無線Mesh網(wǎng)絡在醫(yī)院中的應用探索

1、無線Mesh網(wǎng)絡在醫(yī)院中的應用探索【摘要】介紹無線Mesh網(wǎng)絡的概念特點以及結構，深入分析基于IEEE802.11S標準的無線Mesh網(wǎng)絡的相關特點，結合醫(yī)院對無線網(wǎng)絡部署的相關要求，探討在醫(yī)院使用無線Mesh網(wǎng)絡技術進行網(wǎng)絡部署的可行性，提出一種基于開源項目open80211s的無線網(wǎng)絡部署方案，并對無線Mesh網(wǎng)絡的部分功能進行驗證?！娟P鍵詞】無線Mesh網(wǎng)絡醫(yī)院快速組網(wǎng)目前，醫(yī)院部署無線網(wǎng)絡使用的大多是傳統(tǒng)的無線局域網(wǎng)（WLAN）網(wǎng)絡，但是，傳統(tǒng)的WLAN網(wǎng)絡具有以下無法克服的缺點：網(wǎng)絡的可靠性完全依賴于AP節(jié)點；網(wǎng)絡部署不夠快捷簡易；一旦部署完畢，拓撲結構很難改變，網(wǎng)絡結構不夠靈活；隨

2、著無線距離增加，帶寬迅速減小，不支持非視距傳播的缺點。針對傳統(tǒng)WLAN網(wǎng)絡的這些缺點，可使用無線Mesh網(wǎng)絡技術來解決以上難題。在具體實現(xiàn)中，使用的Mesh標準是IEEE802.11S標準，然后基于開源項目open80211s的相關代碼構建網(wǎng)絡測試平臺，并且進行相關功能的驗證。一、無線Mesh網(wǎng)絡無線Mesh網(wǎng)絡（WMN）又稱為無線網(wǎng)狀網(wǎng)或無線網(wǎng)格網(wǎng)，它融合了WLAN和移動AdHoc網(wǎng)絡（MANET）的優(yōu)勢，成為一種新型寬帶無線網(wǎng)絡。與傳統(tǒng)無線局域網(wǎng)（WLAN）技術相比，它除了可以提供基礎設施模式的功能外，還可以提供IBSS模式，因此無線Mesh網(wǎng)絡在快速簡易網(wǎng)絡部署方面具有更多優(yōu)勢。（一）無

3、線Mesh網(wǎng)絡概念與優(yōu)勢。在傳統(tǒng)的無線局域網(wǎng)（WLAN）中，每個BSS（BasicServiceSe）均有一個AP（AccessPoin）,所有的終端都需要通過與這個固定的無線接入點（AP）相連的無線鏈路來訪問網(wǎng)絡。用戶如果要進行互相通信的話，必須首先訪問這個固定的接入點（AP），然后通過AP進行通信，這種通信方式被稱為單跳通信。而在無線Mesh網(wǎng)絡中，每個無線設備節(jié)點都具有AP和路由器的功能，每個節(jié)點都可以發(fā)送和接收信號，與一個或多個對等節(jié)點進行直接通信。這種結構的最大好處在于：如果網(wǎng)絡中某個AP節(jié)點由于流量過大而導致網(wǎng)絡擁塞的話，那么本應通過該節(jié)點的數(shù)據(jù)可以自動重新路由到一個流量較小的臨近

4、節(jié)點進行傳輸。依此類推，數(shù)據(jù)包還可以根據(jù)網(wǎng)絡情況，自己選擇下一跳路由，直到到達目的節(jié)點為止。這種訪問方式就是多跳訪問。1可靠性高，自愈性強。無線Mesh網(wǎng)絡支持IBSS方式網(wǎng)絡互連，具有自組織，自管理和自愈能力。IBSS模式是AdHoc網(wǎng)絡中的一種模式，在這種模式下，終端之間可以彼此通信而不需要中間協(xié)調節(jié)點，比如固定無線接入點（AP）。Mesh網(wǎng)絡可以自動發(fā)現(xiàn)新節(jié)點并完成相關配置，而不需要網(wǎng)絡管理人員手工配置網(wǎng)絡，而且，在網(wǎng)絡出現(xiàn)節(jié)點或鏈路故障時，可以自動修復，健壯性很好。2.傳輸速率高。由于無線Mesh網(wǎng)絡米用多跳傳輸?shù)姆绞竭M行信息傳輸，每一跳的傳輸距離相應減小，因而可以得到較高的傳輸速率。

