CN101296145B - 嵌入式无线Mesh网络路由器 - Google Patents

Abstract

一种无线网络技术领域的嵌入式无线Mesh网络路由器，包括：硬件平台、系统软件平台、无线Mesh网络自组织模块、用户接入应用模块和管理控制功能模块，其中：硬件平台采用嵌入式设计，由核心处理模块、有线网络通信模块和无线通信模块组成；系统软件平台直接工作在硬件平台上，获取所有硬件系统信息和接口提供给软件工作模块完成路由器功能；无线Mesh网络自组织模块提供无线Mesh网络自组织的功能；用户接入应用模块提供用户接入和网络应用功能；管理控制功能模块提供管理员对系统软件和其他功能模块的管理和控制功能。本发明能够基于现有802.11g标准，具备自组织和自恢复性能，能够自主完成Mesh网络构建。

Description

嵌入式无线Mesh网络路由器

技术领域

本发明涉及一种无线网络技术领域的路由器，具体地说，涉及的是一种嵌入式无线Mesh网络路由器。

背景技术

无线Mesh网络路由器是作为无线Mesh网络的基本组成单元而存在的。任意两个相互可以进行数据沟通的无线Mesh网络路由器之间，都有一条潜在的数据链路。根据接入Internet节点的位置和整个网状网络的实时网络状况，无线Mesh网络节点会选择将最优的一条潜在链路作为自己的出口链路，当网络拓扑状况或者相关性能参数发生改变的时候，无线Mesh网络路由器也要能够根据相关的链路信息，重新选择可用的链路，以达到自组织和自恢复的目的。

如上所述，无线Mesh网络路由器系统的设计是无线Mesh网络构建与应用中最为核心和关键的部分，网络路由器设计的好坏直接影响到无线Mesh网络的网络工作状态和效率，而如果能设计出优秀的无线mesh网络路由器，就可以大大地提升无线Mesh网络的网络性能。无线Mesh网络路由器的关键技术包括ap的接入、加密和身份验证、桥接网络的设计与实现、数据的路由与转发、无线Mesh网络链路质量表的生成、无线链路的路由选择以及网状网络自组织与自适应，要同时给以上的问题一个完整的解决方案是非常困难的。

经过对现有技术的检索和发现，John Bicket等在Mobicom 2005(The AnnualInternational Conference on Mobile Computing and Networking，移动计算与网络年度国际会议)发表的《Architecture and Evaluation of an Unplanned802.11b Mesh Network》，该文章中提出了一套关于无线Mesh网络路由器的解决方案，该无线mesh网络路由器基于802.11b协议，使用台式及系统和外置的高功率全向天线。其不足在于，由于技术的限制，速度和效率受到了较大的制约，也没有在小型化和嵌入式化上进行进一步的挖掘。而业界非常知名的Microsoft公司的MCL系统，在台式机操作系统上实现了无线网络的自组织，其不足在于，没有完全实现无线Mesh网络网络用户接入和自组织自适应这两个方面的整合，只是构建一个简单的类ad-hoc自组织网络而非一个实用化的用户可自由接入的无线Mesh网络体系结构。检索中还发现，Andres Arjona等在AICT’07(The ThirdAdvanced International Conference on Telecommunications，第三届高级无线电通讯国际会议)发表的《The Google Muni Wifi Network--Can it Competewith Cellular Voice？》，该文章中描述了tropos公司在Mountain View为google架设的无线Mesh网络，作为实际商用无线Mesh网络系统的代表，其方案为：在速度上，限制了实际上下行速率在1Mbps上，而且布点也尽可能地采用了一跳的方式，以获得足够的接入稳定性。其不足在于：使用的比较定向的链路设计，自组织和自适应能力不高，架设的技术和位置要求过高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种嵌入式无线Mesh网络路由器，使其能够基于现有802.11g标准，具备自组织和自恢复性能，能够自主完成Mesh网络构建。本发明一方面将系统的小型化，嵌入式化作为主要目标，突出实用性；另一方面实现Mesh网络的分布式体系结构和自组织，突出应用上的稳定性；第三在技术上采用最新的802.11g标准，突出先进性。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：硬件平台、系统软件平台、无线Mesh网络自组织模块、用户接入应用模块和管理控制功能模块。

