面向無線Mesh網(wǎng)的集中式IP地址分配方案

李 越

(西安電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院 陜西 西安 710071)

面向無線Mesh網(wǎng)的集中式IP地址分配方案

李 越

(西安電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院 陜西 西安 710071)

針對無線Mesh網(wǎng)的地址自動分配問題，考慮到網(wǎng)絡(luò)的分層特性，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，用戶需求等因素，提出了面向無線Mesh網(wǎng)的集中式IP地址分配方案。該方案發(fā)揮網(wǎng)關(guān)節(jié)點的樞紐作用，利用路由協(xié)議進(jìn)行信息同步，能夠高效地完成用戶的地址分配。同時方案考慮到了數(shù)據(jù)備份，節(jié)點意外中斷等實際問題。實驗結(jié)果證明該方案可以快速完成用戶的地址分配任務(wù)。

無線Mesh網(wǎng)(WMNs) 地址分配 路由協(xié)議 集中式分配

0 引 言

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)WMNs是一種新型的寬帶無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即一種高容量、高速率的分布式無線網(wǎng)絡(luò)。作為未來無線網(wǎng)絡(luò)理想的組網(wǎng)方式和關(guān)鍵技術(shù)之一[1]，WMNs可以應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)接入、電子商務(wù)和實時監(jiān)控等多個領(lǐng)域[2]。近些年，對于WMNs的研究主要集中在鏈路調(diào)度、路由選擇、網(wǎng)絡(luò)安全等領(lǐng)域[3-5]。為了滿足WMNs簡單易用的特點，IP地址的自動分配也是一個需要考慮的問題。

地址分配的目的是為每個加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點自動分配獨立唯一的IP地址，這是用戶能夠通過WMNs訪問互聯(lián)網(wǎng)的前提條件?，F(xiàn)有的很多地址分配方案是為同屬于無線多跳網(wǎng)絡(luò)的移動對等網(wǎng)絡(luò)MANETs設(shè)計的。與之相比，WMNs有著明確的分層結(jié)構(gòu)，更加注重易用性、高帶寬以及對互聯(lián)網(wǎng)的訪問，同時對節(jié)點移動性、能量消耗等要求不嚴(yán)格。由于WMNs的無線特性，例如DHCP[6]等傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)地址配置方案大多數(shù)無法滿足要求，雖然MANETs的地址配置方案可以應(yīng)用于WMNs，但考慮到兩種網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)區(qū)別，已有的配置方案還有很大的性能提升空間。

WMNs和MANETs之間最大的區(qū)別就是WMNs屬于分層結(jié)構(gòu)，不同層次的節(jié)點存儲、運算能力以及移動性等方面差別很大。因此地址分配方案需要將這些因素考慮在內(nèi)。比如WMNs中的網(wǎng)關(guān)節(jié)點基本保持位置不變，存儲能力、穩(wěn)定性都強于其他節(jié)點，因此非常適合用來保存全局地址池列表。另外，很多的MANETs方案都會采用全網(wǎng)范圍泛洪控制幀的方式來滿足同步要求，這會對節(jié)點造成一定的開銷。而WMNs中的用戶大多是傳統(tǒng)的802.11設(shè)備，為了保證很好的兼容性、節(jié)約設(shè)備能源，方案應(yīng)該盡量不去對這些設(shè)備進(jìn)行修改。為此，本文提出了面向WMNs的集中式地址分配協(xié)議CWCP(Centralized WMNs Configuration Protocol)。

1 地址配置協(xié)議相關(guān)研究

文獻(xiàn)[7]提出的DWCP方法利用了WMNs的分層結(jié)構(gòu)，把節(jié)點按功能分成了網(wǎng)關(guān)、路由和用戶。該方法利用網(wǎng)關(guān)之間的有線連接來傳遞地址池等信息，可以快速高效地完成地址池的分配和借用，但是實際網(wǎng)絡(luò)不一定都可以滿足這個條件。該方法沒有很好的同步機制，容易發(fā)生因節(jié)點意外中斷造成的地址丟失。根網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)地址池的初始化，一旦根網(wǎng)關(guān)發(fā)生中斷，其他輔助網(wǎng)關(guān)需要啟動競選機制重新選擇根網(wǎng)關(guān)，這要花費很多的網(wǎng)絡(luò)資源。

