復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)設(shè)備IP地址分配方案研究

汪鈺斌

(江西農(nóng)業(yè)大學(xué)南昌商學(xué)院，江西 共青城 332020)

1 引言

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)是指呈現(xiàn)高度復(fù)雜性的網(wǎng)絡(luò)，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)具有六大特征；節(jié)點數(shù)目巨大、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化、節(jié)點之間的連接權(quán)重存在差異、節(jié)點集屬于非線性動力學(xué)系統(tǒng)、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點可以代表任何事物、多重復(fù)雜性融合，安裝復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)設(shè)備非常必要。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也應(yīng)運而生，并且逐漸被各領(lǐng)域所接受，例如空氣污染監(jiān)控方面。IP地址是用來標識節(jié)點，使能網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中扮演著重要角色，但是由于網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備數(shù)量較大以及網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性，如果手動地為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行IP地址分配是一件非常繁瑣工作甚至是不可能實現(xiàn)的。迫切需要研究一種IP地址分配方案。周林等人[1]提出了一種基于動態(tài)參數(shù)的按需可擴展地址分配算法，根據(jù)分布式地址分配機制(DAAM)對16 bit地址空間進行分塊，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況來動態(tài)調(diào)整參數(shù)以及進行地址一次或者多次擴展；同時改進路由算法，使其與Cluster-Tree協(xié)議兼容，該方法分配效率較高，但是可操作性較差；袁利永等人[2]提出了一種兩段地址分配策略TFA，它將16位地址分成兩段，前段地址用于全功能設(shè)備的地址分配，后段地址用于精簡功能設(shè)備的地址分配。分析了TFA的mesh路由優(yōu)化特性，提出了基于TFA的mesh路由算法，該方法地址分配成功率較高，但耗時較長。李鴻健等人[3]提出了一種基于地址映射的分段式地址分配算法，通過對子節(jié)點路由節(jié)點以及終端節(jié)點的地址進行擴展，建立了從子節(jié)點地址到擴展地址的映射，增加了路由節(jié)點所能擁有的子節(jié)點的最大個數(shù)，從而提高了節(jié)點的入網(wǎng)概率和孤立節(jié)點數(shù)量；同時給出了地址回收機制以及改進的路由算法，使其與cluster-tree協(xié)議兼容，該方法平均分配耗時較短，但是分配準確率較低。

針對上述問題，提出一種基于改進DAAM的IP地址動態(tài)分配方案。

2 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)學(xué)模型

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型表達式如下

G=(V，E)

(1)

式中，E代表復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)設(shè)備zigBee網(wǎng)絡(luò)中所有對稱無線通信鏈路的集合；V代表復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)設(shè)備zigBee網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的集合，表達式如下

V={t}∪Vr∪Ve

(2)

其中，t代表復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)設(shè)備zigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器；Vr代表zigBee網(wǎng)絡(luò)所有路由設(shè)備的集合；Ve代表復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)設(shè)備zigBee網(wǎng)絡(luò)所有終端設(shè)備的集合[4]。

在上述模型的基礎(chǔ)上，為了便于研究復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)設(shè)備IP地址分配方案，做了以下定義：

定義1：復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)設(shè)備IP地址空間，是指具有一定位數(shù)的IP地址集合。

定義2：復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)設(shè)備IP地址分段，是指將一個IP地址空間劃分為若干個容量更小的IP地址空間。

研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的分布式地址分配方案(DAAM)定義的IP地址空間上限很少達到65535(216-1)，這意味著絕大多數(shù)情況下復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)設(shè)備zigBee網(wǎng)絡(luò)中有剩余IP地址空間可供利用。對傳統(tǒng)方法用16bit IP地址空間的概率進行推導(dǎo)。

根據(jù)傳統(tǒng)方法的基本原理[5]，假設(shè)SDAAM代表復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的IP地址空間；Am代表監(jiān)控設(shè)備分配的最大IP地址，則有

