無線網狀網路簡介與佈建

2. 10 無線網狀網路簡介與佈建  無線網狀網路的架構  SEE 網狀網路  無線網狀網路之網路規劃技術  無線網狀網路之自我組態技術  多頻道媒介存取層協定  多頻道路由協定 PART III

3. 10.2 無線網狀網路的架構 • 無線網狀網路是由許多的網狀網路路由器（Mesh router，之後簡稱為節點）所組成的，其中有些節點可直接存取網際網路，那些節點可被稱為閘道器（Gateway）。 • 無線網狀網路與無線行動隨意網路在特性上的不同之處，例如： • 無線網狀網路上的節點通常是不具行動能力的。 • 網路吞吐量（Throughput）的提升是無線網狀網路上較為重要的考量，由於無線網狀網路上的一個節點通常就必須提供網路存取服務給許多使用者，因此網路吞吐量的提升在無線網狀網路上是較為重要的議題。反觀無線隨意網路，省電可能是較為重要的考量。

4. 10.2 無線網狀網路的架構

5. 10.3 SEE 網狀網路 • 802.11 TGs 規範了 SEE-Mesh 的網路拓樸，主要包含四個基本節點。 • 網狀節點（Mesh Point, MP）：提供無線網狀網路服務的節點，並能與其他網狀節點建立連接。 • 網狀擷取點（Mesh Access Point, MAP）：本身具有完整的 MP 功能，並具有基本服務組合(BSS)，能夠與 STA 進行通訊。 • 工作站（Simple Station, STA）：無線網狀網路以外的節點，透過網狀擷取點與無線網狀網路連接。 • 網狀入口節點（Mesh Point Portal, MPP）：具有橋接（Bridging）和網路互連（Internetworking）的功能，能夠做為橋接器或路由器。 • 網狀節點的啟動程序有六個步驟，(1) 鄰近節點探索（Neighbor discovery）、(2) 頻道選擇（Channel selection）、(3) 連接建立（Link establishment）、(4) 連結狀態評估（Local link state measurement）、(5) 路徑選擇與轉送（Path Selection and Forwarding）、(6) 無線基地台初始化（AP initialization）。其中的第 6 個程序 AP initialization 這個動作只有當這個網狀節點（MP）為網狀擷取點（MAP）才會執行。

6. 10.3 SEE 網狀網路 • 10.3.1 鄰近節點探索（Neighbor discovery） • 在這個階段裡，網狀節點會搜尋鄰近的網狀節點。搜尋的方式分為被動搜尋（Passive）和主動搜尋（Active）兩種模式。在被動搜尋模式中，網狀節點採取聆聽其他網狀節點送來的訊標訊框（listen beacon）的方式來尋找周圍的網狀節點；而在主動搜尋模式的網狀節點則是主動發送探測訊框（probe request）來尋找其他的網狀節點。

7. 10.3 SEE 網狀網路 • 10.3.1 鄰近節點探索（Neighbor discovery）

8. 10.3 SEE 網狀網路 • 10.3.2 頻道選擇（Channel selection） • SEE-Mesh 的頻道選擇有兩種模式，一種是整合單一模式（simple unification mode）；另一種是高级模式（advanced mode）。IEEE TGs 並沒有嚴格的規範高级模式，而是將其開放給開發者。

9. 10.3 SEE 網狀網路 • 10.3.2 頻道選擇（Channel selection） • 整合單一模式的頻道選擇方式如下： • 如果沒有發現鄰居，則第一筆描述檔作為選擇。 • 選擇頻道優先權（channel precedence indicator, CPI, a random number）最高的頻道做為設定值，並採用動態的頻道選擇做為頻道間的切換。

10. 10.3 SEE 網狀網路 • 10.3.2 頻道選擇（Channel selection）

11. 10.3 SEE 網狀網路 • 10.3.3 連接建立（Link establishment） • 在頻道選擇完成後，就開始進行連線的建立。網狀節點使用連結要求訊框（association request frame）與連線的建立是透過回應訊框（association reply frame）來進行，而連線的中斷則透過隨機產生的參數 directionality filed 來中斷連接。

