无线Mesh网络在医院中的应用探索.docx

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无线Mesh网络在医院中的应用探索

无线Mesh网络在医院中的应用探索

【摘要】介绍无线Mesh网络的概念特点以及结构，深入分析基于IEEE802.11s标准的无线Mesh网络的相关特点，结合医院对无线网络部署的相关要求，探讨在医院使用无线Mesh网络技术进行网络部署的可行性，提出一种基于开源项目open80211s的无线网络部署方案，并对无线Mesh网络的部分功能进行验证。

【关键词】无线Mesh网络医院快速组网

目前，医院部署无线网络使用的大多是传统的无线局域网（WLAN）网络，但是，传统的WLAN网络具有以下无法克服的缺点：

网络的可靠性完全依赖于AP节点；网络部署不够快捷简易；一旦部署完毕，拓扑结构很难改变，网络结构不够灵活；随着无线距离增加，带宽迅速减小，不支持非视距传播的缺点。

针对传统WLAN网络的这些缺点，可使用无线Mesh网络技术来解决以上难题。

在具体实现中，使用的Mesh标准是IEEE802.11s标准，然后基于开源项目open80211s的相关代码构建网络测试平台，并且进行相关功能的验证。

一、无线Mesh网络

无线Mesh网络（WMN）又称为无线网状网或无线网格网，它融合了WLAN和移动AdHoc网络（MANET）的优势，成为一种新型宽带无线网络。

与传统无线局域网（WLAN）技术相比，它除了可以提供基础设施模式的功能外，还可以提供IBSS模式，因此无线Mesh网络在快速简易网络部署方面具有更多优势。

（一）无线Mesh网络概念与优势。

在传统的无线局域网（WLAN）中，每个BSS（BasicServiceSet）均有一个AP（AccessPoint），所有的终端都需要通过与这个固定的无线接入点（AP）相连的无线链路来访问网络。

用户如果要进行互相通信的话，必须首先访问这个固定的接入点（AP），然后通过AP进行通信，这种通信方式被称为单跳通信。

而在无线Mesh网络中，每个无线设备节点都具有AP和路由器的功能，每个节点都可以发送和接收信号，与一个或多个对等节点进行直接通信。

这种结构的最大好处在于：

如果网络中某个AP节点由于流量过大而导致网络拥塞的话，那么本应通过该节点的数据可以自动重新路由到一个流量较小的临近节点进行传输。

依此类推，数据包还可以根据网络情况，自己选择下一跳路由，直到到达目的节点为止。

这种访问方式就是多跳访问。

1.可靠性高，自愈性强。

无线Mesh网络支持IBSS方式网络互连，具有自组织，自管理和自愈能力。

IBSS模式是AdHoc网络中的一种模式，在这种模式下，终端之间可以彼此通信而不需要中间协调节点，比如固定无线接入点（AP）。

Mesh网络可以自动发现新节点并完成相关配置，而不需要网络管理人员手工配置网络，而且，在网络出现节点或链路故障时，可以自动修复，健壮性很好。

2.传输速率高。

由于无线Mesh网络采用多跳传输的方式进行信息传输，每一跳的传输距离相应减小，因而可以得到较高的传输速率。

而且通过融合其他网络及技术，理论速率可以达到54Mbit/s。

3.易于实现异构网络融合，支持多种类型的网络接入。

WMN既支持无线终端接入骨干网，又支持无线终端之间的对等连接。

而且，通过无线接入节点，WMN可以方便地为传感器网络、蜂窝网络、WLAN网络等提供接入服务，实现异构网络融合。

4.投资成本低。

无线Mesh网络大大节省了骨干网络的建设成本，Mesh网关、Mesh路由器、Mesh终端等与需要大量有线布网的WLANAP热点便宜得多。

5.网络配置和维护简单快捷。

无线Mesh网络扩大覆盖范围无需像传统的WLAN网络一样，布设大量的热点。

（二）无线Mesh网络的结构。

无线Mesh网络是无线网络发展的产物，因此，其网络结构必然依据不同的应用而具有不同的形式。

按照节点功能的不同，网络结构可以分为基础设施的网络结构、终端设备的网络结构和混合结构。

基础设施的网络结构为用户提供接入Internet的服务，而终端设备的网络结构主要用于支持本地终端的应用，不提供接入Internet的服务，而混合结构是结合了上述两种网络结构，既可以提供Internet的接入服务，又可以支持本地终端彼此多跳通信。

