CN113347645A - 802·11无线多跳通讯与自适应切换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的802·11无线多跳通讯与自适应切换方法，针对无线WLAN单跳网络覆盖范围小的问题，详细设计多跳接入过程所需要的帧格式，提出单跳、两跳及多跳的接入控制方法，并提出多跳接入过程中的无线AP结点、接入结点及中继结点的算法实现；分析多跳接入后通信过程中所存在的问题，针对多跳链路容易中断的问题，提出通信过程自适应链路维护方法，当链路出现问题需要切换时，为解决链路切换时延长问题，提出一种预先扫描的快速切换优化方法；开发实现无线多跳通讯与自适应切换网络，对多跳接入与链路切换过程进行了实验验证，协议工作正常，网络性能有大幅提高，方案具有可行性和高效性，具有很高的实用价值和广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种802·11无线多跳通讯切换方法，特别涉及一种802·11无线多跳通讯与自适应切换方法，属于802·11通讯技术领域。
背景技术
802·11网络由于组网灵活、传输速度快、成本低等优点在环境监测、生产过程、智能家居、智能交通、WLAN等领域得到广泛的应用，而无线网络也从传统的集中式逐渐向多跳中继网络过度，无线多跳中继网络由于具有动态拓扑、分布式控制、协作传输等特征，使其成为无线网络的主要研究和应用方向。
一方面，由于基于802·11的WLAN只能进行单跳通信，在发送功率受到限制或在传输过程遇到障碍物时，通信距离将变得更短，对一些通信范围要求较大的无线网场景或需要多跳通信的场合，单跳式的802·11网络应用受到很大限制。同时随着智能家居的普及，很多智能家居通过802·11接入网络，一般家庭都会有一个WiFi热点，然而如果室内空间较大，很可能导致部分区域无线信号弱，由于基于802·11单跳网络存在覆盖范围小，同时在边缘地带存在信号质量差的问题，因此，在基于802·11协议基础上，需要进行多跳接入，扩大网络覆盖范围，进行网络拓扑动态变化。
另一方面，基于IEEE802·11协议的无线多跳网络的中间结点可能因为移动或者损坏等原因，很容易造成通信链路中断，如何对链路进行维护对通信质量有很大影响。当网络质量不佳时，移动终端需要与接入点发生切换，切换过程会出现时延，时延过长会影响实时业务的通信质量，出现传输临时中断、连接丢失等问题。如何降低移动终端的切换时延，提高用户体验质量，是本发明解决的关键问题。
现有技术无线多跳网络类型主要有Mesh网络、无线传感网、自组织网络、中继网络等，现有技术的网络层次方面，物理层主要为网络提供一种传输媒介，物理层技术对网络的性能有很大影响，最初的WLAN曾使用跳频扩频和红外技术，现在用的较多的是直接序列扩频技术，为提高链路的速度，在信号调制编码技术方面，主要集中在码分多址复用和超宽带通信技术方面，同时多入多出技术有效的降低信道间的干扰和信号衰减，对系统性能有较大的提升。MAC协议性能至关重要，它对网络吞吐量、时延、能耗等都有很大影响，虽然载波监听多路访问/冲突检测协议已成功应用于有线连接的局域网，但其并不适合WLAN环境，无线网络存在暴漏站点和隐藏站点问题，802·11WLAN提出了载波监听多路访问/冲突避免协议，在信道协议方面，从最初的MACA协议至今，许多单信道协议被提出，但单信道协议也存在自身难以克服的缺点，比如吞吐量问题。多信道MAC协议引起了越来越多的关注。多信道多接口MAC协议是每个结点配置多个无线接口，每个无线接口都有自身的MAC层和物理层，同时每个无线接口又可使用多个信道通信，然而由于增加了新的虚拟协议层，需要在不同MAC协议之间进行切换，增加了网络开销。
网络层集中在自组织网络的路由协议上，较著名的Ad-hoc网络中用到动态源路由协议、无线自组网按需平面距离矢量路由协议，DSR采用反应式源路由策略，中间结点根据路由控制包的路径转发数据，无需周期性维护拓扑信息从而降低了路由维护的开销，但同时也有弊端，对结点较多的大型网络，大量的路由控制包增加网络的负载，降低传输效率，浪费了网络资源，而且由于其通过泛洪构造路径的方式，容易引起泛洪风暴。
接入切换方面，针对无线网络切换时延长的问题，邻居图认证算法采用减少扫描信道数量的方法，通过邻居图获得移动终端所有临近基站，在认证进程之前就向远程服务器申请秘钥，并发送给所有邻居AP，当需要进行切换时已进行认证，从而减少整个切换过程时延，但同步性要求较高，单纯通过软式实现比较困难。使用多个无线接口减少切换过程时延的方法可消除延时的问题，但两个接口容易造成相互干扰，从而影响通信效果。
多跳中继WLAN转发方面，新的局域网模型不同于传统STA直接与AP连接的星形拓扑结构，连接上AP的STA结点可同时作为多跳链路的代理结点，为远端STA进行转发服务，但缺陷是中间的中继结点维护链路时耗费较多网络资源，同时通过中间结点转发带来安全隐患。虽然通过部署中继设备可提高AP的覆盖范围，但WLAN通常都是临时甚至移动的，因此专门部署中继将付出一定代价，而且会使得网络灵活性变差。
综合来看，现有技术的802·11无线多跳通讯与切换存在诸多不足，现有技术的难点和本发明解决的问题主要集中在以下方面：
第一，由于基于802·11的WLAN只能进行单跳通信，在发送功率受限制或在传输中遇到障碍物时，通信距离将变得更短，对一些通信范围要求大的无线网场景或需要多跳通信的场合，单跳式的802·11网络应用受到很大的限制，现有技术缺少如何进行无线多跳接入，通过多跳通信提高网络覆盖范围和质量的方法。另外，当网络质量不好时，移动终端需要与接入点发生切换，切换过程会出现时延，时延过长会影响实时业务的通信质量，出现传输中断、连接丢失等问题，现有技术缺少如何减少切换时延的方法，造成切换过程非常不顺；
第二，针对单跳接入网络覆盖范围小的问题，通过多跳的方式提高网络覆盖范围，802·11的接入控制主要在数据链路层完成，多跳接入不同于单跳接入，采用何种接入方案及使用哪种类型的帧格式仍然亟需解决缺难度很大，同时无线网络环境多变，多跳接入成功后，当链路出现问题时如何对链路进行维护也是现有技术未解决的问题；
第三，当链路断开时意向能够快速的切换到其它接入点，如果切换时延过长会影响实时业务的通信质量，802·11切换策略的最显著的缺陷就是采取先断后连的方法，当工作站与当前AP结点断开连接后，才扫描周围AP结点信息，由于扫描进程需要切换到不同的信道并等待一段时间，扫描进程所耗时间占整个切换过程的85％，所以减少扫描时间非常关键，针对上述问题和多跳接入的特征，现有技术缺少好的解决方案，整体时延过长；
第四，现有技术的网络层次方面，虽然载波监听多路访问/冲突检测协议已成功应用于有线连接的局域网，但其并不适合WLAN环境，无线网络存在暴漏站点和隐藏站点问题，802·11WLAN提出了载波监听多路访问/冲突避免协议，在信道协议方面，单信道协议也存在自身难以克服的缺点，比如吞吐量问题，多信道MAC协议引起了越来越多的关注，然而由于增加了新的虚拟协议层，需要在不同MAC协议之间进行切换，增加了网络开销。现有技术网络层自组织网络的路由协议对结点较多的大型网络，大量的路由控制包增加网络的负载，降低传输效率，浪费了网络资源，而且由于其通过泛洪构造路径的方式，容易引起泛洪风暴。接入切换方面，现有技术使用多个无线接口减少切换过程时延的方法可消除延时的问题，但两个接口容易造成相互干扰，从而影响通信效果。多跳中继WLAN转发方面，现有技术局域网模型中间的中继结点维护链路时耗费较多网络资源，同时通过中间结点转发带来安全隐患，虽然通过部署中继设备可提高AP的覆盖范围，但WLAN通常都是临时甚至移动的，专门部署中继将付出一定代价，而且会使得网络灵活性变差。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种802·11无线多跳通讯与自适应切换方法，针对无线WLAN单跳网络覆盖范围小的问题，通过无线多跳通讯与自适应切换方法提高网络覆盖范围，提出802·11的无线多跳通讯自适应接入方法，提出单跳、两跳及多跳的接入控制方法，并提出多跳接入过程中的无线AP结点、接入结点及中继结点的算法实现；针对多跳链路容易中断的问题，提出通信过程自适应链路维护方法，为解决链路切换时延长问题，提出一种预先扫描的快速切换优化方法；开发实现无线多跳通讯与自适应切换网络，包括AP结点、STA结点的开发实现，对多跳接入与链路切换过程进行了实验验证，协议工作正常，网络性能有大幅提高，多跳接入与自适应切换方案具有可行性和高效性。
为达到以上技术效果，本发明所采用的技术方案如下：
802·11无线多跳通讯与自适应切换方法，基于802·11的无线多跳接入网络，通过无线多跳通讯与自适应切换方法提高网络覆盖范围，首先，基于IEEE 802·11协议以及帧结构、无线多跳组网，结合802·11网络特征和无线多跳网络架构，提出一种802·11无线网络多跳接入和通讯总体方法，在此基础上详细设计多跳接入过程所需要的帧格式，得出单跳、两跳及多跳的接入控制方法；其次，提出下游结点周期性向上游结点发送空的数据帧的链路维护方法，提出预先扫描自适应切换方法，通过将扫描进程提前减少时延的快速切换方案；最后，分别开发基站、接入结点、中继结点软件，构建一个无线多跳接入与切换的软硬件系统；
主要包括三个部分：第一，基于802·11协议及多跳网络技术，提出802·11的无线多跳通讯自适应接入方法，在此基础上设计多跳接入过程所需要的帧格式，提出单跳、两跳及多跳的接入控制方法，并提出多跳接入过程中的无线AP结点、接入结点及中继结点的算法实现；第二，提出通信过程自适应链路维护方法，通过下游结点周期性向上游结点发送空的数据帧，发现链路问题并采取重新连接或者链路重建措施，当链路出现问题需要切换时，为解决链路切换时延长问题，提出一种预先扫描的快速切换优化方法，即通过设定两个阈值，将扫描进程提前从而减少整个切换接入过程的时延；第三，开发实现无线多跳通讯与自适应切换网络，包括AP结点、STA结点的开发实现，其中STA结点包括接入与中继的开发实现；
自适应多跳接入和通讯总体架构：本发明设置的多跳网络接入方案分三个进程：扫描进程、认证进程、连接进程，当远端站点不在AP覆盖范围时如果希望加入到网络，站点接入网络后即可获取网络的基本信息，扫描进程通过周围接入网络的站点获得网络信息，认证进程和连接进程需要AP结点完成，本通过接入到网络的站点作为中继结点进行转发，最终移动站点只有与AP接入点建立连接才可获得网络服务；
