CN102144420B - 用于网格型网络的代理机制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于通过接入设备（C）将网格型网络连接到另一个网络（100）的装置和方法。网格型网络中提供代理机制，允许基于传统接入点的网格型网络的互连和范围扩展。

Description

用于网格型网络的代理机制

技术领域

本发明总的涉及用于通过接入设备将网格型网络连接到另一个网络的装置、方法、计算机程序产品和系统。

背景技术

在没有网格服务的WLAN配置中，客户端站或终端站（STA）必须与接入点（AP）相关联，以便获得对网络的接入。这些STA依赖于与其相关联的AP来进行通信。

IEEE（电气和电子工程师协会）标准802.11s开发了无线局域网（WLAN）网格标准。利用无线网格网络（WMN），设备可以容易地进行互连。每个设备充当为其它设备转发帧的无线路由器。这样，可以无需附加的固定基础结构而容易地对网络进行配置。

从其它网络和较高层协议的角度看，所谓的网格网络看起来在功能上相当于广播以太网。例如，网格网络可以是遵循IEEE 802.11规范的LAN，其中链路和控制单元在网络构件之间转发帧。因此，一般看起来像是网格中的所有网格点（MP）都直接在链路层连接。该功能性对较高层协议是透明的。

标准的“基础结构”无线局域网是集中式网络，其中STA隶属于充当“主站”的AP。该集中式拓扑使得网络形成和初始信道选择变得容易。AP被配置成在特定的频道开始传送，STA仅需要例如通过扫描可用频率列表来找到该信道。它们可以通过在每个受访信道上广播探测请求来主动进行，或者通过在每个受访信道上监听公告或信标来被动地进行。在访问了所有可用信道后，它们将已经找到附近所有的AP，并且可选择一个来与之相关联。

在许多家庭中，数字用户线（DSL）提供了高速因特网接入。由于规模经济和强烈的竞争，DSL调制解调器通常以可担负的价格提供丰富的特征。它们不仅集成了网际协议（IP）路由器，而且还可以充当打印和文件服务器，并通过802.11链路连接无线客户端。因此，802.11网络在家庭中具有高渗透率。而且，AP已经成为商品并且几乎到处都可以找到。

由于当前的802.11设计，中心AP对整个WLAN进行管理。然而，AP一般不进行互连。AP所建立的每个WLAN是独立的网络。为了大规模的覆盖，AP需要将其互连的有线骨干网。利用WMN技术，设备可以通过空中进行互连。每个设备变成为其它设备提供帧转发服务的无线路由器。为了能够充当无线路由器，设备需要专门的能力或软件模块。然而，许多现有的AP不能升级。不是设备的制造商考虑产品到了寿命的结尾，因此产品维护已经结束，就是设备的硬件限制了可能的实现。因此，需要将WMN与一个或更多个现有AP相连、从而向WMN提供AP的因特网连通性的通用解决方案。

图1示出了遵循IEEE 802.11规范的网格数据帧结构。帧控制（FC）字段包含网格数据帧的类型和子类型以及两个棋标“To DS”和“From DS”， 以及其它控制信息。两个棋标被置为“1”以便指示该数据帧处于无线分布系统中，因此处于网格网络中。另外，地址字段A1到A4用于传递和指示目的地、源、发射方和接收方地址。四个地址字段包含48比特长的MAC（媒体接入控制）地址。第一地址字段A1指示接收方地址，其限定必须接收无线传输的网格点。第二地址字段A2指示发射方地址，其限定发送该无线数据帧的网格点。第三地址字段A3指示目的地地址，其限定该数据帧的最终（第二层或链路层）目的地。第四地址字段A4指示源地址，其限定该数据帧的（第二层或链路层）来源。

此外，还提供了时长/标识（D/ID）、序列控制（SC）和帧校验序列（FCS）字段，为简洁和简单起见，在此不对它们进行讨论。进一步的细节可以从IEEE 802.11规范中获取。主体（B）部分用于传递长达2304个八位组的所需净荷数据。

