無線局域網(WLAN" title="WLAN">WLAN)技術的發展和大規模應用在給人們生活帶來便利的同時，也帶來了很多其它問題，如WLAN并不是真正意義上的“無線”；可靠性低；覆蓋能力有限；多數WLAN網絡在其有效距離內具有“盲區”等等。而無線Mesh" title="Mesh">Mesh網絡技術的出現，則很好地解決了上述問題。它徹底擺脫了線纜的束縛，能夠實現非視距傳輸，可靠性高，結構靈活，魯棒性強，因而越來越受到人們的重視，對無線Mesh網絡的研究也逐漸增多。目前對無線Mesh網絡的研究，比較典型的有2種方法：a)采用仿真方法開展研究工作，例如，基于NS-2和OPNET的仿真軟件，建立無線Mesh網絡(Wireless Mesh Network，WMN)協議模型和業務傳輸模型，進行協議的設計和性能分析。但對于真實的網絡環境，仿真還有一定局限性，畢竟它只是對現實環境的模擬。b)搭建測試床的方法，它基于無線Mesh網絡結構抽象出更小的網絡結構模型、業務模型及關鍵技術，與真實環境基本相同，研究結果可直接運用到實際當中，這也是目前許多國內外研究機構正在進行的研究工作。測試床研究方法中，比較典型的有卡靈頓大學的WMN。除此之外，還有普渡大學項目和西安電子科技大學的Mesh網絡性能測試平臺。在它們所搭建的測試床中，每一個被稱作MAP的Mesh路由器是一臺裝有兩塊無線網卡和一塊有線網卡的臺式機，有線網卡主要用來實現管理功能。這種設計對MAP節點的性能要求過高，也不利于Mesh網絡的擴展。鑒于此問題，本文在上述研究的基礎上，對無線Mesh網絡測試床進行了改進。

1 現有的Mesh測試床分析

在Mesh網絡中，MAP節點既是客戶端網絡的終點，又是Mesh骨干網的起點，將客戶端網絡和Mesh骨干網兩個邏輯上獨立的網絡實體，連接成一個功能上統一的整體。目前，大多數研究機構在MAP節點結構的設計上，普遍遵循如下思想：用單獨一個節點實現兩個網絡的連接，即用一臺裝有兩塊無線網卡的PC來實現骨干網絡和客戶端網絡的連接，該節點同時處于兩個網絡當中。其中一塊無線網卡實現AP功能，另一塊實現MP功能，兩塊網卡之間通過相應的地址轉換技術實現網卡間地址的轉換。

在實際搭建過程中，這種方案具有明顯的局限性，主要表現在以下3個方面：

a)網卡選擇：前期的探索性實驗證實了在一臺PC中安裝兩塊相同的無線網卡，由于驅動程序完全相同，沖突是在所難免的，它將導致兩塊無線網卡無法同時正常工作。另外，即使兩塊無線網卡不相同，若它們工作在同一頻段(2．4 GHz或者5GHz)，由于距離較近，也會產生很大的同頻干擾，從而影響了數據的正常傳輸。因此，該方案在很大程度上限制了無線網卡的自由選擇。

b)節點故障處理：在Mesh網絡的日常使用和維護過程中，節點隨時會出現故障。若采用該方案，一旦MAP節點出現問題，由于節點自身的復雜性，很難進行故障排除，如果需要對設備進行更換，成本相對較高。

c)網絡的擴展性：當現有的WLAN網絡需要加入Mesh網絡時，在該方案下，必須破壞現有的WLAN網絡結構，所有客戶端節點重新搜索MAP節點。若有多個WLAN網絡存在，處理方法也如此。這樣不但浪費了現有的硬件資源(WLAN的接入點AP)，而且由于所有欲加入網絡的節點都需要斷開并重新獲得網絡參數，增加了網絡重建的復雜性。如圖1所示，WLAN網絡A和B欲加入Mesh網絡，接入點AP下的所有客戶端節點首先斷開與原AP的連接，接著在搜索到就近的MAP后重新建立連接，從而加入到Mesh網絡，最終得到如圖2所示的Mesh網絡結構。



采用上述方案搭建Mesh網絡測試床的性價比是很低的，為了降低測試床實現的難度，方便后期測試床的維護和擴展，本文提出一種新的MAP實現方案。

2 一種新的Mesh測試床

2．1 測試床規劃

根據測試床設計的可重復、可擴展性、靈活性和可靠性原則，結合WMN自身特點，設計了如圖3所示的Mesh網絡測試床。



2．2 功能子網的設計

平臺由三大功能子網組成，各自的網絡規劃如下：

a)Mesh骨干網：骨干網通過交換機連接到外網，提供internet接入服務。由于骨干網本質上是一個Ad-hoc網絡，因此每個骨干網節點的無線網卡模式均為“Ad-hoc”。

b)客戶端網絡：傳統的WLAN網絡，移動客戶端節點就是普通的移動終端，它們連接在AP節點上，與AP節點處于同一個子網中，通過AP的動態主機配置協議(Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP)功能獲取IP地址后方可通信，通過Mesh骨干網訪問外網。依據WLAN的中心主從網絡特性，AP作為接入點，無線網卡的模式為“Master”，移動客戶端節點的無線網卡模式均為“Managed”。