新站点加入网络之前首先获取周围网络信息，如果其不在AP的覆盖范围内，则通过周围接入到网络的站点获得该信息，首先由新站点主动发送一个探寻请求帧，基站或者接入到基站的站点收到该探寻帧后，应答一个探寻应答帧，该应答帧中包括所连接网络的基本信息，最终新站点会收到一系列的应答帧，代表其通信范围内所存在的网络，由此新站点可以人工选择希望加入的网络；
认证进程：由新站点发送认证请求帧，认证只能由基站完成，因此假如所加入的网络是通过中间站点发现的，该认证请求帧必须通过中间站点转发至基站，基站收到认证请求帧后，对其进行认证，如果认证通过，应答一个认证应答帧，仍然通过中间站点中继转发形式发送给新站点；
连接进程：站点收到认证应答帧后，若通过认证程序，则进入连接进程，由站点主动发送一个连接请求帧，通过中继结点转发给基站，基站对其进行处理，回复应答，连接属于一种记录程序，它让传输系统记录每部工作站的位置以便将传送给工作站的帧，转送给正确的基站，形成连接之后，基站为工作站分配一个AID识别号，以便识别不同的工作站，同时为该行动式工作站在网络上注册，至此，发送给该行动式工作站的帧，才会转送至其所属基站，一种注册方式是发出一个ARP信号，让该工作站的MAC地址得以跟与基站连接的交换埠形成连接，随后基站开始为工作站处理帧，当基站收到帧的目标地址为与之连接的工作站时，将帧从Ethernet格式桥接至无线介质；
通信进程：当新站点需要与网络中其它结点通信时，首先将数据包发送到中继结点，中继结点收到数据包后，回复一个ACK应答帧以提高传输的可靠性，并根据目标地址和建立的地址信息表将该数据包转发出去，同时将该数据包暂存一段时间，当收到下一跳接收端ACK应答帧后，表明该数据包已经正确送达，则将缓存的数据帧丢弃，若一段时间内没有收到应答帧，则将该数据帧重新发送出去。
802·11无线多跳通讯与自适应切换方法，进一步的，多跳通讯接入帧格式中管理帧为：探寻帧仍采用802·11标准定义的管理帧帧格式，使用三个地址位信息，为达到兼容目标，帧标头采用2个字节的帧控制字段，为使用点分配式协调方法，2个字节的Duration供网络分配矢量NAV使用，预约锁定信道使用时间，后面三个地址位信息分别作为目标地址、源地址、BSSID，最后是4个字节的帧校验序列FCS；
扫描进程的探测请求帧和探测响应帧采用的帧格式：帧类型Type采用尚未使用的11，子类型Sub Type，Probe Request为0000，Probe Response为0001，帧主体中包含所需要的信息元素和位信息，Probe Request帧包含两个位，SSID和Supported Rates，SSID为意向加入的网络，如果意向扫描周围所有网络，SSID使用广播形式，Supported Rates为工作站所支持的速率组合，收到该探测请求帧的站点根据这两个位信息判断工作站能否加入该网络，收到探测请求帧的站点如果判断对方与自身网络相容，回复一个Probe Response帧，该应答帧帧主体中包含SSID服务集标识、性能信息、跳数、时戳及物理层参数，SSID为容易识别的网络名，网络建立时都会为网络设定一个网络名称，长度为0至32个字节之间，如果不加以指定，此种SSID为广播SSID，广播SSID只用于Probe Request帧中；Hop count为跳数信息，代表该站点到达基站还需要经过多少跳，如果为0，则是基站直接回复的应答信息；Timestamp位用来同步BSS中工作站的计时器；
在多跳接入过程中，需要中间结点转发认证和接入信息，为此设计第二种格式的管理帧，增加一个地址位：帧标头为2个字节的控制字段和Duration，四个地址位分别占用6个字节，作为接收地址、发送地址、目标地址、源地址，接收地址并不等于目标地址，站点接收到帧后查看目标地址是否为自身，若不是自身，查找地址转发表中目标地址的下一跳接收地址转发出去，而自身将作为该帧的发送端地址，源地址为帧的产生者。
802·11无线多跳通讯与自适应切换方法，进一步的，控制帧和数据帧：采用标准定义的控制帧进行管理与维护；采用802·11标准定义的数据帧格式，但为与单跳环境下的数据帧区分，将数据帧的类型和子类型分别定义为11和1111。
802·11无线多跳通讯与自适应切换方法，进一步的，单跳接入控制方法：多跳接入控制流程设计首先从单跳接入控制开始，通过主动扫描的方式从已经接入到AP的STA站点中获取网络信息；
扫描进程：STA1首先发出Probe Request探测请求信息包，接收地址和BSSID均设为广播地址，即允许网卡加入任何网络，帧主体中包含SSID及Supported Rates，收到该探测帧的AP根据帧主体信息元素判断STA1是否能够加入到网络，如果符合AP所设置的参数，AP应答一个Probe Request的探测应答帧，该探测应答帧的接收地址为STA1的MAC地址，此地址从探测请求帧中获得，发送端地址即为AP的MAC地址，BSSID也为AP的MAC地址，表示该网络号，探测应答帧主体中包含SSID、Capability information、Hopcount信息元素，此时Hop count值为0，代表基站所发出的应答帧，STA1收到该应答帧时，记录下该网络的信息，如果意向加入该网络，据此调整加入该网络所需的参数；
如果STA1意向与AP建立连接，则首先需要与AP进行认证，本发明均为开放系统认证，认证进程需要两个帧进行相应的握手，由工作站发出的第一个帧作为AuthenticationRequest管理帧，STA1以MAC地址作为身份证明，AP根据帧类型和目标地址对此管理帧进行相应处理，发送端和源地址为STA1的MAC地址，源地址同时作为STA1的身份证明使用，帧主体中包含两个信息元素，身份认证算法编号设置为0，代表开放系统认证，身份认证交易顺序编号设置为1，代表该帧为身份认证中的第一帧，基站随后处理该身份认证要求，应答Authentication Response管理帧，目标地址和接收地址均为STA1，帧主体中包含三个信息元素，身份认证算法编号位为0，身份认证交易顺序编号位为2，代表该帧为身份认证中第二帧，还有一个是状态码位，用来显示身份认证要求的结果，如果认证失败，基站应答一个Deauthentication帧终结这段认证关系，该帧包含一个Reason Code位，表示失败的原因；
如果STA1与AP的身份认证成功，则STA1即可与AP进行连接，以便获得网络的完全访问权限，形成连接之后，基站为工作站分配一个AID识别号，以便识别不同的工作站，同时为该行动式工作站在网络上注册，连接程序的步骤由一个连接帧和必要的链路回应组成，连接首先是工作站主动发送一个Association Request帧，帧主体中包含CapabilityInformation、SSID、Supported Rates，基站验证这些位是否符合网络参数，同时记录工作站所使用的聆听间隔，通过聆听间隔推算帧暂存所需空间的大小，基站随后对连接请求帧进行处理，如果工作站未通过身份认证或者不符合AP的某些网络参数，则回复一个解除连接帧，帧主体中包含一个原因代码位，表示连接失败的原因，如果连接要求获准，基站回复一个Association Response帧，该帧帧主体中包含一个状态码Status Code和连接识别码AID，Status Code值为0时，代表连接成功，AID是数值形式的识别码，用来辨识暂存帧所要传递的工作站，连接成功之后，工作站的MAC地址需要跟特定的交换埠形成连接，该交换埠也必须连接到为该工作站提供服务的基站，整个连接进程完成，基站开始为工作站处理帧，若工作站处于休眠状态，则为工作站暂存数据帧。
802·11无线多跳通讯与自适应切换方法，进一步的，两跳接入控制方法：STA1接入到网络后获得网络的基本信息，同时又可作为中继结点管理多跳接入过程，STA2意向接入到网络，不在AP的覆盖范围，但在STA1的通信范围内，那么STA2可通过STA1中继结点获取AP结点信息并接入到网络，首先STA2通过主动扫描从STA1获取网络信息，解决管理帧不能直接发达AP的问题，通过STA1转发管理控制帧到AP接入点，AP同样通过STA1转发管理控制帧给STA2；
扫描进程：STA2采用主动扫描方式，发出Probe Request探测请求信息包，地址位接收地址和BSSID均设为广播地址，允许网卡加入任何网络，帧主体中包含SSID及SupportedRates，收到该帧的工作站可以据此判断对方是否能够加入到网络中，接入网络后的工作站收到该管理帧后，如之前的STA1已经接入到网络之中，STA1可以获取网络的基本信息，STA1应答一个探测应答帧，接收地址为STA2，发送端地址为STA1，BSSID为基站即AP的MAC地址作为网络号，Hop count值为1，表示该帧是由中间结点发送的，STA2收到应答帧后可记录网络信息；
认证进程：STA2已获取到各网络的信息，当需要加入STA1所在的网络，STA1可作为中继管理接入过程，STA2调整网络参数，并发出认证请求管理帧，接收地址为STA1，目标地址为AP，源地址为STA2，源地址同时可作为工作站的身份证明，帧主体中包含身份认证算法编号和身份认证交易序号，STA1收到该帧后，判断帧头的控制位，发现该帧为管理帧中的身份认证请求帧，之后查看目标地址，发现目标地址为AP，与自身网络号相同，此时根据源地址和发送地址记录下反向地址路由信息，即目标地址为STA2的下一跳接收地址为STA2，然后查找自身的地址转发列表信息，发现目标地址为AP的下一跳接收地址即为AP，之后对该管理帧进行更新，将接收地址该为AP，发送端地址改为STA1，源地址和目标地址不变转发出去，AP收到该帧之后判断出该帧为身份认证请求管理帧，AP即可对此帧进行相应的处理，应答一个身份认证应答帧，目标地址为STA2，接收地址为STA1，发送端地址和源地址为AP，帧主体中包含三个信息元素，身份认证算法编号位为0，代表开放系统认证，身份认证交易序号编号为2，代表该帧为身份认证中第二帧，还有一个状态码位，代表身份认证要求的结果，STA1收到该帧后，首先判断该帧的帧类型，之后查找地址路由信息，根据地址信息表中目标地址为STA2的下一跳接收地址为STA2，对此帧进行更新，将接收地址改为STA2，发送地址改为STA1，转发出去，STA2收到该帧后，根据帧主体中的信息元素判断出是否认证成功，若认证成功，则与AP进行连接；
