基于MANET網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)協(xié)議

李 博， 張 麗， 張 辰

（北京工業(yè)大學(xué) 軟件學(xué)院，北京 100124）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無線移動(dòng)設(shè)備很快的走入了我們的生活，無線網(wǎng)絡(luò)無處不在。蜂窩式網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙技術(shù)、Wi-Fi技術(shù)相繼出現(xiàn)，這些技術(shù)的出現(xiàn)方便了我們的生活，這些技術(shù)的同時(shí)也又繼續(xù)促進(jìn)了無線通信技術(shù)的發(fā)展。 MANET（Mobile Ad_hoc Network）又名 Ad_hoc 網(wǎng)絡(luò)[1]，是一種特殊的無線通信方式，網(wǎng)絡(luò)無需提前布置，不需要依賴其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。節(jié)點(diǎn)通過分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)各自的行為自動(dòng)調(diào)節(jié)，節(jié)點(diǎn)可以快速自動(dòng)的加入到網(wǎng)絡(luò)中?，F(xiàn)有的服務(wù)發(fā)布發(fā)現(xiàn)協(xié)議大多是基于固定網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的，由于固網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞€(wěn)定，設(shè)備通常不會(huì)突然的加入或離開網(wǎng)絡(luò)，而且固網(wǎng)的帶寬充裕請(qǐng)求響應(yīng)速度快，網(wǎng)絡(luò)中設(shè)有中服務(wù)管理實(shí)體，也無需考慮報(bào)文開銷和能源的消耗問題。在MANET網(wǎng)絡(luò)中卻沒有以上特點(diǎn)，由于對(duì)移動(dòng)終端性能和能量問的考慮，需要盡可能減小報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)，控制移動(dòng)終端的開銷。如何解決這些問題是MANET網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)協(xié)議解決的重要問題。

目前Wi-Fi應(yīng)經(jīng)是移動(dòng)終端必不可少的組成部分，MANET網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)在于，網(wǎng)絡(luò)無需提前布置，不需要依賴其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。節(jié)點(diǎn)通過分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)各自的行為自動(dòng)調(diào)節(jié)，節(jié)點(diǎn)開機(jī)后可以快速自動(dòng)的加入到網(wǎng)絡(luò)中。將來對(duì)MANET網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求也會(huì)越來越多。

1 MANET網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)發(fā)布發(fā)現(xiàn)協(xié)議

現(xiàn)有的服務(wù)發(fā)布發(fā)現(xiàn)協(xié)議大多是基于固定網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的，由于固網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞€(wěn)定，設(shè)備通常不會(huì)突然的加入或離開網(wǎng)絡(luò)，而且固網(wǎng)的帶寬充裕請(qǐng)求響應(yīng)速度快，網(wǎng)絡(luò)中設(shè)有中心服務(wù)管理實(shí)體[2]。

在MANET網(wǎng)絡(luò)中卻沒有以上特點(diǎn)，新節(jié)點(diǎn)加入到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中提供的服務(wù)一無所知，節(jié)點(diǎn)需要通過服務(wù)發(fā)現(xiàn)獲取網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)服務(wù)信息。MANET網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)間移動(dòng)頻繁，節(jié)點(diǎn)通常會(huì)快速加入或者離開網(wǎng)絡(luò)，這就造成了服務(wù)的可靠性差，而且沒有穩(wěn)定的中心服務(wù)器來管理和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)目錄。

MANET網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)協(xié)議依據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，主要可分為基于服務(wù)協(xié)調(diào)器的服務(wù)協(xié)議和基于分布式的服務(wù)協(xié)議[4]兩類。