所述的硬件平台采用嵌入式设计，由核心处理模块、有线网络通信模块和无线通信模块组成。核心处理模块是整个系统的信息处理中心。有线网络通信模块负责系统与有线网络的信息交流，并将信息传递给核心处理模块。无线通信模块负责与无线网络的信息交流，将其所获得的信息传递给核心处理模块，并将从核心处理模块处获得的信息传送到无线网络空间。核心处理模块除了完成信息处理外，还需要对其余模块做出调整和控制。

所述的系统软件平台直接工作在硬件平台上，在硬件平台提供的空间上，获取所有硬件系统信息和接口提供给其他软件工作模块完成路由器功能。

所述的无线Mesh网络自组织模块工作在系统软件平台上，提供无线Mesh网络自组织的功能。

所述的用户接入应用模块工作在系统软件平台上，提供用户接入和网络应用功能。

所述的管理控制功能模块工作在系统软件平台上，提供管理员对系统软件和其他功能模块的管理和控制功能。

所述的核心处理模块，包括核心电源模块、中央处理模块、外部晶体、闪存模块、同步动态存储模块、复位模块。核心电源模块与中央处理模块、外部晶体、复位模块、闪存模块、同步动态存储模块直接相连，给整个核心处理模块供电。以中央处理模块为中心，外部晶体与复位模块直接与中央处理模块连接。外部晶体提供片外振源，复位模块提供必要可靠的上电复位。闪存模块以及同步动态存储模块通过总线与中央处理模块连接，同时闪存模块与同步动态存储模块也是通过位总线连接。闪存模块实现数据和程序的存储，而同步动态存储模块提供程序运行的空间，保证程序的运行。

所述的有线网络通信模块包括有线网络电源模块、网络模块、串口模块，有线网络电源模块直接与网络模块、串口模块连接，为整个有线网络通信模块供电。其中网络模块、串口模块直接与核心处理模块连接。网络模块提供10M、100M或1000M网络接口，串口模块实现串口电平转换功能。

所述的无线通信模块包括无线网络电源模块、无线minipci(微型pci，Peripheral Component Interconnection，外设组件互连标准)接口模块、无线网卡模块。无线minipci接口模块提供无线网卡模块与核心处理模块的接口，完成信息的传递和转发。无线网络电源模块直接与无线minipci接口模块和无线网卡模块相连接，为整个模块供电。无线网卡模块通过无线minipci接口模块与核心处理模块相连接。无线网卡模块提供符合802.11协议的相关多模无线网卡功能。

所述的系统软件平台采用嵌入式Linux，以满足本发明设备硬件部件资源少的限制。同时该平台能直接提供多种网络协议和工具的支持，而不必外挂其他软件，从基础上保证了系统的稳定性。与硬件平台之间的连接基于嵌入式开发的驱动程序和系统程序。之后，通过系统软件平台的上层应用接口与无线Mesh网络自组织模块、用户接入应用模块、管理控制功能模块进行数据传送与转发。

所述的无线Mesh网络自组织模块，包括无线链路质量监测和判断模块、骨干网多跳数据传输模块、网关自动选择和恢复模块、自组织和自适应模块四个部分。这四个模块协同工作，完成无线Mesh网络自组织和自适应的功能，在硬件平台和系统软件平台的基础上完成无线Mesh网络的架构。

所述的无线链路质量监测和判断模块从系统启动的一开始就处在工作状态中，通过发送和接收特定的探针包，与相邻的无线Mesh网络路由器完成对链路质量信息的统计和交换。大概的方法是：通过在周期内发送固定数量的探针包，通过接收包和发送包的比例，推断出探针包丢失的程度，以此为基础计算权值，来对网络环境的状况完成探知。当系统获得完整的无线网络链路质量数据后，将通过计算获得不同路由的综合权值，以此来进行路由判断。

