无线Mesh网络组播研究分析

张 萌，宋建新

（南京邮电大学 图像处理与图像通信实验室，江苏 南京 210003）

0 引言

无线Mesh网络（WMN）是不断演进的无线网络的基本网络形式之一，它与传统的集中式无线系统存在着不同。无线Mesh网络由两种类型的节点组成：Mesh路由器和Mesh客户端。为了提高Mesh网络的适应性，Mesh路由器通常装配有多个无线射频接口，这些无线射频接口的无线接入技术可以相同也可以不同。Mesh路由器的移动性很小，并且为Mesh客户端形成了Mesh架构。除Mesh路由器和Mesh客户端之间的Mesh网络之外，Mesh路由器的网关功能使得WMN可以和多种其他网络相融合。虽然Mesh客户端也可以作为Mesh网络中的路由器，但是其硬件平台和软件都比Mesh路由器要简单得多[1]。WMN的主要优点在于它内在的对于网络的容错性，建立网络的简单性和宽带能力。

组播是一种带宽有效的技术，它可以通过同时传递一个单一的分组流到一组接收端，来减少通信流量。在有线网络环境中，一个主机加入一个组播组要通知一个本地组播路由器，然后本地组播路由器再通知其他的组播路由器，一个组播树就这样通过一个组播路由协议被创建。组播路由器周期性地查询它覆盖范围内的主机是否依然是组播组的成员。主机与组播路由器之间的所有通信都通过IGMP协议实现[2]。

笔者结合WMN和组播技术的优点，重点分析了为WMN开发组播协议时要注意的因素。

1 无线Mesh网络组播

组播是一种同时传递信息到一组目的节点的通信方式，使用最有效的方式在网络上的各个链路上只传递一次消息，只有当通往多个目的节点的链路分叉的时候，才创建消息副本。许多组播路由协议是为单射频多跳无线网络设计的。在这种环境中支持组播的一个典型的方式是构造一个组播树，让每一个父节点负责向它的子节点组播数据。这种方法工作的前提是，一个父节点和它的子节点共享同一个信道。然而，在多信道WMN中这个假设可能不成立。除此之外，如果信道分配是动态的话，由于树的频繁重建或组播分组的重传，导致的额外开销必须注意[3]。在WMN中应用这种组播方法是有难度的，因为在一个WMN中，一个组播协议必须考虑若干因素，如静态Mesh路由器基础设施架构的有效性、节点之间多信道的有效性、信道之间和节点之间的负载均衡、组播路由性能指标的选择、保证QoS和跨层优化等。

1.1 多信道和信道分配的影响

WMN使用IEEE 802.11标准协议族（802.11a/b/g/n）。在物理层，频率带宽被分为多个信道。各个标准所拥有的信道数是不同的。例如，IEEE 802.11b中，频率带宽2.4～2.485 GHz被分为11个信道。如果两个信道之间的间隔大于等于4，就称这两个信道为非重叠信道。这样的话，在802.11b信道1，6和11是非重叠的。在像MANET的单信道无线网络中，所有的节点仅配置单个射频接口，并且分配的是同一个信道。要想互相通信，网络中的节点必须共享同一个信道。这就限制了网络的能力，因为两个节点不能同时通信。就WMN来说，Mesh路由器一般装配有多个射频接口，并且这些接口可以分配非重叠信道。通过非重叠信道允许同时存在的传输，增加了网络的性能。WMN中的路由问题（单播和组播）决定哪个节点会包含到路由路径上，路径上的每条链路使用哪个信道。为了充分利用WMN中的多信道，路由算法应该考虑网络中路径上存在的信道分集。由于网络拓扑由信道分配来决定，所以多信道WMN中的路由问题不易解决。例如，即使两个节点都位于彼此的传输范围之内，如果射频没有调制到一个共同的信道上，它们之间也不能互相直接通信。信道分配可以是静态的，可以是动态的，也可以是混合的。文献[3]和文献[4]研究了信道分配机制的具体细节。