连接进程：为让AP记录STA2的信息，并为STA2在网络注册，首先由STA2发送一个连接请求帧，接收地址为STA1，目标地址为无线AP，源地址和发送地址为STA2，帧主体中包含SSID、Supported Rated位信息，STA1收到该帧后，根据帧校验序列校验该帧的完整性，如果帧出现差错，则丢弃该帧，否则查看帧类型和目标地址，根据地址表信息转发该管理帧，将帧接收地址改为无线AP，发送端地址改为STA1，源地址和目标地址不变，无线AP收到该管理帧后，验证帧主体中各信息元素是否符合网络参数，推算工作站帧暂存所需空间，然后对连接请求帧进行处理，回复一个连接应答帧或者解除连接帧，若连接成功，STA2的MAC地址跟AP连接的地址交换埠形成连接，并在地址转发列表里中添加STA2的地址信息，即目标地址为STA2的下一跳接收地址位STA1，STA1收到该管理帧后，首先检验帧的完整性，然后根据地址转发列表信息，将该帧转发给STA2，STA2收到该管理帧后，整个连接程序完成，此后STA2有数据帧通信时，首先将数据帧发送给STA1，STA1收到后再转发给无线AP接入点，基站收到目标地址为STA2的帧时，通过STA1将数据帧转发给STA2。
802·11无线多跳通讯与自适应切换方法，进一步的，多跳接入控制方法：STA1和STA2均有无线AP的基本信息，因此别的站点可通过STA1或者STA2获取网络信息，此时如果STA3意向接入网络中，则可通过STA2获取网络信息，并通过STA1和STA2转发接入到网络；
扫描进程：由STA3发送探测请求帧，STA2收到后回复探测应答帧，此时应答帧中Hop count值为2，表示通过两跳接入到网络，最终由STA3根据各网络信息决定是否加入该网络，认证进程和连接进程用到的管理帧分别通过STA1、STA2进行中继转发，帧主体内容与两跳接入相同。
802·11无线多跳通讯与自适应切换方法，进一步的，AP结点软件实现：AP结点在多跳接入过程中扮演管理者的角色，包括广播网络信息，对新结点进行认证、接入，AP主要发送三种类型的管理帧，即探测应答帧、认证应答帧、连接应答帧，AP收到数据包后根据帧类型的不同进行不同的处理流程，采用多线程的方式，软件算法描述为：
第一，初始化，以非阻塞方式对端口进行监听；
第二，收到数据后，通过FCS码校验帧的完整性，若帧完整则创建一个线程，并继续监听端口；
第三，对帧控制字段进行判断，若该帧为探寻帧(Probe_Request)则调用第一函数，若该帧为认证请求帧(Auth_Request)则调用第二函数；若该帧为连接请求帧(Asso_Request)或者重连请求帧(Reasso_Req)则调用第三函数；如果为数据帧，则根据目标地址进行相应处理；
第一函数：
步骤一，检验帧主体Supported Rates是否符合网络参数，若符合转入步骤二，否则转入步骤三；
步骤二，回复探测应答帧，应答帧主体包含SSID、HopCount信息元素，退出线程；
步骤三，丢弃该帧，退出线程；
第二函数b：
步骤1，对其MAC地址进行认证，若认证通过转入步骤2，否则转入步骤3；
步骤2，记录该结点的MAC地址信息，回复一个认证应答帧(Auth_Response)，接受地址设为请求帧的发送端地址，目标地址设为请求帧的源地址，发送端地址和源地址为AP的MAC地址，退出线程；
步骤3，回复一个解除认证(Deauthentication)帧，地址位信息设置同步骤2，帧主体中包含原因代码(ReasonCode)，退出线程；
第三函数：
步骤1)，检测发送该帧的源地址是否通过认证，若通过认证转入步骤2)，否则转入步骤3)；
步骤2)，检测该帧主体的网络参数是否符合AP要求，若符合转入步骤4)，否则转入步骤3)；
步骤3)，应答一个解除连接(Disassociation)帧，帧主体包含原因代码，退出线程；
步骤4)，为站点分配一个AID识别号，更新地址信息，记录该站点转发地址信息，即目标地址为该站点的下一跳为请求帧的发送端地址，应答一个连接应答帧，退出线程；
如果站点通过连接，则为该站点在网络上注册，并将其MAC地址与AP相连的地址埠联系起来，然后新接入站点即可通过AP进行网络通信。
802·11无线多跳通讯与自适应切换方法，进一步的，结点接入软件实现：新结点接入网络前，首先要探寻网络信息，然后选择需加入的网络进行认证连接，所用到的管理帧为探测请求帧(Probe_Request)、连接请求帧(Asso_Request)、认证请求帧(Auth_Request)，结点接入软件算法描述为：
第一步，主动扫描，发送Pro_Req探寻帧；
第二步，根据收到的应答帧，更新网络列表，记录各网络基本信息；
第三步，选择需要加入的网络，调整参数；
第四步，发送认证请求，若收到应答则转入第五步，否则重新发送，若连续四次收不到应答，则转入第三步；
第五步，如果认证成功，发送连接请求信息，否则转入第三步；
第六步，如果没有收到应答帧，则转入第五步；收到应答帧，如果连接成功，则记录基站信息及下一跳接收地址，若连接失败，转入第三步，根据失败原因调整参数设置或重新选择网络。
802·11无线多跳通讯与自适应切换方法，进一步的，结点中继软件实现：新结点接入网络后，即可作为中继结点延伸网络覆盖范围，在后台运行中继结点服务程序，中继结点软件实现采用多线程方式，结点中继软件算法描述为：
第1步，初始化，以非阻塞方式对端口进行监听；
第2步，收到数据后，校验帧的完整性，如果帧完整则创建一个线程；
第3步，对帧控制字段进行判断，如果该帧为控制帧，则调用控制帧处理程序；如果该帧为管理帧则调用管理帧处理程序；如果该帧为数据帧，则调用数据帧处理程序；
控制帧处理程序：控制帧为CTS、RTS、ACK、PS-Poll，控制帧用法同802·11标准单点传播用法相同；
管理帧处理程序：
1)如果该管理帧为探寻帧，则转入2)，如果该帧为认证请求帧或者重连请求帧，则转入3)，如果该帧为认证应答帧、连接请求帧或者连接应答帧则转入4)；
2)检验帧主体是否符合网络参数，如果符合，则回复探测应答帧，否则丢弃该帧；
3)记录反向地址信息，设定生存时间，并根据目标地址查找地址转发表进行转发；
4)查找地址转发列表进行转发；
数据帧处理程序：
一)检测该帧的BSSID，如果为同一BSS，转入二)，否则丢弃该帧；
二)暂存该数据帧，记录发送次数，此时次数为0；
三)如如果发送次数为四，则转入六)，否则查找地址转发表，转发暂存帧，发送次数加一；
四)如果收到接收地址发送来的ACK确认信息，转入五)；如果一定时间未收到，则转入三)；
五)丢弃暂存数据帧；
六)通知该帧的源地址发送数据失败。
802·11无线多跳通讯与自适应切换方法，进一步的，自适应切换控制的实现：本发明提出预先扫描的快速切换方法，即通过设定两个临界值，当接收信号强度小于扫描临界值时，触发扫描程序扫描周围网络信息并存储起来，当接收信号强度小于切换临界值时，触发切换过程，选择网络采取链路重建或者网络重连措施，自适应切换控制过程算法描述为：
步骤(1，监测信号接收强度RSSI；
步骤(2，如果RSSI小于扫描临界值，发起主动扫描；
步骤(3，记录网络信息，根据接收信号强度对网络列表优先级排序，并设定计时器；
步骤(4，如果RSSI小于切换临界值，启动切换程序；
步骤(5，如果选择的网络为之前同一BSS，则发动重连请求，如果切换网络为不同BSS，则启动新结点连接过程，即从新结点接入程序的认证进程开始；
步骤(3中的计数器说明：基于RSSI可能处于大于切换临界值但小于扫描临界值范围一段时间，为在切换时能够选择最优的网络，在第一次启动扫描时，启动计时器，将计时器值设定一段时间段，开始倒数计时，如果计时器时间用完，RSSI仍处于这段范围，再次启动扫描程序，计数器重新设置为最大值开始倒数计时，如果某一进程启动切换程序，则停止该计数器计时，如果某一进程开始RSSI大于扫描临界值，则停止切换程序。
与现有技术相比，本发明的贡献和创新点在于：
第一，针对无线WLAN单跳网络覆盖范围小的问题，本发明基于802·11的无线多跳接入网络，通过无线多跳通讯与自适应切换方法提高网络覆盖范围，提出802·11的无线多跳通讯自适应接入方法，详细设计多跳接入过程所需要的帧格式，提出单跳、两跳及多跳的接入控制方法，并提出多跳接入过程中的无线AP结点、接入结点及中继结点的算法实现；分析多跳接入后通信过程中所存在的问题，针对多跳链路容易中断的问题，提出通信过程自适应链路维护方法，当链路出现问题需要切换时，为解决链路切换时延长问题，提出一种预先扫描的快速切换优化方法，即通过设定两个阈值，将扫描进程提前从而减少整个切换接入过程的时延；开发实现无线多跳通讯与自适应切换网络，包括AP结点、STA结点的开发实现，其中STA结点包括接入与中继的开发实现，并对多跳接入与链路切换过程进行了实验验证，协议工作正常，网络性能有大幅提高，验证多跳接入与自适应切换方案的可行性和高效性，具有很高的实用价值和广阔的应用前景；
第二，针对单跳接入网络覆盖范围小的问题，通过多跳的方式提高网络覆盖范围，802·11的接入控制主要在数据链路层完成，多跳接入不同于单跳接入，本发明解决了采用何种接入方案及使用哪种类型的帧格式的问题。同时无线网络环境多变，多跳接入成功后，当链路出现问题时能对链路进行维护，提出减少时延的自适应切换方法，解决了链路切换时延长的问题，基于802·11的WLAN只能单跳通信，在发送功率受到限制或在传输过程中遇到障碍物时，通信距离将变得更短，本发明通过多跳接入的方式提高网络覆盖范围；
第三，针对802·11切换策略的最显著的缺陷就是采取先断后连的方法，当工作站与当前AP结点断开连接后，才扫描周围AP结点信息，当链路断开时快速的切换到其它接入点，如果切换时延过长会影响实时业务的通信质量，由于扫描进程需要切换到不同的信道并等待一段时间，扫描进程所耗时间占整个切换过程的85％，本发明成功解决了减少扫描时间的关键问题，提出一种预先扫描的快速切换方法，其中预先扫描是将扫描进程提前，即在网络空闲时进行扫描，从而当网络需要切换时直接跳过扫描进程以减少整体时延。；