所述的骨干网多跳数据传输模块基于无线链路质量监测和判断模块中所获得的链路质量参数和路由判断结果，将从本地用户，或是其他无线Mesh网络路由器上转发过来的用户数据进一步转发到出口。如果本地不直接连接Internet，那么将判断出最优的路由来完成多条的数据传输。

所述的网关自动选择和恢复模块通过对路由器本身有线和无线链路的探测，确定本地是否直接连接到Internet，如果连接到的话，那么本地将作为一个Internet网关向整个网络进行身份广播，以确保其他节点会将需要转发到Internet的数据，转发到本地路由器上。

所述的自组织和自适应模块在网络状态或是拓扑结构发生突然改变的情况下，由于探针包的丢失率会随之发生变化，相应计算出的权值也会发生变化，也就实现了对无线网络链路的质量的实时追踪和更新。在此基础上，自组织和自适应模块会对周围网络拓扑信息进行重新计算和收敛，以此来继续维持网络结构的稳定和可用。

所述的用户接入应用模块，工作在系统软件平台上，与无线Mesh网络自组织模块是互不相干的并行关系，两者可以通过系统软件平台完成数据传递与交换。这个模块必须符合802.11协议标准，保证一般用户的正常接入，给予用户足够的加密和安全保护，用户能够在接入后自由的访问Internet上的资源，并能够在移动中正常使用网络。这个模块包括如下功能软件：Ap功能软件、WEP/WPA加密软件、NAT功能软件、IP ROAM功能软件。

本发明还可以包括管理控制功能模块，这个模块工作在系统软件平台上，与无线Mesh网络自组织模块以及用户接入应用模块是互不相干的并行关系。这个模块提供用户使用的相关管理工具，使用户能够简单方便地配置网络的相关参数。在路由器的相关产品中，管理工具会以命令行接入和web管理两种形式存在。控制参数和信息将通过系统软件平台传递给无线Mesh网络自组织模块以及用户接入应用模块，以确保对于系统的管理和修正实时的体现在用户使用中。

本发明能够满足普通用户对路由器使用的需要，也能够满足无线Mesh网络节点的其他相关性能要求。由于软硬件体系设计上的优势，使得本发明能够应对多方面的应用需求。本发明是一个基于实用性无线Mesh网络需求的，又能够最大限度发挥软硬件性能的综合体。相比于以前的无线Mesh网络设计，我们基于嵌入式开发设计，体积更小，功耗更低，使用更方便；我们使用了一套更好的路由算法，在稳定性和自组织性能上取得了良好的平衡，使得用户能够更简单快速高效地使用我们的产品；我们基于更先进的无线协议，提供了更快更稳定的接入速度。

附图说明

图1为本发明系统结构框图

图2为本发明无线Mesh网络自组织模块结构框图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明对于几乎所有的环境都能具备良好的自适应与自组织，这是本发明所实现的无线Mesh网络结构的基本要求。当需要在一个具体的网络环境中部署本发明的无线Mesh网络路由器时，假设由于环境和其他相关因素的限制，所需要的覆盖范围内使用的无线路由器有一部分无法直接与有线网络相连接，此时就需要开启无线Mesh网络路由器的Mesh网络自组织功能。

图1给出了整个无线Mesh网络路由器的系统框架图。其中硬件平台是整个路由器系统的基础，系统软件平台工作在硬件平台基础上通过该软件平台，来支撑上层的用于完成实际无线路由器功能的无线Mesh网络自组织模块、用户接入应用模块和管理控制功能模块。

所述的硬件平台采用嵌入式设计，平台以中央处理模块为中心，外部晶体提供片外振源，闪存模块实现数据和程序的存储，而同步动态存储模块提供程序运行的空间，保证程序的运行，其中闪存模块以及同步动态存储模块通过总线连接。核心电源模块给整个中央处理模块提供电源。复位模块直接与中央处理模块连接，提供必要可靠的上电复位。硬件平台还包括有线和无线网络通信模块，用于提供有线和无线网络的通信功能。