5、而且通過融合其他網(wǎng)絡及技術，理論速率可以達到54Mbit/s3易于實現(xiàn)異構網(wǎng)絡融合，支持多種類型的網(wǎng)絡接入。WMN既支持無線終端接入骨干網(wǎng)，又支持無線終端之間的對等連接。而且，通過無線接入節(jié)點，WMN可以方便地為傳感器網(wǎng)絡、蜂窩網(wǎng)絡、WLAN網(wǎng)絡等提供接入服務，實現(xiàn)異構網(wǎng)絡融合。4.投資成本低。無線Mesh網(wǎng)絡大大節(jié)省了骨干網(wǎng)絡的建設成本，Mesh網(wǎng)關、Mesh路由器、Mesh終端等與需要大量有線布網(wǎng)的WLANAP熱點便宜得多。5網(wǎng)絡配置和維護簡單快捷。無線Mesh網(wǎng)絡擴大覆蓋范圍無需像傳統(tǒng)的WLAN網(wǎng)絡一樣，布設大量的熱點。（二）無線Mesh網(wǎng)絡的結構。無線Mesh網(wǎng)絡是無線網(wǎng)絡發(fā)展的產(chǎn)物，

6、因此，其網(wǎng)絡結構必然依據(jù)不同的應用而具有不同的形式。按照節(jié)點功能的不同，網(wǎng)絡結構可以分為基礎設施的網(wǎng)絡結構、終端設備的網(wǎng)絡結構和混合結構?；A設施的網(wǎng)絡結構為用戶提供接入Internet的服務，而終端設備的網(wǎng)絡結構主要用于支持本地終端的應用，不提供接入Internet的服務，而混合結構是結合了上述兩種網(wǎng)絡結構，既可以提供Internet的接入服務，又可以支持本地終端彼此多跳通信。按照結構層次劃分，網(wǎng)絡又可分為平面結構、多級結構和混合結構。這兩種分層思想在本質上區(qū)別不大，基礎設施的網(wǎng)絡結構本就是一種多級結構，而終端設備的網(wǎng)絡結構就是一種平面結構。二、基于IEEE802.11S協(xié)議的Mesh網(wǎng)絡特

7、點IEEE802.11S協(xié)議是IEEE802.11標準組提出的針對無線Mesh網(wǎng)絡的無線局域網(wǎng)協(xié)議，它對原有的IEEE802.11的MAC標準進行了擴展，支持多跳通信，支持廣播、單播和組播，并且能夠很好地與現(xiàn)有的IEEE802.11的物理層協(xié)議（802.11a,b,g,n）進行交互。IEEE802.11s使用的路由協(xié)議是基于MAC層的2層路由協(xié)議，這提高了路由的效率，有助于降低節(jié)點的功耗。IEEE802.11S從2006年提出草案標準D0.01至今，最新的草案標準已經(jīng)到了D12.0，D12.0草案在適用性、低功耗、安全性、自組織性能等方面較最初的草案相比都有了很大的改善?；贗EEE802.1

8、1S標準的無線Mesh網(wǎng)絡架構如圖1所示。終端或者其他網(wǎng)絡網(wǎng)關并不需要直接連接到有線網(wǎng)絡，可以通過無線多跳連接最終連接到有線網(wǎng)絡。IEEE802.11S標準中存在三種類型的節(jié)點。普通Mesh節(jié)點（MP）是支持無線局域網(wǎng)Mesh服務的802.11實體，MP只能作為中繼節(jié)點，而不具有接入功能；MeshPortal節(jié)點（MPP）是MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元（MSDU）進入或離開無線Mesh網(wǎng)絡的橋接（bridge）。Mesh接入點（MAP）是具有接入功能的MP。三類節(jié)點的協(xié)議棧如圖2所示o802.11sMAC層是對802.11MAC層的擴展，802.11s的默認路由協(xié)議是HWMP，這種路由協(xié)議是一種二層路由