第四，本发明对多跳接入和切换进行软硬件的实验验证与测试，通过对硬件的性能进行测试，分别设置单跳、两跳以及三跳的实验环境，对其接入过程进行了软硬件的实验验证，结果表明本发明的多跳接入方案可以正常高效运行，鲁棒性好；同时针对结点移动问题，进行了链路维护的实验验证，实验表明当链路信号质量比较差时，下游结点可以及时的发现并进行重新寻找链路过程，实验结果达到了预期的目标，验证了多跳接入与切换方案的可行，适合WLAN环境，网络开销小，不会增加网络负载，不降低传输效率，不会引起泛洪风暴，通信效果好，安全性强，可提高AP的覆盖范围，网络灵活性好。
附图说明
图1是基于802·11的单跳网络结构示意图。
图2是本发明的自适应多跳接入方法示意图。
图3是本发明的四地址位管理帧结构示意图。
图4是本发明单跳接入过程的各种管理帧变化过程示意图。
图5是本发明的多跳接入过程示例图。
图6是本发明的多跳接入帧变化过程示意图。
图7是本发明的多跳数据自适应通信数据帧变化示意图。
图8是本发明AP结点在接入过程软件设计流程图。
图9是本发明的新节点接入过程软件实现流程图。
图10是本发明的自适应切换控制实现流程图。
图11是本发明的结点中继软件实现流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明提供的802·11无线多跳通讯与自适应切换方法的技术方案进行进一步的描述，使本领域的技术人员能够更好的理解本发明并能予以实施。
IEEE802·11由于无需布线、传输速度快、成本低等优点受到单位和家庭WLAN的青睐，目前市场上流行的移动终端或智能家居设备一般都具有802·11通信模块，用户可通过它方便的接入网络。由于基于802·11的WLAN只能进行单跳通信，在发送功率受限制或在传输中遇到障碍物时，通信距离将变得更短，对一些通信范围要求大的无线网场景或需要多跳通信的场合，单跳式的802·11网络应用受到很大的限制，因此研究如何进行无线多跳接入，通过多跳通信提高网络覆盖范围和质量意义重大。另一方面，当网络质量不好时，移动终端需要与接入点发生切换，切换过程会出现时延，时延过长会影响实时业务的通信质量，出现传输中断、连接丢失等问题，因此如何减少切换时延对切换过程非常重要。针对上述问题，本发明提出了802·11无线多跳通讯与自适应切换方法。
首先，基于IEEE 802·11协议以及帧结构、无线多跳组网，结合802·11网络特征和无线多跳网络架构，提出一种802·11无线网络多跳接入和通讯总体方法，在此基础上详细设计多跳接入过程所需要的帧格式，得出单跳、两跳及多跳的接入控制方法；
其次，为解决通信过程中中继结点因移动或者损坏等原因造成的链路中断问题，提出下游结点周期性向上游结点发送空的数据帧的链路维护方法，针对链路切换问题，提出预先扫描自适应切换方法，通过将扫描进程提前从而减少时延的快速切换方案；
最后，分别开发基站、接入结点、中继结点软件，构建一个无线多跳接入与切换的软硬件系统，基于多跳通信的无线网场景，对多跳接入通信与链路自适应切换过程进行实验，验证多跳接入与自适应切换方案的可行性和高效性。
一、802·11无线网络自适应多跳接入与切换方法
针对单跳接入网络覆盖范围小的问题，通过多跳的方式提高网络覆盖范围，802·11的接入控制主要在数据链路层完成，多跳接入不同于单跳接入，采用何种接入方案及使用哪种类型的帧格式仍然亟需解决。同时无线网络环境多变，多跳接入成功后，当链路出现问题时如何对链路进行维护也是本发明解决的问题。本发明对基于802·11的WLAN多跳接入方案行详细解析设计，最后针对链路切换时延长的问题，提出减少时延的自适应切换方法。
(一)无线自适应多跳接入方法
基于802·11的WLAN只能单跳通信，在发送功率受到限制或在传输过程中遇到障碍物时，通信距离将变得更短。本发明通过多跳接入的方式提高网络覆盖范围。图1所示场景中，AP的覆盖范围有限，在AP覆盖范围内的STA1等站点可以正常接入网络，STA2在覆盖范围的边缘，通信质量较差，STA3不在AP覆盖范围内，无法正常获取网络服务，如何进行多跳接入使得STA2、STA3也能获取网络服务，是本发明解决的问题。
1.自适应多跳接入和通讯总体架构
802·11标准接入过程包括三个进程，每个进程所完成的功能不同，因此本发明设置的多跳网络接入方案分三个进程：扫描进程、认证进程、连接进程，当远端站点不在AP覆盖范围时如果希望加入到网络，站点接入网络后即可获取网络的基本信息，扫描进程通过周围接入网络的站点获得网络信息，认证进程和连接进程需要AP结点完成，如果部署专门的中继进行转发则灵活性较差，本发明通过接入到网络的站点作为中继结点进行转发，最终移动站点只有与AP接入点建立连接才可获得网络服务，由此设计图2所示的自适应多跳接入方法。
新站点加入网络之前首先获取周围网络信息，如果其不在AP的覆盖范围内，则通过周围接入到网络的站点获得该信息，由于站点接入到网络后可获取到网络的基本信息，然而站点并不像基站一样可定期发送Beacon帧来通告网络的存在，因此首先由新站点主动发送一个探寻请求帧，基站或者接入到基站的站点收到该探寻帧后，应答一个探寻应答帧，该应答帧中包括所连接网络的基本信息，最终新站点会收到一系列的应答帧，代表其通信范围内所存在的网络，由此新站点可以人工选择希望加入的网络。
认证进程：由新站点发送认证请求帧，认证只能由基站完成，因此假如所加入的网络是通过中间站点发现的，该认证请求帧必须通过中间站点转发至基站，基站收到认证请求帧后，对其进行认证，如果认证通过，应答一个认证应答帧，仍然通过中间站点中继转发形式发送给新站点。
连接进程：站点收到认证应答帧后，若通过认证程序，则进入连接进程，由站点主动发送一个连接请求帧，通过中继结点转发给基站，基站对其进行处理，回复应答，连接属于一种记录程序，它让传输系统记录每部工作站的位置以便将传送给工作站的帧，转送给正确的基站，形成连接之后，基站为工作站分配一个AID识别号，以便识别不同的工作站，同时为该行动式工作站在网络上注册，至此，发送给该行动式工作站的帧，才会转送至其所属基站。其中一种注册方式是发出一个ARP信号，让该工作站的MAC地址得以跟与基站连接的交换埠形成连接，随后基站开始为工作站处理帧，当基站收到帧的目标地址为与之连接的工作站时，将帧从Ethernet格式桥接至无线介质。
通信进程：当新站点需要与网络中其它结点通信时，首先将数据包发送到中继结点，中继结点收到数据包后，回复一个ACK应答帧以提高传输的可靠性，并根据目标地址和建立的地址信息表将该数据包转发出去，同时将该数据包暂存一段时间，当收到下一跳接收端ACK应答帧后，表明该数据包已经正确送达，则将缓存的数据帧丢弃，若一段时间内没有收到应答帧，则将该数据帧重新发送出去。
2.多跳通讯接入帧格式
(1)管理帧
802·11标准协议的接入过程主要针对单跳网络进行管理，管理帧中只有三个地址位信息，由于多跳网络需要中间结点进行转发，三个地址位并不能满足多跳的环境。为适应多跳网络的接入需要，达到更高的转发效率，本发明重新设定新的类型的管理帧。
站点接入网络后即可获得网络信息，而探寻帧只需要临近结点回应即可，因此探寻帧仍采用802·11标准定义的管理帧帧格式，使用三个地址位信息，为达到兼容目标，帧标头采用2个字节的帧控制字段，为使用点分配式协调方法，2个字节的Duration供网络分配矢量NAV使用，预约锁定信道使用时间，后面三个地址位信息分别作为目标地址、源地址、BSSID，最后是4个字节的帧校验序列FCS。
扫描进程的探测请求帧和探测响应帧采用的帧格式：帧类型Type采用尚未使用的11，子类型Sub Type，Probe Request为0000，Probe Response为0001，帧主体中包含所需要的信息元素和位信息，Probe Request帧包含两个位，SSID和Supported Rates，SSID为意向加入的网络，如果意向扫描周围所有网络，SSID使用广播形式，Supported Rates为工作站所支持的速率组合，收到该探测请求帧的站点根据这两个位信息判断工作站能否加入该网络，收到探测请求帧的站点如果判断对方与自身网络相容，回复一个Probe Response帧，该应答帧帧主体中包含SSID服务集标识、性能信息、跳数、时戳及物理层参数，SSID为容易识别的网络名，网络建立时都会为网络设定一个网络名称，长度为0至32个字节之间，如果不加以指定，此种SSID为广播SSID，广播SSID只用于Probe Request帧中；Hop count为跳数信息，代表该站点到达基站还需要经过多少跳，如果为0，则是基站直接回复的应答信息；Timestamp位用来同步BSS中工作站的计时器。
在多跳接入过程中，需要中间结点转发认证和接入信息，而三个地址位并不能满足要求，为此设计第二种格式的管理帧，增加一个地址位，如图3所示。
帧标头为2个字节的控制字段和Duration，四个地址位分别占用6个字节，作为接收地址、发送地址、目标地址、源地址，接收地址并不等于目标地址，站点接收到帧后查看目标地址是否为自身，若不是自身，查找地址转发表中目标地址的下一跳接收地址转发出去(地址转发表通过MAC地址建立的转发表，属于数据链路层的转发，非网络层的转发)，而自身将作为该帧的发送端地址，源地址为帧的产生者。
(2)控制帧和数据帧
802·11控制帧的主要类型包括ACK、RTS、CTS、PS-Poll帧，控制帧主要负责区域清空和信道的取得及收到数据帧后给予正面应答，控制帧不需要转发，802·11标准定义的控制帧同样适用于多跳网络环境，本发明采用标准定义的控制帧进行管理与维护。
多跳网络通信中，数据帧需要中继结点的转发，需要四个地址位信息，标准定义的帧格式即可满足要求，因此采用802·11标准定义的数据帧格式，但地址位的使用方式不同，多跳环境下数据帧的处理方式与单跳不同，为与单跳环境下的数据帧区分，将数据帧的类型和子类型分别定义为11和1111。
3.单跳接入控制方法
多跳接入控制流程设计首先从单跳接入控制开始，STA结点并不像AP结点一样可定期的发送beacon帧来通告网络的存在，当STA结点不在AP的覆盖范围内时，收不到beacon帧，无法直接获取网络信息，因此通过主动扫描的方式从已经接入到AP的STA站点中获取网络信息。单跳接入过程所用到的各种管理帧变化过程如图4所示。
