CN107318143B - 一种IEEE802.11s下分簇的多网关WMN中簇间通信优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种IEEE802.11s下分簇的多网关WMN中簇间通信优化方法，设计了以网关节点为簇头、网关MAC地址作为簇标识并添加在RANN帧和PREQ帧中实现普通节点的簇选择和簇分割；设计了是否收到邻簇网关的RANN帧区分边界节点的方法；以边界节点为中心，边界节点n跳范围内的所有节点共同构成簇间直接通信区域，该区域内节点可以跨簇建立无线Mesh路径直接通信而不需要通过网关节点。本发明实现了分簇的多网关无线Mesh网中以边界节点为中心的一定范围内的网络节点的直接通信而不需要通过网关节点转发，减轻网关负载和优化簇间通信路由从而提升整个网络的性能。

Description

一种IEEE802.11s下分簇的多网关WMN中簇间通信优化方法

技术领域

本发明涉及一种IEEE802.11s下分簇的多网关WMN中簇间通信优化方法，属于无线Mesh网通信技术。

背景技术

无线Mesh网(WMN)在世界范围内的应用越来越广泛，而较好的网络性能是大规模应用的重要条件。

目前基于IEEE802.11s协议的WMN大部分只有一个网关节点，而网关节点作为连接WMN与外部网络的关键节点，网络中大量向外网传输的业务都在此汇聚，因此网关节点很容易成为WMN与外界网络通信的瓶颈节点。通过分簇的方式实现多网关WMN可以提升网络容量和减小网络开销，但分簇后的网络不同簇中的节点必须通过网关节点进行通信，造成网关负载加重，同时不同簇中的节点通过网关通信的路径质量一般比节点间直接建立通信路径的质量差，因此在部分特定区域内实现跨出节点间的直接通信可以在有效减轻网关负载和优化簇间通信路由的同时不会影响网络分簇带来的优势。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种IEEE802.11s下分簇的多网关WMN中簇间通信优化方法，基于IEEE802.11s实现动态分簇的多网关无线Mesh网和簇间部分节点直接通信，从而减轻网关负载和优化簇间通信路由。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种IEEE802.11s下分簇的多网关WMN中簇间通信优化方法，基于IEEE802.11s协议，以网关节点作为簇头、网关MAC地址作为簇标识划分簇，在RANN帧和PREQ帧中添加簇标识，实现普通节点的簇选择和簇之间的分割；在RANN帧中添加簇跳数字段限制RANN帧广播范围和区分边界节点及边界节点的邻居节点；在PREQ帧中添加跨簇通信标识位并修改PREQ帧的处理函数，实现以边界节点为中心的单跳范围的区域内不同簇间的节点可以建立无线Mesh路径直接通信。

上述方法具体包括如下步骤：

一种IEEE802.11s下分簇的多网关WMN中簇间通信优化方法，其特征在于，通信包括以下步骤：

1)对多网关WMN进行分簇，并对RANN帧进行修改：

网络将网关节点设置为簇头，以簇头MAC地址作为簇标识，并在簇头所发送的RANN帧中加入簇跳数部分，簇跳数值初始值为0，普通节点初始化并加入Mesh网络后，接收簇头发送的RANN帧，读取所述RANN帧中的根节点MAC地址即簇标识，当所述普通节点的簇标识无效、且所述RANN帧中包含的根节点地址即簇头MAC地址有效时，将所述普通节点的簇标识设置为所述RANN帧中的根节点地址，普通节点加入簇头代表的簇内；

2)限制RANN帧广播范围识别和标记边界节点及其n跳范围内节点，以确定能够进行跨簇直接通信节点的范围：

对多网关WMN分簇后，普通节点继续接收簇头周期性发送的RANN帧，并按照下述流程对所接收到的RANN帧进行处理和自身是否为跨簇直接通信节点的标记，处理、标记流程包括：

a、所述节点若为簇头或接收到自身发送的RANN帧，则丢弃所述RANN帧，否则：

b、若所述节点接收到自身所在簇的簇头发送的RANN帧，则根据所述RANN帧中包含的序列号、自身到网关路径的Metric延时信息维护和更新自身到网关节点的路径信息并转发所述RANN帧后结束RANN帧处理过程，否则：

