基于Linux AdHoc網(wǎng)絡(luò)MIPv6方案的實(shí)現(xiàn)

張新華

(太原大學(xué)外語(yǔ)師范學(xué)院，山西 太原 030012)

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基于Linux AdHoc網(wǎng)絡(luò)MIPv6方案的實(shí)現(xiàn)

張新華

(太原大學(xué)外語(yǔ)師范學(xué)院，山西 太原 030012)

摘要：給出基于自組織網(wǎng)的Linux系統(tǒng)上MIPv6協(xié)議的執(zhí)行方案和關(guān)鍵技術(shù)的改進(jìn)方法，并設(shè)計(jì)出執(zhí)行MIPv6協(xié)議的框架，提出了協(xié)議執(zhí)行程序需采用的關(guān)鍵技術(shù).然后，對(duì)移動(dòng)性的切換延時(shí)問(wèn)題進(jìn)行分析，降低了系統(tǒng)延時(shí).最后，建立實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，對(duì)移動(dòng)切換的性能進(jìn)行研究.通過(guò)對(duì)比延時(shí)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了改進(jìn)后的方案是正確且可行的.

關(guān)鍵詞：自組織網(wǎng)；MIPv6；雙網(wǎng)卡技術(shù)；Linux

自組織網(wǎng)是由一組可相互通信的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成的一種自主系統(tǒng).節(jié)點(diǎn)間的通信不必依賴于固定的基礎(chǔ)架構(gòu).當(dāng)2個(gè)節(jié)點(diǎn)彼此無(wú)法直接通信時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)經(jīng)過(guò)中間節(jié)點(diǎn)搭起的路徑進(jìn)行傳輸[1].隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展和移動(dòng)范圍的不斷擴(kuò)大，人類對(duì)通信的要求越來(lái)越傾向于移動(dòng)性.將MIP添加到自組織網(wǎng)已經(jīng)是一種普遍趨勢(shì).筆者對(duì)通信能從一端到另一端的MIPv6協(xié)議展開(kāi)探討.其擴(kuò)展性能帶來(lái)安全性和移動(dòng)性，全世界范圍內(nèi)MIPv6逐漸被用來(lái)取代IPv4作為下一代網(wǎng)絡(luò)協(xié)議.MIPv6協(xié)議為IP路由提供一種機(jī)制，每個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)有2個(gè)地址：靜態(tài)本地地址和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)交地址.如此一來(lái)，在不對(duì)上一應(yīng)用層進(jìn)行調(diào)整的情況下，就能便于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)連接到具有永久本地IP地址的任何鏈路上進(jìn)行切換.

標(biāo)準(zhǔn)的MIPv6協(xié)議只適合單跳接入，對(duì)多跳自組織網(wǎng)不適用[2].鑒于此，筆者將MIPv6協(xié)議與自組織網(wǎng)相結(jié)合應(yīng)用在Linux系統(tǒng)上.為了實(shí)現(xiàn)多跳移動(dòng)切換，對(duì)切換延時(shí)作了比較.同時(shí)，提出一種方案來(lái)降低延時(shí)，具體做法是配置雙網(wǎng)卡來(lái)降低因掃描數(shù)據(jù)包丟失情況所導(dǎo)致的延時(shí).通過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)因移動(dòng)性導(dǎo)致的延時(shí)得到有效降低.

切換是移動(dòng)通信的一個(gè)重要部分，是使移動(dòng)節(jié)點(diǎn)從一個(gè)接入路由器移動(dòng)到另一個(gè)的同時(shí)又維持它的互連性.在切換過(guò)程中，切換延時(shí)、數(shù)據(jù)包丟失率及負(fù)荷是3個(gè)重要的性能指標(biāo).切換延時(shí)是判斷通信質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)[3]，因此，降低切換延時(shí)是筆者研究的目標(biāo).移動(dòng)IPv6協(xié)議包括移動(dòng)檢測(cè)、IP地址配置和位置更新.移動(dòng)檢測(cè)和路由收斂是最重要的2個(gè)因素.使用鏈路層自動(dòng)掃描法來(lái)快速掃描接入點(diǎn)可使延時(shí)達(dá)到最佳.此外，還使用到雙網(wǎng)卡技術(shù)來(lái)減少因單網(wǎng)卡配置所致的數(shù)據(jù)包丟失問(wèn)題.