扫描进程：STA1首先发出Probe Request探测请求信息包，接收地址和BSSID均设为广播地址，即允许网卡加入任何网络，帧主体中包含SSID及Supported Rates，收到该探测帧的AP根据帧主体信息元素判断STA1是否能够加入到网络，如果符合AP所设置的参数，AP应答一个Probe Request的探测应答帧，该探测应答帧的接收地址为STA1的MAC地址，此地址从探测请求帧中获得，发送端地址即为AP的MAC地址，BSSID也为AP的MAC地址，表示该网络号，探测应答帧主体中包含SSID、Capability information、Hopcount信息元素，此时Hop count值为0，代表基站所发出的应答帧，STA1收到该应答帧时，记录下该网络的信息，如果意向加入该网络，据此调整加入该网络所需的参数。
如果STA1意向与AP建立连接，则首先需要与AP进行认证，本发明均为开放系统认证，认证进程需要两个帧进行相应的握手，由工作站发出的第一个帧作为AuthenticationRequest管理帧，STA1以MAC地址作为身份证明，AP根据帧类型和目标地址对此管理帧进行相应处理，发送端和源地址为STA1的MAC地址，源地址同时作为STA1的身份证明使用，帧主体中包含两个信息元素，身份认证算法编号设置为0，代表开放系统认证，身份认证交易顺序编号设置为1，代表该帧为身份认证中的第一帧，基站随后处理该身份认证要求，应答Authentication Response管理帧，目标地址和接收地址均为STA1，帧主体中包含三个信息元素，身份认证算法编号位为0，身份认证交易顺序编号位为2，代表该帧为身份认证中第二帧，还有一个是状态码位，用来显示身份认证要求的结果，如果认证失败，基站应答一个Deauthentication帧终结这段认证关系，该帧包含一个Reason Code位，表示失败的原因。
如果STA1与AP的身份认证成功，则STA1即可与AP进行连接，以便获得网络的完全访问权限，形成连接之后，基站为工作站分配一个AID识别号，以便识别不同的工作站，同时为该行动式工作站在网络上注册，连接程序的步骤由一个连接帧和必要的链路回应组成，连接首先是工作站主动发送一个Association Request帧，帧主体中包含CapabilityInformation、SSID、Supported Rates，基站验证这些位是否符合网络参数，同时记录工作站所使用的聆听间隔，通过聆听间隔推算帧暂存所需空间的大小，基站随后对连接请求帧进行处理，如果工作站未通过身份认证或者不符合AP的某些网络参数，则回复一个解除连接帧，帧主体中包含一个原因代码位，表示连接失败的原因，如果连接要求获准，基站回复一个Association Response帧，该帧帧主体中包含一个状态码Status Code和连接识别码AID，Status Code值为0时，代表连接成功，AID是数值形式的识别码，用来辨识暂存帧所要传递的工作站，连接成功之后，工作站的MAC地址需要跟特定的交换埠形成连接，该交换埠也必须连接到为该工作站提供服务的基站，整个连接进程完成，基站开始为工作站处理帧，若工作站处于休眠状态，则为工作站暂存数据帧。
4.两跳接入控制方法
STA1接入到网络后获得网络的基本信息，同时又可作为中继结点管理多跳接入过程，STA2意向接入到网络，然而不在AP的覆盖范围，但在STA1的通信范围内，那么STA2可通过STA1中继结点获取AP结点信息并接入到网络，首先STA2通过主动扫描从STA1获取网络信息，解决管理帧不能直接发达AP的问题，通过STA1转发管理控制帧到AP接入点，AP同样通过STA1转发管理控制帧给STA2。
扫描进程：STA2采用主动扫描方式，发出Probe Request探测请求信息包，地址位接收地址和BSSID均设为广播地址，允许网卡加入任何网络，帧主体中包含SSID及SupportedRates，收到该帧的工作站可以据此判断对方是否能够加入到网络中，接入网络后的工作站收到该管理帧后，如之前的STA1已经接入到网络之中，STA1可以获取网络的基本信息，因此STA1可以应答一个探测应答帧，接收地址为STA2，发送端地址为STA1，BSSID为基站即AP的MAC地址作为网络号，帧主体中包含SSID、Capabilityinformation、Hopcount等信息元素，此时Hop count值为1，表示该帧是由中间结点发送的，STA2收到应答帧后可记录网络信息。
认证进程：STA2已获取到各网络的信息，当需要加入网络时，如STA1所在的网络，STA1可作为中继管理接入过程，STA2调整网络参数，并发出认证请求管理帧，接收地址为STA1，目标地址为AP，源地址为STA2，源地址同时可作为工作站的身份证明，帧主体中包含身份认证算法编号和身份认证交易序号，STA1收到该帧后，判断帧头的控制位，发现该帧为管理帧中的身份认证请求帧，之后查看目标地址，发现目标地址为AP，与自身网络号相同，此时根据源地址和发送地址记录下反向地址路由信息，即目标地址为STA2的下一跳接收地址为STA2，然后查找自身的地址转发列表信息，发现目标地址为AP的下一跳接收地址即为AP，之后对该管理帧进行更新，将接收地址该为AP，发送端地址改为STA1，源地址和目标地址不变转发出去，AP收到该帧之后判断出该帧为身份认证请求管理帧，AP即可对此帧进行相应的处理，应答一个身份认证应答帧，目标地址为STA2(认证请求帧的源地址)，接收地址为STA1(认证请求帧的发送端地址)，发送端地址和源地址为AP，帧主体中包含三个信息元素，身份认证算法编号位为0，代表开放系统认证，身份认证交易序号编号为2，代表该帧为身份认证中第二帧，还有一个状态码位，代表身份认证要求的结果，STA1收到该帧后，首先判断该帧的帧类型，之后查找地址路由信息，根据地址信息表中目标地址为STA2的下一跳接收地址为STA2，对此帧进行更新，将接收地址改为STA2，发送地址改为STA1，转发出去，STA2收到该帧后，根据帧主体中的信息元素判断出是否认证成功，若认证成功，则与AP进行连接。
连接进程：为让AP记录STA2的信息，并为STA2在网络注册，首先由STA2发送一个连接请求帧，接收地址为STA1，目标地址为无线AP，源地址和发送地址为STA2，帧主体中包含SSID、Supported Rated位信息，STA1收到该帧后，根据帧校验序列校验该帧的完整性，如果帧出现差错，则丢弃该帧，否则查看帧类型和目标地址，根据地址表信息转发该管理帧，将帧接收地址改为无线AP，发送端地址改为STA1，源地址和目标地址不变，无线AP收到该管理帧后，验证帧主体中各信息元素是否符合网络参数，推算工作站帧暂存所需空间，然后对连接请求帧进行处理，回复一个连接应答帧或者解除连接帧，若连接成功，STA2的MAC地址跟AP连接的地址交换埠形成连接，并在地址转发列表里中添加STA2的地址信息，即目标地址为STA2的下一跳接收地址位STA1，STA1收到该管理帧后，首先检验帧的完整性，然后根据地址转发列表信息，将该帧转发给STA2，STA2收到该管理帧后，整个连接程序完成，此后STA2有数据帧通信时，首先将数据帧发送给STA1，STA1收到后再转发给无线AP接入点，基站收到目标地址为STA2的帧时，通过STA1将数据帧转发给STA2。
5.多跳接入控制方法
STA1和STA2均已接入到网络，STA1和STA2即可作为中继结点继续扩大网络的覆盖范围。如图5所示，STA1和STA2均有无线AP的基本信息，因此别的站点可通过STA1或者STA2获取网络信息，此时如果STA3意向接入网络中，则可通过STA2获取网络信息，并通过STA1和STA2转发接入到网络。
扫描进程：由STA3发送探测请求帧，STA2收到后回复探测应答帧，此时应答帧中Hop count值为2，表示通过两跳接入到网络，最终由STA3根据各网络信息决定是否加入该网络。认证进程和连接进程用到的管理帧分别通过STA1、STA2进行中继转发，帧主体内容与两跳接入相同，各帧的地址位信息变换如图6所示。
6.构建地址转发表
多跳接入过程中，认证帧和连接帧需要中间结点进行转发，每个结点都需要维护一个地址转发表，接入成功后，通信过程转发进程同样需要地址转发表(该转发是在数据链路层的转发，该地址转发表所记录的地址均为MAC地址，与平时网络层的IP地址不同)，在哪个进程构建地址转发表及如何维护，对整个接入及通信进程十分关键。
(1)AP结点地址转发表
AP结点在站点接入过程中根据帧的来源地址和发送端地址进行相应处理并应答，在此进程并不需要地址转发表，当站点接入成功后，记录该站点信息，以便以后发送给该站点的帧能够正确转发给相应的站点，无线AP结点维护的地址转发表中第一列为AID，站点接入成功后，无线AP为其分配的一个AID，并记录其MAC地址，下一跳接收地址从连接请求帧的发送端获取。
(2)STA结点地址转发表
STA结点对地址转发表的维护中，最初一个地址转发信息是AP结点的信息，目标地址为AP时，下一跳接收地址是收到探寻应答帧的发送端地址，当作为中继结点时，需要对其它站点的请求帧和应答帧进行转发，因此需要有自学习的能力，当收到认证请求帧时，需要记录该帧的反向地址信息，即该帧的来源地址和发送端地址分别作为目标地址和下一跳接收地址，以便当收到应答帧时能进行正确的转发。
STA结点的地址转发表信息与AP不同的是多了一个生存时间，此生存时间防止某些站点突然离开，以后可能不再需要该转发信息从而浪费空间，IP地址分配时间为两个小时，生存时间也设定为两个小时，如果某段时间内收到数据帧，且地址转发表有该帧的转发信息，则对该帧进行转发，并将生存时间更新为最大值，如果生存时间用完，则删除该转发信息，假如STA1已经接入到无线AP，而STA2通过STA1接入到无线AP，则STA2的地址转发表首先记录第一条信息，即目标地址为AP的下一跳接收地址为STA1，此时如果STA3通过STA2向无线AP发送认证请求信息，则STA2同时记录STA3的反向地址信息，即STA3的下一跳接收地址为STA3。
(二)多跳数据自适应通信控制流程
多跳接入网络建立后，站点即可与骨干网进行通信，STA3已通过多跳中继的方式接入网络，无线AP通过DHCP服务，为STA3分配一个IP地址，STA3意向与骨干网中服务器1(属于同一个局域网)进行通信，此时目标地址为服务器1，源地址位STA3。
首次通信时，STA3并不知晓服务器1的MAC地址，通过发送ARP地址解析协议数据包获取服务器1的MAC地址，首先STA3发送ARP数据包，服务器1收到ARP数据包后，回复一个应答帧，此时应答帧的目标地址为STA3，源地址为服务器1，通过STA1、STA2中继转发给STA3的过程中，STA1和STA2同时记录反向地址信息，STA3收到该应答帧时即可知晓服务器1的MAC地址，若STA3有上层封包需发往服务器1，到达MAC层后，具体的帧处理流程如图7所示。