c、所述节点查看所述RANN帧中包含的簇跳数信息是否为0：

若所述簇跳数为0，则将自身标记为边界节点，将簇跳数设置为n；

若所述簇跳数不为0，则进一步查看所述簇跳数是否为1，若簇跳数为1，则将自身标记为边界节点的n跳范围内节点并丢弃所述RANN帧，结束标记过程，若簇跳数不为1，则将自身标记为边界节点的n跳范围内节点并将簇跳数减1后，转发所述RANN帧，结束标记过程；

d、根据簇选择函数条件判断所述节点是否换簇：

若应当换簇，则将所述节点自身的簇头更新为所述RANN帧中包含的网关节点，将簇标识更新为所述RANN帧中包含的根节点MAC地址，并转发所述RANN帧，结束RANN帧处理过程；

若不应换簇，则直接转发所述RANN帧，不对所述节点自身进行任何标记，结束RANN帧处理过程；

3)修改PREQ帧及其处理函数实现边界节点及其n跳邻居节点跨簇直接通信：

当簇间节点需要进行通信时，源节点向目的节点发出PREQ广播帧，在PREQ帧中添加簇标识和跨簇通信标识位，若源节点为边界节点或所述边界节点n跳范围内节点，则将跨簇通信标识位置有效，否则置为无效，目的节点接收到PREQ帧后，按照PREQ/PREP流程进行通信，对所述接收到的PREQ帧进行处理，处理流程包括：

a、所述目的节点比较自身簇标识和PREQ帧中包含的簇标识字段判断所述PREQ帧是否由本簇内源节点发出，若为本簇内源节点发送，则按照PREQ帧正常处理流程与源节点建立通信路径后结束PREQ帧处理流程，若源节点不在本簇内，则：

b、所述目的节点查看PREQ帧中的跨簇通信标识位判断所述PREQ帧是否来自边界节点或所述边界节点n跳范围内节点，若否，则丢弃所述PREQ帧，结束PREQ帧处理流程，若所述源节点为边界节点或所述边界节点n跳范围内节点，则：

c、所述目的节点查看自身是否为边界节点或所述边界节点n跳范围内节点，若否，则丢弃所述PREQ帧，结束PREQ帧处理流程，若是，则按照PREQ帧正常处理流程与源节点建立通信路径后结束PREQ帧处理流程。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、减轻网关负载：与传统分簇的多网关WMN中不同簇间的节点只能通过网关节点通信，本发明中部分区域内的节点可以直接跨簇通信从而有效减轻网关负载；

2、优化跨簇通信路由：邻簇边界节点及n跳范围邻居节点共同构成的直接通信区域内，节点间直接通信的路径质量一般优于通过网关转发的路径质量；

3、简单：该实现方法只需要对802.11s协议栈进行修改而不要添加特别的硬件和软件支持；

4、平台移植性好：本发明在Linux系统下进行开发，可以在PC、嵌入式等平台自由移植。

附图说明

图1为本发明中分簇的多网关无线Mesh网跨簇直接通信示意图；

图2为在RANN帧中添加簇负载指数与簇跳数示意图；

图3为普通节点对RANN帧接收处理示意图；

图4为在PREQ帧中添加簇标识与跨簇通信标识位示意图；

图5为节点对PREQ帧接收处理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示为一种IEEE802.11s协议下基于动态分簇的多网关无线Mesh网，包括多个网关节点(MPP)和若干个普通节点(MP)，整个Mesh网络被划分为多个簇，网关节点作为簇头，普通节点可以动态换簇均衡网关负载。同簇的节点间可以直接通信，不同簇的节点必须通过网关节点进行通信，为了减小网关负载和优化跨簇通信路由本发明中设置边界节点及其n跳范围节点构成直接通信区域，该区域内的节点可以跨簇直接通信。

如图2所示，RANN帧主要包括MAC首部和HWMP路径选择帧两部分，本发明对HWMP路径选择帧中的RANN帧体进行修改，现有的RANN帧体并没有簇标识、负载指数和簇跳数字段，但因为本发明中簇标识为网关节点的MAC地址即RANN帧中的根节点地址字段(在本发明后面所提的簇标识均为根节点地址，不再进行区分)，所以本发明只需在RANN帧体中添加负载指数和簇跳数字段，即可告知普通节点簇标识和网关负载大小并限制RANN帧广播范围。

