一种WLAN Mesh网络性能测试平台的研究

【摘要】文章首先介绍了WLAN Mesh网络结构及其特点;然后提出了一种真实性能测试平台的构建方案,给出了平台的系统设计;最后,通过功能测试及结果分析,验证了平台功能的完整性和有效性。

【关键词】无线Mesh网络 性能测试平台 MP MAP

1引言

随着网络技术的飞速发展,日益壮大的无线技术为人们提供了方便、快捷的服务。但是传统的WLAN有其固有的缺点,如:组网不灵活、覆盖能力有限、存在潜在盲区、可靠性低等,这些问题的存在大大地限制了WLAN技术的普及和应用。而无线Mesh技术能很好地解决以上问题,因此其正成为人们关注和研究的焦点。

无线Mesh网路是一种无中心、自组织、自愈合的无线多跳网络,具有冗余、多跳、动态等特点。应用无线Mesh网络技术,可以很好地部署和扩展WLAN网络,使人们享受更加优质的网络服务。

无线Mesh网络具有一定的层次结构,可以分为Mesh骨干网和客户端网络,如图1所示。Mesh骨干网具有网状网结构,提供了大量的冗余链路。客户端网络有两种类型:(1)Ad hoc客户端网络,见图1的B1部分,其所有的终端(STA)都参与Mesh骨干网的动态路由,不仅能同Mesh骨干网的MP节点(Mesh Point)通信,也能与其他终端进行通信。(2)传统的客户端网络,见图1的B2部分,其特性类似于传统的点到多点的主从网络,MAP节点(Mesh Access Point)是其网络的中心,节点的任何通信都必须通过MAP进行转发,对MAP的依赖性很强。

无线Mesh网络由两种节点组成,Mesh路由器和Mesh客户端。Mesh路由器不仅具有普通接入点(AP)的功能,还具有无线Mesh网络的路由功能。Mesh客户端也具有Mesh网络的路由功能,但没有AP功能。根据不同的通信功能可将所有网络节点分为4类:①MP节点,MP使用IEEE802.11 MAC和PHY协议进行无线通信,并支持Mesh功能,即支持动态拓扑、路由的动态发现、数据包的转发等功能;②MAP节点,MAP是支持访问接入点功能的MP,不仅具有MP的所有功能,而且还具有AP功能;③MPP节点(有Portal口的MP/MAP节点),具有Portal功能,能连接其它类型网络并转发通信的MP/MAP节点。④简单客户端,即为IEEE 802.11传统无线局域网中的客户端。

综上,无线Mesh网络的特点如下:(1)无线,这是Mesh网络最显著的特点;(2)多跳,可以扩展无线网络的覆盖范围;(3)冗余性,个别节点出现故障,不会影响整个网络的运行;(4)移动性,主要是允许终端的移动性;(5)动态性,动态性不同于移动性,主要是在移动特性的基础上能够保持网络的通畅。

2研究方法的选择

目前研究无线网络主要有五种方法:理论分析、计算机仿真、模拟研究、虚拟研究、真实测试平台。为了更好地研究基于WLAN的无线Mesh网络,我们选择真实测试平台的研究方法,主要目的是基于其更好的适用性,能够更好地适用于真实的网络环境。

3测试平台的设计

本文性能测试平台的设计目标是:(1)实现一个能真实体现WLAN Mesh网络特点的网络环境,为具体的性能测试提供网络支持。(2)提供常规的网络性能研究,如网络的传输速率、传输时延、数据吞吐量等。(3)对网络性能的测评。(4)方便平台的管理和扩展。据此,将平台的系统设计在逻辑上分为:物理环境、网络环境和测试环境。这三种环境相互影响、相互支撑。

3.1物理环境

物理环境需要实现WLAN Mesh网络中各个关键节点的功能,是整个平台环境的基础。根据研究对象WLAN Mesh网络及研究目的确定平台所需要的物理设备,并在这些物理设备上实现待研究网络各节点的功能。

所选的物理设备应尽量降低成本,同时又能通过软件来模拟所需功能。平台最重要的设备是无线网卡,本平台系统所需的无线网卡应满足以下几个条件:(1)支持混杂模式,能够截取无线网络中的数据包;(2)有开源的驱动程序,能够根据需要进行增添或修改;(3)支持Host AP模式,可以模拟AP功能。因为各大设备公司基本上都有基于Atheros芯片组的无线网卡,我们选择的是基于Atheros系列芯片组的D-Link和TP-LINK的无线网卡产品。

物理环境主要涉及Mesh骨干网的三大类节点(MP/MPP/MAP)的功能实现和客户端网络节点(STA)的功能实现。

(1)MAP的实现

在WLAN Mesh网络中,MAP节点既是骨干网的终点,又是Mesh客户端的起点,它是将客户端网络和Mesh骨干网两个逻辑上独立的网络实体联系成一个功能上统一的整体的设备,因此是整个网络的关键。本平台使用两块无线网卡作为MAP的功能载体,其中一块实现MP功能,另一块实现AP功能。

(2)MP的实现

MP是WLAN Mesh网络中最基本的功能实体,它处于Mesh骨干网中,使用IEEE 802.11 MAC和PHY协议进行无线通信,并且支持动态拓扑、路由的动态发现、数据包的转发等功能。在功能上,MP节点比较简单,只需使用一块无线网卡,同时设定网卡的工作模式为Ad Hoc模式,在路由协议、接入认证协议的支持下,实现Mesh骨干网MP节点的功能。