12. 10.3 SEE 網狀網路 • 10.3.4 連結狀態評估（Local link state measurement） • 連結狀態評估是由上級節點（superordinate node）負責進行。評估結束後它會將結果發送給其該網路的其他節點（subordinate node）。狀態評估包括位元率（Bit Rate）與封包錯誤率（Packet Error Rate）。

13. 10.3 SEE 網狀網路 • 10.3.4 連結狀態評估（Local link state measurement）

14. 10.3 SEE 網狀網路 • 10.3.5 路徑選擇與轉送 • （Path Selection and Forwarding） • 10.3.5.1 路徑選擇評估標準（Path selection metric） • 在 802.11s 所制定的路徑選擇評估標準（Path selection metric）是依據其時間成本（Airtime cost）。透過傳送測試訊框計算連線所耗費時間成本 C a，而 C a的計算方式如下： • 時間成本的計算式中的 C a為評估連結的時間成本；O ca為頻道傳輸的額外時間（overhead）；O P為協定在運作時產生的額外時間；B t 為測試訊框的長度；而 r 為傳輸的速度。

15. 10.3 SEE 網狀網路 • 10.3.5 路徑選擇與轉送 • （Path Selection and Forwarding） • 10.3.5.1 路徑選擇評估標準（Path selection metric）

16. 10.3 SEE 網狀網路 • 10.3.5 路徑選擇與轉送 • （Path Selection and Forwarding） • 10.3.5.2 路徑選擇協定（Path Selection Protocol） • RA-OLSR（Radio Aware-Optimized Link State Routing）是依 AODV 基本的架構，並依照網狀網路的特性進行修改的路徑選擇協定。運作方式如下： • 要進行尋找路徑的來源端點廣播路徑要求封包（Router Request, RREQ）。 • 接到 RREQ 封包的節點，建立自己到來源端點的路由路徑。 • 如果不是該路徑的目的地，則將 RREQ 再轉送出去。 • 如果是該路徑目的地，則回傳路徑回覆封包（Router Response, RREP）。 • 當來源端點接收到 RREP 封包，則建立起來源端點至目的地的路由路徑。

17. 10.3 SEE 網狀網路 • 10.3.5 路徑選擇與轉送 • （Path Selection and Forwarding） • 10.3.5.2 路徑選擇協定（Path Selection Protocol）

18. 10.4 無線網狀網路之網路規劃技術 • 10.4.1 頻道分配技術 • 在一多頻道環境下，一個節點有兩種方式去使用多個頻道： • 一個節點上可配有數個無線收發器，每一個收發器使用和其它收發器不同的頻道。 • 每個節點都只有一個無線收發器，而為了使用多頻道，此收發器需要在不同的頻道間做切換。 • 不管是那種方法，都有頻道分配的問題存在，我們可將頻道分配問題分成四類：(1) 長時間的靜態頻道分配（例如只有在網路拓樸改變的情況下才會做頻道的重新分配），(2) 短時間的動態頻道分配（例如每一百毫秒切換一次頻道），(3) 每次封包的傳送都會做一次動態頻道分配，(4) 針對一個訊務流（Flow）做一次動態的頻道分配。

19. 10.4 無線網狀網路之網路規劃技術 • 10.4.1 頻道分配技術 • 10.4.1.1 負載感知頻道分配法 • 集中式頻道分配演算法會試著去滿足每個連結對於網路流量的需求。此演算法會依賴每個連結的預期負載（Expected load）來決定頻道的分配，然而每個連結上的負載又依賴於所使用的路由協定，而一個較有效率的路由協定可能會根據每個連結容量（Link capacity）來決定路徑，而連結的容量則會依賴於頻道分配演算法，因此頻道的分配與路由協定會形成一個相互依賴的關係，為了打破這相互依賴的循環，一個初始的預期負載會先被估算出來，接著此演算法會反覆地執行頻道分配與路由 協定直到連結上可用的頻寬能滿足其預期負載為止。

20. 10.4 無線網狀網路之網路規劃技術 • 10.4.1 頻道分配技術 • 10.4.1.2 拓樸連線維持頻道分配法 • 首先每個節點會分配到一個初始的優先權順序，演算法會依此順序分配頻道給節點的收發器，如果分配的過程中，有些節點失了去選擇頻道的彈性（亦即此節點上的所有收發器都已分配了頻道），則此節點的優先權就回提高到最大。

