網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)起到了重要的作用。

1 無線網(wǎng)狀網(wǎng)

無線網(wǎng)狀物是由節(jié)點以無線形式互聯(lián)所形成的的多跳型的通訊網(wǎng)絡(luò)，這些節(jié)點通常承載著無線路由協(xié)議，以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的可達性。無線網(wǎng)狀網(wǎng)中的節(jié)點可以是個人電 腦、筆記本以及嵌入式設(shè)備，同時節(jié)點的數(shù)目則不受任何限制。無線網(wǎng)狀網(wǎng)的節(jié)點按照設(shè)備的類型，分為路由節(jié)點和用戶節(jié)點，路由節(jié)點通常由無線路由器組成，而用戶節(jié)點通常是筆記本、手機等可移動設(shè)備。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中存在節(jié)點的類型和用戶節(jié)點間是否進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，將無線網(wǎng)狀通常分為三種類型，骨干式無線網(wǎng)狀網(wǎng)、用戶型無線網(wǎng)狀網(wǎng)、混合型無線網(wǎng)狀網(wǎng)[2-5]，其結(jié)構(gòu)間圖1、圖2、圖3。

圖1 骨干型WMN

其中骨干型WMN僅由路由節(jié)點節(jié)構(gòu)成，用戶節(jié)點的數(shù)據(jù)必須由網(wǎng)關(guān)節(jié)點來轉(zhuǎn)發(fā)；而用戶型WMN僅有用戶節(jié)點組成，用戶節(jié)點扮演了路由的角色；而混合型WMN中路由節(jié)點和用戶節(jié)點都能起到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的作用，同時網(wǎng)絡(luò)中呈現(xiàn)出層次結(jié)構(gòu)。

WMN是Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的一種特殊形態(tài)。首先WMN網(wǎng)絡(luò)引入了結(jié)構(gòu)，即存在路由節(jié)點和用戶節(jié)點兩種類型的節(jié)點。其次WMN的節(jié)點較Ad-hoc有著更低的移動性和和更可靠的供電。再次，由于不受到供電的制約，WMN的節(jié)點可以使用更多的頻段來提升網(wǎng)絡(luò)傳輸性能，充足的電源供應(yīng)讓W(xué)MN有著更大的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。最后，WMN通常使用TCP/IP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，這就能和其他類型的網(wǎng)絡(luò)很方便的混合組網(wǎng)，見圖3。

無線路由協(xié)議對無線網(wǎng)狀網(wǎng)起到了核心的作用，無線路由協(xié)議通過節(jié)點間的無線信道來交換鏈路狀態(tài)和路由表信息從而形成完整的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。在整體上，根據(jù)節(jié)點中是否存在網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點的路由可以分為主動式路由協(xié)議和被動式路由協(xié)議，由于WMN節(jié)點普遍有著可靠的電源和較低的移動型，同時有著較高的網(wǎng)絡(luò)帶寬和較低的網(wǎng)絡(luò)延時，主動式路由協(xié)議占據(jù)了較大的比重。近年來幾種無線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議被提出和實現(xiàn)，例如BMX6，BATMAN-ADV，Babel和OLSR。其中BMX6，Babel和OLSR屬于三層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，而BATMAN-ADV屬于二層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。這些協(xié)議通過在節(jié)點之間傳遞路由表和鏈路狀態(tài)信息來生成網(wǎng)絡(luò)的拓撲。

OSLR由于較早出現(xiàn)，因此成熟度較高，在AWMN，F(xiàn)reifunk，F(xiàn)unkFeuer等社區(qū)無線網(wǎng)絡(luò)中，普遍使用其作為內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議。而BMX6，和Babel僅支持IPV6路由協(xié)議，對于IPv4需要通過4to6的隧道來實現(xiàn)。而OLSR是唯一同時支持ipv6和ipv4的路由協(xié)議，在實驗的過程中可以使用ipv4地址來進行配置，減少在教學(xué)中學(xué)生額外的實驗負擔。

2 OLSR和OpenWRT

OLSR（ optimized link stat routing protocol）優(yōu)化鏈路狀態(tài)協(xié)議[6]，也是WMN中最為成熟的路由協(xié)議。該路由協(xié)議是一種典型的鏈路狀態(tài)路由協(xié)議。在傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)中，使用最為廣泛的鏈路狀態(tài)協(xié)議為OSPF，但OSPF在無線鏈路中會產(chǎn)生大量的鏈路狀態(tài)信息并帶來過高的網(wǎng)絡(luò)開銷。而OLSR僅使用MPR（多點轉(zhuǎn)播）節(jié)點來廣播鏈路狀態(tài)信息，因此大大減少了路由協(xié)議所帶來的開銷。同時OLSR屬于第三層協(xié)議，這就使得其很容易被移植到各類操作系統(tǒng)上。OLSR的實現(xiàn)OLSRD就可以在OpenWRT系統(tǒng)上運行。

