CN102158812A

CN102158812A - AC-AP架构无线Mesh网组播通信方法

Info

Publication number: CN102158812A
Application number: CN2011101381079A
Authority: CN
Inventors: 杨明; 罗军舟; 王维; 吴文甲
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-05-26
Filing date: 2011-05-26
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2031-05-26
Also published as: CN102158812B

Abstract

一种AC-AP架构无线Mesh网组播通信方法，在AC-AP架构无线Mesh网自身特点的基础上，使通信双方由单点对单点通信扩展到多源单点对多点同时通信，有效改善网络通信的性能，提高了网络传输的效率。本方法包括：每个加入网络的AP按照分布式标识分配算法预先分配一个全局唯一的固定ID；组播组由AC进行维护，组播基于GID进行寻址，而非依据传统的组播IP地址；AC-AP以及AP-AP之间的组播均通过AC协调完成；为提高组播吞吐量，组播生成树的构建基于最小传输时间树。本发明简单方便、支持AC-AP及AP-AP两种模式的组播，无需大规模改动原有网络、易于部署实现，并且能够有效提高无线Mesh***的平均组播传输率。

Description

AC-AP架构无线Mesh网组播通信方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术及网络管理领域，具体地说是一种实现802.11WLAN无线Mesh网络中组播通信的方法，用于在AC-AP架构无线Mesh网络中实现AC-AP以及AP-AP之间的组播，并可提高多源组播的平均吞吐量。

背景技术

首先对现有技术中的缩写及其定义进行说明：

IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineering)：美国电气与电子工程师协会；

WLAN(Wireless Local Area Network)：无线局域网；

lEEE 802.11s：WLAN Mesh协议草案；

AP(Access Point)：无线接入点，为无线终端提供无线网络的接入服务；

WAP：无线接入点

STA(Station)移动终端，WLAN中的终端用户，通过AP接入WLAN，访问网络；

WMN(Wireless Mesh Network)：无线Mesh网络；

MP(Mesh Point)：Mesh节点；

MAP(Mesh Access Point)：Mesh接入点；

MPP(Mesh Point Portal)：Mesh网关；

AC(Access Point)：接入控制器；

无线Mesh网络是一种新型的无线接入网，可以为覆盖域内的无线终端提供普适的Internet接入服务，如图1所示。随着WLAN终端和应用的日益普及，WAP的部署日益密集，覆盖区域已经从热点分布向大面积的热区分布发展。这种部署方式的改变，也使得AP的形态及组网模式发生了重大改变，由传统的“胖”AP+有线交换机的分布式组网模式转变为“瘦”AP+无线AC集中控制架构。

“瘦”AP+无线AC的集中控制架构对设备的功能进行了重新划分，其中无线AC负责无线网络的接入控制、转发和统计、AP的配置监控、漫游管理、AP的网管代理、安全控制；瘦AP负责802.11报文的加解密、802.11的PHY功能、接受无线控制器的管理、RF接口的统计等简单功能。同时加入了许多重要新功能，如AP集中管理、AP间功率自适应、无线安全管理、射频(RF)监测及管理、无缝漫游及QoS保证等。

集中控制型架构包括业务数据集中转发和本地转发二种方式；集中转发指业务数据由AC集中转发，则轻量级AP与AC之间采用隧道技术传送业务数据和管理控制数据；本地转发指业务数据由轻量级AP转发，只有管理控制数据流集中到AC。目前的设备主要采用集中转发方式。

发明内容

本发明的目的：设计出一种基于AC-AP架构的瘦AP环境中无线Mesh网的高效组播通信方法。本发明在充分利用AC-AP架构优势的基础上，使Mesh网络支持AC-AP以及AP-AP两种模式的组播，同时解决多源组播导致的组播吞吐量剧烈下降问题，达到提高组播平均吞吐量的目的。本发明的具体技术方案如下：

一种AC-AP架构无线Mesh网络组播通信框架，通过引入节点ID和组播GID机制，实现组播通信框架的普适性；

提出一种分布式标识分配算法(DIAA，Distributed ID-Assignment Algorithm)，为网络节点合理分配ID；

根据AC-AP架构自身的结构特点，提出一种以AC为中心的集中式协调机制，对组播模式进行归类，实现AC-AP组播和AP-AP组播两种方式，同时不会对原有网络进行大的改动；