按照结构层次划分，网络又可分为平面结构、多级结构和混合结构。

这两种分层思想在本质上区别不大，基础设施的网络结构本就是一种多级结构，而终端设备的网络结构就是一种平面结构。

二、基于IEEE802.11s协议的Mesh网络特点

IEEE802.11s协议是IEEE802.11标准组提出的针对无线Mesh网络的无线局域网协议，它对原有的IEEE802.11的MAC标准进行了扩展，支持多跳通信，支持广播、单播和组播，并且能够很好地与现有的IEEE802.11的物理层协议（802.11a，b，g，n）进行交互。

IEEE802.11s使用的路由协议是基于MAC层的2层路由协议，这提高了路由的效率，有助于降低节点的功耗。

IEEE802.11s从2006年提出草案标准D0.01至今，最新的草案标准已经到了D12.0，D12.0草案在适用性、低功耗、安全性、自组织性能等方面较最初的草案相比都有了很大的改善。

基于IEEE802.11s标准的无线Mesh网络架构如图1所示。

终端或者其他网络网关并不需要直接连接到有线网络，可以通过无线多跳连接最终连接到有线网络。

IEEE802.11s标准中存在三种类型的节点。

普通Mesh节点（MP）是支持无线局域网Mesh服务的802.11实体，MP只能作为中继节点，而不具有接入功能；MeshPortal节点（MPP）是MAC协议数据单元（MSDU）进入或离开无线Mesh网络的桥接（bridge）。

Mesh接入点（MAP）是具有接入功能的MP。

三类节点的协议栈如图2所示。

802.11sMAC层是对802.11MAC层的扩展，802.11s的默认路由协议是HWMP，这种路由协议是一种二层路由协议，在MAC层实现。

MPP节点支持从mesh网络到有线网络的第3层路由，但是，由于生成树算法的限制，一个mesh网络只能有一个MPP节点。

三、IEEE802.11s内容及关键技术

（一）HWMP协议。

混合无线网状网协议（HWMP）是IEEE802.11s标准中默认的路由协议。

它的寻址基于MAC地址，即路由的转发在MAC层实现，每个节点可以通过接收到的MAC层的数据帧来了解邻居节点的通信链路情况，进而进行路由的选择。

由于路由选择工作在MAC层进行，所以IEEE802.11s对常见的网络层协议（比如DHCP和ARP）都有很好的支持。

HWMP路由协议是一种混合路由协议，包括基于生成树的主动路由协议和基于AODV的被动路由协议。

在HWMP协议中，主动路由和被动路由并不矛盾，在节点选路时，两种路由协议可以同时使用。

（二）6地址结构。

IEEE802.11s协议是对传统的IEEE802.11的一种增补，因此，IEEE802.11s的帧结构是在IEEE802.11帧结构的基础上额外添加了两个地址，形成了6地址结构。

额外添加的两个地址使得当IEEE802.11s网络作为骨干网时，隶属于一个接入点MAP的STA可以与802.11s网络中隶属于其他任意MAP的终端直接通信，而标准的802.11帧中的4地址结构，不能实现该过程。

（三）拥塞控制。

802.11s中的拥塞控制机制分为默认的拥塞控制和可选的拥塞控制方案两种。

默认的拥塞控制机制依赖于负载感应，因此处于边缘位置的路由器与处于核心位置的路由器相比，拥有更多的空闲时间，因此需要更多的介质接入探测。

可选的拥塞控制方法（Intra-mesh拥塞控制机制）包括本地拥塞监测、拥塞控制信令和本地速率控制三个部分。

其主要思想是用一个管理帧来指示期望的拥塞躲避时间，并请求相邻的Mesh节点减少流量来达到拥塞控制的目的。

（四）无线网状网协调信道接入。

为了提高Mesh网络的服务质量，Mesh网络也有自己的信道接入机制——无线网状网协调信道接入机制（MeshCoordinatedChannelAccess，MCCA），MCCA机制是一种分布式的保留协议，它使得网络中的任一节点可以获得两跳范围之内的其他节点信息，这样就使得节点发送信息时，可以选择合适的时机来发送数据，从而较小数据发送冲突的概率。