9、協(xié)議，在MAC層實現(xiàn)。MPP節(jié)點支持從mesh網(wǎng)絡到有線網(wǎng)絡的第3層路由，但是，由于生成樹算法的限制，一個mesh網(wǎng)絡只能有一個MPP節(jié)點三、IEEE802.11S內容及關鍵技術（一）HWMP協(xié)議?；旌蠠o線網(wǎng)狀網(wǎng)協(xié)議（HWMP）是IEEE802.11S標準中默認的路由協(xié)議。它的尋址基于MAC地址，即路由的轉發(fā)在MAC層實現(xiàn)，每個節(jié)點可以通過接收到的MAC層的數(shù)據(jù)幀來了解鄰居節(jié)點的通信鏈路情況，進而進行路由的選擇。由于路由選擇工作在MAC層進行，所以IEEE802.11S對常見的網(wǎng)絡層協(xié)議（比如DHCP和ARP）都有很好的支持。HWMP路由協(xié)議是一種混合路由協(xié)議，包括基于生成樹的主動路由協(xié)議和基

10、于AODV的被動路由協(xié)議。在HWMP協(xié)議中，主動路由和被動路由并不矛盾，在節(jié)點選路時，兩種路由協(xié)議可以同時使用。（二）6地址結構。IEEE802.11S協(xié)議是對傳統(tǒng)的IEEE802.11的一種增補，因此，IEEE802.11S的幀結構是在IEEE802.11幀結構的基礎上額外添加了兩個地址，形成了6地址結構。額外添加的兩個地址使得當IEEE802.11S網(wǎng)絡作為骨干網(wǎng)時，隸屬于一個接入點MAP的STA可以與802.11s網(wǎng)絡中隸屬于其他任意MAP的終端直接通信，而標準的802.11幀中的4地址結構，不能實現(xiàn)該過程。（三）擁塞控制。802.11s中的擁塞控制機制分為默認的擁塞控制和可選的擁塞控制

11、方案兩種。默認的擁塞控制機制依賴于負載感應，因此處于邊緣位置的路由器與處于核心位置的路由器相比，擁有更多的空閑時間，因此需要更多的介質接入探測?？蛇x的擁塞控制方法（Intra-mesh擁塞控制機制）包括本地擁塞監(jiān)測、擁塞控制信令和本地速率控制三個部分。其主要思想是用一個管理幀來指示期望的擁塞躲避時間，并請求相鄰的Mesh節(jié)點減少流量來達到擁塞控制的目的。（四）無線網(wǎng)狀網(wǎng)協(xié)調信道接入。為了提高Mesh網(wǎng)絡的服務質量，Mesh網(wǎng)絡也有自己的信道接入機制無線網(wǎng)狀網(wǎng)協(xié)調信道接入機制（MeshCoordinatedChannelAccessMCCA），MCCA機制是一種分布式的保留協(xié)議，它使得網(wǎng)絡中的任

12、一節(jié)點可以獲得兩跳范圍之內的其他節(jié)點信息，這樣就使得節(jié)點發(fā)送信息時，可以選擇合適的時機來發(fā)送數(shù)據(jù)，從而較小數(shù)據(jù)發(fā)送沖突的概率?；贗EEE802.11S協(xié)議的無線Mesh網(wǎng)絡的以上特性，使得它非常應急組網(wǎng)，快速低成本組網(wǎng)，而且網(wǎng)絡健壯性好。在醫(yī)院這種特殊場合，采用Mesh網(wǎng)絡來進行快速組網(wǎng)就顯得非常合適，下文將討論在醫(yī)院部署網(wǎng)絡需要注意的一些問題。四、醫(yī)院對無線網(wǎng)絡部署的要求（一）無線網(wǎng)絡的覆蓋率。醫(yī)生在使用各種無線設備對病人進行治療時，常常需要穿梭于多個房間，保證手持終端能夠隨時隨地接入醫(yī)院核心網(wǎng)絡，對于無線醫(yī)療來說至關重要。因此，布設無線網(wǎng)絡時，無線網(wǎng)絡的無縫覆蓋就變得相當重要。使用傳統(tǒng)的