上述地址中的每个地址可具有6个八位组的长度，并依赖于FC字段的“To DS”和“From DS”信息映射到地址字段A1到A4上。IEEE 802.11标准清楚地说明了“当字段内容被示出为不适用（N/A）时”省略地址字段。仅仅当两个比特“To DS”和“From DS”都被置为“1”时，四个地址字段才出现在802.11帧中。

图2示出了示意性的网络架构，其中四个地址字段A1到A4用于借助包括设备G和H的无线网络（例如IEEE 802.11 WLAN）互连到不同的IEEE 802.3网段。这里，无线网络用于提供包括设备A到C的第一独立有线LAN与包括设备D到F的第二独立有线LAN之间的网桥。

AP形成基础结构基本服务集（BSS）。在BSS中，AP转送所有业务。尽管IEEE 802.11标准提供了四个地址字段，在基础结构BSS中一般只需要三个地址字段A1到A3。

图3示出了基于图2的网络架构的信令实例，其中设备B发送目的地为设备F的帧。在此情况下，设备G和H之间的无线链路上需要四个地址字段。第四地址字段A4对应于保持设备B的地址的源地址（SA）字段。第三地址字段A3对应于保持设备G的地址的发射方地址（TA）字段。第一地址字段A1对应于保持设备H的地址的接收方地址（RA）字段。第二地址字段A2对应于保持设备F的地址的目的地地址（DA）字段。一旦设备H成功地收到来自设备G的802.11帧，它剥离802.11主体中的数据部分并且发送出802.3帧中的数据部分，802.3帧中仅包含作为源地址的设备B的地址和作为目的地地址的设备F的地址。

然而，大多数当前的802.11 AP不能按照如上所述的桥接模式来工作。它们仅充当其本地基础结构BSS中的AP。

图4示出了示例性的常规网络架构，其中单个设备C充当AP、路由器和调制解调器，其将WLAN与例如因特网的外部网络100相连。客户端设备A和B已与AP C相关联。设备A和B可通过AP C交换数据，或者接入外部网络100。在任何情况下，设备A、B和C仅使用三个地址字段。当向AP C发送帧时，客户端设备A和B将“To DS”比特置为“1”，将“From DS”比特置为“0”。如果设备B向设备A发送帧，第一地址字段A1包含作为接收方地址（RA）的AP的地址。第二地址字段A2包含源的地址。这里，源地址是设备B的地址。第三地址字段A3包含最终目的地的地址。这里，目的地地址（DA）等于设备A的地址。在设备B想要与因特网站通信时，因为设备C充当IP路由器或缺省的网关，DA地址保持AP的地址。

一旦AP C接收到设备B的帧，它从第三地址字段中解析出目的地地址。如果目的地是AP C，该帧被发送到IP路由器工作的较高层。如果目的地是设备A，AP C转送该帧。这样，AP C向设备A发送将“From DS”比特置为一且将“To DS”比特置为零的帧。该帧的地址字段1包含接收方地址（RA）。在此情况下，它包含设备A的地址。第二地址字段包含发射方地址（TA），其是AP C的地址。第三地址字段包含源地址（SA），其等于设备B的地址。

图5示出了相应地简化了的802.11网格数据帧结构，其仅具有三个地址字段A1到A3，足以用于仅使用三个地址字段的基础结构BSS中的所有上述帧。

利用仅可处理三个地址的AP，本地BSS被局限于单个无线跳。图6示出了示例性的常规网络结构，其中设备A与AP C和WMN相连。设备A可使用AP C的基础结构BSS的任何服务。然而，设备A不能将其网络连通性提供给WMN。尽管设备A和其它设备D到G形成了单个WMN，AP C处的寻址局限性阻止了设备A共享其连通性。

由于AP C允许仅使用三个地址，发送到WMN的所有帧的目的地必须是设备A。然而，没有进一步的信息，设备A不能作出关于帧的最终目的地的判决。因此，设备A不能将帧转发到WMN中的另一个目的地。