提出一种基于最小传输时间生成树的负载均衡算法(MT3-LBA)，通过以邻节点间传输时间为路由判据，实现对多源组播吞吐量整体性能的改进，使无线Mesh网络可以同时容纳更多不同组的组播。

具体包括如下内容：

一种基于瘦AP环境的无线Mesh网络组播通信方法，步骤包括：

(1)新AP加入网络，先为每个AP分配全局唯一的固定的标识ID；

(2)由AC为全部组播组分配组播组标识GID，GID从1开始依次累加；一个组播组有全局唯一固定的GID；

组播源节点以GID为目的地址发送组播数据，其自身无需加入组播组，因此，一个节点既可以同时作为源节点与目的节点，也可以同时位于多个不同的组播组中；

(3)源地址为AC的标识ID的组播为AC-AP模式的组播，源地址为AP的标识ID的组播为AP-AP模式的组播；中间节点根据源地址判断将数据直接投递还是转发给AC；

如果源地址不是AC的标识ID，则先将数据转发至AC，由AC代理完成组播，在该过程中，源节点至AC之间的传输方式使用单播进行；

当数据转发至AC时或者数据起始于AC时，AC将数据依照组播生成树路径进行路由传输；

(4)组播生成树的构建采用基于最小传输时间树的负载均衡算法，步骤包括：

首先，源节点使用广度优先搜索对各节点进行分层；

然后，在广度优先遍历算法BFS中，源节点根据广播Probe探测的邻节点传输时间T_N计算自身到各节点的传输时间；

接下来，从组播组中层数最高的节点开始，选一个位于上一层的父节点，使该节点到选择的父节点间的T_N最小；

最后，返回上一步，直到一棵以源节点为根的生成树建立。

当网络中GID增多时，即网络中存在越来越多的组播组，此时负载重的无线链路的T_N会变大，MT3-LBA继续构建新的组播生成树时，就会选择更合适的无线链路，从而优化了平均组播吞吐量。

所述步骤1)中，为每个AP分配全局唯一的固定的标识ID采用分布式标识分配算法DIAA，该算法的步骤包括：

首先，待加入网络的新节点AP通过广播Probe与邻节点通信；

然后，如果邻居节点有可供分配的标识ID，则将1/2数量的标识ID全部分配给该节点AP，同时向AP报告AC的标识ID；

如果有多个邻居节点提供标识ID，AP取单跳时间最少的邻节点所提供的标识ID，并把该标识ID中的第一个ID作为自己的标识ID，其余保留作分配用；

最后，AP向AC报告自己的ID，待AC确认后，AP加入网络成功。

组播通信在AC-AP之间或AP-AP之间进行，组播通信的步骤包括：

首先，所有组播目的节点加入同一个组播组，该组播组GID由AC进行维护；AC同时维护一个以自己为根的SPT组播树，连通各组播目的节点；

然后，判断组播通信模式：

如果是AC-AP之间的组播，即AC向所有组播组AP发送组播数据，则直接由AC直接通源树型组播树即SPT组播树向组播组内各目的节点发送数据；PT过

如果是AP向某组播组所有AP发送组播数据，则该AP将数据发送到维护该组播组GID的AC，由AC代理组播，由AC直接通过SPT组播树向组播组内各目的节点发送数据；

上述过程中，AP向AC发送数据使用单播。

当某个组播组不含任何AP时，AC回收该组播组GID，方法是通过AC向该组播组成员组播一个回收控制信息，所有组播组成员收到回收控制信息后，将自己保存的该GID清空。

所述基于最小传输时间树的负载均衡算法(MT3-LBA，Minimum TransmissionTime Tree-based Load-Balancing Algorithm)，如下表所示：

本发明的优点：使组播不依赖于组播IP地址；利用了AC-AP的集中控制型架构，以AC为主导，使网络可以同时支持AC-AP以AP-AP两种模式的组播；高效支持多源组播，提高了组播的可扩展性。

