CN101621747A - 一种无线mesh网络的可靠组播传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种无线mesh网络的可靠组播传输方法，实现了无线mesh网络中的数据可靠组播传输，且一发多收，节省了带宽资源；包括步骤：选举出当前时段内的组播管理主服务器及备份服务器；源发送节点向组播管理主服务器发送组播地址申请，获取组播地址及相应组播参数；源发送节点向组播组成员发送组播加入通知使其加入到组播组，路由器通过该通知获取组播组及成员信息并构建该组播组的组播路由；在接收完成员应答后，源发送节点借助有限状态机传输组播数据；在组播地址及相关参数授权使用超时前，源发送节点给各个组播组成员单播发送退出组播组通知，组播管理主服务器也将清除该组播地址及相关参数的使用授权，保证组播地址及相关参数的合法性及一致性。
Description
技术领域
本发明涉及无线网络接入领域，特别是一种在无线mesh网络(WMN，无线网状网络)中，实现分组数据的可靠组播传输方法。
背景技术
无线mesh网络是基于IP协议的大容量、高速率、覆盖范围广的无线网络，通过呈网状分布的无线接入点间的相互合作和协同，主要体现在无中心、自组织、多跳路由选择等，成为宽带接入的一种有效手段。无线mesh网络一般由用户节点、无线mesh路由器节点和网关节点组成。无线mesh路由器通过长距离高速无线技术互相连同，形成一个多条的无线mesh骨干网络，用户节点则通过无线mesh路由器接入到mesh网络，网关则是连接外部异构网络的接入点，如因特网等。
IP组播是一种将单个数据信息同时分发到多个不同用户的网络技术。在广泛的宽带应用中，例如软件升级，分布式计算，多媒体内容传播等等，都需要采用组播技术。
无线链路由于存在较高的误比特率及时变性等缺点，需要提供一种可靠的传输技术来保证可靠数据业务的传输。TCP(transmission controlprotocol)是一种面向链接的可靠传输层协议，最初是针对有线网络而设计。由于有线网络链路可靠性高，传统TCP认定丢包是由网络拥塞所导致，而在无线网络中，链路的高误码率和节点移动等都会导致丢包，多路径路由和节点移动切换等会导致数据分组乱序，TCP并没有考虑到非拥塞因素乱序和高误码率所导致的丢包，如果把传统TCP应用于无线网络中，TCP则会把非拥塞乱序和包丢失也当作是网络拥塞标志，从而错误地进入拥塞控制，最终导致严重的性能问题。
发明内容
本发明针对现有技术所存在的缺陷和不足，其目的在于提供一种安全、简单和可靠的应用于无线mesh网络中的数据可靠组播传输方法。
本发明的目的是通过如下技术方案来实现的：一种无线mesh网络的可靠组播传输方法，其特征在于包括以下步骤：步骤(1)、与无线mesh路由器连接的组播管理服务器通过选举算法，选举出当前时段内的组播管理主服务器及备份服务器，被选举的组播管理主服务器将地址信息向全网进行公布；步骤(2)、源发送节点采用全网统一的地址通过无线mesh路由器向组播管理主服务器发送组播地址申请；步骤(3)、组播管理主服务器中如果还存在未分配的组播地址并且发送组播地址申请的源发送节点合法，则给该源发送节点发送申请通知；否则发送否定申请通知；步骤(4)、源发送节点在收到步骤(3)所发送的申请通知后，给所有的组播目的节点单播发送组播组加入通知；无线mesh路由器在收到组播组加入通知后计算出该组播组的组播路由；组播目的节点在收到组播组加入通知后，加入该组播组，并做好接收数据的准备，同时向源发送节点以单播的方式发送组播组加入应答；步骤(5)、源发送节点如果在组播组加入应答等待超时后还没有收齐组播组加入应答信息，则向未接收到组播组加入应答信息的节点再次发送组播组加入通知；源发送节点如果已经收齐了所有的节点的组播组加入应答信息，则开始向各个节点通过无线mesh路由器按照步骤(4)中单播发送组播组加入通知的组播路由树发送组播数据；步骤(6)、组播目的节点收完数据后，如果全部成功接收，则给源发送节点发送数据应答确认(ACK)报文，并标识数据已全部成功接收；如果有部分数据未收到或数据校验错误，则给源发送节点发送数据应答否认(NACK)信息，并标