探討移動(dòng)自組網(wǎng)IP地址自動(dòng)配置協(xié)議的研究

廖昀

摘 要：本文對(duì)移動(dòng)自組網(wǎng)中IP地址自動(dòng)分配技術(shù)進(jìn)行了介紹，并列舉出了移動(dòng)自組網(wǎng)中IP地址自動(dòng)配置協(xié)議的共同特點(diǎn)，簡要分析了幾種典型的移動(dòng)自組網(wǎng)IP地址自動(dòng)配置協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)與不足之處。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)自組網(wǎng)； 無線節(jié)點(diǎn)； IP地址； 自動(dòng)分配算法

中圖分類號(hào)：TN915 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 IP地址自動(dòng)分配技術(shù)簡介

移動(dòng)自組網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)的IP地址自動(dòng)分配技術(shù)就是在分布式運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)中，新加入的節(jié)點(diǎn)通過向網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)存在的節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)自己的IP地址，或通過自身所獲取的網(wǎng)絡(luò)IP地址信息并進(jìn)行相關(guān)的運(yùn)算，得出自己可用的IP地址，進(jìn)而為自己進(jìn)行IP地址配置的協(xié)議。通過以上描述得出，移動(dòng)自組網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)的IP地址自動(dòng)配置需要通過節(jié)點(diǎn)自身已有的信息和網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)已有的信息相互協(xié)助共同完成。由于移動(dòng)自組網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)能夠隨機(jī)移動(dòng)，并且該網(wǎng)絡(luò)不存在集中的地址管理節(jié)點(diǎn)，因此網(wǎng)絡(luò)中新加入的節(jié)點(diǎn)正在尋求一種方式來自動(dòng)完成IP地址的配置。移動(dòng)自組網(wǎng)的IP地址自動(dòng)分配是在某些已存在節(jié)點(diǎn)的協(xié)同作用下共同完成的，并不是僅僅依賴于網(wǎng)絡(luò)中固定的IP地址管理節(jié)點(diǎn)。

2 移動(dòng)自組網(wǎng)中IP地址自動(dòng)配置協(xié)議的特點(diǎn)

由移動(dòng)自組網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)IP地址自動(dòng)配置的含義可知，移動(dòng)自組網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)的IP地址自動(dòng)配置協(xié)議具有如下特點(diǎn)：

（1）自組織。由于移動(dòng)自組網(wǎng)是一種節(jié)點(diǎn)經(jīng)常變化、無中心節(jié)點(diǎn)的無線網(wǎng)絡(luò)，移動(dòng)自組網(wǎng)中IP地址自動(dòng)配置協(xié)議能夠在這種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中完成每個(gè)節(jié)點(diǎn)的IP地址自動(dòng)配置過程。

（2）分布式。由于移動(dòng)自組網(wǎng)是一種分布式的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的IP地址自動(dòng)配置協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)或幾個(gè)節(jié)點(diǎn)共同參與完成的，網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有可能是節(jié)點(diǎn)IP地址自動(dòng)配置協(xié)議中的一部分。

（3）自愈性。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中可用IP地址耗盡，移動(dòng)自組網(wǎng)中IP地址自動(dòng)配置協(xié)議能夠獲得新的可用地址，從而使IP地址自動(dòng)配置過程不會(huì)因?yàn)閘P資源的耗盡而終止。

（4）抗毀性。因?yàn)槟承┰驅(qū)е戮W(wǎng)絡(luò)中的某些節(jié)點(diǎn)無法進(jìn)行通信時(shí)，新加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)也能完成IP地址自動(dòng)配置過程。

3 幾種典型的移動(dòng)自組網(wǎng)IP地址自動(dòng)配置協(xié)議

（1）基于硬件地址的IP地址分配

基于硬件地址的IP地址分配協(xié)議是采用基于硬件MAC地址的已知網(wǎng)絡(luò)前綴和后綴組成的IP地址。此協(xié)議認(rèn)為每塊以太網(wǎng)卡的硬件地址具有唯一性，所以網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的IP地址不能產(chǎn)生重復(fù)。但是該協(xié)議應(yīng)該注意以下情況：①移動(dòng)自組網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)的硬件地址有可能不是采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)MAC地址，而是使用其它格式的硬件地址；②無法保證MAC地址的唯一性，因?yàn)橥ㄟ^ifconfig命令或重編EEPROM可以改變網(wǎng)卡的MAC地址；③相同生產(chǎn)廠家制造的多塊網(wǎng)卡的MAC地址有可能相同；④由于IP地址中隱含著硬件地址，所以通過節(jié)點(diǎn)的IP地址就能推出節(jié)點(diǎn)的MAC地址，這就使節(jié)點(diǎn)的安全性受到威脅。因此，采用基于硬件地址為節(jié)點(diǎn)自動(dòng)配置IP地址的方法存在不足之處。