如图3所示，普通节点(MP)通过对RANN帧的接收处理实现加入簇、限制RANN帧广播范围、边界节点及其n跳邻居节点标记、簇选择等功能：

①加入簇：普通节点刚加入网络时没有任何簇的信息，此时普通节点的簇标识为全零的MAC地址；如图3所示当节点收到第一个RANN帧时，发现自己的簇标识为全零则会加入该网关所在簇并更新自己的簇标识为RANN帧中的簇标识，至此普通节点则成功加入该簇完成簇标识的初始化；

②限制RANN帧广播范围：节点加入一个簇后，除了会收到自己所在簇的网关发出的RANN帧，还会收到其它簇的网关发出的RANN帧，如果不加以限制，每个网关发出的RANN帧会在整个网络所有簇中广播，节点就会收到所有网关发出的RANN帧，节点的处理量会增大，造成极大的网络开销，所以本发明中限制RANN帧只能在本簇和邻簇边界节点及其n跳邻居节点进行广播。

③边界节点及其邻居节点标记：本发明中网关节点发出RANN帧时会将簇跳数字段统一初始化为0。如图3所示节点收到来自非本簇的RANN帧时，会判断簇跳数字段是否为0，为0会标记自身为边界节点；边界节点转发邻簇的RANN帧时将簇跳数字段置为n并将自身标记为边界节点，并向邻居广播该帧；节点收到簇跳数为x的邻簇RANN帧，则置簇跳数为x-1，如x-1不为0，则向邻居广播该帧，如x-1为0，则直接丢弃RANN帧不进行转发，以限制RANN帧广播范围为本簇和邻簇边界节点及其n跳邻居节点④簇选择：如图1所示在RANN帧中添加了负载指数实现网关负载均衡功能，如图3所示只有边界节点收到邻簇RANN帧后可能换簇，限制只有边界节点能换簇主要有两个原因：一是为了避免节点进行无效的换簇，如果邻簇的非边界节点收到了RANN帧，并且选择换簇但该节点的实际地理位置并没有改变，所以作为非边界节点可能换簇后无法建立到新网关的有效路径而产生无效换簇问题；二是只有边界节点可以换簇可以有效避免大量节点同时换簇。

在如图1所示的分簇的多网关无线Mesh网中，网络分簇后，不同簇中节点拥有不同的簇标识所以无法建立Mesh路径。IEEE802.11s默认路由协议HWMP中规定任意两个节点建立路由均是通过PREQ/PREP机制完成：节点A想建立到节点B的路径，则节点A会广播PREQ帧，节点B收到该PREQ帧后根据Metric信息选择最佳路径回复PREP帧给A节点，节点A收到PREP帧后，A与B之间的双向路由就建立起来了。本发明中如图4所示，在PREQ帧中添加簇标识字段，任意节点收到PREQ帧后首先对比PREQ帧中的簇标识和自身的簇标识是否相同，不同则直接丢弃，这样不同簇之间的节点则无法建立路由，实现簇分割的目的，而同簇的节点可以通过PREQ/PREP机制正常建立路由。

在实际网络环境中，不同簇中的节点只能通过网关节点通信可能造成网关负载增大而引起网络局部拥塞，同时不同簇中但实际距离较近的两个节点建立直接通信的路径质量一般优于通过网关转发的路径质量。因此本发明中如图1所示以边界节点及其n跳范围内节点共同构成直接通信区域。该区域内的节点可以跨簇直接通信以减轻网关负载和优化簇间通信路由。

如图4所示，在PREQ帧中添加跨簇通信标识位。节点在发送PREQ帧请求路径建立时会判断自身是否为边界节点或其n跳范围内节点，是则将跨簇通信标识位置1，否则置0。任意节点在收到PREQ帧后处理流程图5所示。任意节点收到PREQ帧后，首先通过PREQ帧中的簇标识判断发送该帧的源节点是否为同簇节点，是则正常建立无线Mesh路径；如果发送该帧的节点来自邻簇，则通过PREQ帧中的跨簇通信标识位判断源节点是否为边界节点或其n跳范围内邻居节点，不是则直接丢弃该帧，是则继续判断节点自身是否为边界节点或其n跳范围内节点，是进入正常PREQ帧处理流程，否则直接丢弃该帧。这样处于直接通信区域的节点之间可以跨簇直接通信，非该区域内的节点只能通过网关节点跨簇通信。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种IEEE802.11s下分簇的多网关WMN中簇间通信优化方法，其特征在于，通信包括以下步骤：

