IPv6 移動(dòng)ad hoc網(wǎng)絡(luò)與Internet互聯(lián)中的網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)

前言

ad hoc是一種特殊的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模式，是由兩個(gè)或者多個(gè)具有無(wú)線通信能力和組網(wǎng)能力的設(shè)備組成的集合。這些通信設(shè)備可以與在它們通信范圍之內(nèi)或之外的另一個(gè)設(shè)備進(jìn)行通信，無(wú)需通過(guò)接入點(diǎn)。

移動(dòng)ad hoc網(wǎng)絡(luò)主要有以下特點(diǎn)：?jiǎn)蜗蜴溌?，容量時(shí)變，帶寬受限，易干擾，高誤碼率，高功率消耗，能量限制等。

ad hoc網(wǎng)絡(luò)為了實(shí)現(xiàn)全球連接性通常會(huì)出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)與固定網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)通信的需求。然而，以往的ad hoc路由協(xié)議通常只實(shí)現(xiàn)了在manet（mobile ad-hoc network）內(nèi)部的通信。要實(shí)現(xiàn)與internet中的節(jié)點(diǎn)通信的需求，節(jié)點(diǎn)需要一個(gè)全球地址，這樣它就可以從internet上收到數(shù)據(jù)。這可以通過(guò)使用internet 網(wǎng)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

internet 網(wǎng)關(guān)是指為manet中的節(jié)點(diǎn)提供internet連接的路由器。這種路由器位于manet的邊界，有一個(gè)接口在manet中，還有一個(gè)接口連接到internet上。internet網(wǎng)關(guān)將網(wǎng)關(guān)信息發(fā)送給manet中的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)可以從這些信息中了解internet的連接性。網(wǎng)關(guān)消息中包括如下內(nèi)容：internet網(wǎng)關(guān)全球地址，網(wǎng)絡(luò)前綴地址，生命期，網(wǎng)關(guān)的manet地址等。網(wǎng)關(guān)將這些信息作為manet路由協(xié)議或者鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議（ndp）的一部分發(fā)布出去。節(jié)點(diǎn)收到包含網(wǎng)關(guān)信息的網(wǎng)關(guān)通告(gwadv)后就可以發(fā)現(xiàn)internet網(wǎng)關(guān)，前綴信息可以用來(lái)為節(jié)點(diǎn)配置全球ipv6地址。每個(gè)manet節(jié)點(diǎn)管理網(wǎng)關(guān)信息。當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到gwadv，它更新相關(guān)的網(wǎng)關(guān)信息。如果網(wǎng)關(guān)信息過(guò)期，節(jié)點(diǎn)刪除相應(yīng)的網(wǎng)關(guān)信息。通過(guò)接收gwadv或通過(guò)網(wǎng)關(guān)請(qǐng)求(gwsol)請(qǐng)求網(wǎng)關(guān)信息，節(jié)點(diǎn)可以在網(wǎng)關(guān)信息到期之前更新網(wǎng)關(guān)信息。manet與internet互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在ietf的草案“global connectivity for ipv6 mobile ad hoc networks”中提出了兩種internet網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)的方法：一種是先應(yīng)式網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)方法，這種方法利用internet網(wǎng)關(guān)周期性的發(fā)送網(wǎng)關(guān)通告給manet中的所有節(jié)點(diǎn)；另一種方法是反應(yīng)式網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)方法，這種方法利用節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)之間的請(qǐng)求應(yīng)答消息來(lái)獲得網(wǎng)關(guān)信息。

manet中有兩種方法進(jìn)行網(wǎng)關(guān)管理。一種是作為路由協(xié)議的一部分，在ad hoc網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部使用信令協(xié)議來(lái)識(shí)別網(wǎng)關(guān)并且在網(wǎng)關(guān)注冊(cè)。第二種方法是在移動(dòng)ip中使用信令協(xié)議來(lái)識(shí)別可以提供網(wǎng)關(guān)服務(wù)的代理。這種方法更合適，因?yàn)樗軌蛟诓煌腶d hoc路由協(xié)議上工作。移動(dòng)ip在網(wǎng)絡(luò)層提供全球連接性的同時(shí)，ad hoc路由協(xié)議在manet網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部提供連接性。

反應(yīng)式網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)(reactive)