所述的中央处理模块，要求具有实点运算处理功能，32位数据和地址接口，高于200Mhz的运行频率。在本发明中实行协调处理程序的功能。

所述的闪存模块，要求具有存储数据的功能，大小不能小于8Mbyte，本发明中用于实现程序和数据的储存单元。

所述的同步动态存储模块，要求具有动态存储数据的功能，其技术参数为32Mbyte，在本发明中作为程序的运行单元，实现程序运行，存储临时数据的功能。

所述的复位模块，要求具有上电自动复位功能。在本发明中实现为中央处理模块提供稳定可靠的上电复位功能。

所述的系统软件平台采用嵌入式Linux，包括驱动层、文件系统、协议层和应用层。驱动层包括网络驱动、串口驱动。协议层包括PPP(点对点)协议、TCP/IP协议。文件系统包括Ramdisk(内存磁盘文件系统)、JFFS2(闪存文件系统)。应用层包括ssh(安全远程控制协议)Telnet(远程登录)，网页服务器，Socket通信，串口通信等相关软件。

所述的无线Mesh网络自组织模块、用户接入应用模块和管理控制功能模块用于完成无线Mesh网络路由器所要求的功能。一方面，对于用户来说，无线Mesh网络路由器应当如同普通无线网络路由器一样提供必要的用户接入能力，以及加密和验证机制以保证用户的数据安全。因此，系统需要所述的用户接入应用模块。这个模块工作在系统软件平台上，与无线Mesh网络自组织模块是互不相干的并行关系，两者可以通过系统软件平台完成数据传递与交换。这个模块必须符合802.11协议标准，保证一般用户的正常接入，给予用户足够的加密和安全保护，用户能够在接入后自由的访问Internet上的资源，并能够在移动中正常使用网络。这个模块包括如下功能软件：Ap功能软件、WEP/WPA加密软件、NAT功能软件、IP ROAM功能软件。

另一方面，对于无线Mesh网络路由器所组成的区域无线骨干网来说，多个路由器构成了一个完整的无线网状网。这个网状网在组成的一开始，无线Mesh网络路由器相互之间并不知晓链路质量和网络状况，也就无法通过相关的策略完成路由选择和转发的工作。而无线网状网要求用户的数据传输到无线Mesh网络路由器后，无线Mesh网络路由器根据相关的无线网络链路质量信息，选择最优的路由，来保障用户的数据沟通。因此需要由特定的无线Mesh网络自组织模块来完成相关的任务。

如图2所示，所述的无线Mesh网络自组织模块包括无线链路质量监测和判断模块、骨干网多跳数据传输模块、网关自动选择和恢复模块、自组织和自适应模块四个部分。这四个模块协同工作，完成无线Mesh网络自组织和自适应的功能，在硬件平台和系统软件平台的基础上完成无线Mesh网络的架构。

所述的无线链路质量监测和判断模块从系统启动的一开始就处在工作状态中，通过发送和接收特定的探针包，与相邻的无线Mesh网络路由器完成对链路质量信息的统计和交换。大概的方法是：通过在周期内发送固定数量的探针包，通过接收包和发送包的比例，推断出探针包丢失的程度，以此为基础计算权值，来对网络环境的状况完成探知。当系统获得完整的无线网络链路质量数据后，将通过计算获得不同路由的综合权值，以此来进行路由判断。

所述的骨干网多跳数据传输模块基于无线链路质量监测和判断模块中所获得的链路质量参数和路由判断结果，将从本地用户，或是其他无线Mesh网络路由器上转发过来的用户数据进一步转发到出口。如果本地不直接连接Internet，那么将判断出最优的路由来完成多条的数据传输。

所述的网关自动选择和恢复模块通过对路由器本身有线和无线链路的探测，确定本地是否直接连接到Internet，如果连接存在的话，那么本地将作为一个Internet网关向整个网络进行身份广播，以确保其他节点会将需要转发到Internet的数据，转发到本地路由器上。

