探討移動自組網(wǎng)IP地址自動配置協(xié)議的研究

廖 昀

（廈門億聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)股份有限公司，福建 廈門 361000）

1 IP地址自動分配技術(shù)簡介

移動自組網(wǎng)中節(jié)點的IP地址自動分配技術(shù)就是在分布式運行的網(wǎng)絡(luò)中，新加入的節(jié)點通過向網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)存在的節(jié)點申請自己的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，移動自組網(wǎng)中節(jié)點的IP地址自動配置需要通過節(jié)點自身已有的信息和網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點已有的信息相互協(xié)助共同完成。由于移動自組網(wǎng)中節(jié)點能夠隨機移動，并且該網(wǎng)絡(luò)不存在集中的地址管理節(jié)點，因此網(wǎng)絡(luò)中新加入的節(jié)點正在尋求一種方式來自動完成IP地址的配置。移動自組網(wǎng)的IP地址自動分配是在某些已存在節(jié)點的協(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。

2 移動自組網(wǎng)中IP地址自動配置協(xié)議的特點

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

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

（2）分布式。由于移動自組網(wǎng)是一種分布式的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的IP地址自動配置協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)中一個或幾個節(jié)點共同參與完成的，網(wǎng)絡(luò)中的每一個節(jié)點都有可能是節(jié)點IP地址自動配置協(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，移動自組網(wǎng)中IP地址自動配置協(xié)議能夠獲得新的可用地址，從而使IP地址自動配置過程不會因為lP資源的耗盡而終止。

（4）抗毀性。因為某些原因?qū)е戮W(wǎng)絡(luò)中的某些節(jié)點無法進(jìn)行通信時，新加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點也能完成IP地址自動配置過程。

3 幾種典型的移動自組網(wǎng)IP地址自動配置協(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移動自組網(wǎng)中節(jié)點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，因為通過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)點的IP地址就能推出節(jié)點的MAC地址，這就使節(jié)點的安全性受到威脅。因此，采用基于硬件地址為節(jié)點自動配置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)中的第一個節(jié)點選擇一個能夠產(chǎn)生隨機數(shù)的函數(shù)f（n），由此函數(shù)產(chǎn)生的隨機數(shù)作為節(jié)點的IP地址，函數(shù)f（n）需要很長的時間間隔才能產(chǎn)生兩個相同的隨機數(shù)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有新節(jié)點加入時，該節(jié)點便向網(wǎng)絡(luò)中已存在節(jié)點申請IP地址，網(wǎng)絡(luò)中已存在的節(jié)點便通過函數(shù)f（n）生成一個隨機的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，下一個新加入節(jié)點的IP地址自動配置以此類推。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)點數(shù)。雖然函數(shù)f（n）需要較長的間隔時間才能生成兩個相同IP地址，但是伴隨移動自組網(wǎng)中節(jié)點的隨機移動、節(jié)點間位置關(guān)系的不斷變化，最終有可能導(dǎo)致不同節(jié)點間的IP地址沖突。

（3）MANETconf協(xié)議

在MANETconf協(xié)議中，移動自組網(wǎng)中的所有節(jié)點都保存著兩張表：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)初始化時僅存在一個節(jié)點，該節(jié)點便從可分配IP地址表中選取一個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)點通過網(wǎng)絡(luò)中已存在的鄰居節(jié)點來為自身配置IP地址，鄰居節(jié)點選擇1個未分配的地址（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），隨后向整個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其他節(jié)點廣播一種特定的消息，來請求所有節(jié)點的同意，在網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點都認(rèn)為該IP地址沒有被使用的前提下，鄰居節(jié)點回復(fù)該IP地址給新加入的節(jié)點，同時，同步所有節(jié)點的已分配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網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的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)點時，選擇的鄰居節(jié)點需要在征求網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點的同意后，才能給新加入節(jié)點分配預(yù)選好的地址，具有較大的配置延時；此外，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大，此協(xié)議的時延和開銷明顯增加，該算法不具有很好的擴展性。

（4）PMWRS算法

由Perkins，Malinen，Wakikawa，RoyerandSun等人研究的一個為移動自組網(wǎng)節(jié)點自動配置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)點在IP地址池169.254/16中隨機選取一個IP地址，然后在網(wǎng)絡(luò)中泛洪達(dá)到該地址的請求報文，并啟動計時器。如果在計時器超時后，新加入節(jié)點沒有收到任何節(jié)點的地址回復(fù)報文，該節(jié)點重新發(fā)送地址請求報文。如果節(jié)點進(jìn)行幾次嘗試后，還是沒有收到地址回復(fù)報文，該節(jié)點就認(rèn)為它所選的IP地址沒有被其它節(jié)點使用，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)點在泛洪地址請求報文后，如果在一定的時間內(nèi)沒有收到相應(yīng)的應(yīng)答報文，節(jié)點就以為它所選的IP地址沒有被其它節(jié)點使用。但是選取計時器超時時間是一個難題。計時器超時時間太短則地址請求報文不能夠被網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點接收到。為了解決這個問題，計時器的超時時間應(yīng)與移動自組網(wǎng)中的總節(jié)點數(shù)成正比。這樣，大型的移動自組網(wǎng)中節(jié)點的IP地址自動配置延時將會很長。

（5）PACMAN算法

PACMAN算法中節(jié)點采用了PDAD的方式以避免進(jìn)行DAD（主動沖突檢測）所導(dǎo)致的大量開銷。新加入到網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點從地址空間中為自己選取1個IP地址。該算法通過分析節(jié)點進(jìn)行路由更新時的數(shù)據(jù)信息，尋找存在地址重復(fù)時才可能發(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，每個節(jié)點都需要周期性地交換含有序列號、源地址等信息鏈路狀態(tài)消息。假如鏈路狀態(tài)消息中每個節(jié)點序列號的變化都是有規(guī)律的，當(dāng)某個節(jié)點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，消息中的序列號大于自己當(dāng)前的序列號，則該節(jié)點確定網(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，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)點數(shù)，否則容易導(dǎo)致地址沖突，引入沖突處理算法會增大協(xié)議的開銷。此外，該算法的實現(xiàn)針對具體的路由協(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是對整個網(wǎng)絡(luò)先進(jìn)行分群，一個群中的所有節(jié)點相距小于或等于r跳，根據(jù)節(jié)點鄰居數(shù)目的多少來選舉群首節(jié)點，孤立節(jié)點自立為群首。所有群內(nèi)節(jié)點屬于同一個子網(wǎng)，群首節(jié)點隨機選擇一個子網(wǎng)ID，為了保證該子網(wǎng)ID的唯一性，該群首節(jié)點在所有群首節(jié)點中進(jìn)行DAD（主動沖突檢測）。群首節(jié)點在確定下子網(wǎng)ID后，便向群內(nèi)所有節(jié)點周期性地廣播子網(wǎng)ID。新加入到網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點首先選擇一個臨時IP地址，并以該IP地址在群內(nèi)所有節(jié)點間進(jìn)行主動檢測沖突，如果發(fā)生地址沖突，則節(jié)點重新選擇臨時地址，并進(jìn)行主動檢測沖突，如果沒有發(fā)生地址沖突，則將該臨時地址和群首廣播的子網(wǎng)ID合并為節(jié)點的IP地址。

該算法使整個網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了分群，將子網(wǎng)ID的DAD檢測限制在群首節(jié)點之間，而臨時地址的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)鋭討B(tài)變化，節(jié)點的移動，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×摇⒐?jié)點移動快的移動自組網(wǎng)。

結(jié)語

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

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