OpenWRT是一個嵌入式的Linux發(fā)行版，該發(fā)行版面向路由器等嵌入式設(shè)備開發(fā)。由于其使用標準的Linux內(nèi)核，因此可以把各種軟件的移植到該平臺上，從而擴展OpenWRT的功能。除此之外OpenWRT相比與其他路由器軟件的優(yōu)勢在于它有一個可寫的文件系統(tǒng)，這就使得可以臨時安裝或者刪除軟件或者改變配置文件來。利用該平臺和相應(yīng)的軟件，可以快速進行實驗準備，并指導(dǎo)學(xué)生開展實驗。

3 實驗設(shè)計

實驗的主要設(shè)備為Tp-Link 2543ND路由器，該路由器主板采用高通的AR7242，其處理器主頻為400Mhz，機身自帶8MB的Nand存儲，64M的RAM存儲。在資料中查到該設(shè)備同時支持2.4GHz和5GHz兩個頻段，但在一個時刻只有一個頻段能夠工作。芯片的資料顯示該設(shè)備支持802.11a/n和802.11b/g/n，設(shè)備外置三根8db的全向天線，為基于MIMO的高帶寬傳輸提供了可能。

由于設(shè)備自帶的操作系統(tǒng)僅支持靜態(tài)路由，在本次實驗前需要預(yù)先安裝好OpenWRT和OLSRD。在本次實驗中，作者選OpenWRT Attitude Adjustment和OLSRD 0.93作為實驗指導(dǎo)的軟件。

在實驗準備階段，需要將7臺Tp-link 2543ND安裝好OpenWRT的固件，并使用OpenWRT的軟件更新功能將OLSRD和對應(yīng)的圖形化配置工具安裝安裝到路由器上。在對路由器配置前，將路由器進行編號，從101到107，同時設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接口地址也會根據(jù)這個編號進行配置。在WMN配置前將路由器恢復(fù)到默認配置，并使用路由器的圖形界面配置該路由器。路由器有三個網(wǎng)絡(luò)接口，分別是wan（eth1）、br-lan（eth0）、wlan0，在本實驗中僅使用eth0和wlan0接口。將eth0和wlan0的接口分別配置在網(wǎng)段192.168.x.1/24和10.10.0.x/24，其中字符x表示設(shè)備本身的編號。另外還要對無線模塊進行設(shè)置，設(shè)定模塊工作在161頻段，帶寬為40MHz，并指無線網(wǎng)卡定工作在Ad-Hoc模式下，并設(shè)定其SSID為”Mesh”。設(shè)置完成后，每臺設(shè)備的接口和無線網(wǎng)絡(luò)的名稱如下表，見表1。

表1 WMN節(jié)點的參數(shù)設(shè)置

[節(jié)點編號＼&br-lan接口地址＼&wlan0接口地址＼&無線接口配置＼&101＼&192.168.101.1/24＼&10.10.0.101/24＼&Ad-hoc模式，161頻段，40HMz帶寬＼&102＼&192.168.102.1/24＼&10.10.0.102/24＼&Ad-hoc模式，161頻段，40HMz帶寬＼&103＼&192.168.103.1/24＼&10.10.0.103/24＼&Ad-hoc模式，161頻段，40HMz帶寬＼&104＼&192.168.104.1/24＼&10.10.0.104/24＼&Ad-hoc模式，161頻段，40HMz帶寬＼&105＼&192.168.105.1/24＼&10.10.0.105/24＼&Ad-hoc模式，161頻段，40HMz帶寬＼&106＼&192.168.106.1/24＼&10.10.0.106/24＼&Ad-hoc模式，161頻段，40HMz帶寬＼&107＼&192.168.107.1/24＼&10.10.0.107/24＼&Ad-hoc模式，161頻段，40HMz帶寬＼&]