c)Mesh骨干網與客戶端網絡的連接網絡：Mesh骨干網與客戶端網絡作為獨立的兩個網絡，只有通過一定的方式將二者連接起來才符合無線Mesh網絡的核心思想。

在此引入第三大功能子網(圖3矩形框內所示)，即兩臺PC分別安裝一塊無線網卡，并啟用PC自帶的有線以太網卡。其中一臺PC的無線網卡實現AP功能，稱為“AP”，另一臺PC的無線網卡實現MP功能，稱為“MP”，然后用一根網線連接兩臺PC的有線網卡接口，使二者結合成完整的MAP節點。這種方案彌補了單一節點模擬MAP的不足，表現在：

a)網卡選擇：兩塊無線網卡安裝在不同的節點上，節點間距離可以調整，因此在網卡的選擇上有較大的自由度。不用考慮同頻干擾，即使網卡完全相同也可正常使用。

b)節點故障處理：由于MAP的AP功能與MP功能被分解到獨立的兩個節點上，較容易進行故障點的判斷，故障處理簡單，即使需要對設備進行更換，成本也相對較低。

c)網絡的擴展性：當現有的WLAN網絡需要加入Mesh網絡時，只需用一根線纜連接就近的MP節點和WLAN網絡的接人點。若出現多個WLAN網絡加人的情況，只需在MP節點和多個接入點間放置一臺交換機連接即可。圖4為圖1在該方案下進行網絡擴展后的拓撲結構。

2．3 節點設計
    測試床由5個節點組成，其中MPP(MP3)，MP1和AP3個節點分別由裝有兩塊網卡的PC(PC自帶一塊有線網卡，另安裝一塊802．11 b／g的無線PCI網卡)充當，MP2由一臺裝有802．11 b／g無線PCI網卡的PC充當，客戶端終端(station)由一臺筆記本電腦充當。測試床各個節點的網絡標識及所屬網絡見表1，各節點網卡的IP配置見表2。

2．4 實現環境
2．4．1 硬件環境
    a)系統配置：P4-2．4 CPU；512 M內存；80 G硬盤；
    b)無線網卡：TP-LINK的TL-WN650 G；芯片Atheros 5212，支持802．1l b／g。
2．4．2 軟件環境
    a)操作系統：fedora 6(內核：2．6．18-1．2798．fc6)；Windows XP Professional(僅用于客戶端節點)；
    b)無線網卡驅動：madwifi-dfs-current．tar．gz；
    c)相關軟件：kernel-xen-deve1-2．6．18-1．2798．fc6．i686．rpm；subversion-1．4．6．tar．gz；subversion-deps-1．4．6．tar．gzsharutils-4．6．1-2．i386．rpm，這些軟件是確保無線網卡驅動madwifi順利安裝的前提；dhcp-3．0．4-21．fc6．i386．rpm，該軟件使模擬AP中動態地址分配的功能得以實現。
2．5 實現技術
    在測試床的搭建過程中需要解決以下關鍵技術：操作系統的選擇、網卡驅動的選擇和安裝；可加載內核模塊；Linux無線工具；動態主機分配協議、網絡地址轉換等等。這些技術的使用并不是相對獨立的，而是有一定的先后順序，它們相互配合，協調作用，有機地結合在一起共同支撐該測試床系統。

    測試床的關鍵技術主要分為4個層次，如圖5所示：最底層是操作系統的選擇和安裝。這一步是測試床搭建的基礎，所有后續的工作都必須在此之上才能進行。操作系統安裝完成后是網卡驅動的選擇和安裝，本平臺不僅要求驅動程序具有強大的功能，而且要求它是開源的，方便研究人員根據需要修改驅動代碼。網卡驅動程序安裝后并不能正常使用網卡，還需要可加載內核模塊(Loadable Kernel Modules，LKM)技術。

    在LKM之上涉及3個工具的應用，其作用各不相同：Linux無線工具用于對無線網卡進行具體的參數配置，如傳輸信道、傳輸速率、無線模式等；平臺還需要利用DHCP工具在AP節點上模擬出動態主機分配功能；最后，還將利用NAT(Network Address Translation)原理，使用iptables工具來實現不同網絡之間的地址轉換。

3 測試床的功能驗證
    完成測試床的搭建后，需要對平臺的功能進行驗證。本文主要從測試床平臺的客戶端網絡、Mesh骨干網絡、客戶端網絡與骨干網絡間的通信、Mesh網絡與Internet的融合4個方面加以驗證。
    客戶端網絡的實現首先在于AP節點接入功能的模擬。打開終端節點的“無線網絡連接”窗口，看到終端連接到AP上，網絡標識為“M-AP”，并通過AP的DHCP功能自動獲取到網絡配置信息，比如IP地址、子網掩碼、默認網關等。
    為了進一步證明客戶端網絡已經搭建成功，需對客戶端節點與AP的連通性加以測試，結果如圖6所示，節點間通信正常。據此得出：客戶端網絡搭建成功。

    骨干網絡是整個測試床實現的關鍵，Mesh骨干網本質是一個Ad-hoc網絡，只要安裝了無線網卡的計算機之間即可實現單跳或者多跳無線互聯。為驗證網絡的連通性，取其中任意兩個節點進行測試(以MP1和MP2為例)，如圖7所示，節點間通信正常，骨干網絡搭建成功。
    采用同樣的方法對客戶端網絡與骨干網絡間以及Mesh網絡與Internet間的通信狀況進行測試，所得結果表明平臺實現了子網間的通信及與異構網絡的融合。

4 結論
    本文介紹了基于WLAN的無線Mesh網絡測試床。針對無線Mesh網絡節點MAP，在前人研究的基礎上進行改進，提出了新的實現方案并成功地完成了測試床的搭建工作。該測試床的建立，為包括接入認證、密鑰管理、安全路由在內的Mesh網絡各關鍵技術，在真實環境下提供一個開發試驗平臺。