基于OLSR路由协议的Wireless Mesh Network的开发策略

　伴随着移动互联网的发展，社会对无线网络的需求在提升，人们迫切需要在任何时间地点接入网络。由此带来了各种无线网络技术的飞速发展，例如4G、WiFi和UWB。但受限于网络部署的时间和成本的因素，在人口比较稀少或者临时性场所以及灾难地区的组网一直面临着较大的难题，WMN就是针对该问题而提出的解决方案[1]。WMN也是未来无线网络技术的核心和发展目标，但WMN其自身也处于快速的发展进程中，存在着众多的私有和共有标准。以上这种现象给WMN的实验带来了极大的困难，而开源WMN路由协议的发展，给WMN网络的实验带来了可能。利用价格低廉的家用路由器和开源软件，学生可以在实验室环境下进行WMN的部署。能极大加深WMN的理解，并认识到其优势和不足，开展该项实验对网络创新性人才的培养起到了重要的作用。
　　1 无线网状网
　　无线网状物是由节点以无线形式互联所形成的的多跳型的通讯网络，这些节点通常承载着无线路由协议，以实现网络的可达性。无线网状网中的节点可以是个人电 脑、笔记本以及嵌入式设备，同时节点的数目则不受任何限制。无线网状网的节点按照设备的类型，分为路由节点和用户节点，路由节点通常由无线路由器组成，而用户节点通常是笔记本、手机等可移动设备。根据网络中存在节点的类型和用户节点间是否进行数据转发，将无线网状通常分为三种类型，骨干式无线网状网、用户型无线网状网、混合型无线网状网[2-5]，其结构间图1、图2、图3。
　　
　　图1 骨干型WMN
　　其中骨干型WMN仅由路由节点节构成，用户节点的数据必须由网关节点来转发；而用户型WMN仅有用户节点组成，用户节点扮演了路由的角色；而混合型WMN中路由节点和用户节点都能起到数据转发的作用，同时网络中呈现出层次结构。
　　WMN是Ad-hoc网络的一种特殊形态。首先WMN网络引入了结构，即存在路由节点和用户节点两种类型的节点。其次WMN的节点较Ad-hoc有着更低的移动性和和更可靠的供电。再次，由于不受到供电的制约，WMN的节点可以使用更多的频段来提升网络传输性能，充足的电源供应让WMN有着更大的网络规模。最后，WMN通常使用TCP/IP等网络协议，这就能和其他类型的网络很方便的混合组网，见图3。
　　无线路由协议对无线网状网起到了核心的作用，无线路由协议通过节点间的无线信道来交换链路状态和路由表信息从而形成完整的网络拓扑结构。在整体上，根据节点中是否存在网络的所有节点的路由可以分为主动式路由协议和被动式路由协议，由于WMN节点普遍有着可靠的电源和较低的移动型，同时有着较高的网络带宽和较低的网络延时，主动式路由协议占据了较大的比重。近年来几种无线网络路由协议被提出和实现，例如BMX6，BATMAN-ADV，Babel和OLSR。其中BMX6，Babel和OLSR属于三层的网络协议，而BATMAN-ADV属于二层网络协议。这些协议通过在节点之间传递路由表和链路状态信息来生成网络的拓扑。
　　OSLR由于较早出现，因此成熟度较高，在AWMN，Freifunk，FunkFeuer等社区无线网络中，普遍使用其作为内部网关协议。而BMX6，和Babel仅支持IPV6路由协议，对于IPv4需要通过4to6的隧道来实现。而OLSR是唯一同时支持ipv6和ipv4的路由协议，在实验的过程中可以使用ipv4地址来进行配置，减少在教学中学生额外的实验负担。
　2 OLSR和OpenWRT
　　OLSR（ optimized link stat routing protocol）优化链路状态协议[6]，也是WMN中最为成熟的路由协议。该路由协议是一种典型的链路状态路由协议。在传统的有线网络中，使用最为广泛的链路状态协议为OSPF，但OSPF在无线链路中会产生大量的链路状态信息并带来过高的网络开销。而OLSR仅使用MPR（多点转播）节点来广播链路状态信息，因此大大减少了路由协议所带来的开销。同时OLSR属于第三层协议，这就使得其很容易被移植到各类操作系统上。OLSR的实现OLSRD就可以在OpenWRT系统上运行。
　　OpenWRT是一个嵌入式的Linux发行版，该发行版面向路由器等嵌入式设备开发。由于其使用标准的Linux内核，因此可以把各种软件的移植到该平台上，从而扩展OpenWRT的功能。除此之外OpenWRT相比与其他路由器软件的优势在于它有一个可写的文件系统，这就使得可以临时安装或者删除软件或者改变配置文件来。利用该平台和相应的软件，可以快速进行实验准备，并指导学生开展实验。
　　3 实验设计
　　实验的主要设备为Tp-Link 2543ND路由器，该路由器主板采用高通的AR7242，其处理器主频为400Mhz，机身自带8MB的Nand存储，64M的RAM存储。在资料中查到该设备同时支持2.4GHz和5GHz两个频段，但在一个时刻只有一个频段能够工作。芯片的资料显示该设备支持802.11a/n和802.11b/g/n，设备外置三根8db的全向天线，为基于MIMO的高带宽传输提供了可能。
　　由于设备自带的操作系统仅支持静态路由，在本次实验前需要预先安装好OpenWRT和OLSRD。在本次实验中，作者选OpenWRT Attitude Adjustment和OLSRD 0.93作为实验指导的软件。