识相应的丢包及错包的ID号；源发送节点收到数据应答否认(NACK)信息后，以单播方式给相应的目的节点发送数据包，直到所有目的节点数据都已成功接收完毕或重传计数器超过了设定的门限；步骤(7)、源发送节点在组播地址使用超时前，如果仍存在相应的组播业务，则向组播管理主服务器发送组播地址保留申请，组播管理主服务器返回同意应答，则源发送节点继续使用该组播地址；否则则在组播地址使用时间超时后，组播管理主服务器将收回该组播地址的使用权，同时源发送节点向各个组播组成员节点单播发送退出该组播地址的通知，各个无线mesh路由器根据该通知也相应将该组播路由清除，各组播组成员节点在收到该通知后，退出该组播组，并且给源发送节点发送接收应答，同时组播管理主服务器将清除该组播地址及相关参数的使用授权。
所述组播管理主服务器与组播管理备份服务器之间，实施固定间隔的生存信息交互；如果在若干个时间间隔内没有收到生存信息，则判断该组播管理服务器已经失效；如果失效的为组播管理主服务器，则组播管理备份服务器立即向各个mesh路由器公布其IP地址，转为组播管理主服务器。
所述组播管理服务器以分布式的形式出现。
所述组播传输过程中发送数据和接收数据步骤的跳转执行分别通过发送数据有限状态机和接收数据有限状态机来实现。
步骤(4)中单播发送组播组加入通知的组播路由树由源发送节点和组播组中所含中继最少的组合构成。
与现有技术相比，本发明具有如下优点及有益效果：
1、实现了在无线mesh网络中的数据可靠组播传输，一发多收，节省了无线网络带宽资源。采用组播管理主服务器及备份服务器的集中管理模式，节省了无线网络的大量组播协议的交互开销，以及组播地址一致性及可靠性的问题，并且能够通过加入第三方认证实现更安全的认证机制，防止大量的非法组播业务，引发网络拥塞甚至瘫痪。另一方面，采用周期性选举机制产生主服务器及备份服务器，提高了分布式网络组播应用的可靠性及抗毁性。
2、组播管理服务器的每一个组播地址及参数的授权都具有时间限制，在该时间到来之前(即在组播地址及相关参数授权使用超时前)，源发送节点通过给各个组播组成员单播发送退出组播组通知，退出该组播组，保证该组播地址及相关参数的合法性及一致性。
3、采用了源点基准组播树的方式，通过源发送节点与成员节点的组加入交互，使各个组播路径中的Mesh路由器共享路由信息，并计算出相应的组播最短路由树(即所含中继最少的路由树)。
4、通过采用组播发送、单播重传的有限状态机机制，克服了无线链路的时变性所带来的最大传输单元(MTU)的时变性，保证了文件数据的可靠传输。
附图说明
图1是本发明所述的无线mesh网络结构示意图；
图2是本发明所述的可靠组播传输有限状态机发数据状态转移图；
图3是本发明所述的可靠组播传输有限状态机收数据状态转移图；
图4是本发明所述的可靠组播传输方法的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
在介绍具体实施方式之前，首先先对本方法需求的mesh路由器的功能进行介绍，无线mesh路由器在网络初始阶段组成一个同步的跳频网络，各路由时钟精确同步。在此跳频网络的基础上，每个路由器以分布式的方式形成一个能够自组织自恢复的mesh网络，路由器之间通过链路状态路由机制或表驱动路由机制实现数据的多跳转发。本发明所述的各种信令报文都以标准的UDP报文进行承载。
本发明为无线mesh网络可靠组播传输方法，其基于如图1所示的无线mesh网络结构，该网络结构包括由若干个相互连接的无线mesh路由器，与无线mesh路由器连接的组播管理服务器和用户节点，该网络结构通过无线mesh路由器连接至以太网。本发明组播传输过程中发送数据和接收数据步骤的跳转执行分别通过发送数据有限状态机和接收数据有限状态机来可靠地实现，发送数据有限状态机的状态转移如图2所示，接收数据有限状态机的状态转移如图3所示。本发明的实施包括以下步骤：
步骤(1)、与无线mesh路由器连接的组播管理服务器通过选举算法，选举出当前时段内的组播管理主服务器及备份服务器，被选举的组播管理主服务器将地址信息向全网进行公布。