在進行下一步實驗前要保證所有設(shè)備的wlan0接口處在同一個網(wǎng)絡(luò)中，測試的方法是登陸路由器，用ping命令測試其他節(jié)點wlan0接口對應(yīng)的ip地址，看是否能夠建立無線鏈路。如果測試不成功首先檢查該節(jié)點的無線設(shè)置和接口IP設(shè)置是否正確，如果還不成功則檢查設(shè)備之間的距離是否過遠。由于161頻段的電磁波屬于5.8GHz的頻段，其容易被物體吸收，且本身的衍射能力較弱，因此在室內(nèi)只有較小的覆蓋范圍。 在測試通過開始進行無線路由協(xié)約的配置，在每臺路由器上使用圖形界面啟用OLSRD進程，并將每個節(jié)點的WLAN0接口加入OLSR的宣告區(qū)域，設(shè)置完成后將路由器部署在不同的房間。

本次實驗安排在一個樓層，共有7個房間，面積有1000平方米，每個房間水平墻面使用混凝土構(gòu)建，部分室內(nèi)有金屬儲物箱。從圖4中可以看到每臺無線路由器放置的位置。

圖4 WMN節(jié)點在的地理位置分布

所有節(jié)點加電后，OLSR協(xié)議開始進行鏈路狀態(tài)廣播和路由表的生成。網(wǎng)絡(luò)收斂后，從每個節(jié)點獲取無線鏈路的信噪比和平均收發(fā)速度，該數(shù)據(jù)見表2。從表中看出105節(jié)點與104雖然距離較近，但由于受到墻壁和室內(nèi)金屬物品的阻擋，其鏈路的信噪比較低，導(dǎo)致了較低的傳輸速度。對101節(jié)點來說，102節(jié)點僅隔一堵墻面，平均信號功率較高，且在此區(qū)域只有102和107共享40MHz的信道，平均速度較高（108Mbit/s）。而107節(jié)點作為整個網(wǎng)絡(luò)的樞紐，雖然與臨近的四個節(jié)點的信道都有較高的信噪比，由于附近有101，102，103，104這四個節(jié)點共享頻段，由于802.11協(xié)議族使用CSMA/CA來對信道進行搶占，導(dǎo)致每個鏈接的平均帶寬較低（低于90M Mbit/s）。

在實驗的最后一部分，將106節(jié)點接到文件服務(wù)器上，并在101節(jié)點上測試長時間文件下載速度。雖然從101到106的所有中間鏈路上的最低帶寬為45 Mbit/s，但兩個節(jié)點的平均傳輸帶寬只有4 Mbit/s，導(dǎo)致該現(xiàn)象的主要原因在于節(jié)點間使用相同的頻道導(dǎo)致無線鏈路沖突的增加，這也是CSMA/CA和電磁波媒介的特征所導(dǎo)致的。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計一套面向WMN網(wǎng)絡(luò)的實驗方案，實驗使用OLSR和OpenWRT來作為主要實驗工具。在實驗中，作者依此介紹了Ad-hoc模式無線網(wǎng)絡(luò)的配置和OLSR路由協(xié)議的配置，并以此為基礎(chǔ)搭在真是的環(huán)境中建了WMN網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)組建完成后，作者依據(jù)802.11協(xié)議的特點對該無線網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點的帶寬和性能進行了分析。通過該步驟的實驗學(xué)生深刻人認識到基于802.11的無線局域網(wǎng)物理層共享媒介的特征，并對信噪比、節(jié)點距離和帶寬的關(guān)系有了充分的認識。同時通過圖形化的工具生成了基于OLSR的路由轉(zhuǎn)發(fā)路徑圖。通過該圖，學(xué)生能夠認識到OLSR內(nèi)部所能夠構(gòu)造的鄰居表和路由表，以及OLSR路由協(xié)議選路的原理。在實驗的最后，通過文件傳輸帶寬測試實驗進一步深化了學(xué)生對多跳網(wǎng)絡(luò)的認識，同時也能讓學(xué)生了解WMN網(wǎng)絡(luò)的若干不足之處，為學(xué)生深入研究和學(xué)習(xí)WMN網(wǎng)絡(luò)帶來和濃厚的興趣。

參考文獻：

[1] 方旭明，等.下一代無線因特網(wǎng)技術(shù)：無線Mesh網(wǎng)絡(luò)[M].北京：人民郵電出版社，2005：108-110.

[2] Luigi Iannone， et al.Cross-Layer Routing in Wireless Mesh Networks[J].Computer Networks. March 2005：445-487

[3] David Murray， Michael Dixon and Terry Koziniec. An Experimental Comparison of Routing Protocols in Multi Hop Ad Hoc Networks. In Proc. ATNAC 2010. 2010.