文獻(xiàn)[8]中的節(jié)點沒有層次結(jié)構(gòu)，原節(jié)點把自己擁有的一半地址池分給新加入的節(jié)點，每個節(jié)點都包含全網(wǎng)的地址池信息。文獻(xiàn)提出的方法利用OLSR路由協(xié)議的廣播包進(jìn)行地址池的同步更新，可以節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源。由于沒有中心節(jié)點協(xié)調(diào)，地址的租借過程比較復(fù)雜，容易出現(xiàn)地址池利用不均勻的現(xiàn)象。

文獻(xiàn)[9]提出的HTDCP方法為節(jié)點增加信任度信息，利用信任度值的大小選擇地址服務(wù)器，選出的地址服務(wù)器負(fù)責(zé)其他節(jié)點的地址分配。但是信任度只和節(jié)點的在網(wǎng)時間有關(guān)，不能很好反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的實際情況變化。由于全網(wǎng)只有一個節(jié)點可以分配地址，因此該節(jié)點負(fù)載較大，而且新節(jié)點和地址服務(wù)器節(jié)點之間可能需要經(jīng)過多跳才能實現(xiàn)地址分配，容易產(chǎn)生丟包，消耗網(wǎng)絡(luò)資源。

文獻(xiàn)[10]把節(jié)點分成配置代理和簡單節(jié)點兩類。配置代理擁有獨立的地址池，簡單節(jié)點沒有地址池，只用來在新節(jié)點和配置代理之間中繼。因此，地址分配過程可以保證在兩跳之內(nèi)完成。但是容易出現(xiàn)地址分配不均的情況，當(dāng)某個配置代理地址耗盡，需要向全網(wǎng)廣播請求信息來租借地址，從而消耗網(wǎng)絡(luò)資源。

文獻(xiàn)[11]中所有的節(jié)點需要形成一個拓?fù)錁浣Y(jié)構(gòu)。在建立拓?fù)錁浣Y(jié)構(gòu)的過程中產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)ID以及節(jié)點ID最終構(gòu)成節(jié)點的IP地址。新節(jié)點需要先加入樹形結(jié)構(gòu)中，再從父節(jié)點獲取IP地址。一旦拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，節(jié)點之間的繼承關(guān)系也會發(fā)生很大變化，容易出現(xiàn)地址分配不均的情況。地址的分配是通過公式計算得出，不是依次分配，地址池中的地址利用效率不高。

2 面向無線Mesh網(wǎng)的集中式地址分配方案

2.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)定義了四種節(jié)點類型：

網(wǎng)關(guān)節(jié)點：維護(hù)全網(wǎng)的地址池列表，為路由節(jié)點提供IP地址池。

副網(wǎng)關(guān)節(jié)點：由網(wǎng)關(guān)節(jié)點從路由節(jié)點中選出，從網(wǎng)關(guān)節(jié)點獲取備份的全網(wǎng)地址池列表，當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點失效時升級為網(wǎng)關(guān)節(jié)點，行使分配地址池的功能。

路由節(jié)點：負(fù)責(zé)用戶節(jié)點的接入，為用戶提供IP地址。

用戶節(jié)點：接入WMNs，等待被分配地址的普通802.11通用設(shè)備。

本文設(shè)計的應(yīng)用場景是以WMNs為基礎(chǔ)的。如圖1所示，該網(wǎng)絡(luò)由一臺網(wǎng)關(guān)節(jié)點、多臺路由節(jié)點構(gòu)成骨干網(wǎng)絡(luò)，用戶節(jié)點接入骨干網(wǎng)絡(luò)使用互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點和路由節(jié)點位置通常保持不變，有穩(wěn)定的能源供給，用戶節(jié)點則可以分布在網(wǎng)絡(luò)的任意位置并在任意時刻接入和離開。網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過有線連接互聯(lián)網(wǎng)，作為整個WMNs的網(wǎng)絡(luò)出口。其他路由節(jié)點通過多跳中繼的方式與網(wǎng)關(guān)節(jié)點連通，同時負(fù)責(zé)用戶節(jié)點的接入以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化不大，網(wǎng)絡(luò)分割發(fā)生的可能性很小。用戶節(jié)點采用標(biāo)準(zhǔn)的802.11方式接入某個路由節(jié)點，當(dāng)獲取到自己的IP地址以及網(wǎng)關(guān)的IP地址后才能夠正常訪問網(wǎng)絡(luò)。用戶節(jié)點是在網(wǎng)關(guān)節(jié)點和路由節(jié)點部署完成，路由協(xié)議正常運行后再接入的，這種規(guī)定符合WMNs的實際設(shè)計要求。