附图说明

图1为一个典型IEEE802.11无线Mesh网络拓扑图；

图2为AC-AP架构无线Mesh网络结构图；

图3为一个典型的多源(2源)组播示意图；

图4为无线Mesh局域网的网络拓扑示意图，其中，虚线表示IEEE802.11无线链路，箭头代表组播通信中的数据流方向。

图3中C节点位于组播树1中，B节点位于组播树2中。图4中AC节点是组播源节点，C节点是组播目的节点，D节点是组播树中的转发节点。

具体实施方式

一种基于瘦AP环境的无线Mesh网络组播通信方法，它包括：

1)新AP加入网络，由分布式标识分配算法(DIAA，Distributed ID-Assignment Algorithm)为每个AP分配全局唯一的固定的标识ID，该ID由AC进行管理维护，起接入控制作用。各相邻AP之间通过ID构建一张单跳邻居节点表，并通过Probe控制包进行维护。AC自身也有全局唯一的固定标识，整个网络通过ID而非IP进行寻址，这使得本方法不依赖于特定的IP网络；

2)组播以组播组为单位进行组织和寻址。一个组播组有全局唯一固定的组播组标识GID，由AC进行维护和分配。组播源节点向组播组内的任意组播目的AP发送数据，组内其余AP均可接收，组播源节点不必是该组播组的成员，也不需要知道到达该组播组成员的具体路由，仅需要知道该组播组成员的GID即可发送组播数据；

3)本发明根据通信双方的类型，将组播模式分为两种，分别为：AC-AP之间的组播以及AP-AP之间的组播。两种类型的组播均需要通过AC协调完成。在AC-AP组播中，若AP不在组播组中，则由AC将AP加入组播组，然后发起组播；在AP-AP组播中，组播源节点可以不在组播组中，此时它向AC发送组播请求，由AC代理完成；

4)各相邻AP之间通过Probe控制包交互信息，不必通过AC。当网络中组播组不断增多时，为满足多源组播的可扩展性，即随着GID数量的增多，各组播性能不会剧烈下降，本发明对多源组播进行负载均衡，提出一个基于最小传输时间生成树的负载均衡算法，提高了多源组播平均吞吐量。

所述的分布式标识分配算法是，AP主动申请标识ID，运行DIAA的节点响应AP的申请，并提供一个全局唯一的固定标识ID。具体地说，DIAA按照如下步骤进行：

1)节点AP新加入网络，通过广播Join_REQ控制信息与邻节点进行通信交互：

2)如果邻居节点a有可供分配的标识ID，则将1/2数量的标识ID转移给节点AP，同时报告AC的标识ID。如果有多个邻居节点提供标识ID，则取单跳时间最少的邻节点所提供的标识ID；

3)AP取第一个标识ID作为自己的标识ID，其余ID保留，用于为新加入的AP分配标识ID；

4)AP经过一段随机时间的延时后，利用AC的标识ID，通过Join REP控制信息向AC报告自己所使用的标识ID，AC记录该标识ID，并通过该AP的标识ID返回响应Join_ACK，AP收到Join_ACK，加入网络成功。

即使整个网络存在可用标识ID，如果邻居节点无标识ID可用于分配，则该AP不能在该位置加入网络，这种接入控制有效保证了负载均衡，不会使网络的某些地方因存在过多节点而导致严重的信道冲突和过低的链路带宽。

各AP由AC统一配置、控制和管理。不使用IP进行寻址，非IP网络也可以应用本方法进行组播通信，扩大了组播的适用范围。AC维护和分配网络中所有的组播组标识GID。一个AP加入某组播组，仅需保存该组播组GID，同一个AP可以加入多个不同的组播组。AC根据组播树生成算法维护一个以自身为根、各组播目的节点为叶的SPT组播树。当某个组播组不含任何AP时，AC回收该组播组GID，这通过AC向该组播组成员组播一个回收控制信息，所有组播组成员收到回收控制信息后将自己保存的该GID清空。

组播通信在AC-AP之间或AP-AP之间进行。本组播方法允许组播源节点不加入组播组即可向组播组传输数据。具体地说，组播通信按照如下过程进行：

1)所有组播目的节点加入同一个组播组，该组播组GID由AC进行维护。AC同时维护一个以自己为根的SPT组播树，连通各组播目的节点；

2)判断组播通信模式，如果是AC-AP之间的组播，即AC向所有组播组AP发送组播数据，则转到步骤4；

3)如果是AP向某组播组所有AP发送组播数据，则该AP将数据发送到维护该组播组GID的AC，由AC代理组播；

4)由AC直接通过SPT组播树向组播组内各目的节点发送数据。

注：AP向AC发送数据使用单播而非组播。

下面，结合附图和具体实施例子对本发明做进一步说明。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。

本发明结合原有网络的AC-AP集中控制型架构，提出一个以AC为中心的无线Mesh网络组播通信方法，方法中应用ID和GID代替原有的IP地址，应用新的组播树生成算法实现对多源组播的支持，减小因组播组增多导致的负载不均衡程度。