[4] Jesús Friginal， Juan-Carlos Ruiz， David de Andrés and Antonio Bustos. Mitigating the Impact of Ambient Noise on Wireless Mesh Networks Using Adaptive Link-Quality-based Packet Replication. DSN'2012：1-8. 2013.

[5] María E. Villapol， David Pérez Abreu， Carolina Balderama， Mariana Colombo. Performance comparison of mesh routing protocols in an experimental network with bandwidth restrictions in the border router. Revista de la Facultad de Ingeniería U.C.V.， 2013，28（1）：7-14， 2013.

[6] Hafslund， A.， T nnesen， A.， Rotvik， R.B.， Andersson， J.， Kure， . Secure Extension to the OLSR Protocol. Recent Advances in Intrusion Detection Lecture Notes in Computer Science Volume 3858， 2006：330-350.endprint

在實驗的最后一部分，將106節(jié)點接到文件服務(wù)器上，并在101節(jié)點上測試長時間文件下載速度。雖然從101到106的所有中間鏈路上的最低帶寬為45 Mbit/s，但兩個節(jié)點的平均傳輸帶寬只有4 Mbit/s，導(dǎo)致該現(xiàn)象的主要原因在于節(jié)點間使用相同的頻道導(dǎo)致無線鏈路沖突的增加，這也是CSMA/CA和電磁波媒介的特征所導(dǎo)致的。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計一套面向WMN網(wǎng)絡(luò)的實驗方案，實驗使用OLSR和OpenWRT來作為主要實驗工具。在實驗中，作者依此介紹了Ad-hoc模式無線網(wǎng)絡(luò)的配置和OLSR路由協(xié)議的配置，并以此為基礎(chǔ)搭在真是的環(huán)境中建了WMN網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)組建完成后，作者依據(jù)802.11協(xié)議的特點對該無線網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點的帶寬和性能進行了分析。通過該步驟的實驗學(xué)生深刻人認識到基于802.11的無線局域網(wǎng)物理層共享媒介的特征，并對信噪比、節(jié)點距離和帶寬的關(guān)系有了充分的認識。同時通過圖形化的工具生成了基于OLSR的路由轉(zhuǎn)發(fā)路徑圖。通過該圖，學(xué)生能夠認識到OLSR內(nèi)部所能夠構(gòu)造的鄰居表和路由表，以及OLSR路由協(xié)議選路的原理。在實驗的最后，通過文件傳輸帶寬測試實驗進一步深化了學(xué)生對多跳網(wǎng)絡(luò)的認識，同時也能讓學(xué)生了解WMN網(wǎng)絡(luò)的若干不足之處，為學(xué)生深入研究和學(xué)習(xí)WMN網(wǎng)絡(luò)帶來和濃厚的興趣。

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在實驗的最后一部分，將106節(jié)點接到文件服務(wù)器上，并在101節(jié)點上測試長時間文件下載速度。雖然從101到106的所有中間鏈路上的最低帶寬為45 Mbit/s，但兩個節(jié)點的平均傳輸帶寬只有4 Mbit/s，導(dǎo)致該現(xiàn)象的主要原因在于節(jié)點間使用相同的頻道導(dǎo)致無線鏈路沖突的增加，這也是CSMA/CA和電磁波媒介的特征所導(dǎo)致的。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計一套面向WMN網(wǎng)絡(luò)的實驗方案，實驗使用OLSR和OpenWRT來作為主要實驗工具。在實驗中，作者依此介紹了Ad-hoc模式無線網(wǎng)絡(luò)的配置和OLSR路由協(xié)議的配置，并以此為基礎(chǔ)搭在真是的環(huán)境中建了WMN網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)組建完成后，作者依據(jù)802.11協(xié)議的特點對該無線網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點的帶寬和性能進行了分析。通過該步驟的實驗學(xué)生深刻人認識到基于802.11的無線局域網(wǎng)物理層共享媒介的特征，并對信噪比、節(jié)點距離和帶寬的關(guān)系有了充分的認識。同時通過圖形化的工具生成了基于OLSR的路由轉(zhuǎn)發(fā)路徑圖。通過該圖，學(xué)生能夠認識到OLSR內(nèi)部所能夠構(gòu)造的鄰居表和路由表，以及OLSR路由協(xié)議選路的原理。在實驗的最后，通過文件傳輸帶寬測試實驗進一步深化了學(xué)生對多跳網(wǎng)絡(luò)的認識，同時也能讓學(xué)生了解WMN網(wǎng)絡(luò)的若干不足之處，為學(xué)生深入研究和學(xué)習(xí)WMN網(wǎng)絡(luò)帶來和濃厚的興趣。

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