圖1 無線Mesh網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 網(wǎng)絡(luò)同步

為了確保分配給路由節(jié)點和用戶節(jié)點的地址不重復(fù)，地址分配方案需要有同步機制。尤其是在無線網(wǎng)絡(luò)中，鏈路質(zhì)量無法保障，丟包現(xiàn)象比較嚴(yán)重，更加依賴同步機制及時發(fā)現(xiàn)潛在的問題。傳統(tǒng)的方法是利用節(jié)點周期發(fā)送廣播包來進(jìn)行信息同步，但是這會造成很大的帶寬資源消耗。考慮到WMNs都是需要路由協(xié)議來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的，而主動式路由協(xié)議本身就需要周期發(fā)送廣播包來更新路由。因此，本文提出把地址分配方案與主動式路由協(xié)議相配合，可以在沒有額外控制包開銷的情況下，實現(xiàn)全網(wǎng)同步。

本文采用的路由是一種主動式的距離矢量路由協(xié)議。每個節(jié)點都存儲著到達(dá)其他所有節(jié)點的路由信息，路由信息包括到達(dá)目的節(jié)點的最佳下一跳節(jié)點地址、鏈路質(zhì)量、序列號以及有效時間等。最佳下一跳節(jié)點是從該節(jié)點的所有一跳鄰居節(jié)點中選擇到達(dá)目的節(jié)點鏈路質(zhì)量最好的節(jié)點。路由協(xié)議周期廣播Hello包，告知全網(wǎng)自己的信息，同時接收其他節(jié)點發(fā)送的Hello包來更新路由信息。通過這種方式，路由節(jié)點可以快速感知網(wǎng)絡(luò)的變化，這就為地址分配方案進(jìn)行同步提供了條件。

為了滿足地址分配的需要，路由協(xié)議的Hello包中除了攜帶路由信息之外，還需要添加節(jié)點信任度以及剩余可分配地址數(shù)量的信息。節(jié)點信任度定義為路由節(jié)點在網(wǎng)時長、已分配用戶節(jié)點數(shù)以及節(jié)點類型偏移量三者之和。其中在網(wǎng)時長由路由節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的起始時間決定，起始時間越早，取值越大。節(jié)點類型偏移量取值按照網(wǎng)關(guān)節(jié)點、副網(wǎng)關(guān)節(jié)點、路由節(jié)點的順序遞減。這樣形成的信任度排列次序為網(wǎng)關(guān)節(jié)點最大，副網(wǎng)關(guān)節(jié)點次之，路由節(jié)點依照自己分配的用戶節(jié)點數(shù)依次排序，分配用戶數(shù)相同時，再根據(jù)在網(wǎng)時長排序。網(wǎng)關(guān)節(jié)點可以利用節(jié)點信任度的排序進(jìn)行副網(wǎng)關(guān)節(jié)點的選擇。所有路由節(jié)點可以通過Hello包得知其他節(jié)點的剩余地址數(shù)，從而使地址池的分配、租借更加簡捷。

2.3 協(xié)議過程

2.3.1 副網(wǎng)關(guān)節(jié)點選取

由于無線網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性，任何節(jié)點包括網(wǎng)關(guān)節(jié)點都可能意外中斷，而網(wǎng)關(guān)節(jié)點又擔(dān)負(fù)著全網(wǎng)地址分配的樞紐任務(wù)，因此本文采用添加副網(wǎng)關(guān)節(jié)點的方式解決網(wǎng)關(guān)節(jié)點中斷的問題。由于全網(wǎng)地址池列表的數(shù)據(jù)規(guī)模較大，為了減少跳數(shù)、節(jié)省帶寬資源，網(wǎng)關(guān)節(jié)點定期從它的一跳鄰居節(jié)點中選取信任度值較高的節(jié)點作為副網(wǎng)關(guān)節(jié)點，并將全網(wǎng)的地址池列表發(fā)送給副網(wǎng)關(guān)節(jié)點存儲備份。當(dāng)副網(wǎng)關(guān)節(jié)點收到了數(shù)據(jù)之后就會更新自己的信任度值，并在發(fā)送路由廣播包的時候通知其他節(jié)點。副網(wǎng)關(guān)節(jié)點在網(wǎng)關(guān)節(jié)點離開網(wǎng)絡(luò)的情況下，行駛網(wǎng)關(guān)節(jié)點的功能。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點正常離開網(wǎng)絡(luò)時，會將當(dāng)前的全網(wǎng)地址池表發(fā)送給副網(wǎng)關(guān)節(jié)點，然后告知副網(wǎng)關(guān)節(jié)點行使網(wǎng)關(guān)節(jié)點的功能，負(fù)責(zé)地址的收發(fā)，其他路由節(jié)點也能夠通過路由協(xié)議得知網(wǎng)關(guān)節(jié)點的變更，之后就會向新網(wǎng)關(guān)節(jié)點進(jìn)行地址請求。網(wǎng)關(guān)節(jié)點意外中斷時，所有路由節(jié)點通過路由協(xié)議得知網(wǎng)關(guān)節(jié)點的中斷，會把當(dāng)前的副網(wǎng)關(guān)節(jié)點當(dāng)作新的網(wǎng)關(guān)節(jié)點。此時副網(wǎng)關(guān)節(jié)點存儲的全網(wǎng)地址池表可能與實際網(wǎng)絡(luò)地址不匹配，因此副網(wǎng)關(guān)節(jié)點會把路由表中的信任度、剩余地址信息與存儲的地址池表進(jìn)行對比，若發(fā)現(xiàn)不匹配的情況，副網(wǎng)關(guān)節(jié)點向相應(yīng)的路由節(jié)點發(fā)送地址池同步請求，從而保證全網(wǎng)地址池表的準(zhǔn)確性。

