王悅

（西安文理學(xué)院信息中心，陜西西安710068）

基于移動IP技術(shù)的移動自組網(wǎng)地址自動配置方法設(shè)計(jì)

王悅

（西安文理學(xué)院信息中心，陜西西安710068）

傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)大多數(shù)是基于有線傳輸?shù)?，盡管最近幾年無線局域網(wǎng)發(fā)展勢頭很迅速，但是移動終端的智能化和多樣化提出了無線移動網(wǎng)絡(luò)的越來越多的要求，為了解決傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性差和無線局域網(wǎng)存在的用戶數(shù)量固定且投入成本較大的問題，本文提出了基于IP的移動互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)，無線移動網(wǎng)絡(luò)的提出滿足了用戶在的短時(shí)間、寬范圍對網(wǎng)絡(luò)通信的需要，他實(shí)現(xiàn)了對傳統(tǒng)多跳網(wǎng)絡(luò)的有效延伸，高位置管理性能切換性能，通過OPNET仿真對比了采用新方案后在管理數(shù)據(jù)開銷和切換性能上的改進(jìn)，最后給出了在實(shí)際Ad Hoc通信系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺上應(yīng)用本文所提出的分層分布式移動IP方案的具體軟件實(shí)現(xiàn)過程。

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)；IP地址分配；移動性管理；動態(tài)主機(jī)配置

隨著通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對通信質(zhì)量的要求越來越高，人們已經(jīng)對有原來的有線網(wǎng)的應(yīng)用擴(kuò)展至無線局域網(wǎng)絡(luò)，但是作為傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)它不能滿足日益復(fù)雜的智能移動設(shè)備對網(wǎng)絡(luò)通信的要求，Internet網(wǎng)絡(luò)要求有線方式互聯(lián)，限制了網(wǎng)絡(luò)覆蓋額范圍；盡管無線局域網(wǎng)不需要大量的布線，但需要建立基站，這對于人們臨時(shí)性的特殊使用地域不一定能夠覆蓋，無法應(yīng)對突發(fā)情況，而且前期投入成本較大如果僅針對臨時(shí)的用戶。

1　需求分析

圖1所示，為移動終端和實(shí)體之間的關(guān)系，其中主要包括移動節(jié)點(diǎn)、本地代理和外地代理3個(gè)主要部分，其實(shí)現(xiàn)過程為代理搜尋，注冊和報(bào)文的接受與發(fā)送實(shí)現(xiàn)移動終端之間的通信［1］。

對于上述Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中容易產(chǎn)生擁堵的問題，本文的主要研究對象為Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，他是一種帶有無線收發(fā)裝置的移動終端組成的多跳臨時(shí)性自治系統(tǒng)，該網(wǎng)絡(luò)兼有移動終端和路由兩種功能，可以直接接入無線局域網(wǎng)和Internet互聯(lián)網(wǎng)，當(dāng)用來接入無線網(wǎng)時(shí)，Ad Hoc作為末端子網(wǎng)，考慮到帶寬和功率限制，一般不把他用作中間承載網(wǎng)絡(luò)，減少了路由開銷。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)兼顧了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和移動通信兩者的特點(diǎn)，通常被認(rèn)為是一種特殊的通信網(wǎng)絡(luò)［2］。

2　移動IP技術(shù)

移動IP技術(shù)管理網(wǎng)絡(luò)地址的分配主要基于移動管理技術(shù)，在文中從以下幾個(gè)角度來對本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行衡量：

1）傳統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)只能在自己所屬路由器管轄的范圍內(nèi)進(jìn)行通信，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)多采用網(wǎng)絡(luò)前綴路由機(jī)制進(jìn)行管理，基于移動IP的節(jié)點(diǎn)在改變數(shù)據(jù)鏈路層的接入點(diǎn)后仍然可以與因特網(wǎng)上其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信；

2）基于IP的節(jié)點(diǎn)在移動時(shí)并不影響其自身的IP地址，這樣當(dāng)節(jié)點(diǎn)在移動時(shí)不會影響鏈路層中正在進(jìn)行的通信；

3）移動IP與固定IP地址的計(jì)算機(jī)通信時(shí)，不需要改變主機(jī)和路由器的協(xié)議，完全可以通過移動節(jié)點(diǎn)本身和那些能夠提供特殊功能的節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。

因此可以說移動IP的管理協(xié)議是在網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)對對IP地址的管理。他可以以任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)為協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)建立路由表，從而能夠在兩個(gè)不在同一網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)之間發(fā)送數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)對于快速移動的節(jié)點(diǎn)之間的通信，由于是對網(wǎng)絡(luò)層的實(shí)現(xiàn)，因此它的實(shí)現(xiàn)與傳輸媒介關(guān)系不密切，如此可以實(shí)現(xiàn)在多種媒介之間進(jìn)行切換。