1)对多网关WMN进行分簇，并根据RANN帧内容修改普通节点簇标识，在RANN帧中加入簇跳数信息：

网络将网关节点设置为簇头，以簇头MAC地址作为簇标识，并在簇头所发送的RANN帧中加入簇跳数信息，簇跳数值初始值为0，普通节点初始化并加入Mesh网络后，接收簇头发送的RANN帧，读取所述RANN帧中的根节点MAC地址即簇标识，当所述普通节点的簇标识无效、且所述RANN帧中包含的根节点地址即簇头MAC地址有效时，将所述普通节点的簇标识设置为所述RANN帧中的根节点地址，普通节点加入簇头代表的簇内；

2)限制RANN帧广播范围识别和标记边界节点及其n跳范围内节点，以确定能够进行跨簇直接通信节点的范围：

对多网关WMN分簇后，普通节点继续接收簇头周期性发送的RANN帧，并按照下述流程对所接收到的RANN帧进行处理和自身是否为跨簇直接通信节点的标记，处理、标记流程包括：

a、所述节点若为簇头或接收到自身发送的RANN帧，则丢弃所述RANN帧，否则：

b、若所述节点接收到自身所在簇的簇头发送的RANN帧，则根据所述RANN帧中包含的序列号、自身到网关路径的Metric延时信息维护和更新自身到网关节点的路径信息并转发所述RANN帧后结束RANN帧处理过程，否则：

c、所述节点查看所述RANN帧中包含的簇跳数信息是否为0：

若所述簇跳数为0，则将自身标记为边界节点，将簇跳数设置为n；

若所述簇跳数不为0，则进一步查看所述簇跳数是否为1，若簇跳数为1，则将自身标记为边界节点的n跳范围内节点并丢弃所述RANN帧，结束标记过程，若簇跳数不为1，则将自身标记为边界节点的n跳范围内节点并将簇跳数减1后，转发所述RANN帧，结束标记过程；

d、根据簇选择函数条件判断所述节点是否换簇：

若应当换簇，则将所述节点自身的簇头更新为所述RANN帧中包含的网关节点，将簇标识更新为所述RANN帧中包含的根节点MAC地址，并转发所述RANN帧，结束RANN帧处理过程；

若不应换簇，则直接转发所述RANN帧，不对所述节点自身进行任何标记，结束RANN帧处理过程；

3)修改PREQ帧及其处理函数实现边界节点及其n跳邻居节点跨簇直接通信：

当簇间节点需要进行通信时，源节点向目的节点发出PREQ广播帧，在PREQ帧中添加簇标识和跨簇通信标识位，若源节点为边界节点或所述边界节点n跳范围内节点，则将跨簇通信标识位置有效，否则置为无效，目的节点接收到PREQ帧后，按照PREQ/PREP流程进行通信，对所述接收到的PREQ帧进行处理，处理流程包括：

a、所述目的节点比较自身簇标识和PREQ帧中包含的簇标识字段判断所述PREQ帧是否由本簇内源节点发出，若为本簇内源节点发送，则按照PREQ帧正常处理流程与源节点建立通信路径后结束PREQ帧处理流程，若源节点不在本簇内，则：

b、所述目的节点查看PREQ帧中的跨簇通信标识位判断所述PREQ帧是否来自边界节点或所述边界节点n跳范围内节点，若否，则丢弃所述PREQ帧，结束PREQ帧处理流程，若所述源节点为边界节点或所述边界节点n跳范围内节点，则：

c、所述目的节点查看自身是否为边界节点或所述边界节点n跳范围内节点，若否，则丢弃所述PREQ帧，结束PREQ帧处理流程，若是，则按照PREQ帧正常处理流程与源节点建立通信路径后结束PREQ帧处理流程。

2.根据权利要求1所述的一种IEEE802.11s下分簇的多网关WMN中簇间通信优化方法，其特征在于，在所述对多网关WMN进行分簇，并对RANN帧进行修改时，当所述簇头MAC地址即根节点MAC地址为全0时为无效。

3.根据权利要求1所述的一种IEEE802.11s下分簇的多网关WMN中簇间通信优化方法，其特征在于，在修改PREQ帧及其处理函数实现边界节点及其n跳邻居节点跨簇直接通信时，当所述跨簇通信标识为1时为有效，跨簇通信标识为0时为无效。