0 引言

無線Mesh網絡是一種多跳、機動性強、抗毀性強的無線網絡結構，靈活的組網方式以及易部署的特點是其在應急系統(tǒng)等特殊環(huán)境中應用的重要前提。路由協(xié)議的設計是設計無線Mesh網絡的關鍵問題之一，如何進行路由選擇是影響網絡性能的一個重要問題。在探討關鍵技術的同時，應用需求的提出也是各國際標準化組織在多種覆蓋不同物理范圍的無線網絡技術標準中融入對Mesh 組網方式的誘因，如支持WLAN 的IEEE802.11]標準、支持WMAN的IEEE 802.16標準以及支持WPAN的IEEE 802.15標準，這些標準均在支持無線Mesh網絡及其相關關鍵技術方面做出了努力。

本文介紹IEEE 802.11s 中的關鍵技術之一--混合無線Mesh 協(xié)議(Hybrid WirelESS Mesh Protocol,HWMP)，盡管該協(xié)議存在根部節(jié)點易形成網絡瓶頸的不足，但其結合了先驗式路由協(xié)議的靈活性和按需路由協(xié)議的有效性，在應急系統(tǒng)中可以發(fā)揮重要作用。因此，改進現(xiàn)有協(xié)議以適應特殊領域的應用成為下一步的主要研究內容。

1 IEEE 802.11s 標準化情況

IEEE 802.11 于2004 年7 月成立Mesh 任務組(802.11 TGs任務組)。TGs任務組研究支持無線分布式系統(tǒng)(Wireless DiSTribution System,WDS)的協(xié)議，在原IEEE 802.11體系結構與協(xié)議基礎上提供ESS(ExtendedService Station)的Mesh 功能，使各WLAN 設備能夠無線互連、實現(xiàn)自動拓撲發(fā)現(xiàn)并進行動態(tài)路徑的配置，同時，對MAC協(xié)議進行了擴展，支持單播/多播/廣播，并在MAC層使用無線信道感知機制與多跳拓撲來達到理想的覆蓋范圍，保證網絡的靈活性。IEEE 802.11s的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下方面：增加覆蓋范圍和靈活性;性能可靠;安全;設備間的多媒體傳輸;電池驅動設備的節(jié)能機制;互操作性。

WLAN Mesh網絡結構與節(jié)點類型如圖1所示。

Mesh 節(jié)點(Mesh Point,MP)：與相鄰MP 建立通信鏈路，參與ESS Mesh網絡服務;

Mesh接入點(Mesh Access Point,MAP)：擁有MP的全部功能，并提供接入服務;Mesh 入口節(jié)點(Mesh Portal,MPP)：該節(jié)點為數據提供在Mesh網絡與其他分布式系統(tǒng)或非802.11系統(tǒng)間的進出節(jié)點;用戶站(Station,STA)：通過MAP 與Mesh網絡通信的站點，通常指傳統(tǒng)的802.11 用戶終端，其不在ESSMesh網絡范圍內。

IEEE 802.11s 基于傳統(tǒng)物理層標準，提供WLANMesh服務，包括拓撲發(fā)現(xiàn)、路徑選擇和轉發(fā)、媒體接入協(xié)調、Mesh網絡的配置和管理、網絡測量、網絡互連和安全等功能模塊。IEEE 802.11s協(xié)議各個功能模塊如圖2所示。

Mesh拓撲發(fā)現(xiàn)、路徑選擇和轉發(fā)模塊在MAC協(xié)議中具有重要作用，也是IEEE 802.11s中的一個關鍵功能，下面將對IEEE 802.11s 定義的HWMP 協(xié)議進行詳細分析。

2 混合無線Mesh 協(xié)議(HWMP)

HWMP協(xié)議將先驗式路由協(xié)議和基于樹型拓撲的反應式路由(即按需路由)協(xié)議相結合，廣泛應用于基礎設施Mesh 模式和客戶機Mesh 模式的無線Mesh 網絡。網絡中的節(jié)點可以進行最優(yōu)路由發(fā)現(xiàn)和路由維護，或依賴根節(jié)點(即MPP)形成的樹型拓撲進行路由發(fā)現(xiàn)和路由維護。路由發(fā)現(xiàn)過程根據網絡是否配置根節(jié)點有所區(qū)別。通常，樹型拓撲配置MPP為根節(jié)點，在這樣的情況下，其余的MP 按需地維護到達根節(jié)點的路徑，并且形成樹型拓撲路由。