本設(shè)計(jì)的主要思想是在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)形成分層分布式結(jié)構(gòu)管理，通過選取Ad Hoc中的終端節(jié)點(diǎn)作為AP的代理，實(shí)現(xiàn)AP對子網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的管理，這樣會避免數(shù)據(jù)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)泛洪現(xiàn)象，有助于減少網(wǎng)絡(luò)的開銷，減輕網(wǎng)絡(luò)切換對通信質(zhì)量的影響。移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通常包括全分布式和分層分布式控制結(jié)構(gòu)兩種形式，其主要區(qū)別表現(xiàn)為前者中的各節(jié)點(diǎn)的地位是一樣的，而在分層分布式控制結(jié)構(gòu)中，會通過軟件算法設(shè)置一定范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成子網(wǎng)，如圖1所示，為分層分布式控制結(jié)構(gòu)示意圖，通過設(shè)置代理節(jié)點(diǎn)來來管理子網(wǎng)，當(dāng)然其中的代理節(jié)點(diǎn)也具有普通節(jié)點(diǎn)的功能，但在分層式結(jié)構(gòu)中主要功能是負(fù)責(zé)子網(wǎng)之間的互聯(lián)互管理，他們通過網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的鏈接與管理［3］。

圖1　移動IP功能實(shí)體及相互關(guān)系

圖2　分層分布式控制結(jié)構(gòu)示意圖

模分布式子代理在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的軟切換方面具有很大優(yōu)勢，移動節(jié)點(diǎn)在不僅可以獲取自己一跳范圍內(nèi)包括的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)通過每個(gè)AP將自己的數(shù)據(jù)包周期性傳輸使得當(dāng)前移動終端能夠很好地解析自己所處的AP范圍，從而根據(jù)AP的屬性來判斷在數(shù)據(jù)傳送過程中是否需要進(jìn)行切換；分層式移動IP協(xié)議的采用，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由多個(gè)移動子代理組成，而移動子代理與訪問節(jié)點(diǎn)AP是一個(gè)物理實(shí)體代表兩種不同的邏輯功能的模式，這樣我們需要利用泛洪廣播方式使得節(jié)點(diǎn)與自己的移動代理，即物理部分的AP相匹配，由于AP的針對不同節(jié)點(diǎn)擁有特殊的工作方式（單播和組播），因此有效地減少泛洪開銷［4］。

3　地址分配算法的軟件實(shí)現(xiàn)

IP地址的合理分配與否可以說是網(wǎng)絡(luò)通信性能好壞的最好標(biāo)志，當(dāng)移動終端想要對網(wǎng)絡(luò)中的資源進(jìn)行訪問時(shí)，它需要通過初始化獲得能夠接入該網(wǎng)絡(luò)的特定IP地址，常用的IP地址分配方案中多采用動態(tài)主機(jī)配置協(xié)議（Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP），該協(xié)議容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)的泛洪，并且當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于動態(tài)變化中時(shí)，網(wǎng)絡(luò)自身的擴(kuò)展性差的問題成為制約其規(guī)模和性能的瓶頸，針對傳統(tǒng)分層分布式移動IP中的代理節(jié)點(diǎn)定期發(fā)送廣播信息時(shí)采用泛洪方式容易給網(wǎng)絡(luò)帶來較大的負(fù)擔(dān)的現(xiàn)狀，因此本文提出了對于解決該問題的基于移動IP的改進(jìn)型地址分配算法［6］。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

該協(xié)議的工作過程如下所述，該流程圖中主要包括移動子代理節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)，通常每個(gè)移動子代理節(jié)點(diǎn)中包括幾個(gè)普通節(jié)點(diǎn)，當(dāng)普通節(jié)點(diǎn)在移動的過程中進(jìn)行通信時(shí)，每個(gè)子代理都有自己的上下級移動子代理，通過自身與當(dāng)前AP節(jié)點(diǎn)的距離來判斷自身所處的級別，通常距離越小，表示級別越高，當(dāng)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)之間的通信時(shí)，先將信息發(fā)送給自己的上一級AP，每個(gè)代理根據(jù)自己范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)（子代理）情況逐級發(fā)送，最終到達(dá)指定的AP后停止傳輸；采取這樣的分層分布式算法有助于代理和移動終端節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行很好地匹配和互動，有助于相互了解對方所處的狀態(tài)和環(huán)境［8］。

其實(shí)現(xiàn)過程為，在系統(tǒng)初始化過程中，MANET中的AP擁有全部的IP地址，當(dāng)距離AP最近的移動終端節(jié)點(diǎn)想加入子網(wǎng)中時(shí)，他需要向自己所屬子網(wǎng)的AP申請IP地址，在軟件設(shè)計(jì)中，我們要充分考慮各個(gè)移動節(jié)點(diǎn)的功能。由上所述，在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)一般分為3類，即普通移動節(jié)點(diǎn)，主要包括各種移動終端設(shè)備，針對用戶；代理節(jié)點(diǎn)，由普通節(jié)點(diǎn)通過軟件進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)具有路由和普通節(jié)點(diǎn)的功能；接入節(jié)點(diǎn)AP負(fù)責(zé)子網(wǎng)之間的互聯(lián)。因此在軟件設(shè)計(jì)過程中要對不同功能的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行恰當(dāng)?shù)姆峙漕A(yù)處理。通常在Internet中，我們利用動態(tài)主機(jī)配置協(xié)議實(shí)現(xiàn)地址的分配，但對于分布式的MANET網(wǎng)絡(luò)，由于其終端用戶處于不斷移動變化中，因此各個(gè)子網(wǎng)的界限不太明顯，通過對傳統(tǒng)的分布式分層思想的研究與分析提出了運(yùn)用二分裂算法來逐級分配IP地址。