Rosario G. Garroppo等人：“Notes on Implementing a IEEE 802.11s Mesh Point”，WIRELESS SYSTEMS AND MOBILITY IN NEXT GENERATION INTERNET，Springer，2008公开了具有叠加软件框架的增强式MP，包括形成WMN骨干网所必要的虚拟接入点（VAP）。通过利用“From DS”和“To DS”棋标被置位的802.11帧的所有四个地址，每个VAP构建到另一个MP的单个点对点链路。另外，描述了代理方法，其中将额外的地址字段添加给帧格式，以便提供“代理地址”字段。

另外，Bahr M.等人：“Joint SEE-Mesh/Wi-Mesh Proposal to 802.11 TGs”，IEEE 802.11-06/0328R0，2006年2月27日，描述了一种网络架构，其中单个设备可充当MP和AP两者的角色或者MP和STA两者的角色。从一个MP发送到另一个MP的数据帧使用802.11四地址格式作为基础，通过802.11e QoS头部字段和网格转发控制头部字段来扩展。与网格入口（MPP）在一起配置的MP被用于互通支持，其中基于代理注册表通过MPP实现了对外部目的地的访问。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种较为灵活的允许传统网络的互连和范围扩展的途径。该目的是通过如权利要求1所述的装置、如权利要求6所述的方法以及如权利要求9所述的计算机程序产品来实现的。

因此，提供了一种代理机制，其允许将传统网络与WMN相结合。由此可以实现例如基于传统AP的WLAN或类似类型的网络的互连和范围扩展。而且，所提出的代理机制不需要对接入设备（例如AP）的任何改变或修改。它可以用于任何类型的接入设备。

所提出的装置可以实施为网络节点或站中的处理器设备、模块、芯片、芯片集或电路。处理器可以受包括代码装置的计算机程序产品的控制，当在计算机或处理器设备上运行时，所述代码装置用于执行要求保护的方法的步骤。

根据第一方面，可提供至少一个虚拟无线站，其中无线接入控制器可用于将从所述接入设备接收到的信号递送到所寻址的虚拟设备。由于建立了与虚拟站的通信，可以容易地检测到正确的目的地地址。

根据可以与上述第一方面结合的第二方面，无线接入控制器可用于在多个实体试图同时发送时将发送请求串行化。因此，多个实体可同时发送。

根据可以与上述第一方面和第二方面中的任一方面或两方面相结合的第三方面，可包括至少一个无线接入网络接口卡，用于提供到接入设备的连接，其中无线接入控制器可用于将装置的无线网络接口卡和逻辑实体进行互连，以便建立单独的连接。该措施允许一次维持几个独立的连接。

根据可以与第三方面相结合的第四方面，至少一个无线接入网络接口卡可共享物理层和链路层信道中的至少一个信道。该措施节省了处理资源。

从属权利要求中限定了另外的有利的改进。

附图说明

现在将参照附图基于各种实施例来描述本发明，在附图中：

图1示出了具有四个地址字段的网格数据帧结构；

图2示出了示意性的网络架构，其中四个地址字段被用于互连；

图3示出了基于图2的网络架构的信令实例；

图4示出了示例性的常规网络架构，其中单个设备充当AP、路由器和调制解调器；

图5示出了简化的网格数据帧结构；

图6示出了示例性的网络结构，其中单个设备与AP和网格网络相连；

图7示出了根据本发明实施例的示例性的网络结构，其中单个设备充当代理；

图8示出了根据第一实施例的设备的示意性框图；

图9示出了根据第二实施例的代理机制的流程图；以及

图10示出了基于图8的框图的信令实例。

具体实施方式

以下基于如图7所示的示例性无线网格网络拓扑来描述本发明的实施例。

终端用户设备（如终端站（STA））A、B以及D到G可得益于建立与网格网络中的相邻终端用户设备和AP C的可互操作的点对点无线链路的能力。网格点（MP）可以是支持网格服务的服务质量（QoS）STA，即它们参与网格网络的可互操作形成和操作。MP可以与一个或更多个其它实体（例如AP、入口等）一起配置。STA A和B可与AP C相关联，以便获得对例如因特网T的外部网络的接入。