图4示出了应用本发明的一个实际无线Mesh网络拓扑图。图中除一个节点AC外(已标出)，其余节点均为AP。每个节点都会向周围邻居节点广播Probe包探测单跳时间和邻居节点状态等信息。由于Probe探测包不断地被发送和接收，链路状态信息也在不断变化，因此为合理计算最小传输时间生成树，取一定时间间隔内的平均值作为单跳传输时间，在本实施中，取时间间隔为30秒。

在本实施例中，节点AC和节点18，分别向节点49，58，61，64和节点2，3，4，8，10组播数据。

A、在组播之前，首先是整个网络的逻辑建立，即各节点获取自己在网络中的ID，接入该AC所辖网络。该过程基于分布式标识分配算法DIAA，具体步骤如下所示：

1)AC自己加入网络，此时为最小网络。本测试例采用的最大ID为64。AC自己分配ID＝0。AC可供分配的ID集合{1...64}；

2)各节点向邻居节点广播Join_REQ控制信息，请求加入网络。只有有可供分配ID的节点响应Join_REQ。AC响应第一个请求，并将{1...32}分配给该节点，同时告知自身ID。AC响应第二个请求，并将{33...48}分配给该节点，同时告知自身ID。AC响应第三个请求，并将{49...56}分配给该节点，同时告知自身ID。AC响应第四个请求，并将{57...60}分配给该节点，同时告知自身ID。AC响应第五个请求，并将{61...62}分配给该节点，同时告知自身ID。AC响应第六个请求，并将{63}分配给该节点，同时告知自身ID。至此，AC已无Join_REQ响应：

3)分到ID的各节点，取集合中ID号最小者作为自己的ID，其余ID保留作分配用。如图4中节点1，33，49，57，61，63。这些节点通过Join_ACK向AC报告自己的ID。AC收到Join_ACK后，在自己维护的节点列表与ID对应关系中进行记录，并返回Join_REP。当节点收到AC返回的Join_REP时，加入网络成功；

4)未加入网络的节点等待一段时延后，继续向邻居节点发Join_REQ，此时网络已有节点{AC，1，33，49，57，61，63}，其中任何有可供分配ID的节点均可响应Join_REQ，其过程同以上步骤。直到网络建立，或ID耗尽而不允许新节点加入。

B、当网络建立完毕，节点AC和节点18在发起组播前首先获取各自的组播组GID。由于GID由AC维护，AC可直接获取，并记录GID与各组播组内成员的对应关系。节点18将组播组内成员与自身通过Multicast_ACK报告给AC，由AC通过Multicast_REP返回GID，同时AC记录该GID与组播组内各成员的对应关系。接下来，AC与节点18共同以AC为根，建立组播树，连接AC到各组播目的节点，为进行负载均衡控制，组播树的建立过程采用基于最小传输时间生成树的负载均衡算法MT3-LBA，其步骤为(以AC为例)：

1)AC利用广度优先遍历算法BFS，以自身为第一层，对网络中各节点由近及远分层。在本测试例中，第一层：AC；第二层：1，33，49，57，61；第三层：2，18，50，58，62，63，64；第四层：3，19，26，59；第五层：4，8，10，20；第六层：5，9，21；

2)各节点以1秒时间间隔向邻居节点广播Probe探寻帧，探测其与邻居节点之间信道的时延。以30秒内平均值作为传输时间T_N的值。在本测试例中，T_N值标注在图4中的虚线旁；

3)从节点58开始，选一个位于上一层的父节点57，且58到该父节点的T_N为最小；对节点64而言，也选择57；节点57和49，61均选AC，则算法结束，MT3构建成功。

以节点18为源节点构建组播树的过程与AC的类似，所不同的是，在构建好AC为根的MT3后，节点18建立一条到AC的路径，所有组播数据经过AC转发。

最后，AC通过MT3向组播目的节点{49，58，61，64}发送数据；节点18通过AC建立的MT3向组播目的节点{2，3，4，8，10}发送数据。通过集中控制型架构中的AC，实现了AC-AP和AP-AP两种模式的组播。

Claims

1.一种基于瘦AP环境的无线Mesh网络组播通信方法，其特征在于步骤包括：