（2）預(yù)知地址分配法

基于預(yù)知地址分配法的IP地址分配協(xié)議的原理是，首先網(wǎng)絡(luò)中的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)選擇一個(gè)能夠產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的函數(shù)f（n），由此函數(shù)產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)作為節(jié)點(diǎn)的IP地址，函數(shù)f（n）需要很長的時(shí)間間隔才能產(chǎn)生兩個(gè)相同的隨機(jī)數(shù)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有新節(jié)點(diǎn)加入時(shí)，該節(jié)點(diǎn)便向網(wǎng)絡(luò)中已存在節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)IP地址，網(wǎng)絡(luò)中已存在的節(jié)點(diǎn)便通過函數(shù)f（n）生成一個(gè)隨機(jī)的IP地址，然后將該IP地址回復(fù)給網(wǎng)絡(luò)中新加入的節(jié)點(diǎn)，下一個(gè)新加入節(jié)點(diǎn)的IP地址自動(dòng)配置以此類推。此方法中函數(shù)f（n）能夠產(chǎn)生的IP地址數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)。雖然函數(shù)f（n）需要較長的間隔時(shí)間才能生成兩個(gè)相同IP地址，但是伴隨移動(dòng)自組網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)移動(dòng)、節(jié)點(diǎn)間位置關(guān)系的不斷變化，最終有可能導(dǎo)致不同節(jié)點(diǎn)間的IP地址沖突。

（3）MANETconf協(xié)議

在MANETconf協(xié)議中，移動(dòng)自組網(wǎng)中的所有節(jié)點(diǎn)都保存著兩張表：可分配IP地址表和已分配IP地址表，節(jié)點(diǎn)間周期性的通過廣播的形式使新這兩張表中的信息達(dá)到同步。網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)僅存在一個(gè)節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)便從可分配IP地址表中選取一個(gè)IP地址完成自身地址的配置。以后網(wǎng)絡(luò)中新加入的節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)中已存在的鄰居節(jié)點(diǎn)來為自身配置IP地址，鄰居節(jié)點(diǎn)選擇1個(gè)未分配的地址（該地址存在于可分配IP地址表中但不在已分配IP地址表中），隨后向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)廣播一種特定的消息，來請(qǐng)求所有節(jié)點(diǎn)的同意，在網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)都認(rèn)為該IP地址沒有被使用的前提下，鄰居節(jié)點(diǎn)回復(fù)該IP地址給新加入的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)，同步所有節(jié)點(diǎn)的已分配IP地址表。否則，它將重新選取地址并進(jìn)行上述過程。

該協(xié)議采用廣播的方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的IP地址表信息進(jìn)行更新，有效避免了IP地址沖突，但是具有很大開銷；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中加入新節(jié)點(diǎn)時(shí)，選擇的鄰居節(jié)點(diǎn)需要在征求網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點(diǎn)的同意后，才能給新加入節(jié)點(diǎn)分配預(yù)選好的地址，具有較大的配置延時(shí)；此外，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，此協(xié)議的時(shí)延和開銷明顯增加，該算法不具有很好的擴(kuò)展性。

（4）PMWRS算法

由Perkins，Malinen，Wakikawa，RoyerandSun等人研究的一個(gè)為移動(dòng)自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)配置IP地址的方法，簡稱其為PMWRS算法。該算法的原理是，網(wǎng)絡(luò)中新加入的節(jié)點(diǎn)在IP地址池169.254/16中隨機(jī)選取一個(gè)IP地址，然后在網(wǎng)絡(luò)中泛洪達(dá)到該地址的請(qǐng)求報(bào)文，并啟動(dòng)計(jì)時(shí)器。如果在計(jì)時(shí)器超時(shí)后，新加入節(jié)點(diǎn)沒有收到任何節(jié)點(diǎn)的地址回復(fù)報(bào)文，該節(jié)點(diǎn)重新發(fā)送地址請(qǐng)求報(bào)文。如果節(jié)點(diǎn)進(jìn)行幾次嘗試后，還是沒有收到地址回復(fù)報(bào)文，該節(jié)點(diǎn)就認(rèn)為它所選的IP地址沒有被其它節(jié)點(diǎn)使用，并為自己配置該IP地址。但是PMWRS算法也存在著缺陷。

使用PMWRS算法的節(jié)點(diǎn)在泛洪地址請(qǐng)求報(bào)文后，如果在一定的時(shí)間內(nèi)沒有收到相應(yīng)的應(yīng)答報(bào)文，節(jié)點(diǎn)就以為它所選的IP地址沒有被其它節(jié)點(diǎn)使用。但是選取計(jì)時(shí)器超時(shí)時(shí)間是一個(gè)難題。計(jì)時(shí)器超時(shí)時(shí)間太短則地址請(qǐng)求報(bào)文不能夠被網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)接收到。為了解決這個(gè)問題，計(jì)時(shí)器的超時(shí)時(shí)間應(yīng)與移動(dòng)自組網(wǎng)中的總節(jié)點(diǎn)數(shù)成正比。這樣，大型的移動(dòng)自組網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)的IP地址自動(dòng)配置延時(shí)將會(huì)很長。