1Linux系統(tǒng)上MIPv6協(xié)議的框架

MIPv6的執(zhí)行環(huán)境是Fedora-2.6.16系統(tǒng)，基本流程框架如圖1所示.

圖1　MIPv6的基本過(guò)程框架

基本流程是從主功能開(kāi)始，然后觸發(fā)流道、mh_listen、icmp6_listen和sigth這4個(gè)線程[4].這些線程被阻塞后要等待一些條件.當(dāng)條件滿足后，調(diào)用恰當(dāng)?shù)睦虂?lái)進(jìn)行處理操作，處理完畢，返回到阻塞狀態(tài).所有這些線程都是無(wú)限循環(huán)線程.

mh_listen負(fù)責(zé)處理MN與本地代理和對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的連接，包括連接控制信息以及返回路由的交互信息.

具體信息和處理功能如表1所示.

表1　MH_LISTEN和處理功能

MIPv6網(wǎng)絡(luò)層切換算法的執(zhí)行通過(guò)mh_listen與icmp6_listen之間的交互來(lái)實(shí)現(xiàn).流道線程從tq_list中讀取列表，該表按年月日次序進(jìn)行排列.

(1)鏈路層切換.

此前的實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)用“iwconfig”命令來(lái)執(zhí)行手動(dòng)切換.然而，當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，該方法使用起來(lái)十分不便.所以，通過(guò)“autolink”的自動(dòng)掃描程序?qū)Α癷wlist”源代碼作了調(diào)整.該代碼包含用來(lái)搜索無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的“iwlist interface scan”命令.“autolink”程序可獲取到各個(gè)子網(wǎng)的質(zhì)量信息，這些子網(wǎng)通過(guò)將“l(fā)ink quality”加入到調(diào)研信息里而獲取到理想的通信質(zhì)量.

有一部分iwlist過(guò)程會(huì)發(fā)生變化，主要表現(xiàn)在以下2方面：使用“while”循環(huán)程序?qū)ψ泳W(wǎng)進(jìn)行定期掃描；利用socket函數(shù)“select”機(jī)制來(lái)定期喚醒掃描程序.

增加鏈路質(zhì)量比較，確定當(dāng)前子網(wǎng)的“curessid”、最佳接入子網(wǎng)的“bestssid”、當(dāng)前鏈路質(zhì)量的“curqual”以及最佳鏈路質(zhì)量的“bestqual”.

當(dāng)被掃描到的鏈路質(zhì)量?jī)?yōu)于最佳鏈路質(zhì)量時(shí)，“curqual”和“curessid”的值被替換成“bestqual”和“bestessid”.

(2)網(wǎng)絡(luò)層切換.

分析執(zhí)行數(shù)據(jù)，切換延時(shí)主要包括移動(dòng)檢測(cè)和路由收斂，要優(yōu)化切換延時(shí)就需要對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行調(diào)整[5].

移動(dòng)檢測(cè)：路由器定期發(fā)送路由器通告(RA)以告知其他節(jié)點(diǎn)有關(guān)該子網(wǎng)的信息.移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收來(lái)自路由器的通告并通過(guò)對(duì)比子網(wǎng)前綴來(lái)確定該節(jié)點(diǎn)是否發(fā)生了網(wǎng)絡(luò)層的移動(dòng).協(xié)議里的RA消息時(shí)段默認(rèn)為10 s.當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)切換到新子網(wǎng)上后，為了接收到發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信息的新路由器，將該時(shí)段縮短至5 s.

路由收斂：當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接入到新子網(wǎng)時(shí)，它無(wú)法立即進(jìn)行通信，因?yàn)檫@個(gè)新子網(wǎng)尚未完成收斂.將“hello”消息和“tc”的默認(rèn)值分別從2 s和5 s調(diào)整到1 s和4 s以縮短收斂時(shí)間.

2實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的構(gòu)建和應(yīng)用分析

2.1 測(cè)試配置

在測(cè)試過(guò)程中，采用的系統(tǒng)是Linux內(nèi)核版本和802.11b鏈路層協(xié)議的Fedora-2.6.16系統(tǒng)，最大傳輸速率為11 Mbps.拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)呈分層形狀.無(wú)線網(wǎng)卡是TPLINK TL-WIN322+，傳輸范圍是室內(nèi)為100 m以內(nèi)，室外300 m以內(nèi).將網(wǎng)卡設(shè)為自組模式.