(3)MPP的实现

MPP是具有Portal口的MP,具有Portal功能,连接WLAN Mesh网络和其它类型的网络(如IEEE 802.3以太网)。通过MPP,Mesh网络内部的节点可以与外部网络进行通信。本平台系统的MPP节点使用两块无线网卡,一块是以太网卡,另外一块是无线网卡。以太网卡连接到本地以太网,无线网卡完成Mesh骨干网的通信。

(4)STA的实现

STA可由笔记本电脑、智能手机、PDA等充当。其功能简单,功能载体只要是具备无线收发功能的普通无线网卡即可。不过,考虑到平台的测试,需要有能监听网络任何数据包的特殊STA存在,这要求STA的无线网卡必须能够工作在混杂模式下,且具备截获无线网络中数据报文的能力。在本平台具体实现中,使用笔记本电脑。

3.2网络环境

网络环境负责形成实际应用场景的网络拓扑结构。网络环境平台是整个平台环境最关键的支撑,平台的任何服务(包括测试服务)都是基于网络环境的,它直接服务于测试环境。

网络环境的实现主要涉及以下四方面内容:①实现Mesh骨干网节点间的相互通信及路由;②实现客户端网络节点间的相互通信;③实现客户端网络和Mesh骨干网的互联;④实现无线Mesh网络与异构网络的融合。

3.3测试环境

平台支持的一个基本服务就是测试服务,即为研究无线Mesh网络性能提供一个实验平台。之前物理环境、网络环境的实现都是为了进行测试这个目的,测试环境的功能就是进行测试,此环境是平台最核心的部分。

进行测试之前主要完成测试内容的确定和测试工具的正确选择。测试内容将确定测试用例的详细过程,测试工具可以选择已有或者定制的嗅探工具。

4测试平台功能验证

在平台环境搭建好之后,要对平台进行功能测试。本平台的测试工作是在实验室里进行,共有6台电脑参与测试,其中2台充当STA,分别标示为STA1和STA2;其余4台为构成Mesh骨干网的MP节点,分别标示为MP0、MP1、MP2、MP3,并且MP0是带Portal端口的MPP节点,MP2是由AP功能的MAP节点。

平台功能测试将从平台的4个关键功能加以验证,包括:MAP节点AP功能的验证、MAP节点双网卡通信的验证、Mesh骨干网各节点MP功能的验证、MPP节点Portal功能的验证。

(1)MAP节点AP功能的验证

一方面,STA1可以和MP2通信,ping通,平均时延1ms没有丢包;另一方面,STA1也能够和同一AP下的其他终端STA2进行通信。STA2也连接到MP2节点上,STA1可以ping STA2,ping通;同样,STA2也能够ping通STA1。这说明MP2节点的AP功能已完成。

(2)MAP节点双网卡通信的验证

MAP节点有两块无线网卡分别承载客户端网络的AP功能和Mesh骨干网的MP功能。两块网卡应该具备相互通信的能力,这可以通过STA1节点ping MP2节点的Mesh骨干网IP地址加以验证。结果能够ping通,平均时延1ms,丢包率为0,说明双网卡能够正确通信。

(3)Mesh骨干网各节点MP功能的验证

Mesh骨干网上,各节点运行路由软件来实现MP功能,使之具有自动发现路由、维护路由、更新路由等功能。作为MP2节点的终端STA1去ping Mesh骨干网的其他任何节点,都ping成功,平均时延在2ms左右,丢包率为0。这说明Mesh骨干网已经运行起来,并且比较稳定。

(4)MPP节点Portal功能的验证

本平台的MPP节点可以提供连接外网功能,平台的任何节点不仅可以ping通边界网关,还可以通过边界网关ping通DNS服务器或其他外网服务器。其中ping边界网关的结果是ping通,平均时延为3ms,丢包率为0,这说明平台的节点能通过MPP节点到达边界网关。

ping DNS服务器的结果是,ping通,且平均时延为3ms,丢包率为0。这说明平台的节点通过MPP节点不仅可以到达边界网关,还能到达DNS服务器或其他外网地址,平台提供了链接外网的服务。

通过上述4个方面的的测试及其结果分析,表明本平台的各个关键功能已经实现,平台能够有效地运行起来。这不仅验证了本文的设计方案的正确性,也为具体的网络性能研究、网络协议测试分析等提供了良好的平台支撑。

5结束语

为了更好地研究WLAN Mesh网络,本文提出构建性能测试平台来研究WLAN Mesh网络。由于时间等原因,本文给出的性能测试平台还存在不足之处,实现方案的某些方面还达不到设计目标要求。为增强平台功能,全面完成平台的设计目标,还需要在今后的工作中对以下三个方面进行进一步的研究:首先,完善平台运行环境的设计及实现,使平台的网络环境最大程度地逼近于真实的网络环境;其次,完善平台测试环境的设计及实现,同时丰富测试手段;再次,添加平台的特色服务,例如对安全接入协议进行性能测试。

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【作者简介】

肖作飞:南京邮电大学江苏省图像处理重点实验室硕士研究生,通信与信息工程学院信号与信息处理专业,主要研究方向为多媒体通信与图像处理,研究成果是无线Mesh网络的基于DSR的QoS路由协议。