（5）PACMAN算法

PACMAN算法中節(jié)點(diǎn)采用了PDAD的方式以避免進(jìn)行DAD（主動(dòng)沖突檢測）所導(dǎo)致的大量開銷。新加入到網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)從地址空間中為自己選取1個(gè)IP地址。該算法通過分析節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由更新時(shí)的數(shù)據(jù)信息，尋找存在地址重復(fù)時(shí)才可能發(fā)生的事件來發(fā)現(xiàn)地址沖突，并采取相應(yīng)措施進(jìn)行處沖突理。例如在典型的鏈路狀態(tài)路由協(xié)議中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要周期性地交換含有序列號(hào)、源地址等信息鏈路狀態(tài)消息。假如鏈路狀態(tài)消息中每個(gè)節(jié)點(diǎn)序列號(hào)的變化都是有規(guī)律的，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)收到的某條鏈路狀態(tài)消息中具有與自己的IP地址相同的源地址，消息中的序列號(hào)大于自己當(dāng)前的序列號(hào)，則該節(jié)點(diǎn)確定網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生地址沖突。

在地址分配過程中不產(chǎn)生控制信息是該算法的最大特點(diǎn)，該算法通過特有的路由事件來判斷地址沖突，并采取相應(yīng)的措施處理地址沖突，具有較小的協(xié)議開銷。但該算法需要的IP地址數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于網(wǎng)絡(luò)中存在的節(jié)點(diǎn)數(shù)，否則容易導(dǎo)致地址沖突，引入沖突處理算法會(huì)增大協(xié)議的開銷。此外，該算法的實(shí)現(xiàn)針對(duì)具體的路由協(xié)議，適應(yīng)范圍過于狹窄。

（6）Ipv6Stateless協(xié)議

這類算法的共同特點(diǎn)是對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)先進(jìn)行分群，一個(gè)群中的所有節(jié)點(diǎn)相距小于或等于r跳，根據(jù)節(jié)點(diǎn)鄰居數(shù)目的多少來選舉群首節(jié)點(diǎn)，孤立節(jié)點(diǎn)自立為群首。所有群內(nèi)節(jié)點(diǎn)屬于同一個(gè)子網(wǎng)，群首節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇一個(gè)子網(wǎng)ID，為了保證該子網(wǎng)ID的唯一性，該群首節(jié)點(diǎn)在所有群首節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行DAD（主動(dòng)沖突檢測）。群首節(jié)點(diǎn)在確定下子網(wǎng)ID后，便向群內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)周期性地廣播子網(wǎng)ID。新加入到網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)首先選擇一個(gè)臨時(shí)IP地址，并以該IP地址在群內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行主動(dòng)檢測沖突，如果發(fā)生地址沖突，則節(jié)點(diǎn)重新選擇臨時(shí)地址，并進(jìn)行主動(dòng)檢測沖突，如果沒有發(fā)生地址沖突，則將該臨時(shí)地址和群首廣播的子網(wǎng)ID合并為節(jié)點(diǎn)的IP地址。

該算法使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了分群，將子網(wǎng)ID的DAD檢測限制在群首節(jié)點(diǎn)之間，而臨時(shí)地址的DAD檢測限制在群內(nèi)，降低了協(xié)議開銷。但隨著網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化，節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)分群結(jié)構(gòu)的本身也需要很大的開銷，所以該算法并不適合于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘎×?、?jié)點(diǎn)移動(dòng)快的移動(dòng)自組網(wǎng)。

結(jié)語

本文主要針對(duì)論文研究的主要內(nèi)容，詳細(xì)闡述了移動(dòng)自組網(wǎng)IP地址自動(dòng)配置的定義，IP地址自動(dòng)配置協(xié)議的特點(diǎn)，為后面章節(jié)中提出的改進(jìn)算法做理論鋪墊。然后重點(diǎn)介紹了幾類IP地址自動(dòng)分配協(xié)議，并針對(duì)每一類IP地址自動(dòng)分配協(xié)議列舉了典型的、具有代表性的IP地址自動(dòng)分配算法進(jìn)行了簡要概述，最后對(duì)這些典型算法的優(yōu)劣進(jìn)行了簡要分析。

參考文獻(xiàn)

[1]陳愛國，張曦煌.移動(dòng)自組網(wǎng)的IP地址自動(dòng)配置技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2007，43（35）：146-149.