1.2 静态Mesh路由器基础设施架构的有效性

从组播组成员之间路由的创建方式来划分，组播可以分为基于树的组播、基于网的组播和混合式组播。有线网络中的组播方式大多数是基于树的。这些协议构造了一个共享的组播转发树来支持一个组播会话的多发送端和多接收端。MANET中的组播也使用了相同的原则。MANET中基于树的组播协议有：ID号递增的Ad Hoc组播路由协议（AMRIS）、组播Ad Hoc按需距离矢量协议（MAODV）和轻量自适应组播（LAM）。基于网的组播协议中，任何源节点和接收节点对之间都存在多条路径，MANET中基于网的组播协议有：按需组播路由协议（ODMRP）、辅助核心Mesh协议（CAMP）和转发组组播协议（FGMP）。基于树的方式提供了高效的数据转发，但是它的稳健性很低；相反，基于网的方式提供了较好的稳健性（链路失败不会引起一次重新配置），但是它需要较高的转发开销，并且增加了网络负载。混合方式结合了基于树和基于网两种方式的优点。MANET中基于混合方式的组播协议有：Ad Hoc组播路由协议（AMRoute）和组播核心提取分布式Ad Hoc路由。在一个拓扑动态变化的网络环境中，基于网的组播性能要好于基于树的组播，混合式协议利用了树状和网状结构，适合移动性居中的网络[5]。

在WMN中，Mesh路由器为Mesh客户端形成了一个Mesh架构的基础设施。一般来讲，Mesh路由器移动性最小，就像一个固定的路由器[6]。与基于网的组播路由协议相比，基于树的方式更适合于WMN，因为WMN中的网络拓扑的移动性较MANET要小。但是在一个混合WMN中，客户端节点不必是静止的，混合组播也是较合适的。

1.3 负载均衡

网络中不平衡的负载可能导致网关过载、中心过载或信道过载[7]。在一个WMN中，大部分的流量都是以网关为目的地的，流量在网关节点处集中造成了负载的不平衡，导致了网关过载。中心过载的问题归因于位于网络中心附近的节点与网络中的其他节点相比而变得过载。中心过载的主要原因是：1）位于网络中心附近的节点与网络中的其他节点相比，在最短路径上的可能性更大；2）使用多跳中继；3）WMN相关的静态特性。

多射频无线Mesh网络中的信道过载归因于某些信道与其他信道相比变得过载。这样，对任何静态网络，比如多射频无线Mesh网络，负载均衡对避免热点和增加网络效用来说是必不可少的，因为不好的路径可能在一个静态的网络中存在很长时间，并且导致拥塞和网络资源使用的效率低下。一个WMN组播协议应该考虑以上3种过载情况。

1.4 组播路由性能指标的选择

路由性能指标是判断路由算法中一个路径好坏的标准。WMN中主要的路由性能指标有：期望传输次数（ETX）、期望传输时间（ETT）、加权累计期望传输时间（WCETT）、成功概率乘积（SPP）和组播ETX（METX）。ETX记录从一个发送端到接收端成功传递一个分组，期望的MAC层传输次数和重传次数。ETT代表了一个分组在某条链路上的MAC层期望传输时间。通过利用每一条链路的数据速率可以提高ETX的性能。WCETT是基于ETT、丢包率感知和链路带宽的。有关这些路由指标的一个相关的研究在文献[8]中可以看到。MAC层处理组播分组和单播分组有着本质的区别。与单播分组不同，为了利用无线组播的特点，典型的组播分组在MAC层被广播[9]。由于无线信道的广播特性，通过一个发射节点的一次传播，在发射节点传输范围内的所有节点都能够收到它的传输。无线媒体的这个特性被称为无线组播优点（WMA）。所以单播的基于链路质量的路由性能指标不适用于WMN中的组播。文献[10]中对ETX，ETT，METX和SPP进行了修改，以适应WMA。