所述的自组织和自适应模块在网络状态或是拓扑结构发生突然改变的情况下，由于探针包的丢失率会随之发生变化，相应计算出的权值也会发生变化，也就实现了对无线网络链路的质量的实时追踪和更新。在此基础上，自组织和自适应模块会对周围网络拓扑信息进行重新计算和收敛，以此来继续维持网络结构的稳定和可用。

第三，所述的管理控制功能模块，是在网络开始正常工作之后，由于网络应用的多样性和复杂性，除了要完成自动设置的过程外，还要为相关的网络管理者或是用户提供简单易用的管理和控制工具。因此本实施例所设计和开发的命令行管理模式和web管理页面将帮助用户更好地控制和修正网络参数，使得网络能够更快更好地运行。

在特定区域内，若干个路由器启动后，首先分别由各路由器的硬件平台完成启动检测，并将系统软件模块导入到相关的内存空间。启动系统软件模块的工作流程后，系统软件获得整个路由器系统的管理权，系统软件模块将启动无线Mesh网络自组织模块、用户接入应用模块和管理控制功能模块。无线Mesh网络自组织模块开始工作后，将使用其内部的无线链路质量监测和判断模块、骨干网多跳数据传输模块、网关自动选择和恢复模块、自组织和自适应模块对完成无线Mesh网络的自组织和自适应。用户接入应用模块将检测用户的存在，并为用户完成接入和网络应用工作。管理控制功能模块随时在后台等待控制信息，保证系统的快速高效运行。

Claims (9)

1.一种嵌入式无线Mesh网络路由器，其特征在于，包括：硬件平台、系统软件平台、无线Mesh网络自组织模块、用户接入应用模块和管理控制功能模块，其中：

所述的硬件平台由核心处理模块、有线网络通信模块和无线通信模块组成，核心处理模块是整个系统的信息处理中心，除了完成信息处理外，还对其余模块进行调整和控制；有线网络通信模块负责系统与有线网络的信息交流，并将信息传递给核心处理模块；无线通信模块负责与无线网络的信息交流，将其所获得的信息传递给核心处理模块，并将从核心处理模块处获得的信息传送到无线网络空间；

所述的系统软件平台直接工作在硬件平台上，在硬件平台提供的空间上，获取所有硬件系统信息和接口提供给软件工作模块完成路由器功能；

所述的无线Mesh网络自组织模块工作在系统软件平台上，提供无线Mesh网络自组织的功能，该无线Mesh网络自组织模块包括无线链路质量监测和判断模块、骨干网多跳数据传输模块、网关自动选择和恢复模块、自组织和自适应模块四个部分，这四个模块协同工作，完成无线Mesh网络自组织和自适应的功能，在硬件平台和系统软件平台的基础上完成无线Mesh网络的架构，其中：

所述的无线链路质量监测和判断模块从系统启动的一开始就处在工作状态中，通过发送和接收特定的探针包，与相邻的无线Mesh网络路由器完成对链路质量信息的统计和交换；

所述的骨干网多跳数据传输模块基于无线链路质量监测和判断模块中所获得的链路质量参数和路由判断结果，将从本地用户，或是其他无线Mesh网络路由器上转发过来的用户数据进一步转发到出口，如果本地不直接连接Internet，那么将判断出最优的路由来完成多跳的数据传输；

所述的网关自动选择和恢复模块通过对路由器本身有线和无线链路的探测，确定本地是否直接连接到Internet，如果连接到的话，那么本地将作为一个Internet网关向整个网络进行身份广播，以确保其他节点会将需要转发到Internet的数据，转发到本地路由器上；

所述的自组织和自适应模块在网络状态或是拓扑结构发生突然改变的情况下，由于探针包的丢失率会随之发生变化，相应计算出的权值也会发生变化，也就实现了对无线网络链路的质量的实时追踪和更新，在此基础上，自组织和自适应模块会对周围网络拓扑信息进行重新计算和收敛，以此来继续维持网络结构的稳定和可用； 