基于IEEE802.11s协议的无线Mesh网络的以上特性，使得它非常应急组网，快速低成本组网，而且网络健壮性好。

在医院这种特殊场合，采用Mesh网络来进行快速组网就显得非常合适，下文将讨论在医院部署网络需要注意的一些问题。

四、医院对无线网络部署的要求

（一）无线网络的覆盖率。

医生在使用各种无线设备对病人进行治疗时，常常需要穿梭于多个房间，保证手持终端能够随时随地接入医院核心网络，对于无线医疗来说至关重要。

因此，布设无线网络时，无线网络的无缝覆盖就变得相当重要。

使用传统的WLAN网络来布设网络，由于建筑内部复杂的环境，信号衰减问题变得相当严重。

比如，无线信号穿过卫生间的墙体会衰减的相当厉害。

（二）无线网络的健壮性。

当医护人员在不同的房间进行移动的时候，在不同的AP间切换时，信号不能中断而且传输延迟必须尽量短。

比如一些报警、监控信号由于中断或者延迟的原因，而导致病患的信息数据没有及时传送，很可能造成重大医疗事故。

因此，医院部署网络，网络的健壮性问题不容忽视。

（三）无线网络的安全性。

无线网络也是医院核心网络的一部分，因此对于无线网络的接入控制，必须十分严格。

只有被授权的终端设备才被允许连接进无线网络。

无线信号散布在整个医院空间中，而现在支持无线接入的设备越来越多，如果没有认证的用户也能接入无线网络的话，有可能导致病患信息的泄露甚至被强行修改，造成严重的医疗事故和纠纷。

如果接入者传播病毒的话，很可能造成整个网络的瘫痪，严重影响医院无线医疗的正常进行。

（四）无线网络的管理。

由于医院中无线终端的移动性，每个接入点在不同时间接入的用户数目不同，以及地点通信流量不同，如果不进行及时的调整，很可能造成网络拥塞。

因此，需要时刻关注每个AP的负载情况，及时调整网络部署。

以便于网络效能达到最大。

五、基于WMN的医院组网方案

在医院使用各种方式组网的过程中，比较可知，与传统的WLAN网络相比，使用无线Mesh网络可以更快的搭建网络，只需要一个MPP与传统的骨干网相连，然后通过MP节点便可以迅速扩大网络覆盖范围。

使用MAP节点便可以将各种无线设备接入骨干网络，并且可以完成相互之间的通信。

网络部署情况如图3所示：

（一）硬件架构。

由于要完成异构网络的融合，因此在本文搭建的网络中运行着传统以太网（IEEE802.3标准）、传统无线局域网（IEEE802.11标准）和负责网络拓展的无线Mesh网络（IEEE802.11s标准）。

为了支持不同的网络之间的融合，不同的设备具有不同的配置。

由于传统的以太网和无线局域网技术十分成熟，不需要专门的设计开发，只需要使用现有的技术就可以实现，因此，网络构架的难点在于无线Mesh网络的构建，以及与其他两类网络的无缝融合。

本文采用开源社区open80211s的开源代码来构建无线Mesh网络。

无线Mesh网络中使用的无线网卡为支持802.11s标准的一款基于AtherosAR9271高阶芯片的USB无线网卡CF-WU150N。

该网卡支持IEEE802.11b/g/n协议，无线传输速率最高可达150mbps，是普通11b产品的15倍，为了使信号强度更强，网卡使用6dbi高增益的全向天线，RP-SMA接头，可拆卸设计，使用更方便。

（二）软件架构。

包括以下四方面的架构：

1.修改过内核的linux操作系统。

Linux内核自2.6.26版本开始集成802.11s，称为open80211s协议栈，为IEEE802.11s提供了一个通用的实现标准。

但是在标准内核中对于802.11s标准的支持是依据D2.08，目前最新的802.11s草案为D12.0，最新的草案标准并没有在官方发布的内核中实现，因此，本文进行Mesh组网使用linux内核是对标准内核进行修改过的。