基于協(xié)調(diào)器的服務(wù)協(xié)議是在網(wǎng)絡(luò)中存在能力較強(qiáng)的設(shè)備，不會(huì)突然加入或者離開網(wǎng)絡(luò)，這些設(shè)備類似于固網(wǎng)中的中心服務(wù)管理實(shí)體，有更高的支配能力，選擇這些設(shè)備做為ad_hoc網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)協(xié)調(diào)器，為服務(wù)提供者提供注冊(cè)并管理這些服務(wù)信息，服務(wù)的使用者可以通過服務(wù)協(xié)調(diào)器來發(fā)現(xiàn)服務(wù)。服務(wù)協(xié)調(diào)器在網(wǎng)絡(luò)中的位置和功能與固網(wǎng)的中心服務(wù)管理實(shí)體相似。由于無線網(wǎng)絡(luò)的特性，可以向其覆蓋范圍內(nèi)的所有設(shè)備進(jìn)行廣播通知，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)向網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備告知其存在的位置，如圖1所示服務(wù)協(xié)調(diào)器可以向節(jié)點(diǎn)A、B、C通告其存在的位置信息，而不在服務(wù)協(xié)調(diào)器覆蓋范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)則通知不到。服務(wù)的提供者節(jié)點(diǎn)A收到服務(wù)協(xié)調(diào)器發(fā)來的通知消息后，如果節(jié)點(diǎn)A有可提供服務(wù)，節(jié)點(diǎn)A會(huì)向服務(wù)協(xié)調(diào)器注冊(cè)服務(wù)地址以及服務(wù)描述等信息。其中一個(gè)客戶節(jié)點(diǎn)C接到服務(wù)協(xié)調(diào)器的通知消息后，若有查找服務(wù)需求時(shí)，會(huì)向服務(wù)協(xié)調(diào)器發(fā)出服務(wù)請(qǐng)求，服務(wù)協(xié)調(diào)器接到請(qǐng)求會(huì)將服務(wù)提供者節(jié)點(diǎn)A的信息通知節(jié)點(diǎn)C，節(jié)點(diǎn)C與節(jié)點(diǎn)A建立連接，獲取所需要的服務(wù)。

圖1 基于協(xié)調(diào)器的服務(wù)模型Fig.1 Coordinator-based service model

基于分布式的服務(wù)協(xié)議，適用于在MANET網(wǎng)絡(luò)中沒有適合擔(dān)任協(xié)調(diào)服務(wù)器的終端，網(wǎng)絡(luò)間各個(gè)設(shè)備是對(duì)等的，每個(gè)設(shè)備即是客戶又是服務(wù)管理器，這種服務(wù)模式優(yōu)點(diǎn)在于網(wǎng)絡(luò)之間設(shè)備更加靈活的加入和離開網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的抗毀能力更強(qiáng)。如圖2所示當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)多個(gè)服務(wù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)A、節(jié)點(diǎn)B、節(jié)點(diǎn)C同時(shí)都是服務(wù)的提供者，同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)中廣播服務(wù)消息，只要是在覆蓋外圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)都會(huì)收到服務(wù)消息。分布式服務(wù)協(xié)議的特點(diǎn)是服務(wù)提供者發(fā)出廣播消息后，所有節(jié)點(diǎn)都會(huì)響應(yīng)，由于這個(gè)原因，分布式服務(wù)協(xié)議關(guān)鍵問題在于如何管理好網(wǎng)絡(luò)之間的服務(wù)消息，防止服務(wù)消息發(fā)布重復(fù)，以及如何更好的利用有限網(wǎng)絡(luò)帶寬資源以及寶貴的能量。