SDAAM={1，Am}

(3)

Am=Cskip(0)×Rm+Cm-Rm

(4)

式中，Cskip(0)表示復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的IP地址間隔；Rm表示復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中每個父節(jié)點擁有的子節(jié)點中路由器的最大數(shù)目；Cm表示復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中每個父節(jié)點擁有的子節(jié)點最大數(shù)目。

1)當(dāng)Rm=1時，有：

Am=Cm×(Lm-1))×Rm+Cm-Rm=CmLm

(5)

其中，Lm表示復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)最大深度。

欲使Am=65535，須使CmRm=65535，通過因式分解可知65535是四個素數(shù)的乘積[6]，表達式如下

65535=3×5×17×257

(6)

根據(jù)上式可知，滿足條件的RmLm組合個數(shù)為

(7)

2)當(dāng)Rm>1時，有

(8)

(9)

根據(jù)已知條件，Rm>1、Cm≥Rm和Lm≥1進行遍歷搜索，得到滿足上式條件的CmRmLm組合個數(shù)為3，即(4369，2，4)、(13107，4，2)、(21845，2，2)。

綜上分析和計算可知，DAAM方案用完復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)16bitIP地址空間的方式有16+3=19種；由于Lm∈{1，65535}，Cm∈{1，65535}，則設(shè)備總的IP地址分配方案數(shù)量大于655352，則DAAM方案用完監(jiān)控設(shè)備網(wǎng)絡(luò)IP地址空間的概率為

P<19/655352(≈4.42×10-9)

(10)

根據(jù)上述式(10)，近似地P≈0。

3 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)設(shè)備IP地址分配方案

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)設(shè)備ZigBee標準默認的IP地址分配機制為DAAM，具體組網(wǎng)步驟如下：

1)假設(shè)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器設(shè)備IP地址為0；確定組網(wǎng)參數(shù)：Cm、Rm和Lm，采用泛洪的方式通知整個監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。

2)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過對網(wǎng)絡(luò)鄰居表的查詢，找出未被標記的深度最小的潛在父節(jié)點(有多個時隨機選取)向其發(fā)送申請加入監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的信息，如果沒有收到答復(fù)，則可以周期性地發(fā)送入網(wǎng)申請信息。

3)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中IP地址為Aparene的網(wǎng)內(nèi)路由設(shè)備收到未入網(wǎng)的設(shè)備的入網(wǎng)請求后，作為父節(jié)點，根據(jù)申請設(shè)備類型以及申請入網(wǎng)的先后順序按照以下公式為申請入網(wǎng)的監(jiān)控設(shè)備分配IP地址

(11)

式中，d代表復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)父節(jié)點的深度，等于父節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器之間的跳數(shù)Hp，d≤Lm-1；n代表子設(shè)備申請入網(wǎng)的順序，1≤n≤Rm；Cskip(d)代表復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中深度為d的路由設(shè)備在分配IP地址時的地址偏移量，計算表達式如下

(12)

4)當(dāng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中的潛在父節(jié)點收到設(shè)備入網(wǎng)申請后，沒有剩余的IP地址可以分配[7]，則回復(fù)拒絕加入的信息，對拒絕加入的潛在父節(jié)點進行標記，然后跳轉(zhuǎn)回步驟(2)重新進行下一輪的入網(wǎng)申請。

4 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)設(shè)備IP地址分配優(yōu)化

傳統(tǒng)的DAAM方案是定制式的，即每一級都嚴格按照三個組網(wǎng)參數(shù)Cm、Rm和Lm的值對設(shè)備IP地址進行分配，對于處理復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)動態(tài)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備IP地址的分配無能為力，只適用于靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)第1節(jié)分析可知，由于傳統(tǒng)的DAAM方案無法動態(tài)地平衡復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)樹，所有的剩余IP地址(即網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器未分配的IP地址)一直都未使用，造成了IP地址資源的浪費[8]。