STA3通过高速地址缓存将服务器1的MAC地址作为目标地址，自身的MAC地址作为源地址，查找地址转发列表，发现目标地址为服务器1的下一跳地址为STA2，将STA2作为接收地址，自身MAC地址作为发送端地址将该数据帧进行封包，通过分散式协调获得信道使用权后，将该数据包发送出去，STA2收到该数据包后，检验帧类型并校验其完整性，查找目标地址和地址转发列表，发现目标地址为服务器1的下一跳接收地址为STA1，则将该数据包更新为第二行所示的帧格式发送出去，最终通过STA1将帧发送到无线AP后，AP根据目标地址判断，将该数据帧桥接为以太网的帧格式，源地址为STA3，目标地址为服务器1，送到骨干网。
1.通信过程自适应链路维护
通信过程中，如果某个中继结点因为移动或者损坏导致通信链路断开，远端结点如果没有及时发现，可能造成不可估计的损失。为此，建立一种链路维护机制，当中间结点断开时，能够及时发现链路连接问题，并采取重新连接或者链路重建措施，远端站点接入网络后，当网络较空闲时，周期性向自身的上游结点发送空的数据帧来维护链路性能，STA3通过STA2接入到网络，STA3周期性向STA2发送空数据帧，若链路质量良好，那么STA2向STA3应答ACK帧，若STA2发生转移或已经切换网络，那么STA3就收不到STA2的应答帧，若连续4次收不到应答帧，STA3判断链路出现问题，进而采取策略选择重新加入网络或者切换到其它网络接入点，首先发送探寻请求帧，扫描周围的网络，如果发现有同一BSS的站点，则通过该站点发送重连请求帧重新接入网络，更新下一跳接收地址信息，如果意向接入其它BSS，则发送认证请求帧进行认证，认证通过后发送连接请求接入到网络，同理STA2采取同样的方式维护上游链路。
(三)无线多跳切换方法
当链路断开时意向能够快速的切换到其它接入点，如果切换时延过长会影响实时业务的通信质量，802·11切换策略的最显著的缺陷就是采取先断后连的方法，当工作站与当前AP结点断开连接后，才扫描周围AP结点信息，由于扫描进程需要切换到不同的信道并等待一段时间，扫描进程所耗时间占整个切换过程的85％，所以减少扫描时间非常关键。针对上述问题和多跳接入的特征，本发明提出一种预先扫描的快速切换方法，其中预先扫描是将扫描进程提前，即在网络空闲时进行扫描，从而当网络需要切换时直接跳过扫描进程以减少整体时延。
1.预先扫描
预先扫描即当前通信过程中监测的某指标低于临界值时就启动扫描，将扫描后的网络信息缓存，当网络需要切换时，直接从缓存中获取网络信息，由此减少切换过程中扫描所带来的延迟，扫描采用主动扫描。
通信链路维护时，下游结点会周期性向上游结点发送空的数据帧，如果链路质量良好，则会回复ACK应答帧，以此作为判断网络性能的方式，选用接收信号强度RSSI作为判断网络性能指标的标准，设置两个阈值，一种是扫描阈值Scan_threshold，一种是切换阈值Handover_threshold，设置两种阈值防止不停的发生切换，当接收信号强度大于扫描阈值时，可进行良好通信，当RSSI下降，以至通信质量变差(此时仍可通信)，小于扫描阈值时，站点就发起主动扫描，将扫描后的网络信息缓存起来，如果接收信号强度持续下降至低于切换阈值时，就发起切换策略，选择网络以网络的信号强度作为根据，优先选择信号强度较好且已经过认证的网络，若同时出现多个已认证过的网络，则优先选择跳数较少的网络，如果站点选择网络为不同BSS，且没有经过认证，则发起一个新的认证连接过程，如果站点选择的网络为同一BSS，则发送一个重连请求帧，该重连请求帧多一个Current AP信息元素，该信息元素记录切换之前该站点通信时的下一跳接收地址，新的中继结点收到该重连请求后，将其转发至无线AP，并更新自身的地址列表信息，添加该站点的地址转发信息，无线AP收到该请求帧后，检查源站点是否通过认证及网络参数是否符合要求，回复一个应答帧，若通过连接请求，后续发给该站点的帧通过新中继结点转发。
二、开发实现无线多跳通讯与自适应切换网络
在802·11无线网络自适应多跳接入与切换方法的基础上，为达到应用目标，开发实现无线多跳通讯与自适应切换网络，包括AP结点、STA结点的开发实现，其中STA结点包括接入与中继的开发实现。
(一)无线多跳自适应结点软件实现
分为AP结点软件实现、结点接入软件实现、结点中继软件实现，每部分的实现又包括扫描、认证、关联。
1.AP结点软件实现
AP结点在多跳接入过程中扮演管理者的角色，主要包括广播网络信息，对新结点进行认证、接入，AP主要发送三种类型的管理帧，即探测应答帧、认证应答帧、连接应答帧，AP结点在接入过程软件设计流程图如图8。
AP收到数据包后根据帧类型的不同进行不同的处理流程，采用多线程的方式，软件算法描述为：
第一，初始化，以非阻塞方式对端口进行监听；
第二，收到数据后，通过FCS码校验帧的完整性，若帧完整则创建一个线程，并继续监听端口；
第三，对帧控制字段进行判断，若该帧为探寻帧(Probe_Request)则调用第一函数，若该帧为认证请求帧(Auth_Request)则调用第二函数；若该帧为连接请求帧(Asso_Request)或者重连请求帧(Reasso_Req)则调用第三函数；如果为数据帧，则根据目标地址进行相应处理；
第一函数：
步骤一，检验帧主体Supported Rates是否符合网络参数，若符合转入步骤二，否则转入步骤三；
步骤二，回复探测应答帧，应答帧主体包含SSID、HopCount信息元素，退出线程；
步骤三，丢弃该帧，退出线程。
第二函数b：
步骤1，对其MAC地址进行认证，若认证通过转入步骤2，否则转入步骤3；步骤2，记录该结点的MAC地址信息，回复一个认证应答帧(Auth_Response)，接受地址设为请求帧的发送端地址，目标地址设为请求帧的源地址，发送端地址和源地址为AP的MAC地址，退出线程；步骤3，回复一个解除认证(Deauthentication)帧，地址位信息设置同步骤2，帧主体中包含原因代码(ReasonCode)，退出线程；
第三函数：
步骤1)，检测发送该帧的源地址是否通过认证，若通过认证转入步骤2)，否则转入步骤3)；步骤2)，检测该帧主体的网络参数是否符合AP要求，若符合转入步骤4)，否则转入步骤3)；步骤3)，应答一个解除连接(Disassociation)帧，帧主体包含原因代码，退出线程；步骤4)，为站点分配一个AID识别号，更新地址信息，记录该站点转发地址信息，即目标地址为该站点的下一跳为请求帧的发送端地址，应答一个连接应答帧，退出线程；
如果站点通过连接，则为该站点在网络上注册，并将其MAC地址与AP相连的地址埠联系起来，然后新接入站点即可通过AP进行网络通信。
2.结点接入软件实现
新结点接入网络前，首先要探寻网络信息，然后选择需加入的网络进行认证连接，所用到的管理帧为探测请求帧(Probe_Request)、连接请求帧(Asso_Request)、认证请求帧(Auth_Request)，接入过程软件流程图如图9所示。
结点接入软件算法描述为：
第一步，主动扫描，发送Pro_Req探寻帧；第二步，根据收到的应答帧，更新网络列表，记录各网络基本信息；第三步，选择需要加入的网络，调整参数；第四步，发送认证请求，若收到应答则转入第五步，否则重新发送，若连续四次收不到应答，则转入第三步；第五步，如果认证成功，发送连接请求信息，否则转入第三步；第六步，如果没有收到应答帧，则转入第五步；收到应答帧，如果连接成功，则记录基站信息及下一跳接收地址，若连接失败，转入第三步，根据失败原因调整参数设置或重新选择网络。
3.结点中继软件实现
新结点接入网络后，即可作为中继结点延伸网络覆盖范围，在后台运行中继结点服务程序。结点中继软件实现流程图如图11所示。中继结点针对不同的帧有不同的处理流程，中继结点软件实现采用多线程方式，结点中继软件算法描述为：
第1步，初始化，以非阻塞方式对端口进行监听；第2步，收到数据后，校验帧的完整性，如果帧完整则创建一个线程；第3步，对帧控制字段进行判断，如果该帧为控制帧，则调用控制帧处理程序；如果该帧为管理帧则调用管理帧处理程序；如果该帧为数据帧，则调用数据帧处理程序；
控制帧处理程序：控制帧为CTS、RTS、ACK、PS-Poll，控制帧用法同802·11标准单点传播用法相同；
管理帧处理程序：
1)如果该管理帧为探寻帧，则转入2)，如果该帧为认证请求帧或者重连请求帧，则转入3)，如果该帧为认证应答帧、连接请求帧或者连接应答帧则转入4)；2)检验帧主体是否符合网络参数，如果符合，则回复探测应答帧，否则丢弃该帧；3)记录反向地址信息，设定生存时间，并根据目标地址查找地址转发表进行转发；4)查找地址转发列表进行转发；
数据帧处理程序：
一)检测该帧的BSSID，如果为同一BSS，转入二)，否则丢弃该帧；二)暂存该数据帧，记录发送次数，此时次数为0；三)如如果发送次数为四，则转入六)，否则查找地址转发表，转发暂存帧，发送次数加一；四)如果收到接收地址发送来的ACK确认信息，转入五)；如果一定时间未收到，则转入三)；五)丢弃暂存数据帧；六)通知该帧的源地址发送数据失败。
(二)自适应切换控制的实现
结点因为移动等原因导致通信链路断开时，需要切换到其它网络，为解决切换时延长的问题，本发明提出预先扫描的快速切换方法，即通过设定两个临界值，当接收信号强度小于扫描临界值时，触发扫描程序扫描周围网络信息并存储起来，当接收信号强度小于切换临界值时，触发切换过程，选择网络采取链路重建或者网络重连措施，根据这种设计方法，切换过程的软件流程图如图10所示。
自适应切换控制过程算法描述为：
步骤(1，监测信号接收强度RSSI；步骤(2，如果RSSI小于扫描临界值，发起主动扫描；步骤(3，记录网络信息，根据接收信号强度对网络列表优先级排序，并设定计时器；步骤(4，如果RSSI小于切换临界值，启动切换程序；步骤(5，如果选择的网络为之前同一BSS，则发动重连请求，如果切换网络为不同BSS，则启动新结点连接过程，即从新结点接入程序的认证进程开始；
步骤(3中的计数器说明：基于RSSI可能处于大于切换临界值但小于扫描临界值范围一段时间，为在切换时能够选择最优的网络，在第一次启动扫描时，启动计时器，将计时器值设定一段时间段，开始倒数计时，如果计时器时间用完，RSSI仍处于这段范围，再次启动扫描程序(即从算法步骤2开始)，计数器重新设置为最大值开始倒数计时，如果某一进程启动切换程序，则停止该计数器计时，如果某一进程开始RSSI大于扫描临界值，则停止切换程序。