圖2 分布式的服務(wù)模型Fig.2 Distributed-based services model

基于服務(wù)協(xié)調(diào)器的服務(wù)發(fā)現(xiàn)模式，優(yōu)點(diǎn)在于在MANET網(wǎng)絡(luò)中存在集中服務(wù)，便于服務(wù)目錄的管理。缺點(diǎn)是由于服務(wù)協(xié)調(diào)器的存在使得MANET網(wǎng)絡(luò)的自組織性降低，網(wǎng)絡(luò)的抗毀性能差。而基于分布式的服務(wù)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)的健壯性強(qiáng)，不需要專門的協(xié)調(diào)器處理服務(wù)信息，但是當(dāng)隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，在網(wǎng)絡(luò)中消息泛洪會(huì)增加，造成網(wǎng)絡(luò)阻塞，服務(wù)發(fā)現(xiàn)延遲將會(huì)跟顯著。所以如何權(quán)衡這兩種服務(wù)模式的優(yōu)缺點(diǎn)是MANET網(wǎng)絡(luò)下服務(wù)協(xié)議的重要課題。

2 OLSR協(xié)議分析

OLSR（Optimized Link State Routing）即最優(yōu)化鏈路狀態(tài)協(xié)議，對(duì)鏈路狀態(tài)算法進(jìn)行了很大的優(yōu)化，每個(gè)節(jié)點(diǎn)使用本地信息為分組選擇輸出路由，使用MPR（MultiPoint Relay）節(jié)點(diǎn)是OLSR協(xié)議最主要的特點(diǎn)，為了減少網(wǎng)絡(luò)中消息報(bào)文的開銷，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都在自己的鄰居節(jié)點(diǎn)中選擇一部分來做自己的MPR節(jié)點(diǎn)，MPR節(jié)點(diǎn)將TC（Topology Conctrol）控制消息從一個(gè)節(jié)點(diǎn)泛洪到整網(wǎng)絡(luò)上，在消息泛洪的過程中，只有被選舉為MPR的節(jié)點(diǎn)才能夠轉(zhuǎn)發(fā)接收到的消息，這個(gè)算法減少了區(qū)域內(nèi)將一條消息消息泛洪到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)所需要的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)[6]。

MPR的選擇是一種選舉出MPR節(jié)點(diǎn)集合的計(jì)算方法，通過被選舉出來的MPR節(jié)點(diǎn)集合，能夠使得源節(jié)點(diǎn)通過MPR節(jié)點(diǎn)集合，將消息廣播到所有對(duì)稱嚴(yán)格二跳鄰居節(jié)點(diǎn)（strict 2-hop Neighbor），在MPR選舉的算法中盡可能少的選舉MPR節(jié)點(diǎn)，這樣能做到最大優(yōu)化消息的泛洪機(jī)制，如圖3所示。

圖3 MPR節(jié)點(diǎn)選擇Fig.3 The MPR nod select

3 基于OLSR的服務(wù)發(fā)布發(fā)現(xiàn)協(xié)議設(shè)計(jì)

根據(jù)OSLR路由協(xié)議中MPR節(jié)點(diǎn)的特性，在MANET網(wǎng)絡(luò)中存在若干MPR節(jié)點(diǎn)，這些MPR節(jié)點(diǎn)能夠形成一個(gè)從給定節(jié)點(diǎn)到達(dá)網(wǎng)絡(luò)中任何節(jié)點(diǎn)的路由，OLSR路由協(xié)議使用MPR算法優(yōu)化了消息在網(wǎng)絡(luò)中的泛洪，尤其隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大優(yōu)化的效果越明顯[5]。MPR節(jié)點(diǎn)的選擇算法中，避免單項(xiàng)鏈路，實(shí)現(xiàn)雙向通信。MPR節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)TC消息，普通節(jié)點(diǎn)只接受TC消息，但是并不轉(zhuǎn)發(fā)TC消息。