2.3.2 地址分配

根據(jù)網(wǎng)關(guān)節(jié)點在為用戶分配地址中起到的作用，本方案采用主動式和被動式兩種分配方式。二者的數(shù)據(jù)包發(fā)送流程見圖2所示。

圖2 地址分配示意圖

網(wǎng)關(guān)節(jié)點定期從路由信息中獲取其他節(jié)點的剩余地址數(shù)，若發(fā)現(xiàn)有剩余地址數(shù)為零的節(jié)點，則向其主動發(fā)送一定數(shù)量的可用地址，并更新自己的剩余地址數(shù)、全網(wǎng)地址池表。當(dāng)用戶節(jié)點加入WMNs時，會向鄰近的網(wǎng)關(guān)節(jié)點或是路由節(jié)點請求IP地址，若該路由節(jié)點擁有空閑地址，則直接向用戶分配地址，并更新自己的信任度、剩余地址數(shù)以及本地用戶列表等信息。若此時路由節(jié)點無空閑地址，則它會向網(wǎng)關(guān)節(jié)點請求空閑地址，當(dāng)網(wǎng)關(guān)被動向其提供了地址后再向用戶節(jié)點分配。利用這兩種分配方式，用戶可以快速獲得IP地址。

2.3.3 地址回收

用戶節(jié)點正常離開網(wǎng)絡(luò)時，路由節(jié)點會將IP地址回收，更新自己的本地用戶列表、信任度值以及剩余地址數(shù)。用戶節(jié)點意外中斷時，路由節(jié)點會在超過設(shè)定時限后將地址回收。隨著接入自己的用戶節(jié)點離開網(wǎng)絡(luò)，路由節(jié)點的剩余地址數(shù)逐漸增加，當(dāng)超過一定門限時，路由節(jié)點會把多余的地址歸還給網(wǎng)關(guān)節(jié)點。路由節(jié)點也會定期從路由信息中獲取其他節(jié)點的剩余地址數(shù)，若發(fā)現(xiàn)自己的剩余地址數(shù)是全網(wǎng)包括網(wǎng)關(guān)節(jié)點中最多的，則會將一定的地址歸還給網(wǎng)關(guān)節(jié)點。利用這種方式，可以避免地址池分配不均的情況。

路由節(jié)點正常離開網(wǎng)絡(luò)時，會向網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)送通知，網(wǎng)關(guān)節(jié)點從而把分配給該路由節(jié)點的地址回收，原先接入該路由節(jié)點的用戶節(jié)點需要重新請求新的地址。路由節(jié)點意外中斷時，在路由協(xié)議的幫助下所有其他節(jié)點都能夠知道此節(jié)點中斷，因此網(wǎng)關(guān)節(jié)點也會回收地址。若離開的節(jié)點是副網(wǎng)關(guān)節(jié)點，則網(wǎng)關(guān)節(jié)點需要重新選擇副網(wǎng)關(guān)節(jié)點來備份全網(wǎng)地址池列表。

3 仿真實現(xiàn)與性能分析

由于網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點數(shù)量未知，因此協(xié)議需要重點考慮不同用戶數(shù)量下的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。為此實驗主要測試了地址分配時間和數(shù)據(jù)包開銷與節(jié)點數(shù)量的關(guān)系。