1.5 QoS的保证

WMN中最具挑战性的问题之一是怎样有效地支持多媒体应用，如移动电视和音视频会议。为了提供一个可接受的服务，多媒体通信对QoS的要求更严格。特别是多媒体通信对时间的敏感度比较强，对带宽的要求比较严格。为了使终端用户得到可接受的QoS水平，这些应用需要对时延、抖动、丢包率和吞吐量予以保证。虽然组播是一种带宽管理的有效技术，然而，由于有限的带宽和无线媒体的共享特性，为WMN中不同的应用服务设计能够满足一系列QoS限制的组播路由算法和协议依然是一个具有挑战性的研究问题[11]。

1.6 跨层优化

传统的网络基于严格的协议栈分层方式。在这种方式中，基本的功能如媒体接入（链路层）、路由（网络层）和拥塞控制（传输层）都是互相独立的。在有线网络中，这种分层方式是非常成功的，因为基础设施是基于容量恒定不变、可靠性高的链路。然而，跨层设计方法是一种在协议栈的不同层进行信息交互的方法。近年来的许多研究都强调在不同层之间进行信息交互的跨层设计可以获得重大的性能增益。跨层设计虽然可以增加系统性能，但是它的代价、复杂性和通信开销会增大。因此，这两个方面应该仔细考虑。最近，一种称为网络编码的技术被提了出来，通过在中继节点进行信息编码实现组播[12]。网络编码已经被证明可以有效地增加组播的吞吐量。

2 WMN中组播的相关工作

文献[6]中，Uyen Trang Nguyen和Jin Xu模拟比较了WMN中最小代价树（MCT）和最短路径树组播（SPT）。SPT算法最小化了从发送端到各个接收端的距离，而MCT算法最小化了整个组播树的代价。模拟结果显示SPT算法为组播流提供的性能要好于MCT算法。在这个研究中，使用了平均组播分组投递率（PDR）、平均端到端时延、平均吞吐量和平均延时抖动性能指标来衡量组播协议的性能。

文献[11]中描述了一个QoS组播路由框架。架构Mesh路由器使用了一个先应式的网状组播路由协议，Mesh接入点（MAP）与客户端节点之间使用了一个反应式的树状组播协议。这有助于消除建立架构Mesh路由器之间路由时不必要的延迟，并且最小化控制开销。

一种提高WMN组播通信QoS的负载感知算法在文献[13]中提了出来。它把网关过载看作组播流量负载，因为一个网关节点在特定的时候负载是极其重的，当一个网关中继组播消息的同时，还有单播分组通过网关。文献[13]中描述的算法：网关相关组播算法（GAMP）由客户端向网关注册登记和组播树构造两部分组成。GAMP是一个混合组播协议，组播源以激活模式周期性地向所有的网关节点发送Hello消息，接收节点通过按需向它们的网关节点发送请求来加入到组播组中。每次通过一个新的客户端节点请求注册来探测网关带宽，这样网关负载就会减小。文献[13]通过考虑网关过载，提到了负载均衡和QoS等问题。但是没有考虑到节点的负载估计（不是网关路由器的负载估计）。信道分配和跨层设计也没有提到。

文献[14]中描述了网络图形预处理方法来提供QoS组播路由。这种方法的主要想法是，当一个连接请求到达时，原始的网络图被预处理，并且产生一个新的图形。这个新的网络图形作为一个QoS组播算法的输入，来发现有QoS保证的树。在图形预处理阶段，使用优先级准入控制来完成通信。一种联合功率控制和提高组播吞吐量的随机线性网络编码路由的跨层方法在文献[12]中被提了出来。一种最优功率算法用来选择节点最优的功率水平，网络编码技术用来在网络上传输分组。但是其中没有考虑信道分配和负载均衡。

3 小结

无线Mesh网络中有效的组播适用于视频分发、应急管理、视频监控和家庭娱乐。多信道的组播协议能够同时传输数据，并且提高效率。避免过载可以减少时延，跨层优化可以提高WMN的吞吐量。组播路由性能指标必须仔细选择以适应WMN。最近的有关WMN中组播的研究只考虑到这些问题的一部分，但到目前为止还不存在一种通用的组播算法能够解决本文中所提到的所有问题。为WMN中的视频分发开发一种有效的组播协议是一个极具挑战性的研究领域。

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