所述的用户接入应用模块工作在系统软件平台上，提供用户接入和网络应用功能；所述的管理控制功能模块工作在系统软件平台上，提供管理员对系统软件和其他功能模块的管理和控制功能。

2.根据权利要求1所述的嵌入式无线Mesh网络路由器，其特征是，所述的核心处理模块，包括核心电源模块、中央处理模块、外部晶体、闪存模块、同步和态存储模块、复位模块，核心电源模块与中央处理模块、外部晶体、复位模块、闪存模块、同步动态存储模块直接相连，给整个核心处理模块供电，以中央处理模块为中心，外部晶体与复位模块直接与中央处理模块连接，外部晶体提供片外振源，复位模块提供必要可靠的上电复位，闪存模块以及同步动态存储模块通过总线与中央处理模块连接，同时闪存模块与同步动态存储模块也是通过总线连接，闪存模块实现数据和程序的存储，而同步动态存储模块提供程序运行的空间，保证程序的运行。

3.根据权利要求1所述的嵌入式无线Mesh网络路由器，其特征是，所述的有线网络通信模块包括有线网络电源模块、网络模块、串口模块，有线网络电源模块直接与网络模块、串口模块连接，为整个有线网络通信模块供电，其中网络模块、串口模块直接与核心处理模块连接，网络模块提供10M、100M或1000M网络接口，串口模块实现串口电平转换功能。

4.根据权利要求1所述的嵌入式无线Mesh网络路由器，其特征是，所述的无线通信模块包括无线网络电源模块、无线minipci接口模块、无线网卡模块，无线minipci接口模块提供无线网卡模块与核心处理模块的接口，完成信息的传递和转发；无线网络电源模块直接与无线minipci接口模块和无线网卡模块相连接，为整个模块供电；无线网卡模块通过无线minipci接口模块与核心处理模块相连接，无线网卡模块提供符合802.11协议的相关多模无线网卡功能。

5.根据权利要求1所述的嵌入式无线Mesh网络路由器，其特征是，所述的系统软件平台采用嵌入式Linux，该平台能直接提供多种网络协议和工具的支持，与硬件平台之间的连接基于嵌入式开发的驱动程序和系统程序，之后，通过系统软件平台的上层应用接口与无线Mesh网络自组织模块、用户接入应用模块、管理控制功能模块进行数据传送与转发。 

6.根据权利要求1所述的嵌入式无线Mesh网络路由器，其特征是，所述的无线链路质量监测和判断模块通过在周期内发送固定数量的探针包，根据接收包和发送包的比例，推断出探针包丢失的程度，以此为基础计算权值，来对网络环境的状况完成探知，当系统获得完整的无线网络链路质量数据后，将通过计算获得路由的综合权值，以此来进行路由判断。

7.根据权利要求1所述的嵌入式无线Mesh网络路由器，其特征是，所述的用户接入应用模块，与无线Mesh网络自组织模块和管理控制功能模块是互不相干的并行关系，两者可以通过系统软件平台完成数据传递与交换，这个模块必须符合802.11协议标准，保证一般用户的正常接入，给予用户足够的加密和安全保护，用户能够在接入后自由的访问Internet上的资源，并能够在移动中正常使用网络。

8.根据权利要求7所述的嵌入式无线Mesh网络路由器，其特征是，所述的用户接入应用模块包括如下功能软件：Ap功能软件，WEP/WPA加密软件，NAT功能软件，IP R0AM功能软件。

9.根据权利要求1所述的嵌入式无线Mesh网络路由器，其特征是，所述的系统软件平台上还有管理控制功能模块，该模块与无线Mesh网络自组织模块以及用户接入应用模块是互不相干的并行关系，这个模块提供用户使用的管理工具，使用户能够简单方便地配置网络的相关参数，在路由器的产品中，管理工具会以命令行接入和web管理两种形式存在，控制参数和信息将通过系统软件平台传递给无线Mesh网络自组织模块以及用户接入应用模块，以确保对于系统的管理和修正实时的体现在用户使用中。 

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