根据第一实施例，提供了一种代理机制和功能性，其中与WMN和传统接入设备AP或BSS相连的设备代表WMN中所存在的所有设备而工作。

图7示出了根据本发明实施例的示例性的网络结构，其中单个设备充当代理。更具体而言，设备A充当设备D到G的代理。对于AP C，所有的帧交换看起来是在本地发生的。AP C将设备D到G视为距离一跳，因为设备A被配置成为WMN的每个构件维持与AP C的单独的连接。因此，设备A还以虚拟的方式实现了设备E到G。对于AP C，所有的业务看起来都是本地的。因此，AP C将设备E到G当作其BSS的一部分。

图8示出了根据第一实施例的设备（例如图7中的设备A）的示意性框图。无线接入控制器或管理实体20通过互连装置、单元或层30将无线网络接口卡10和每个逻辑实体互连。无线接入管理实体20将所接收的帧递送到多个虚拟实体STA D到STA F中的所选的一个，并且可在多个逻辑实体试图同时发送时将帧发送请求串行化。具有所提出的代理机制或功能性的设备A因此可结合多于一个的无线设备。每个无线设备可具有其自己的物理层（PHY）和链路层（例如MAC）信道。可替选地，两个或更多个无线设备可共享PHY和/或链路层（例如MAC）信道。

另外，图8的框图示出了设备A的网格点功能性MP和站功能性STA A，二者均可例如依赖于设备A的功能性由无线接入管理单元20寻址。

图9示出了网格网络中的根据第二实施例的代理机制的流程图。该过程可实施为软件例程，其控制图8的无线接入管理单元20中所提供的处理器或控制器。

一从WMN（例如图7的设备D到G之一）接收到帧就开始该过程。将所接收到的帧转发到互连层30（步骤S101）。然后，基于所接收到的帧的源地址，选择虚拟站STA D到STA G中的对应的一个，并且将该帧递送到所选的内部虚拟站（步骤S102）。最后，可通过AP将该帧发送到外部网络100（步骤S103）。

当通过AP从外部网络100接收帧时，可反过来应用同一步骤。这里，可基于所接收到的帧中提供的目的地地址来选择虚拟站。从这里，可基于目的地地址将该帧转发到WAN的相应设备。

图10示出了基于图8的框图的信令实例。作为网格点，设备A通过利用其内部网格点功能性MP与WMN相连。可替选地，该设备作为站，通过利用其内部站功能性STA A与AP C相连。对于设备A所代理的WMN的每个设备或网格点，可以建立虚拟站。虚拟站STA D到STA G与AP C相连，因此看起来象在AP C的基础结构BSS中是本地的。因此，设备A包括其站功能性STA A，作为与AP C相连的逻辑实体。该站功能性STA A形成AP C的基础结构BSS的一部分。通过AP C，站功能性STA A可以接入例如因特网的外部网络100。

此外，设备A包括连接到WMN的网格点功能性MP。设备A可针对设备A所代理的WMN的每个设备实例化一个虚拟站。互连层30互连所有逻辑站和物理站、网格点以及其它功能性，因此能够实现不同实体之间的帧转发并且确保了将帧递送到正确的实体。

在图10的实例中，设备F需要接入外部网络（例如因特网）。它使用WMN来到达代理设备A。在WMN中，中间设备（例如设备G）可将帧转发到代理设备A。收到设备F的帧后，代理设备A将帧转发到其互连层30。互连层30将帧递送到设备A代表设备F所实现的对应的虚拟站STA F。看起来象是站F到AP C，该帧可以被发送到外部网络。相反方向上所接收的帧可以容易地从代理设备A转发到WMN中的最终目的地。由于AP C与设备A处的虚拟站STA D到STA F通信，设备A可容易地检测正确的目的地地址。因此，即使利用AP C的基础结构BSS中所使用的三地址格式，也可以通过代理设备A将AP C到外部网络的网络连通性提供给整个WMN。