已知復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)性有三個方面的體現(xiàn)，分別與參數(shù)Cm、Rm和Lm相對應(yīng)，即：

①復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)局部范圍內(nèi)的路由設(shè)備接收的子路由設(shè)備已經(jīng)飽和，數(shù)量達到Rm，但是在該范圍內(nèi)還有需要接入網(wǎng)絡(luò)的子路由監(jiān)控設(shè)備；

②復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)局部范圍內(nèi)的路由設(shè)備接收的子終端設(shè)備已經(jīng)飽和，數(shù)量達到了Cm-Rm，但是在該范圍內(nèi)仍然有未入網(wǎng)的子終端監(jiān)控設(shè)備；

③某個復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)深度為Lm的設(shè)備，還需要接收子設(shè)備入網(wǎng)，即監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中需要有深度更深的設(shè)備來擴大整體網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控覆蓋范圍[9]。

上述三種情況在傳統(tǒng)的DAAM方案中均會以失敗告終，研究提出一種IP地址動態(tài)分配方案，能夠有效解決上述存在的問題。

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)設(shè)備IP地址動態(tài)分配方案采用以下式(13)計算地址偏移量

(13)

式中，?x」代表不大于x的最大整數(shù)；Rm(d)和Tm(d)分別表示監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中深度為d的路由設(shè)備所能接收的最大子路由設(shè)備數(shù)量和最大子終端設(shè)備數(shù)量。

根據(jù)上述公式可知，相對于傳統(tǒng)方法，所提方法移除了參數(shù)Lm，以實現(xiàn)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)深度的動態(tài)拓展。

在上述式(13)中除監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器外每層的地址偏移量以上一層的地址偏移量為基礎(chǔ)進行計算，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器深度為d=0，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的深度為d≥1。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)短IP地址的范圍是0～0×FFFF，共65535個，其中有3個保留的特殊IP地址0×0000、0×FFFF、0×FFFF，分別代表監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器IP地址、設(shè)備使用64位長IP地址通信；無效的短IP地址，是監(jiān)控設(shè)備沒有入網(wǎng)的標志。因此，可用于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)設(shè)備正常分配的IP地址有65533個，從中預(yù)留Tm(d)個IP地址給網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備，其余的分給Rm(d)個路由設(shè)備。如果65533-Tm(d)不能被Rm(d)整除，則利用余數(shù)來處理監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的入網(wǎng)，其余各層的處理方式與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器同理。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)不同深度的設(shè)備IP地址余數(shù)計算公式如下

(14)

在傳統(tǒng)的DAAM方案中，處于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)邊緣的新增設(shè)備，通常無法動態(tài)入網(wǎng)，這是由于邊緣設(shè)備往往已經(jīng)達到最大深度，而監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)最大深度值一般設(shè)置較小(默認設(shè)置為5)。而所提方法中，移除了參數(shù)Lm來計算地址偏移量，解除了監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)深度拓展的束縛，并且可以通過調(diào)整組網(wǎng)參數(shù)改變監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)深度，具有深度動態(tài)可拓展性。

在上述計算的基礎(chǔ)上，引入借地址的策略，即動態(tài)IP地址均衡的基本原理，通過定義以下四種命令控制幀解決復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)IP地址動態(tài)入網(wǎng)的問題。①強制入網(wǎng)申請命令；②強制入網(wǎng)應(yīng)答命令；③借址申請命令；④借址應(yīng)答命令。

5 實驗分析

實驗中將基于動態(tài)參數(shù)的分配方法(文獻[1]方法)、基于地址映射的分配方法(文獻[3]方法)與所提方法進行對比實驗，通過實驗測試對比復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)設(shè)備兩種不同IP地址分配方案的分配效果、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和運算效率等方面的性能差異性。