基于OLSR的服務(wù)發(fā)布發(fā)現(xiàn)協(xié)議利用網(wǎng)絡(luò)中只有MPR節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)TC消息的特點(diǎn)，將服務(wù)描述消息在網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間廣播，如圖4所示。服務(wù)發(fā)布和發(fā)現(xiàn)方式被分為主動(dòng)和被動(dòng)兩種模式。主動(dòng)模式下，當(dāng)MANET網(wǎng)絡(luò)中其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為服務(wù)提供者向網(wǎng)絡(luò)中地址組播服務(wù)消息，在消息在網(wǎng)絡(luò)廣播時(shí)，普通節(jié)點(diǎn)接收服務(wù)消息，將服務(wù)消息存入本地?cái)?shù)據(jù)庫，服務(wù)發(fā)現(xiàn)模塊展現(xiàn)數(shù)據(jù)庫中服務(wù)信息，在這個(gè)過程中普通節(jié)點(diǎn)僅接收并將消息存儲(chǔ)到本地?cái)?shù)據(jù)空中，并不繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)消息。當(dāng)MANET網(wǎng)絡(luò)中MPR節(jié)點(diǎn)接收到服務(wù)消息后，首先會(huì)同樣接收并將消息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，然后MPR節(jié)點(diǎn)還負(fù)責(zé)將接收到的服務(wù)消息向下一跳節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)。在被動(dòng)模式下，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)需要某種類型服務(wù)時(shí)，其會(huì)向網(wǎng)絡(luò)廣播服務(wù)請(qǐng)求消息，與主動(dòng)模式類似，普通節(jié)點(diǎn)只負(fù)責(zé)接收請(qǐng)求消息并在查詢服務(wù)響應(yīng)服務(wù)請(qǐng)求，若有匹配服務(wù)時(shí)MPR節(jié)點(diǎn)除了接收服務(wù)消息并查詢服務(wù)相應(yīng)服務(wù)請(qǐng)求，還繼續(xù)向下一跳鄰近節(jié)點(diǎn)廣播服務(wù)請(qǐng)求消息。

圖4 服務(wù)消息發(fā)送Fig.4 Send service messages

4 節(jié)點(diǎn)模型設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有服務(wù)發(fā)布模塊、服務(wù)發(fā)現(xiàn)模塊、服務(wù)管理器、服務(wù)注冊(cè)庫以及服務(wù)信息廣播、服務(wù)信息接收模塊，如圖5所示。無論是服務(wù)的提供者還是服務(wù)的使用者都維護(hù)著本地服務(wù)注冊(cè)庫，數(shù)據(jù)庫存放節(jié)點(diǎn)本身的服務(wù)信息，同時(shí)也存放其他節(jié)點(diǎn)發(fā)布的服務(wù)信息。服務(wù)注冊(cè)庫內(nèi)的服務(wù)信息由服務(wù)管理器負(fù)責(zé)管理和維護(hù)。所有在注冊(cè)庫中的服務(wù)都有一個(gè)有效時(shí)間TTL（Time to live），有效時(shí)間為一個(gè)服務(wù)的生存時(shí)間，TTL值為整數(shù)由服務(wù)提供者在發(fā)布消息時(shí)設(shè)定初始數(shù)值。服務(wù)管理器定期刷新 TTL數(shù)值，將TTL數(shù)值減一，并將TTL=0的服務(wù)刪除，在生命期有效期間，再一次接收到這條服務(wù)信息TTL數(shù)值刷新。

圖5 節(jié)點(diǎn)模型結(jié)構(gòu)圖Fig.5 The structure of node's model

服務(wù)消息描和服務(wù)傳輸述引入Web服務(wù)的設(shè)計(jì)理念[3]，服務(wù)描述信息基于XML，以SOAP作為消息的傳送協(xié)議，利用HTTP協(xié)議交換SOAP消息。服務(wù)提供者將XML消息封裝到SOAP信封，SOAP信封作為HTTP消息的本體，HTTP消息作為TCP數(shù)據(jù)流，與服務(wù)的使用者建立連接。服務(wù)的使用者開啟一個(gè)監(jiān)聽線程，HTTP監(jiān)聽程將監(jiān)聽到的HTTP消息發(fā)送給SOAP處理模塊，并處理接收到的消息信息。