13、WLAN網(wǎng)絡來布設網(wǎng)絡，由于建筑內部復雜的環(huán)境，信號衰減問題變得相當嚴重。比如，無線信號穿過衛(wèi)生間的墻體會衰減的相當厲害。（二）無線網(wǎng)絡的健壯性。當醫(yī)護人員在不同的房間進行移動的時候，在不同的AP間切換時，信號不能中斷而且傳輸延遲必須盡量短。比如一些報警、監(jiān)控信號由于中斷或者延遲的原因，而導致病患的信息數(shù)據(jù)沒有及時傳送，很可能造成重大醫(yī)療事故。因此，醫(yī)院部署網(wǎng)絡，網(wǎng)絡的健壯性問題不容忽視。（三）無線網(wǎng)絡的安全性。無線網(wǎng)絡也是醫(yī)院核心網(wǎng)絡的一部分，因此對于無線網(wǎng)絡的接入控制，必須十分嚴格。只有被授權的終端設備才被允許連接進無線網(wǎng)絡。無線信號散布在整個醫(yī)院空間中，而現(xiàn)在支持無線接入的設備越來越多，

14、如果沒有認證的用戶也能接入無線網(wǎng)絡的話，有可能導致病患信息的泄露甚至被強行修改，造成嚴重的醫(yī)療事故和糾紛。如果接入者傳播病毒的話，很可能造成整個網(wǎng)絡的癱瘓，嚴重影響醫(yī)院無線醫(yī)療的正常進行。（四）無線網(wǎng)絡的管理。由于醫(yī)院中無線終端的移動性，每個接入點在不同時間接入的用戶數(shù)目不同，以及地點通信流量不同，如果不進行及時的調整，很可能造成網(wǎng)絡擁塞。因此，需要時刻關注每個AP的負載情況，及時調整網(wǎng)絡部署。以便于網(wǎng)絡效能達到最大。五、基于WMN的醫(yī)院組網(wǎng)方案在醫(yī)院使用各種方式組網(wǎng)的過程中，比較可知，與傳統(tǒng)的WLAN網(wǎng)絡相比，使用無線Mesh網(wǎng)絡可以更快的搭建網(wǎng)絡，只需要一個MPP與傳統(tǒng)的骨干網(wǎng)相連，然后通

15、過MP節(jié)點便可以迅速擴大網(wǎng)絡覆蓋范圍。使用MAP節(jié)點便可以將各種無線設備接入骨干網(wǎng)絡，并且可以完成相互之間的通信。網(wǎng)絡部署情況如圖3所示：（一）硬件架構。由于要完成異構網(wǎng)絡的融合，因此在本文搭建的網(wǎng)絡中運行著傳統(tǒng)以太網(wǎng)（IEEE802.3標準）、傳統(tǒng)無線局域網(wǎng)（IEEE802.11標準）和負責網(wǎng)絡拓展的無線Mesh網(wǎng)絡（IEEE802.11S標準）。為了支持不同的網(wǎng)絡之間的融合，不同的設備具有不同的配置。由于傳統(tǒng)的以太網(wǎng)和無線局域網(wǎng)技術十分成熟，不需要專門的設計開發(fā)，只需要使用現(xiàn)有的技術就可以實現(xiàn)，因此，網(wǎng)絡構架的難點在于無線Mesh網(wǎng)絡的構建，以及與其他兩類網(wǎng)絡的無縫融合。本文采用開源社區(qū)o