采用Windows7平臺上的OPNET模擬軟件對兩種IP地址分配方案進行模擬。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積為1000m×1000m，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中路由設(shè)備的數(shù)量分別為1000，2000，3000，5000，8000個，設(shè)備密度范圍為350～20m2/個，設(shè)備在實驗區(qū)域內(nèi)隨機分布，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)局位于實驗區(qū)域的中心位置，各個設(shè)備之間的通信距離為50m。監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)初始化參數(shù)為：Cm=8，Rm=8，每個實驗進行20次，取平均值。實驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同方法的監(jiān)控設(shè)備IP地址分配結(jié)果

圖1(a)為圓點表示需要進行復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的布控點，三角形表示進行基于動態(tài)參數(shù)的分配方法監(jiān)控設(shè)備IP地址分配結(jié)果，很多布控的點并沒有與黑色三角形點重合，說明部分監(jiān)控設(shè)備甚至沒有分配到IP地址。圖1(b)中的黑色小正方形表示基于地址映射的分配方法的監(jiān)控設(shè)備IP地址分配結(jié)果，從圖中可以看出，采用傳統(tǒng)方法進行監(jiān)控設(shè)備IP地址分配，存在重疊現(xiàn)象，即對同一空氣污染監(jiān)控設(shè)備分配了兩個或兩個以上IP地址，有的監(jiān)控設(shè)備甚至沒有分配到IP地址。圖1(c)中的菱形小黑點表示采用所提方法進行監(jiān)控設(shè)備IP地址分配結(jié)果，所提方法菱形小黑點與需要布控的點完全重合，說明采用所提方法實現(xiàn)了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的IP地址分配，這是由于所提方法有效地利用了監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的剩余IP地址空間，不受組網(wǎng)參數(shù)Lm的限制，使得更多的設(shè)備能夠及時加入監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中，同時采用的借地址策略使得監(jiān)控設(shè)備分配到的IP地址更加均衡。

為了驗證所提方法的分配效率，以控制報文數(shù)量為測量指標，同樣的監(jiān)控設(shè)備，所需的控制報文數(shù)量越小，說明IP地址分配效率越高。實驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同方法的控制報文開銷

圖2展示了傳統(tǒng)方法的控制報文在各類復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中均小于所提方法，同時實驗結(jié)果驗證了隨著監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備數(shù)量的增加，所提方法的優(yōu)勢顯著高于對比方案，這是由于采用傳統(tǒng)方法進行監(jiān)控設(shè)備IP地址分配時，當(dāng)監(jiān)控規(guī)模變大時，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中無法分配到IP地址的設(shè)備數(shù)量迅速增加，造成了多次的設(shè)備IP地址入網(wǎng)申請，出現(xiàn)了控制報文開銷較大的問題，而所提方法受到的影響卻很小。

為了進一步驗證所提方法的設(shè)備IP地址分配平均耗時，進行如下實驗，實驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同方案的設(shè)備IP地址分配平均耗時

如圖3所示傳統(tǒng)方法對復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行IP地址分配的平均耗時整體上小于所提方法，這是由于傳統(tǒng)方法中對于空氣污染監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中無IP地址的設(shè)備會多次向鄰居設(shè)備申請IP地址，增加了IP地址分配延時，當(dāng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備規(guī)模較小時，兩種方案的平均耗時沒有太大差別，而當(dāng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模變大時，所提方法顯示出優(yōu)越性。

6 結(jié)論

研究對傳統(tǒng)的DAAM方案進行了細致分析，并對傳統(tǒng)方法應(yīng)對復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)動態(tài)網(wǎng)絡(luò)三個方面存在的缺陷與不足進行了改進，提出了一種基于改進DAAM的IP地址動態(tài)分配方案。該方案提出了監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)深度可調(diào)整的地址偏移計算方法和借地址機制。通過實驗證明了所提方案的有效性和優(yōu)越性。

但是所提方法并沒有考慮復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜情況下的設(shè)備IP地址借址策略的調(diào)整與適用性，下一步工作將以此為基礎(chǔ)進行開展。