本文實驗采用NS-2[12]網(wǎng)絡(luò)仿真軟件實現(xiàn)。表1展示了仿真程序的部分參數(shù)選擇。骨干網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由八個路由節(jié)點、一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點組成，用戶節(jié)點均勻分布在仿真區(qū)域里面。用戶節(jié)點在骨干網(wǎng)絡(luò)搭建完成之后隨機接入，總接入時間為40 s。隨著每次實驗用戶節(jié)點數(shù)量的增加，地址請求的速率相應(yīng)增加。

表1 仿真參數(shù)

3.1 CWCP地址分配方式性能分析

網(wǎng)絡(luò)定義了四種節(jié)點類型：

本文方案采用了主動和被動兩種地址分配方式，圖3展示了不同用戶數(shù)量下兩種分配方式的實際使用比例以及各自的平均地址配置時間。

圖3 主動分配方式所占比例示意圖

由圖3和圖4可知，主動分配方式的配置時間比被動分配方式更短，隨著節(jié)點數(shù)量的增加主動分配方式的使用比例逐漸下降。這是由于主動分配是網(wǎng)關(guān)節(jié)點周期分析路由信息，提前把地址池分配給路由節(jié)點，因此用戶只需和相應(yīng)的路由節(jié)點進(jìn)行一跳范圍內(nèi)的信息交流即可完成地址分配。而被動分配是路由節(jié)點接收到用戶請求之后再向網(wǎng)關(guān)節(jié)點請求地址，因此配置時間更長。隨著用戶節(jié)點數(shù)量的增加，地址請求速率加快，而網(wǎng)關(guān)節(jié)點分析路由信息的周期不變，因此主動分配的比例逐漸下降。

圖4 地址配置時間示意圖

3.2 CWCP與其他協(xié)議性能對比

本實驗將CWCP與HTDCP[9]和D2HCP[8]兩個協(xié)議在數(shù)據(jù)包開銷和地址配置時間方面進(jìn)行比較。其中HTDCP是集中式的配置方案，D2HCP配置方案采用了OLSR路由協(xié)議進(jìn)行同步。

由圖5和圖6可知，CWCP的整體性能好于另外兩種協(xié)議，且不會隨用戶數(shù)量增加而明顯增長。

圖5 數(shù)據(jù)包開銷對比示意圖

圖6 配置時間對比示意圖

這是因為整個骨干網(wǎng)絡(luò)都擁有為用戶分配節(jié)點的能力，大部分用戶都可以在一跳范圍內(nèi)獲取地址，減少時間和數(shù)據(jù)包開銷。而通過路由協(xié)議的支持，網(wǎng)關(guān)節(jié)點可以快速感知路由節(jié)點的地址池情況，預(yù)先向路由節(jié)點提供地址，即使網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大、地址請求速率變快也不會出現(xiàn)明顯的性能下降。

4 結(jié) 語

本文提出并測試了一個面向無線Mesh網(wǎng)的集中式IP地址分配方案。該方案通過WMNs的骨干網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行地址分配，采用網(wǎng)關(guān)節(jié)點作為全網(wǎng)地址分配的協(xié)調(diào)中心，利用路由協(xié)議實現(xiàn)地址池等信息的同步，設(shè)計了兩種分配方式。同時也對節(jié)點意外中斷和數(shù)據(jù)備份等實際問題提出了解決方案。實驗證明，該方案可以有效應(yīng)用于WMNs場景中，為用戶提供高效、穩(wěn)定的地址分配服務(wù)。

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CENTRALIZED IP ADDRESS ALLOCATION SCHEME FOR WIRELESS MESH NETWORKS

Li Yue

(SchoolofTelecommunicationsEngineering,XidianUniversity,Xi’an710071,Shaanxi,China)

Aiming at the problem of automatic address allocation in wireless mesh networks, a centralized IP address allocation scheme for wireless mesh networks is proposed considering the hierarchical characteristics, network architecture and user demands. The scheme plays the key role of the gateway node, and uses the routing protocol to synchronize the information, so it can efficiently complete the user address allocation. At the same time the scheme takes into account the data backup, node accidental interruption and other practical problems. Experimental results show that the scheme can quickly complete the user’s address allocation task.

Wireless mesh networks Address allocation Routing protocol Centralized allocation

2016-05-22。李越，碩士生，主研領(lǐng)域：無線Mesh網(wǎng)。

TP393

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.06.028