Claims (10)
1.802·11无线多跳通讯与自适应切换方法，其特征在于，基于802·11的无线多跳接入网络，通过无线多跳通讯与自适应切换方法提高网络覆盖范围，首先，基于IEEE 802·11协议以及帧结构、无线多跳组网，结合802·11网络特征和无线多跳网络架构，提出一种802·11无线网络多跳接入和通讯总体方法，在此基础上详细设计多跳接入过程所需要的帧格式，得出单跳、两跳及多跳的接入控制方法；其次，提出下游结点周期性向上游结点发送空的数据帧的链路维护方法，提出预先扫描自适应切换方法，通过将扫描进程提前减少时延的快速切换方案；最后，分别开发基站、接入结点、中继结点软件，构建一个无线多跳接入与切换的软硬件系统；
主要包括三个部分：第一，基于802·11协议及多跳网络技术，提出802·11的无线多跳通讯自适应接入方法，在此基础上设计多跳接入过程所需要的帧格式，提出单跳、两跳及多跳的接入控制方法，并提出多跳接入过程中的无线AP结点、接入结点及中继结点的算法实现；第二，提出通信过程自适应链路维护方法，通过下游结点周期性向上游结点发送空的数据帧，发现链路问题并采取重新连接或者链路重建措施，当链路出现问题需要切换时，为解决链路切换时延长问题，提出一种预先扫描的快速切换优化方法，即通过设定两个阈值，将扫描进程提前从而减少整个切换接入过程的时延；第三，开发实现无线多跳通讯与自适应切换网络，包括AP结点、STA结点的开发实现，其中STA结点包括接入与中继的开发实现；
自适应多跳接入和通讯总体架构：本发明设置的多跳网络接入方案分三个进程：扫描进程、认证进程、连接进程，当远端站点不在AP覆盖范围时如果希望加入到网络，站点接入网络后即可获取网络的基本信息，扫描进程通过周围接入网络的站点获得网络信息，认证进程和连接进程需要AP结点完成，本通过接入到网络的站点作为中继结点进行转发，最终移动站点只有与AP接入点建立连接才可获得网络服务；
新站点加入网络之前首先获取周围网络信息，如果其不在AP的覆盖范围内，则通过周围接入到网络的站点获得该信息，首先由新站点主动发送一个探寻请求帧，基站或者接入到基站的站点收到该探寻帧后，应答一个探寻应答帧，该应答帧中包括所连接网络的基本信息，最终新站点会收到一系列的应答帧，代表其通信范围内所存在的网络，由此新站点可以人工选择希望加入的网络；
认证进程：由新站点发送认证请求帧，认证只能由基站完成，因此假如所加入的网络是通过中间站点发现的，该认证请求帧必须通过中间站点转发至基站，基站收到认证请求帧后，对其进行认证，如果认证通过，应答一个认证应答帧，仍然通过中间站点中继转发形式发送给新站点；
连接进程：站点收到认证应答帧后，若通过认证程序，则进入连接进程，由站点主动发送一个连接请求帧，通过中继结点转发给基站，基站对其进行处理，回复应答，连接属于一种记录程序，它让传输系统记录每部工作站的位置以便将传送给工作站的帧，转送给正确的基站，形成连接之后，基站为工作站分配一个AID识别号，以便识别不同的工作站，同时为该行动式工作站在网络上注册，至此，发送给该行动式工作站的帧，才会转送至其所属基站，一种注册方式是发出一个ARP信号，让该工作站的MAC地址得以跟与基站连接的交换埠形成连接，随后基站开始为工作站处理帧，当基站收到帧的目标地址为与之连接的工作站时，将帧从Ethernet格式桥接至无线介质；
通信进程：当新站点需要与网络中其它结点通信时，首先将数据包发送到中继结点，中继结点收到数据包后，回复一个ACK应答帧以提高传输的可靠性，并根据目标地址和建立的地址信息表将该数据包转发出去，同时将该数据包暂存一段时间，当收到下一跳接收端ACK应答帧后，表明该数据包已经正确送达，则将缓存的数据帧丢弃，若一段时间内没有收到应答帧，则将该数据帧重新发送出去。
2.根据权利要求1所述的802·11无线多跳通讯与自适应切换方法，其特征在于，多跳通讯接入帧格式中管理帧为：探寻帧仍采用802·11标准定义的管理帧帧格式，使用三个地址位信息，为达到兼容目标，帧标头采用2个字节的帧控制字段，为使用点分配式协调方法，2个字节的Duration供网络分配矢量NAV使用，预约锁定信道使用时间，后面三个地址位信息分别作为目标地址、源地址、BSSID，最后是4个字节的帧校验序列FCS；
扫描进程的探测请求帧和探测响应帧采用的帧格式：帧类型Type采用尚未使用的11，子类型Sub Type，Probe Request为0000，Probe Response为0001，帧主体中包含所需要的信息元素和位信息，Probe Request帧包含两个位，SSID和Supported Rates，SSID为意向加入的网络，如果意向扫描周围所有网络，SSID使用广播形式，Supported Rates为工作站所支持的速率组合，收到该探测请求帧的站点根据这两个位信息判断工作站能否加入该网络，收到探测请求帧的站点如果判断对方与自身网络相容，回复一个Probe Response帧，该应答帧帧主体中包含SSID服务集标识、性能信息、跳数、时戳及物理层参数，SSID为容易识别的网络名，网络建立时都会为网络设定一个网络名称，长度为0至32个字节之间，如果不加以指定，此种SSID为广播SSID，广播SSID只用于Probe Request帧中；Hop count为跳数信息，代表该站点到达基站还需要经过多少跳，如果为0，则是基站直接回复的应答信息；Timestamp位用来同步BSS中工作站的计时器；
在多跳接入过程中，需要中间结点转发认证和接入信息，为此设计第二种格式的管理帧，增加一个地址位：帧标头为2个字节的控制字段和Duration，四个地址位分别占用6个字节，作为接收地址、发送地址、目标地址、源地址，接收地址并不等于目标地址，站点接收到帧后查看目标地址是否为自身，若不是自身，查找地址转发表中目标地址的下一跳接收地址转发出去，而自身将作为该帧的发送端地址，源地址为帧的产生者。
3.根据权利要求1所述的802·11无线多跳通讯与自适应切换方法，其特征在于，控制帧和数据帧：采用标准定义的控制帧进行管理与维护；采用802·11标准定义的数据帧格式，但为与单跳环境下的数据帧区分，将数据帧的类型和子类型分别定义为11和1111。
4.根据权利要求1所述的802·11无线多跳通讯与自适应切换方法，其特征在于，单跳接入控制方法：多跳接入控制流程设计首先从单跳接入控制开始，通过主动扫描的方式从已经接入到AP的STA站点中获取网络信息；
扫描进程：STA1首先发出Probe Request探测请求信息包，接收地址和BSSID均设为广播地址，即允许网卡加入任何网络，帧主体中包含SSID及Supported Rates，收到该探测帧的AP根据帧主体信息元素判断STA1是否能够加入到网络，如果符合AP所设置的参数，AP应答一个Probe Request的探测应答帧，该探测应答帧的接收地址为STA1的MAC地址，此地址从探测请求帧中获得，发送端地址即为AP的MAC地址，BSSID也为AP的MAC地址，表示该网络号，探测应答帧主体中包含SSID、Capability information、Hopcount信息元素，此时Hopcount值为0，代表基站所发出的应答帧，STA1收到该应答帧时，记录下该网络的信息，如果意向加入该网络，据此调整加入该网络所需的参数；
如果STA1意向与AP建立连接，则首先需要与AP进行认证，本发明均为开放系统认证，认证进程需要两个帧进行相应的握手，由工作站发出的第一个帧作为AuthenticationRequest管理帧，STA1以MAC地址作为身份证明，AP根据帧类型和目标地址对此管理帧进行相应处理，发送端和源地址为STA1的MAC地址，源地址同时作为STA1的身份证明使用，帧主体中包含两个信息元素，身份认证算法编号设置为0，代表开放系统认证，身份认证交易顺序编号设置为1，代表该帧为身份认证中的第一帧，基站随后处理该身份认证要求，应答Authentication Response管理帧，目标地址和接收地址均为STA1，帧主体中包含三个信息元素，身份认证算法编号位为0，身份认证交易顺序编号位为2，代表该帧为身份认证中第二帧，还有一个是状态码位，用来显示身份认证要求的结果，如果认证失败，基站应答一个Deauthentication帧终结这段认证关系，该帧包含一个Reason Code位，表示失败的原因；
如果STA1与AP的身份认证成功，则STA1即可与AP进行连接，以便获得网络的完全访问权限，形成连接之后，基站为工作站分配一个AID识别号，以便识别不同的工作站，同时为该行动式工作站在网络上注册，连接程序的步骤由一个连接帧和必要的链路回应组成，连接首先是工作站主动发送一个Association Request帧，帧主体中包含CapabilityInformation、SSID、Supported Rates，基站验证这些位是否符合网络参数，同时记录工作站所使用的聆听间隔，通过聆听间隔推算帧暂存所需空间的大小，基站随后对连接请求帧进行处理，如果工作站未通过身份认证或者不符合AP的某些网络参数，则回复一个解除连接帧，帧主体中包含一个原因代码位，表示连接失败的原因，如果连接要求获准，基站回复一个Association Response帧，该帧帧主体中包含一个状态码Status Code和连接识别码AID，Status Code值为0时，代表连接成功，AID是数值形式的识别码，用来辨识暂存帧所要传递的工作站，连接成功之后，工作站的MAC地址需要跟特定的交换埠形成连接，该交换埠也必须连接到为该工作站提供服务的基站，整个连接进程完成，基站开始为工作站处理帧，若工作站处于休眠状态，则为工作站暂存数据帧。
5.根据权利要求1所述的802·11无线多跳通讯与自适应切换方法，其特征在于，两跳接入控制方法：STA1接入到网络后获得网络的基本信息，同时又可作为中继结点管理多跳接入过程，STA2意向接入到网络，不在AP的覆盖范围，但在STA1的通信范围内，那么STA2可通过STA1中继结点获取AP结点信息并接入到网络，首先STA2通过主动扫描从STA1获取网络信息，解决管理帧不能直接发达AP的问题，通过STA1转发管理控制帧到AP接入点，AP同样通过STA1转发管理控制帧给STA2；