具体细节如下：在无线mesh网络建立阶段或是无线mesh路由器初始化阶段，组播管理服务器通过无线mesh路由器之间的链路状态路由机制或表驱动路由机制的路由交互，获取全网的拓扑结构、节点状态及节点链路质量等参数信息；然后在全网统一的一个时刻，各组播管理服务器根据全网的拓扑结构、节点状态及节点间链路质量，考虑无线mesh路由器退网、静默、故障等状态，计算每个组播管理服务器到其它各个组播管理服务器的链路权重最短路径：链路权重表示为W(i，j)＝αLQ(i，j)，其中LQ(i，j)表示链路i-＞j的链路质量参数，LQ(i，j)可以在1-10间取值，其中取值为10时表示无线链路的链路质量最好，可以进行较高速率的数据传输，且对应的误码率(BER)较低，而取值为1时表示无线链路的链路质量最差，应当采用最低速率传输确保可靠性，且对应的误码率相对较高；α为权值，取值为使W(i，j)呈指数型分布；再将该组播管理服务器到所有组播管理服务器的链路权重最短路径的权重值求和，选择出链路权重和最大的前两个节点，作为主组播管理服务器和备份组播管理服务器。
选举算法完成后，在一个全网默认的时刻，组播管理主服务器向全网各个mesh路由器公布其IP地址，各个mesh路由器将此IP地址记录，完成各个子网节点的组播地址申请报文的路由。
组播管理主服务器与组播管理备份服务器之间，实施固定间隔的生存信息交互。如果在若干个时间间隔内没有收到生存信息，则判断该组播管理服务器已经失效。如果失效的为组播管理主服务器，则组播管理备份服务器立即向各个mesh路由器公布其IP地址，开始充当组播管理主服务器的角色；如果失效的为组播管理备份服务器，不做任何操作。
步骤(2)、源发送节点采用全网统一的地址(例如224.0.0.1)通过无线mesh路由器向组播管理主服务器发送组播地址申请，获取组播地址及相应组播参数。
步骤(3)、组播管理主服务器中如果还存在未分配的组播地址并且发送组播地址申请的该源发送节点合法，则给该源发送节点发送申请通知；否则发送否定申请通知。所发送的申请通知包含合法的组播地址以及该地址的生存时间。
步骤(4)、源发送节点在收到步骤(3)所发送的申请通知后，给所有的组播目的节点单播发送组播组加入通知；无线mesh路由器在收到组播组加入通知后计算出该组播组的组播路由；组播目的节点在收到组播组加入通知后，加入该组播组，并做好接收数据的准备，同时向源发送节点以单播的方式发送组播组加入应答。在本实施例中，由于数据收发步骤的执行都通过有限状态机来协助完成，因而组播目的节点是以启动数据接收状态机的方式来做好接收数据的准备。
发送组播组加入通知所采用的组播路由的建立具体如下：组播组加入通知所经过的第一个无线mesh路由器通过解析，获取组播地址及组播组成员信息，并根据全网的拓扑结构、节点工作状态及节点间链路质量，考虑无线路由器退网、静默、故障等状态，采用最少中继的方式计算无线mesh路由器到每个成员的组播路由。组播路由采用源点基准树的方式，源发送节点和组播组的每一种组合都可以构成一棵单独的组播树；不过本发明所采用的组播路由树是最少中继的，也就是由源发送节点和组播组中所含中继最少的组合构成。无线mesh路由器根据本地到所有目的节点的链路权重最短路径，计算出中继节点集合，并进行优化，形成最少中继节点集合，即以最少的中继节点覆盖所有的目的节点。
步骤(5)、源发送节点如果在组播组加入应答等待超时后还没有收齐组播组加入应答信息，则向未接收到组播组加入应答信息的节点再次发送组播组加入通知；源发送节点如果已经收齐了所有的节点的组播组加入应答信息，则开始向各个节点通过无线mesh路由器按照步骤(4)中单播发送组播组加入通知的组播路由树发送组播数据。其中组播数据以UDP格式报文进行承载。
步骤(6)、组播目的节点收完数据后，如果全部成功接收，则给源发送节点发送数据应答确认(ACK，Acknowledgment)报文，并标识数据已全部成功接收；如果有部分数据未收到或数据校验错误，则给源发送节点发送数据应答否认(NACK，Negative Acknowledgment)信息，并标识相应的丢包及错包的ID号；源发送节点收到数据应答NACK信息后，以单播方式给相应的目的节点发送数据包，直到所有目的节点数据都已成功接收完毕或重传计数器超过了设定的门限。