反應(yīng)式網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)由manet中的節(jié)點(diǎn)發(fā)起請(qǐng)求來(lái)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)或者更新網(wǎng)關(guān)信息。節(jié)點(diǎn)在需要進(jìn)行internet連接時(shí)開(kāi)始按需網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)廣播網(wǎng)關(guān)請(qǐng)求(gwsol)到網(wǎng)關(guān)多播地址all_manet_gw_multicast。中間節(jié)點(diǎn)收到gwsol后繼續(xù)廣播該請(qǐng)求。網(wǎng)關(guān)在收到請(qǐng)求后單播gwadv到發(fā)起請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以從gwadv中獲得全球前綴等信息。

manet中的節(jié)點(diǎn)有兩種方法可以請(qǐng)求網(wǎng)關(guān)通告消息(gwadv)。
a)對(duì)任一反應(yīng)式ad hoc路由協(xié)議，可以使用路由協(xié)議中定義的控制信息來(lái)請(qǐng)求和通告網(wǎng)關(guān)信息。因?yàn)檫@些反應(yīng)式路由協(xié)議適用請(qǐng)求--應(yīng)答方式進(jìn)行路由管理。可以在原有的路由協(xié)議中加入新的控制信息或者選項(xiàng)來(lái)處理網(wǎng)關(guān)信息而不影響現(xiàn)存的路由協(xié)議。這種修改了的路由請(qǐng)求稱作gwsol_m，對(duì)應(yīng)的應(yīng)答消息稱作gwadv_m。節(jié)點(diǎn)發(fā)送gwsol_m后從網(wǎng)關(guān)處收到包含internet網(wǎng)關(guān)信息的響應(yīng)gwadv_m。

b)使用鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議(ndp)路由器請(qǐng)求和路由器通告消息來(lái)獲得網(wǎng)關(guān)信息。節(jié)點(diǎn)通過(guò)發(fā)送gwsol_n到多播地址igw_mcast來(lái)請(qǐng)求gwadv_n。gwsol_n是manet中ipv6協(xié)議擴(kuò)展用于請(qǐng)求網(wǎng)關(guān)信息的路由器請(qǐng)求消息。gwadv_n是internet網(wǎng)關(guān)的響應(yīng)消息。

反應(yīng)式路由協(xié)議的優(yōu)勢(shì)在于只有當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)需要網(wǎng)關(guān)信息的時(shí)候才會(huì)發(fā)起網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)，沒(méi)有大量的洪泛信息。不利之處在于中繼節(jié)點(diǎn)尤其是網(wǎng)關(guān)附近的節(jié)點(diǎn)負(fù)荷很大。

先應(yīng)式網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)(proactive)

先應(yīng)式網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)是由internet網(wǎng)關(guān)發(fā)起的。網(wǎng)關(guān)以advertisement_interval間隔周期性的發(fā)送gwadv來(lái)廣播網(wǎng)關(guān)信息。所有在網(wǎng)關(guān)傳送范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)都可以收到這個(gè)通告。如果節(jié)點(diǎn)沒(méi)有到達(dá)網(wǎng)關(guān)的路由，節(jié)點(diǎn)在收到網(wǎng)關(guān)通告后在路由表中產(chǎn)生一個(gè)記錄。如果路由表中已經(jīng)存在到達(dá)網(wǎng)關(guān)的路由，節(jié)點(diǎn)就更新到網(wǎng)關(guān)的路由記錄。然后節(jié)點(diǎn)將gwadv轉(zhuǎn)發(fā)到其傳送范圍內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)。gwadv的傳播取決于manet路由協(xié)議。

先應(yīng)式網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)也有兩種類型的消息：

a)基于manet路由協(xié)議的控制消息將網(wǎng)關(guān)信息集合在控制信息gwadv_m中傳輸?？刂菩畔㈩A(yù)期能傳送到manet中的所有節(jié)點(diǎn)?？刂葡⑹侵芷谛缘暮榉合ⅰＨ魏魏榉簷C(jī)制都可以散布gwadv_m。

b)基于ndp的通告消息將網(wǎng)關(guān)信息包括在ndp的路由器通告消息（gwadv_n）中。任何洪泛機(jī)制都可以散布gwadv_n。網(wǎng)關(guān)周期性的散布gwadv_n。

manet網(wǎng)絡(luò)的資源很有限。在先應(yīng)式網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)中，網(wǎng)關(guān)信息周期性的洪泛到整個(gè)manet網(wǎng)絡(luò)，開(kāi)銷很大，將占用大量的資源。

混合式網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)(hybrid)