21. 10.4 無線網狀網路之網路規劃技術 • 10.4.2 閘道器佈置方法

22. 10.5 無線網狀網路之自我組態技術 • 10.5.1 動態頻道選擇法 • 10.5.1.1 以優先權值為基礎的方法 • 首先每個節點若開機時發現周圍沒有其它的節點存在，會選擇一個頻道使用並會以隨機的方式產生一個數字稱為 CPI（Channel precedence indicator），之後節點會設法維持整個網路上已知的最高 CPI 值，例如假設現在另一個節點開機了（假設此節點為 A），它發現在它的周圍有兩個節點，其中一個節點（假設為節點 B）使用頻道 1 而其 CPI 為 55，另一個節點（假設為節點 C）使用頻道 2 而其 CPI 為 88，由於 88 大於 55，因此節點 A 會使用節點 C 的頻道（即頻道 2），並且通知節點 B 的區塊（和節點 B 使用相同頻道相同 CPI 的節點所組成的區塊）內的所有節點，請那些節點將頻道切換成頻道 2 並將 CPI 設為 88。如此整個網路最後就會統一使用同樣的頻道。

23. 10.5 無線網狀網路之自我組態技術 • 10.5.1 動態頻道選擇法 • 10.5.1.2 以閘道器為基礎的方法 • 假設網路上有三個閘道器，並假設每個閘道器會使用一個與其它兩個不同的頻道，則整個網路會被切割成三個區塊，每個區塊使用一個頻道，每個節點都會屬於某一個區塊，節點能和此區塊內的閘道器以及其它節點做通訊，但不同區塊的節點可能就無法直接的通訊了。

24. 10.5 無線網狀網路之自我組態技術 • 10.5.1 動態頻道選擇法 • 10.5.1.3 以樹狀架構為基礎的方法

25. 10.5 無線網狀網路之自我組態技術 • 10.5.1 動態頻道選擇法 • 10.5.1.4 以叢集為基礎的方法

26. 10.5 無線網狀網路之自我組態技術 • 10.5.2 閘道器搜尋法 • 在主動搜尋中，搜尋的執行是由節點主動初始，節點會發送一個閘道器搜尋請求訊息（Gateway request）到網路上，當一個閘道器收到此訊息後，會回應一個閘道器回應訊息（Gateway Response）給此節點，在回應訊息中會包含了：閘道器網路位址、與節點的距離（Hop count）、目前的負載情況、連線品質等資訊，以便提供給節點做為選擇閘道器的參考。 • 在被動閘道器搜尋法中，每個閘道器會週期性地廣播閘道器宣傳（Gateway advertisement）用以宣告自己的存在，在閘道器周遭的節點聽到此閘道器宣傳訊息後，會幫忙將此訊息再送到網路上，一個剛開機節點只要被動地去聽一段時間就可以獲得它可使用的閘道器資訊。 • 主動綜合搜尋法，如同被動搜尋法，每個閘道器會週期性地廣播宣傳訊息到網路上，而閘道器會被儲存在節點中，當一個節點剛開機時，此節點會主動地發送一個閘道器搜尋請求訊息，而那些存有閘道器資訊的節點如果收到此請求訊息，就可以立即的回覆此請求。

27. 10.5 無線網狀網路之自我組態技術 • 10.5.3 閘道器選擇法 • 當一個節點利用閘道器搜尋法找出所有可使用的閘道器之後，如果其發現可使用的閘道器個數超過一個以上，節點必須根據一些條件（例如：通往閘道器的路徑上的連結品質（Link quality）、閘道器的負載情況等）來決定該連接上哪個閘道器，這過程就稱為閘道器選擇。

28. 10.5 無線網狀網路之自我組態技術 • 10.5.3 閘道器選擇法 • 10.5.3.1 以連結品質為基礎的方法 • 在目前的無線區域網路中，行動節點如果發現有數個 AP 可供其使用，則行動節點會根據接收訊號強度指標 RSSI 來判斷該連上哪一個 AP，因此接收訊號強度指標即為一種判斷連結品質的方法。