(1)性能測(cè)試工具.

Ping6：在IPv6環(huán)境下運(yùn)行“ping6”命令來(lái)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)的連接性.采用“ping6”收集切換和數(shù)據(jù)包延時(shí)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù).

(2)手動(dòng)切換多跳網(wǎng)絡(luò).

實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行.建立一個(gè)分層的自組織網(wǎng)，配置有3個(gè)子網(wǎng)，如圖2所示，有1個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)、1個(gè)本地代理、2個(gè)接入路由器、2個(gè)次要節(jié)點(diǎn)和1個(gè)通信節(jié)點(diǎn).當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在3個(gè)子網(wǎng)內(nèi)部進(jìn)行切換時(shí)，它通過(guò)一條二跳路徑維持與AR的通信.相關(guān)信息必須從直接節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)播給路由器.有關(guān)配置如表2所示.

圖2　多跳網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

表2　節(jié)點(diǎn)配置

(3)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的測(cè)試.

由圖2可知，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位于本地代理的一跳范圍外，當(dāng)發(fā)生切換時(shí)它可以接入到外部網(wǎng)絡(luò).借助于次要節(jié)點(diǎn)，它可以與接入路由器和對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信.

(4)數(shù)據(jù)測(cè)試.

對(duì)RA時(shí)段和OLSR路由數(shù)據(jù)包的時(shí)段進(jìn)行調(diào)整有助于縮短切換延時(shí).由上述測(cè)試實(shí)驗(yàn)可知，進(jìn)行時(shí)段調(diào)整后，當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)從子網(wǎng)1移動(dòng)到子網(wǎng)2時(shí)，切換延時(shí)是18 s.當(dāng)從子網(wǎng)2移動(dòng)到子網(wǎng)3時(shí)，延時(shí)是19 s.當(dāng)返回至子網(wǎng)2時(shí)，延時(shí)是20 s，當(dāng)移向本地子網(wǎng)時(shí)，延時(shí)是19 s.這組延時(shí)較之前的要稍短一點(diǎn).在對(duì)時(shí)段參數(shù)調(diào)整之前，平均切換延時(shí)約是20 s.調(diào)整這些參數(shù)并沒(méi)有明顯縮短切換延時(shí).

2.2 添加多跳切換的autolink掃描程序

無(wú)線網(wǎng)卡的實(shí)際傳輸范圍是室內(nèi)約100 m，室外約300 m.使用“ip6tables”數(shù)據(jù)包過(guò)濾工具來(lái)斷開(kāi)與多跳拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的直接連接.

測(cè)試實(shí)驗(yàn)在室外進(jìn)行.建立帶二跳分層自組織網(wǎng)的2個(gè)子網(wǎng)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，其中包括1個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)、1個(gè)本地代理、1個(gè)接入路由器和2個(gè)次要節(jié)點(diǎn).移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和各個(gè)子網(wǎng)節(jié)點(diǎn)無(wú)法直接通信，而需要有次要節(jié)點(diǎn)的協(xié)助.在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)切換過(guò)程中，本地代理與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間可以保持通信狀態(tài).表3給出了各節(jié)點(diǎn)的配置情況.

圖3　二跳網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)切換

表3　節(jié)點(diǎn)配置

由表4和圖4的測(cè)試數(shù)據(jù)可知，通過(guò)對(duì)協(xié)議中的默認(rèn)值進(jìn)行調(diào)整，切換延時(shí)得到縮短.執(zhí)行過(guò)程中，控制信息的時(shí)段太短，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷會(huì)增加，如此一來(lái)，不僅沒(méi)法降低切換延時(shí)，而且容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁堵.通過(guò)對(duì)比二跳切換延時(shí)的手動(dòng)切換和自動(dòng)切換，可知自動(dòng)切換延時(shí)比手動(dòng)切換的要長(zhǎng)，原因在于在自動(dòng)切換過(guò)程中，無(wú)線網(wǎng)卡必須定期掃描網(wǎng)絡(luò).掃描時(shí)，接收到的數(shù)據(jù)包被丟棄.當(dāng)掃描時(shí)段拉長(zhǎng)，數(shù)據(jù)包丟失率就降低，但切換延時(shí)會(huì)延長(zhǎng).另一方面，掃描時(shí)段縮短，切換延時(shí)也跟著縮短但數(shù)據(jù)包丟失率會(huì)提高.這就要求在切換延時(shí)與通信質(zhì)量之間達(dá)到平衡.故筆者提出采用雙網(wǎng)卡機(jī)制來(lái)改善這方面的性能.