总之，已经描述了用于通过接入设备将网格型网络连接到另一个网络的装置和方法，其中在网格型网络中提供代理机制，其允许基于传统接入点的网格型网络的互连和范围扩展。

注意，本发明并不局限于以上实施例，而是可用于任何网络环境，其包括用于至少一个向所连接的网络发送或从所连接的网络接收的中心AP或接入设备。而且，提供所提出的代理机制的实体或功能的指代可以是不同的，只要它们实现类似的功能。即使除充当转发器或代理设备的网格设备外只有一个其它网格设备，本发明也能够起作用。因此，即使是单个无线接入网络接口卡和单个无线设备也可以在图8和10的示例性代理设备中提供。

通过研究附图、公开内容和所附的权利要求，本领域的技术人员可以理解和实现对所公开的实施例的变形。在权利要求中，词语“包括”并不排除其它要素或步骤，不定冠词“一”或“一个”并不排除多个要素或步骤。单个处理器或其它单元可以实现权利要求中所记载的若干项目的功能。仅仅在彼此不同的从属权利要求中记载特定措施的事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。用于控制处理器以实现要求保护的特征的计算机程序可以存储/分布在适当的介质上，如光学存储介质或与其它硬件在一起或作为其一部分提供的固态介质上，但也可以以其它形式分布，如通过因特网或其它有线或无线电信系统分布。权利要求中的任何参考标号不应理解为是对其范围的限制。

Claims (6)

1.一种用于通过接入设备（C）将网格型网络连接到另一个网络（100）的装置，所述接入设备（C）是仅处理三个地址字段的IEEE 802.11接入点设备，所述装置包括：

a) 互连层（30）；

b) 无线接入控制器（20），用于通过所述互连层（30）为所述网格型网络的至少一个设备维持与所述接入设备（C）的单独的连接;以及

c) 至少一个虚拟无线站（STA D - STA G），以虚拟的方式实现网格型网络的所述至少一个设备，其中所述无线接入控制器（20）用于将从所述接入设备（C）接收到的信号递送到所寻址的虚拟无线站，以及通过互连层将从所寻址的虚拟无线站接收到的信号递送到网格型网络的相应设备。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述无线接入控制器（20）用于在多个虚拟无线站试图同时发送时将发送请求串行化。

3.如权利要求1所述的装置，进一步包括无线接入网络接口卡（10），用于提供到所述接入设备（C）的连接，其中所述无线接入控制器（20）用于将所述装置的所述无线网络接口卡（10）和所述虚拟无线站互连，以便建立所述单独的连接。

4.如权利要求3所述的装置，其中至少两个所述无线接入网络接口卡（10）共享至少一个物理层和链路层信道。

5.一种通过接入设备（C）将网格型网络连接到另一个网络（100）的方法，所述接入设备（C）是仅处理三个地址字段的IEEE 802.11接入点设备，所述方法包括使用所述网格型网络的至少一个设备（A）中的互连层（30）来为所述网格型网络的至少另一设备维持与所述接入设备（C）的单独的连接，所述至少一个设备（A）包括至少一个虚拟无线站（STA D-STA G）并且以虚拟的方式实现网格型网络的所述至少另一设备；以及

从所述网格型网络接收帧，通过所述互连层（30）将所述帧转发到虚拟无线站（STA D - STA G），以及将所述帧从所述虚拟无线站（STA D - STA G）发送到所述接入设备（C）。

6.一种用于通过接入设备（C）将网格型网络连接到另一个网络（100）的系统，所述接入设备（C）是仅处理三个地址字段的IEEE 802.11接入点设备，所述系统包括：所述接入设备（C），具有如权利要求1所述的装置的至少一个网络节点（A）。