2.1 幀格式

幀格式如圖3所示。

2.2 消息格式

HWMP 協(xié)議實現(xiàn)通過路徑請求消息PREQ(PathRequest)、路徑響應消息PREP(Path Reply)、路徑錯誤消息PERR(PathError)、路徑響應確認ACK(PREPACK)和根宣告消息RA(Root Announcement)。PREQ用于路由請求，PREP 用于對路由請求消息的應答，PERR 用于鏈路發(fā)生錯誤時進行的應答或維護，以及RA用于對自己根節(jié)點身份的消息的廣播。

2.2.1 PREQ

路徑請求消息PREQ(Path Request)格式如圖4所示。

標志位當Bit 0=0 時，為單播;Bit 0=1 時，為廣播;Bit 1~7 為預留位。PREQ 控制標識包括目的標識DO(Destination Only)、回復轉發(fā)標識(Reply-and-Forward)，其中，DO=0 時，表示中間節(jié)點接收到PREQ 消息產生PREP;DO=1時，表示目的節(jié)點產生PREP消息回應該路徑請求，該路徑請求和路徑回復包含了完整路徑并收集當前的metric 值，以確保度量值是最新的。TTL(Timeto Live)即生存時間，定義了PREQ的跳數范圍。

2.2.2 PREP

路徑響應消息PREP(Path Reply)格式如圖5所示。

HWMP允許使用一條PREQ消息尋找到達多個目標的路徑。Mode Flags標志位中，Bit 0~7均為預留位;LifeTime為該路徑的有效生存時間。Metric為從目的MAC地址到處理RREP消息的節(jié)點之間所積累的度量(metric)。

2.2.3 PERR

路徑錯誤消息PERR(PathError)格式如圖6所示。

其中，標志位的Bit 0~7為預留位。

2.2.4 PREP ACK

路徑響應確認ACK(PathReply ACK)格式如圖7所示。

其中，Destination Address 為建立路由的目的節(jié)點的MAC地址;Source Address為在路由建立過程中發(fā)起RREQ消息的節(jié)點的MAC地址。

2.2.5 RANN

根宣告消息RANN(Root Announcement)格式如圖8所示。

Mesh Portal中配置周期性RANN消息，以便使用先驗式的擴展功能。RANN消息中定義了兩個標識：宣告類型標識AN(Announcement Type Flag)，用于區(qū)分非根Porta(l AN=0)與根Porta(l AN=1);注冊標識RE(Registra-tion Flag)用于Mesh 節(jié)點區(qū)分RANN 的兩種不同處理模式。

2.3 HWMP協(xié)議的按需路由

HWMP 協(xié)議的按需路由是基于RM-AODV(RadioMetric AODV)的協(xié)議。HWMP協(xié)議中的按需路由使用PREQ 和PREP 機制在兩節(jié)點之間建立路由，節(jié)點間使用PREQ 和PREP 消息進行度量信息交互，并且在PREQ中采用序列號來保證路由的時效性。

當源節(jié)點S 試圖到達目的節(jié)點D 時，首先，源節(jié)點廣播PREQ 消息，并初始化metric 為0.當中間節(jié)點收到PREQ消息時，該節(jié)點創(chuàng)建到源節(jié)點S的一條路徑，或PREQ 經過的路徑優(yōu)于當前節(jié)點到達源節(jié)點S 的路徑時，對當前的路徑進行更新。如果路徑進行了創(chuàng)建或更新的過程，則節(jié)點更新PREQ消息的路徑標志域并進行轉發(fā)，當創(chuàng)建或更新路徑完成后，目的節(jié)點D向源節(jié)點S回復單播的PREP消息。當中間節(jié)點接收到PREP消息后，建立到目的節(jié)點D的路徑，并且將PREP向源節(jié)點S轉發(fā)。源節(jié)點S收到PREP消息后，建立到達目的節(jié)點D的路徑;若目的節(jié)點收到的消息中的路徑優(yōu)于當前路徑，則節(jié)點更新到達源節(jié)點S的路徑，并且在該路徑上發(fā)送新的PREP給源節(jié)點S.以上即為源節(jié)點S與目的節(jié)點D之間的雙向鏈路的建立過程。

DO 和RF機制的目的是為了使得節(jié)點利用由中間節(jié)點產生PREP消息快速建立路由，并且滿足發(fā)送數據幀的路由發(fā)現(xiàn)時延較低和較低的緩存要求，當反向路徑建立過程完成后，路由選擇最佳的路徑度量機制。當源節(jié)點S到目的節(jié)點D之間沒有一條有效的路由，并且需要和目的節(jié)點之間建立一條新路由時，源節(jié)點設置PREQ消息中的目的DO標志位為0,設置RF標志位為1.正如前文所提到的，RREQ中的DO標志位通常設置為1.