16、pen80211s的開源代碼來構建無線Mesh網(wǎng)絡。無線Mesh網(wǎng)絡中使用的無線網(wǎng)卡為支持802.11s標準的一款基于AtherosAR9271高階芯片的USB無線網(wǎng)卡CF-WU150N。該網(wǎng)卡支持IEEE802.11b/g/n協(xié)議，無線傳輸速率最高可達150mbps,是普通11b產(chǎn)品的15倍，為了使信號強度更強，網(wǎng)卡使用6dbi高增益的全向天線，RP-SMA接頭，可拆卸設計，使用更方便。（二）軟件架構。包括以下四方面的架構：1修改過內核的linux操作系統(tǒng)。Linux內核自版本開始集成802.11s,稱為open80211s協(xié)議棧，為IEEE802.11s提供了一個通用的實現(xiàn)標準。但是在標準

17、內核中對于802.11s標準的支持是依據(jù)D2.08,目前最新的802.11s草案為D12.0，最新的草案標準并沒有在官方發(fā)布的內核中實現(xiàn)，因此，本文進行Mesh組網(wǎng)使用linux內核是對標準內核進行修改過的。為了實現(xiàn)IEEE802.11S相關功能，在編譯內核的時候，需要將內核mac80211配置為支持mesh功能（需要選中CONFIG_MAC80211，CONFIG_MAC80211_MESH）還要在內核中使能你所使用的網(wǎng)卡驅動，本文使用的網(wǎng)卡屬于ath9k系列的USB接口的無線網(wǎng)卡，所以配置時選擇ATH9K_HTC驅動。2.linux無線網(wǎng)卡配置工具iw。iw是一個新的為無線網(wǎng)絡設備配置工具

18、，基于nl80211命令行配置工具集.它支持大多數(shù)最新添加到kernel中的驅動.。而舊的無線網(wǎng)卡配置工具iwconfig，使用的是無線擴展接口，并不支持這些驅動，所以我們使用iw來配置無線網(wǎng)卡。和不斷完善的內核一樣，iw也在不斷地完善之中。Linux系統(tǒng)中默認并不支持iw工具，所以必須自己下載并且編譯。雖然ath9k系列的網(wǎng)卡支持802.11smesh模式，但是網(wǎng)卡設備被內核識別以后不會自動稱為mesh設備，用戶需要使用iw應用程序來將該網(wǎng)卡設備配置為mesh設備，設置工作頻段以及mesh相關參數(shù)。本文采用將現(xiàn)有網(wǎng)卡工作模式改為mesh模式的方法來配置無線網(wǎng)卡。3.MPP和MAP節(jié)點的配置。

19、Mesh網(wǎng)關節(jié)點和Mesh接入點由于是異構網(wǎng)絡的融合關鍵點，所以其硬件配置和軟件配置相比普通Mesh節(jié)點要復雜一些。在MPP節(jié)點上，使用一張普通有線網(wǎng)卡和一張AR9271無線網(wǎng)卡，其中無線網(wǎng)卡配置成Mesh模式，兩張無線網(wǎng)卡通過橋接的方式相連。而將無線網(wǎng)卡接入到網(wǎng)橋接口的時候，需要將無線網(wǎng)卡設置為4地址模式，因為802.11幀中默認只包含3個地址。同理，MAP節(jié)點同樣需要兩張無線網(wǎng)卡，一張配置為monitor模式用來實現(xiàn)接入點AP功能，另一張配置為Mesh模式，用來與Mesh網(wǎng)絡相連。4.安全認證工具（SAE）。在一個具有安全認證機制的mesh網(wǎng)絡中，所有的Peer節(jié)點必須共用一個密鑰。而節(jié)點間的認證機制依照SAE協(xié)議制定。密鑰派生和加密套接字協(xié)商是通過AMPE（AuthenticatedMeshPeeringExchange實現(xiàn)的。這兩種協(xié)議在802.11s修正案中都在802.11s標準中有所規(guī)定。為了實現(xiàn)信息的安全傳輸，需要自己編寫相關的SAE安全認證腳本。（三）系統(tǒng)功能驗證