为了实现IEEE802.11s相关功能，在编译内核的时候，需要将内核mac80211配置为支持mesh功能（需要选中CONFIG_MAC80211，CONFIG_MAC80211_MESH）还要在内核中使能你所使用的网卡驱动，本文使用的网卡属于ath9k系列的USB接口的无线网卡，所以配置时选择ATH9K_HTC驱动。

2.linux无线网卡配置工具iw。

iw是一个新的为无线网络设备配置工具，基于nl80211命令行配置工具集.它支持大多数最新添加到kernel中的驱动.。

而旧的无线网卡配置工具iwconfig，使用的是无线扩展接口，并不支持这些驱动，所以我们使用iw来配置无线网卡。

和不断完善的内核一样，iw也在不断地完善之中。

Linux系统中默认并不支持iw工具，所以必须自己下载并且编译。

虽然ath9k系列的网卡支持802.11smesh模式，但是网卡设备被内核识别以后不会自动称为mesh设备，用户需要使用iw应用程序来将该网卡设备配置为mesh设备，设置工作频段以及mesh相关参数。

本文采用将现有网卡工作模式改为mesh模式的方法来配置无线网卡。

3.MPP和MAP节点的配置。

Mesh网关节点和Mesh接入点由于是异构网络的融合关键点，所以其硬件配置和软件配置相比普通Mesh节点要复杂一些。

在MPP节点上，使用一张普通有线网卡和一张AR9271无线网卡，其中无线网卡配置成Mesh模式，两张无线网卡通过桥接的方式相连。

而将无线网卡接入到网桥接口的时候，需要将无线网卡设置为4地址模式，因为802.11帧中默认只包含3个地址。

同理，MAP节点同样需要两张无线网卡，一张配置为monitor模式用来实现接入点AP功能，另一张配置为Mesh模式，用来与Mesh网络相连。

4.安全认证工具（SAE）。

在一个具有安全认证机制的mesh网络中，所有的Peer节点必须共用一个密钥。

而节点间的认证机制依照SAE协议制定。

密钥派生和加密套接字协商是通过AMPE（AuthenticatedMeshPeeringExchange）实现的。

这两种协议在802.11s修正案中都在802.11s标准中有所规定。

为了实现信息的安全传输，需要自己编写相关的SAE安全认证脚本。

（三）系统功能验证。

为了验证系统真正实现了多跳、自组织功能，我们使用了如图4所示的拓扑结构来进行功能的验证。

1.如图4所示将MPP、MP、MAP的相关节点按照各自需要实现的功能配置好。

此时，在普通WLAN终端上，使用ping命令来向普通以太网终端发送ICMP包。

如果普通以太网终端能够收到相应的数据包，则证明整个网络可以正常运行。

2.去除MP节点，调整MPP和MAP之间的距离，使其两个无法直接跟对方通信，此时从普通WLAN终端发出的ICMP包无法到达普通以太网终端。

然后，将MP节点加入MPP和MAP中间，如果此时普通以太网终端可以正常收到普通WLAN终端的ICMP数据包，则证明组建的网络可以实现多跳，自组织功能。

而且，从实验结果也可以证明通过中间节点进行中继可以扩大网络覆盖范围，更容易实现无线组网。

六、总结

本文从Mesh网络技术和医院实际布网的要求以及难点出发，深入分析使用无线Mesh网络对医院这种建筑物的构造密集而复杂的公共场所进行布网的适用性和可行性，提出一种基于IEEE802.11s标准的mesh组网方案，并进行了部分功能的验证，证明了本文所提方案的可行性。

不过，由于IEEE802.11s标准目前依然处于草案阶段，最终的标准还没有完全确定，因此还有诸多不确定性，但是由于基于IEEE802.11s标准Mesh网络是对传统WLAN网络的一种修改与补充，具有传统WLAN网络高带宽的特性，所以更适合在医院这种公共场所中部署。

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