29. 10.5 無線網狀網路之自我組態技術 • 10.5.3 閘道器選擇法 • 10.5.3.2 以閘道器負載為基礎的方法 • 以閘道器負載為基礎的閘道器選擇法其目的為要讓閘道器的負載能夠盡量的平衡。 • 第一個方法是根據閘道器連結容量來做閘道器的選擇依據。 • 在第二個方法中，是考量有時候無線網狀網路上的瓶頸並不是閘道器上，而是發生在網路中，因此提出了路徑容量（Path capacity）的概念，這是以一個節點到閘道器的路徑上的所有連結中擁有最少剩餘頻寬的那個連結的頻寬來當作其路徑容量，由於選擇時會選擇較擁有較大剩餘頻寬的路徑，因此可適度地平衡所有路徑的流量。

30. 10.6 多頻道媒介存取層協定 • 10.6.1 只需要單一收發器的多頻道媒介存取控制協定 • 10.6.1.1 多頻道隱藏終端點問題

31. 10.6 多頻道媒介存取層協定 • 10.6.1 只需要單一收發器的多頻道媒介存取控制協定 • 10.6.1.2 Multi-channel MAC（MMAC）

32. 10.6 多頻道媒介存取層協定 • 10.6.1 只需要單一收發器的多頻道媒介存取控制協定 • 10.6.1.3 Slotted Seeded Channel Hopping（SSCH）

33. 10.6 多頻道媒介存取層協定 • 10.6.1 只需要單一收發器的多頻道媒介存取控制協定 • 10.6.1.3 Slotted Seeded Channel Hopping（SSCH）

34. 10.6 多頻道媒介存取層協定 • 10.6.2 需要數個收發器的多頻道媒介存取控制協定 • 10.6.2.1 Dynamic Channel Assignment（DCA） • 在 DCA中一個節點需要配有兩個收發器，其中一個收發器會被專門用來傳送控制封包，並且在所有可用的頻道中，取出一個頻道稱為控制頻道（Control channel）專門用來傳送控制封包，而另一個收發器則是專門用來傳送資料封包，傳送資料封包所使用的頻道會從 除了控制頻道外的可用頻道中選出，且每個封包的傳送可能會使用不同的 頻道。

35. 10.6 多頻道媒介存取層協定 • 10.6.2 需要數個收發器的多頻道媒介存取控制協定 • 10.6.2.1 Dynamic Channel Assignment（DCA）

36. 10.6 多頻道媒介存取層協定 • 10.6.2 需要數個收發器的多頻道媒介存取控制協定 • 10.6.2.2 Multi-radio Unification Protocol（MUP） • 在 MUP方法中，在鏈結層（Link Layer）需要有一個協定用來整合底層的多收發器，此鏈結層協定會提供一個虛擬的媒介存取控制位址（Virtual MAC address），讓上層的協定以為這個節點只有一個收發器，因為當上層有封包要傳送時，資料都會丟給這個虛擬的收發器，而此協定有一個重要的工作就是決定上層送下來的封包應該使用哪一個收發器傳送出去，MUP 就是根據這樣的想法而設計出來。

37. 10.7 多頻道路由協定 • 10.7.1 Hyacinth

38. 10.7 多頻道路由協定 • 10.7.2 WCETT Metric

39. 10.7 多頻道路由協定 • 10.7.3 CA-AODV • Channel-Assignment Ad-hoc On-demand Distance Vector（CA-AODV）結合了頻道分配與 AODV 路由協定，CA-AODV 假設有一個頻道是被用來傳送控制封包，稱為控制頻道，而其它的頻道則是用來傳輸資料。

40. 10.7 多頻道路由協定 • 10.7.4 JMM（Joint Multi-channel and Multi-path control） • 一個結合了鏈結層與網路層的通訊協定 JMM ， 其是針對以 IEEE 802.11 為基礎的無線網狀網路而設計出來的，此繞路協定主要有四個功能： • 此協定會決定每個節點所使用的接收頻道，以配合多重頻道環境 • 此協定會幫每個節點建立兩條到閘道器的路徑 • 此協定會幫每個節點決定其時槽分配 • 此協定會依具每個節點的傳輸量需求，動態調整傳送時槽與接收時槽的比例 • 其中 (3) 和 (4) 屬於鏈結層的問題，(1) 和 (2) 屬於繞路的問題。