步骤(7)、源发送节点在组播地址使用超时前，如果仍存在相应的组播业务，则可以向组播管理主服务器发送组播地址保留申请，组播管理主服务器返回同意应答，则源发送节点可以继续使用该组播地址；否则则在组播地址使用时间超时后，组播管理主服务器将收回该组播地址的使用权，同时源发送节点向各个组播组成员节点单播发送退出该组播地址的通知，各个无线mesh路由器根据该通知也相应将该组播路由清除，各组播组成员节点在收到该通知后，退出该组播组，并且给源发送节点发送接收应答，同时组播管理主服务器将清除该组播地址及相关参数的使用授权。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1、一种无线mesh网络的可靠组播传输方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤(1)、与无线mesh路由器连接的组播管理服务器通过选举算法，选举出当前时段内的组播管理主服务器及备份服务器，被选举的组播管理主服务器将地址信息向全网进行公布；
步骤(2)、源发送节点采用全网统一的地址通过无线mesh路由器向组播管理主服务器发送组播地址申请，获取组播地址及相应组播参数；
步骤(3)、组播管理主服务器中如果还存在未分配的组播地址并且发送组播地址申请的源发送节点合法，则给该源发送节点发送申请通知；否则发送否定申请通知；
步骤(4)、源发送节点在收到步骤(3)所发送的申请通知后，给所有的组播目的节点单播发送组播组加入通知；无线mesh路由器在收到组播组加入通知后计算出该组播组的组播路由；组播目的节点在收到组播组加入通知后，加入该组播组，并做好接收数据的准备，同时向源发送节点以单播的方式发送组播组加入应答；
步骤(5)、源发送节点如果在组播组加入应答等待超时后还没有收齐组播组加入应答信息，则向未接收到组播组加入应答信息的节点再次发送组播组加入通知；源发送节点如果已经收齐了所有的节点的组播组加入应答信息，则开始向各个节点通过无线mesh路由器按照步骤(4)中单播发送组播组加入通知的组播路由树发送组播数据；
步骤(6)、组播目的节点收完数据后，如果全部成功接收，则给源发送节点发送数据应答确认报文，并标识数据已全部成功接收；如果有部分数据未收到或数据校验错误，则给源发送节点发送数据应答否认信息，并标识相应的丢包及错包的ID号；源发送节点收到数据应答否认信息后，以单播方式给相应的目的节点发送数据包，直到所有目的节点数据都已成功接收完毕或重传计数器超过了设定的门限；
步骤(7)、源发送节点在组播地址使用超时前，如果仍存在相应的组播业务，则向组播管理主服务器发送组播地址保留申请，组播管理主服务器返回同意应答，则源发送节点继续使用该组播地址；否则则在组播地址使用时间超时后，组播管理主服务器将收回该组播地址的使用权，同时源发送节点向各个组播组成员节点单播发送退出该组播地址的通知，各个无线mesh路由器根据该通知也相应将该组播路由清除，各组播组成员节点在收到该通知后，退出该组播组，并且给源发送节点发送接收应答，同时组播管理主服务器将清除该组播地址及相关参数的使用授权。
2、根据权利要求1所述的无线mesh网络的可靠组播传输方法，其特征在于：所述组播管理主服务器与组播管理备份服务器之间，实施固定间隔的生存信息交互；如果在若干个时间间隔内没有收到生存信息，则判断该组播管理服务器已经失效；如果失效的为组播管理主服务器，则组播管理备份服务器立即向各个mesh路由器公布其IP地址，转为组播管理主服务器。
3、根据权利要求1所述的无线mesh网络的可靠组播传输方法，其特征在于：所述组播管理服务器以分布式的形式出现。
4、根据权利要求1所述的无线mesh网络的可靠组播传输方法，其特征在于：所述组播传输过程中发送数据和接收数据步骤的跳转执行分别通过发送数据有限状态机和接收数据有限状态机来实现。
5、根据权利要求1所述的无线mesh网络的可靠组播传输方法，其特征在于：步骤(4)中单播发送组播组加入通知的组播路由树由源发送节点和组播组中所含中继最少的组合构成。
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