扫描进程：STA2采用主动扫描方式，发出Probe Request探测请求信息包，地址位接收地址和BSSID均设为广播地址，允许网卡加入任何网络，帧主体中包含SSID及SupportedRates，收到该帧的工作站可以据此判断对方是否能够加入到网络中，接入网络后的工作站收到该管理帧后，如之前的STA1已经接入到网络之中，STA1可以获取网络的基本信息，STA1应答一个探测应答帧，接收地址为STA2，发送端地址为STA1，BSSID为基站即AP的MAC地址作为网络号，Hop count值为1，表示该帧是由中间结点发送的，STA2收到应答帧后可记录网络信息；
认证进程：STA2已获取到各网络的信息，当需要加入STA1所在的网络，STA1可作为中继管理接入过程，STA2调整网络参数，并发出认证请求管理帧，接收地址为STA1，目标地址为AP，源地址为STA2，源地址同时可作为工作站的身份证明，帧主体中包含身份认证算法编号和身份认证交易序号，STA1收到该帧后，判断帧头的控制位，发现该帧为管理帧中的身份认证请求帧，之后查看目标地址，发现目标地址为AP，与自身网络号相同，此时根据源地址和发送地址记录下反向地址路由信息，即目标地址为STA2的下一跳接收地址为STA2，然后查找自身的地址转发列表信息，发现目标地址为AP的下一跳接收地址即为AP，之后对该管理帧进行更新，将接收地址该为AP，发送端地址改为STA1，源地址和目标地址不变转发出去，AP收到该帧之后判断出该帧为身份认证请求管理帧，AP即可对此帧进行相应的处理，应答一个身份认证应答帧，目标地址为STA2，接收地址为STA1，发送端地址和源地址为AP，帧主体中包含三个信息元素，身份认证算法编号位为0，代表开放系统认证，身份认证交易序号编号为2，代表该帧为身份认证中第二帧，还有一个状态码位，代表身份认证要求的结果，STA1收到该帧后，首先判断该帧的帧类型，之后查找地址路由信息，根据地址信息表中目标地址为STA2的下一跳接收地址为STA2，对此帧进行更新，将接收地址改为STA2，发送地址改为STA1，转发出去，STA2收到该帧后，根据帧主体中的信息元素判断出是否认证成功，若认证成功，则与AP进行连接；
连接进程：为让AP记录STA2的信息，并为STA2在网络注册，首先由STA2发送一个连接请求帧，接收地址为STA1，目标地址为无线AP，源地址和发送地址为STA2，帧主体中包含SSID、Supported Rated位信息，STA1收到该帧后，根据帧校验序列校验该帧的完整性，如果帧出现差错，则丢弃该帧，否则查看帧类型和目标地址，根据地址表信息转发该管理帧，将帧接收地址改为无线AP，发送端地址改为STA1，源地址和目标地址不变，无线AP收到该管理帧后，验证帧主体中各信息元素是否符合网络参数，推算工作站帧暂存所需空间，然后对连接请求帧进行处理，回复一个连接应答帧或者解除连接帧，若连接成功，STA2的MAC地址跟AP连接的地址交换埠形成连接，并在地址转发列表里中添加STA2的地址信息，即目标地址为STA2的下一跳接收地址位STA1，STA1收到该管理帧后，首先检验帧的完整性，然后根据地址转发列表信息，将该帧转发给STA2，STA2收到该管理帧后，整个连接程序完成，此后STA2有数据帧通信时，首先将数据帧发送给STA1，STA1收到后再转发给无线AP接入点，基站收到目标地址为STA2的帧时，通过STA1将数据帧转发给STA2。
6.根据权利要求1所述的802·11无线多跳通讯与自适应切换方法，其特征在于，多跳接入控制方法：STA1和STA2均有无线AP的基本信息，因此别的站点可通过STA1或者STA2获取网络信息，此时如果STA3意向接入网络中，则可通过STA2获取网络信息，并通过STA1和STA2转发接入到网络；
扫描进程：由STA3发送探测请求帧，STA2收到后回复探测应答帧，此时应答帧中Hopcount值为2，表示通过两跳接入到网络，最终由STA3根据各网络信息决定是否加入该网络，认证进程和连接进程用到的管理帧分别通过STA1、STA2进行中继转发，帧主体内容与两跳接入相同。
7.根据权利要求1所述的802·11无线多跳通讯与自适应切换方法，其特征在于，AP结点软件实现：AP结点在多跳接入过程中扮演管理者的角色，包括广播网络信息，对新结点进行认证、接入，AP主要发送三种类型的管理帧，即探测应答帧、认证应答帧、连接应答帧，AP收到数据包后根据帧类型的不同进行不同的处理流程，采用多线程的方式，软件算法描述为：
第一，初始化，以非阻塞方式对端口进行监听；
第二，收到数据后，通过FCS码校验帧的完整性，若帧完整则创建一个线程，并继续监听端口；
第三，对帧控制字段进行判断，若该帧为探寻帧(Probe_Request)则调用第一函数，若该帧为认证请求帧(Auth_Request)则调用第二函数；若该帧为连接请求帧(Asso_Request)或者重连请求帧(Reasso_Req)则调用第三函数；如果为数据帧，则根据目标地址进行相应处理；
第一函数：
步骤一，检验帧主体Supported Rates是否符合网络参数，若符合转入步骤二，否则转入步骤三；
步骤二，回复探测应答帧，应答帧主体包含SSID、HopCount信息元素，退出线程；
步骤三，丢弃该帧，退出线程；
第二函数b：
步骤1，对其MAC地址进行认证，若认证通过转入步骤2，否则转入步骤3；
步骤2，记录该结点的MAC地址信息，回复一个认证应答帧(Auth_Response)，接受地址设为请求帧的发送端地址，目标地址设为请求帧的源地址，发送端地址和源地址为AP的MAC地址，退出线程；
步骤3，回复一个解除认证(Deauthentication)帧，地址位信息设置同步骤2，帧主体中包含原因代码(ReasonCode)，退出线程；
第三函数：
步骤1)，检测发送该帧的源地址是否通过认证，若通过认证转入步骤2)，否则转入步骤3)；
步骤2)，检测该帧主体的网络参数是否符合AP要求，若符合转入步骤4)，否则转入步骤3)；
步骤3)，应答一个解除连接(Disassociation)帧，帧主体包含原因代码，退出线程；
步骤4)，为站点分配一个AID识别号，更新地址信息，记录该站点转发地址信息，即目标地址为该站点的下一跳为请求帧的发送端地址，应答一个连接应答帧，退出线程；
如果站点通过连接，则为该站点在网络上注册，并将其MAC地址与AP相连的地址埠联系起来，然后新接入站点即可通过AP进行网络通信。
8.根据权利要求1所述的802·11无线多跳通讯与自适应切换方法，其特征在于，结点接入软件实现：新结点接入网络前，首先要探寻网络信息，然后选择需加入的网络进行认证连接，所用到的管理帧为探测请求帧(Probe_Request)、连接请求帧(Asso_Request)、认证请求帧(Auth_Request)，结点接入软件算法描述为：
第一步，主动扫描，发送Pro_Req探寻帧；
第二步，根据收到的应答帧，更新网络列表，记录各网络基本信息；
第三步，选择需要加入的网络，调整参数；
第四步，发送认证请求，若收到应答则转入第五步，否则重新发送，若连续四次收不到应答，则转入第三步；
第五步，如果认证成功，发送连接请求信息，否则转入第三步；
第六步，如果没有收到应答帧，则转入第五步；收到应答帧，如果连接成功，则记录基站信息及下一跳接收地址，若连接失败，转入第三步，根据失败原因调整参数设置或重新选择网络。
9.根据权利要求1所述的802·11无线多跳通讯与自适应切换方法，其特征在于，结点中继软件实现：新结点接入网络后，即可作为中继结点延伸网络覆盖范围，在后台运行中继结点服务程序，中继结点软件实现采用多线程方式，结点中继软件算法描述为：
第1步，初始化，以非阻塞方式对端口进行监听；
第2步，收到数据后，校验帧的完整性，如果帧完整则创建一个线程；
第3步，对帧控制字段进行判断，如果该帧为控制帧，则调用控制帧处理程序；如果该帧为管理帧则调用管理帧处理程序；如果该帧为数据帧，则调用数据帧处理程序；
控制帧处理程序：控制帧为CTS、RTS、ACK、PS-Poll，控制帧用法同802·11标准单点传播用法相同；
管理帧处理程序：
1)如果该管理帧为探寻帧，则转入2)，如果该帧为认证请求帧或者重连请求帧，则转入3)，如果该帧为认证应答帧、连接请求帧或者连接应答帧则转入4)；
2)检验帧主体是否符合网络参数，如果符合，则回复探测应答帧，否则丢弃该帧；
3)记录反向地址信息，设定生存时间，并根据目标地址查找地址转发表进行转发；
4)查找地址转发列表进行转发；
数据帧处理程序：
一)检测该帧的BSSID，如果为同一BSS，转入二)，否则丢弃该帧；
二)暂存该数据帧，记录发送次数，此时次数为0；
三)如如果发送次数为四，则转入六)，否则查找地址转发表，转发暂存帧，发送次数加一；
四)如果收到接收地址发送来的ACK确认信息，转入五)；如果一定时间未收到，则转入三)；
五)丢弃暂存数据帧；
六)通知该帧的源地址发送数据失败。
10.根据权利要求1所述的802·11无线多跳通讯与自适应切换方法，其特征在于，自适应切换控制的实现：本发明提出预先扫描的快速切换方法，即通过设定两个临界值，当接收信号强度小于扫描临界值时，触发扫描程序扫描周围网络信息并存储起来，当接收信号强度小于切换临界值时，触发切换过程，选择网络采取链路重建或者网络重连措施，自适应切换控制过程算法描述为：
步骤(1，监测信号接收强度RSSI；
步骤(2，如果RSSI小于扫描临界值，发起主动扫描；
步骤(3，记录网络信息，根据接收信号强度对网络列表优先级排序，并设定计时器；
步骤(4，如果RSSI小于切换临界值，启动切换程序；
步骤(5，如果选择的网络为之前同一BSS，则发动重连请求，如果切换网络为不同BSS，则启动新结点连接过程，即从新结点接入程序的认证进程开始；
步骤(3中的计数器说明：基于RSSI可能处于大于切换临界值但小于扫描临界值范围一段时间，为在切换时能够选择最优的网络，在第一次启动扫描时，启动计时器，将计时器值设定一段时间段，开始倒数计时，如果计时器时间用完，RSSI仍处于这段范围，再次启动扫描程序，计数器重新设置为最大值开始倒数计时，如果某一进程启动切换程序，则停止该计数器计时，如果某一进程开始RSSI大于扫描临界值，则停止切换程序。
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