表4　測(cè)試范圍

圖4　修改參數(shù)的測(cè)試結(jié)果

3采用雙網(wǎng)卡機(jī)制來(lái)改善多跳切換延時(shí)

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)相同的網(wǎng)卡來(lái)進(jìn)行通信和掃描，這是影響通信質(zhì)量的關(guān)鍵所在.因此，可以給移動(dòng)節(jié)點(diǎn)配置2個(gè)網(wǎng)卡，一個(gè)用于正常通信，一個(gè)用于掃描網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，然后將結(jié)果反饋給網(wǎng)卡.通過(guò)這些反饋信息，網(wǎng)卡可以作出判斷并進(jìn)行切換.在未受干預(yù)的情況下，將掃描和通信任務(wù)分配給2個(gè)相對(duì)獨(dú)立的網(wǎng)卡.通過(guò)縮短其他網(wǎng)卡的掃描時(shí)段，利用實(shí)時(shí)意識(shí)就保證了通信質(zhì)量并降低切換延時(shí).

圖5　加入雙網(wǎng)卡機(jī)制的測(cè)試結(jié)果

3.1 配置

對(duì)已有網(wǎng)卡配置增加新的網(wǎng)卡工作模式(IP地址、工作頻率)，用新網(wǎng)卡識(shí)別程序替換“autolink”配置文件里的掃描網(wǎng)卡識(shí)別程序.對(duì)“autolink”程序進(jìn)行編譯后就可以運(yùn)行網(wǎng)卡.

3.2 測(cè)試結(jié)果

相關(guān)配置和參數(shù)與前面測(cè)試用到的相同.測(cè)試結(jié)果如圖5所示.

顯而易見(jiàn)，在添加了雙網(wǎng)卡機(jī)制后，性能得到顯著提高.測(cè)試實(shí)驗(yàn)說(shuō)明系統(tǒng)得到的結(jié)果是正確且可行的.

4結(jié)語(yǔ)

在Linux系統(tǒng)上對(duì)MIPv6協(xié)議進(jìn)行了執(zhí)行研究實(shí)驗(yàn).在不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)里驗(yàn)證測(cè)試實(shí)驗(yàn)的可行性和有效性，提高了影響切換延時(shí)的分塊性能.通過(guò)構(gòu)建測(cè)試環(huán)境，得到延時(shí)數(shù)據(jù).對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，通過(guò)調(diào)整參數(shù)有助于縮短切換延時(shí)而使協(xié)議達(dá)到優(yōu)化.最后對(duì)因單網(wǎng)卡導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題提出采用網(wǎng)卡機(jī)制，改變網(wǎng)卡的工作模式，該機(jī)制證明能有效地解決切換延時(shí)問(wèn)題.

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(責(zé)任編輯向陽(yáng)潔)

Implementation of MIPv6 Program Based on Linux AdHoc Network

ZHANG Xinhua

(Taiyuan Foreign Language Normal School，Taiyuan 030012,China)

Abstract:This paper proposes the implementation scheme and the key technology improvement of MIPv6 protocol based on Linux Adhoc network.Through the analysis on the problem of mobile switching delay,the proposal reduces the system delay.Through the establishment of experimental scenes,the performance of the mobile switching is studied.Comparison of the delay data verifies the improved scheme is correct and feasible.

Key words:Adhoc network;MIPv6;Dual NIC technology;Linux

作者簡(jiǎn)介：張新華(1982—)，女，山西太原人，太原大學(xué)外語(yǔ)師范學(xué)院講師，主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)研究.

基金項(xiàng)目：山西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(GH-13183)

收稿日期：2014-12-03

中圖分類號(hào)：TP301.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1007-2985.2015.02.008

文章編號(hào)：1007-2985(2015)02-0033-05