5 可靠性分析

基于OLSR的服務(wù)發(fā)布發(fā)現(xiàn)采用完全分布式的服務(wù)模型，路由協(xié)議采用主動(dòng)式路由協(xié)議繼承了鏈路狀態(tài)算法的穩(wěn)定性，為表格驅(qū)動(dòng)，主動(dòng)式路由協(xié)議能夠在拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中與其他拓?fù)涔?jié)點(diǎn)交換信息，所以O(shè)LSR路由協(xié)議在需要路由連接的時(shí)候能夠快速的得到路由，從而獲得網(wǎng)絡(luò)中服務(wù)消息。因此網(wǎng)絡(luò)中服務(wù)的有較高的可靠性，不會(huì)因?yàn)槠渌?jié)點(diǎn)的突然離開而丟失服務(wù)信息。服務(wù)發(fā)布過程中，服務(wù)發(fā)布者會(huì)把服務(wù)的信息注冊(cè)到所有可接受消息范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)上，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間會(huì)存在相同的服務(wù)信息，產(chǎn)生較高的冗余?；贠LSR的服務(wù)發(fā)布發(fā)現(xiàn)協(xié)議的數(shù)據(jù)庫分為兩部分一部分是本地注冊(cè)信息，存儲(chǔ)本地注冊(cè)的服務(wù)信息，服務(wù)管理器不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)庫中的TTL值刷新，用于產(chǎn)生服務(wù)消息廣播到網(wǎng)絡(luò)。另一部分為全局?jǐn)?shù)據(jù)庫，存儲(chǔ)和維護(hù)其他服務(wù)提供者發(fā)布的服務(wù)消息，服務(wù)管理器會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)的TTL值刷新，將TTL值為零的消息刪除。

6 結(jié)束語

文中基于ORSL路由協(xié)議設(shè)計(jì)了一種MANET網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)發(fā)布發(fā)現(xiàn)協(xié)議，該協(xié)議利用了OLSR協(xié)議中MPR節(jié)點(diǎn)的這一特性，將服務(wù)消息廣播到MANET網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)，有效的減少了網(wǎng)絡(luò)中消息的泛洪。

基于ORSL的MANET網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)發(fā)布發(fā)現(xiàn)協(xié)議是完全分布式的服務(wù)模型中沒有專門的服務(wù)協(xié)調(diào)器管理服務(wù)，具有更強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的抗毀能力的優(yōu)點(diǎn)，但是基于完全分布式的服務(wù)模型的網(wǎng)絡(luò)安全問題也突顯出來，如何保證信息的安全以及其他節(jié)點(diǎn)的安全是需要進(jìn)一步研究的重要課題。

[1]陳琳星，曾曦，曹毅.移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)-自組織分組無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].2版.北京:電子工業(yè)出版社，2012.

[2]伍仁勇，付彬.網(wǎng)絡(luò)交換與路由[M].湖南：湖南大學(xué)出版社，2011.

[3]帕派佐格羅著.Web服務(wù)原理和技術(shù)[M].龔玲，張?jiān)茲?，等譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[4]張程，朱慶生，陳自郁，等.面向移動(dòng)自組網(wǎng)的Web服務(wù)元數(shù)據(jù)描述[J].四川:計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2009（11）：4119-4123，4127.

ZHANG Cheng，ZHU Qing-sheng，CHEN Zi-yu，et al.Meta-data description of Web service in MANET[J].SiChuan:Application Research of Computers，2009（11）：4119-4123，4127.

[5]Medina，Andres，Bohacek，etal.Performance modelof flooding in OLSR[R].Bodrum，Turkey:7th ACM Symposium on Performance Evaluation of Wireless Ad Hoc， Sensor，and Ubiquitous Networks， PE-WASUN’10， Co-located with MSWiM’10，2010.

[6]Hammoshi，Mayyada.Measuring OLSR performance factors with different scale networks[J].Korea:International Journal of Advancements in Computing Technology，2012.