為了減少先應(yīng)式網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)和反應(yīng)式網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)的不足，可以將這兩種方法結(jié)合起來(lái)。在internet網(wǎng)關(guān)附近一定范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)使用先應(yīng)式網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)，在這個(gè)范圍之外的節(jié)點(diǎn)使用反應(yīng)式網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)來(lái)獲得網(wǎng)關(guān)信息。

在距網(wǎng)關(guān)跳數(shù)為advertisement_zone的范圍內(nèi)，網(wǎng)關(guān)以advertisement_interval間隔周期性的發(fā)送gwadv來(lái)廣播網(wǎng)關(guān)信息。在網(wǎng)關(guān)傳輸范圍內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)都可以收到gwadv。如果節(jié)點(diǎn)沒(méi)有到達(dá)網(wǎng)關(guān)的路由，節(jié)點(diǎn)在收到gwadv后在路由表中產(chǎn)生一個(gè)記錄。如果路由表中存在到達(dá)網(wǎng)關(guān)的路由，節(jié)點(diǎn)就更新到網(wǎng)關(guān)的路由記錄。然后，節(jié)點(diǎn)將gwadv轉(zhuǎn)發(fā)到其傳輸范圍內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)。

在advertisement_zone 范圍之外的節(jié)點(diǎn)如果要獲得網(wǎng)關(guān)信息，節(jié)點(diǎn)就廣播網(wǎng)關(guān)請(qǐng)求(gwsol)到網(wǎng)關(guān)多播地址all_manet_gw_multicast。中間節(jié)點(diǎn)收到gwsol后繼續(xù)廣播。網(wǎng)關(guān)在收到請(qǐng)求后單播gwadv到發(fā)起請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)。源節(jié)點(diǎn)收到gwadv后可以從中獲得internet網(wǎng)關(guān)信息。

仿真環(huán)境

我們通過(guò)仿真對(duì)先應(yīng)式網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)式網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)，混合式網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)進(jìn)行比較。

manet內(nèi)有15個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，2個(gè)網(wǎng)關(guān)，分布在800m 500m的矩形區(qū)域內(nèi)。仿真時(shí)間為900秒。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)采用aodv路由協(xié)議。采用恒定比特率發(fā)送數(shù)據(jù)分組，分組大小為512個(gè)字節(jié)，發(fā)送間隔0.2秒。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度為10米/秒。

主要的性能判矩如下:

a)分組傳送率：目的節(jié)點(diǎn)接收到的分組數(shù)與源節(jié)點(diǎn)發(fā)出的分組數(shù)之比。

b)端到端時(shí)延：目的節(jié)點(diǎn)收到分組的時(shí)間與源節(jié)點(diǎn)發(fā)出該分組的時(shí)間之差。

c)系統(tǒng)開(kāi)銷。

仿真結(jié)果

1)advertisement_interval在2~60秒之間變化時(shí)，分組傳送率的比較。
從圖2中可以看出，三種網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)方法的分組傳送率都比較高，在99.7%以上。其中混合式網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)和先應(yīng)式網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)比反應(yīng)式網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)的分組傳送率略高。這是因?yàn)樵诨旌鲜骄W(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)和先應(yīng)式網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)中，internet網(wǎng)關(guān)周期性地廣播網(wǎng)關(guān)信息，節(jié)點(diǎn)可以較快的更新路由，這樣就減少了因?yàn)槁窂綌嚅_(kāi)沒(méi)有及時(shí)更新路由造成的分組丟失。隨著廣播間隔的增大，混合式網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)和先應(yīng)式網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)路由更新的頻率減小，因此分組傳送率也略有所下降。反應(yīng)式網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)是由源節(jié)點(diǎn)發(fā)起路由更新，路由更新與廣播間隔無(wú)關(guān)，所以分組傳送率不隨廣播間隔變化，在圖中看到的就是一條直線。

從上面的分析比較中可以看出，先應(yīng)式網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)和混合式網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)的分組傳送率和端到端時(shí)延都比反應(yīng)式網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)要好，而反應(yīng)式網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)比先應(yīng)式網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)和混合式網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)的系統(tǒng)開(kāi)銷要小。我們可以根據(jù)系統(tǒng)性能的要求選擇不同的網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)方法。

internet網(wǎng)關(guān)可以提供manet與internet連接的方法，可以有效的解決兩種網(wǎng)絡(luò)之間相互訪問(wèn)的問(wèn)題，適應(yīng)未來(lái)多種網(wǎng)絡(luò)的融合和無(wú)處不在的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)。