　　在实验准备阶段，需要将7台Tp-link 2543ND安装好OpenWRT的固件，并使用OpenWRT的软件更新功能将OLSRD和对应的图形化配置工具安装安装到路由器上。在对路由器配置前，将路由器进行编号，从101到107，同时设备的网络接口地址也会根据这个编号进行配置。在WMN配置前将路由器恢复到默认配置，并使用路由器的图形界面配置该路由器。路由器有三个网络接口，分别是wan（eth1）、br-lan（eth0）、wlan0，在本实验中仅使用eth0和wlan0接口。将eth0和wlan0的接口分别配置在网段192.168.x.1/24和10.10.0.x/24，其中字符x表示设备本身的编号。另外还要对无线模块进行设置，设定模块工作在161频段，带宽为40MHz，并指无线网卡定工作在Ad-Hoc模式下，并设定其SSID为”Mesh”。设置完成后，每台设备的接口和无线网络的名称如下表，见表1。
　　表1 WMN节点的参数设置
　　[节点编号＼&br-lan接口地址＼&wlan0接口地址＼&无线接口配置＼&101＼&192.168.101.1/24＼&10.10.0.101/24＼&Ad-hoc模式，161频段，40HMz带宽＼&102＼&192.168.102.1/24＼&10.10.0.102/24＼&Ad-hoc模式，161频段，40HMz带宽＼&103＼&192.168.103.1/24＼&10.10.0.103/24＼&Ad-hoc模式，161频段，40H Mz带宽＼&104＼&192.168.104.1/24＼&10.10.0.104/24＼&Ad-hoc模式，161频段，40HMz带宽＼&105＼&192.168.105.1/24＼&10.10.0.105/24＼&Ad-hoc模式，161频段，40HMz带宽＼&106＼&192.168.106.1/24＼&10.10.0.106/24＼&Ad-hoc模式，161频段，40HMz带宽＼&107＼&192.168.107.1/24＼&10.10.0.107/24＼&Ad-hoc模式，161频段，40HMz带宽＼&]
　　在进行下一步实验前要保证所有设备的wlan0接口处在同一个网络中，测试的方法是登陆路由器，用ping命令测试其他节点wlan0接口对应的ip地址，看是否能够建立无线链路。如果测试不成功首先检查该节点的无线设置和接口IP设置是否正确，如果还不成功则检查设备之间的距离是否过远。由于161频段的电磁波属于5.8GHz的频段，其容易被物体吸收，且本身的衍射能力较弱，因此在室内只有较小的覆盖范围。 在测试通过开始进行无线路由协约的配置，在每台路由器上使用图形界面启用OLSRD进程，并将每个节点的WLAN0接口加入OLSR的宣告区域，设置完成后将路由器部署在不同的房间。
　　本次实验安排在一个楼层，共有7个房间，面积有1000平方米，每个房间水平墙面使用混凝土构建，部分室内有金属储物箱。从图4中可以看到每台无线路由器放置的位置。
　　
　　图4 WMN节点在的地理位置分布
　　所有节点加电后，OLSR协议开始进行链路状态广播和路由表的生成。网络收敛后，从每个节点获取无线链路的信噪比和平均收发速度，该数据见表2。从表中看出105节点与104虽然距离较近，但由于受到墙壁和室内金属物品的阻挡，其链路的信噪比较低，导致了较低的传输速度。对101节点来说，102节点仅隔一堵墙面，平均信号功率较高，且在此区域只有102和107共享40MHz的信道，平均速度较高（108Mbit/s）。而107节点作为整个网络的枢纽，虽然与临近的四个节点的信道都有较高的信噪比，由于附近有101，102，103，104这四个节点共享频段，由于802.11协议族使用CSMA/CA来对信道进行抢占，导致每个链接的平均带宽较低（低于90M Mbit/s）。
　在实验的最后一部分，将106节点接到文件服务器上，并在101节点上测试长时间文件下载速度。虽然从101到106的所有中间链路上的最低带宽为45 Mbit/s，但两个节点的平均传输带宽只有4 Mbit/s，导致该现象的主要原因在于节点间使用相同的频道导致无线链路冲突的增加，这也是CSMA/CA和电磁波媒介的特征所导致的。
　　4 结束语
　　本文设计一套面向WMN网络的实验方案，实验使用OLSR和OpenWRT来作为主要实验工具。在实验中，作者依此介绍了Ad-hoc模式无线网络的配置和OLSR路由协议的配置，并以此为基础搭在真是的环境中建了WMN网络。在网络组建完成后，作者依据802.11协议的特点对该无线网络各节点的带宽和性能进行了分析。通过该步骤的实验学生深刻人认识到基于802.11的无线局域网物理层共享媒介的特征，并对信噪比、节点距离和带宽的关系有了充分的认识。同时通过图形化的工具生成了基于OLSR的路由转发路径图。通过该图，学生能够认识到OLSR内部所能够构造的邻居表和路由表，以及OLSR路由协议选路的原理。在实验的最后，通过文件传输带宽测试实验进一步深化了学生对多跳网络的认识，同时也能让学生了解WMN网络的若干不足之处，为学生深入研究和学习WMN网络带来和浓厚的兴趣。
　　参考文献：
　　[1] 方旭明，等.下一代无线因特网技术：无线Mesh网络[M].北京：人民邮电出版社，2005：108-110.
　　.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.