在軟件實(shí)現(xiàn)過程中，當(dāng)配置一個(gè)節(jié)點(diǎn)的地址成功時(shí)，MANET網(wǎng)絡(luò)將會接受該節(jié)點(diǎn)發(fā)送的廣播信息，當(dāng)代理節(jié)點(diǎn)確認(rèn)接受到廣播信息后，就開始執(zhí)行對該代理節(jié)點(diǎn)的路由表和IP地址表的更新，網(wǎng)絡(luò)路由表或IP地址表的最新狀態(tài)通過對IP地址表進(jìn)行增加刪除已有的地址或添加新的條目的操作來實(shí)現(xiàn)；當(dāng)IP地址表中增加一個(gè)新的地址時(shí)，該協(xié)議需要執(zhí)行IP地址分塊操作，接著把分割后的IP地址分配給相應(yīng)的代理節(jié)點(diǎn)或使其中的一個(gè)IP地址塊成為新的代理節(jié)點(diǎn)，同時(shí)普通節(jié)點(diǎn)也將接收到一個(gè)空閑的IP地址，作為下一個(gè)IP地址更新時(shí)的目標(biāo)地址；同樣，當(dāng)移動終端從MANET網(wǎng)絡(luò)中退出時(shí)，意味著該IP地址表需要進(jìn)行節(jié)點(diǎn)刪除操作，協(xié)議需要進(jìn)行IP地址的回收，主要包括IP地址的合并和對普通節(jié)點(diǎn)所擁有的空閑節(jié)點(diǎn)的回收兩個(gè)操作來實(shí)現(xiàn)IP地址回收［10］。

圖3　軟件設(shè)計(jì)的流程圖

4　系統(tǒng)測試

針對文中提出的基于移動IP的地址分配算法的設(shè)計(jì)，該部分設(shè)計(jì)了用于對該地址分配算法的測試方案。該測試方案的硬件平臺主要采用ARM作為處理器，實(shí)現(xiàn)Ad Hoc中IP的移動化，同時(shí)負(fù)責(zé)控制USB芯片和系統(tǒng)的輪詢訪問；USB無線網(wǎng)卡的主控制芯片如圖中的ISP1161a所示，實(shí)現(xiàn)和其他無線網(wǎng)卡及具有固定IP的計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信［15］。

利用硬件平臺產(chǎn)生待測IP地址表，通過仿真軟件Network Simulator對設(shè)計(jì)的軟件性能進(jìn)行仿真測試，在測試過程中，我們主要針對移動終端訪問網(wǎng)絡(luò)時(shí)的平均退網(wǎng)檢測時(shí)間進(jìn)行測試，然后與性能良好的Buddy System和SONAM協(xié)議進(jìn)行比較來判斷設(shè)計(jì)軟件性能的好壞，其最終測試結(jié)果如圖4所示：從圖中可以看出，當(dāng)檢測間隙的值較小時(shí)，節(jié)點(diǎn)的離開時(shí)間相對較小，當(dāng)檢測間隙較大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的退網(wǎng)時(shí)間也會隨之增大，所以對于節(jié)點(diǎn)退網(wǎng)的離開時(shí)間需要結(jié)合節(jié)點(diǎn)的數(shù)目與檢測間隙一起考慮，有助于我們對該算法的進(jìn)一步優(yōu)化。

圖4　節(jié)點(diǎn)退網(wǎng)檢測時(shí)間

5　結(jié)論

文中提出的基于分層分布式移動IP方案提出了一種自動IP地址分配方案。我們的解決方案用到了二進(jìn)制分裂的概念并考慮到了分級移動IP協(xié)議的特點(diǎn)，使用子代理來逐級分配IP地址。同時(shí)考慮到了IP地址的泄露，有針對性地提出了相對應(yīng)的IP地址回收機(jī)制，最后給出了詳細(xì)的軟件實(shí)現(xiàn)流程。

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Design of MANET address automatically configure method based on mobile IP

WANG Yue
（Xi'an University Information Center，Xi'an 710068，China）

Most of the traditional Internet is based on cable transmission，although in recent years，wireless local area network（LAN）momentum very quickly，but the intelligent mobile terminal and wireless mobile network，more and more diversified requirements，in order to solve the expandability of traditional cable network and wireless local area network（LAN）of fixed number of users and large cost problem，this paper presents a mobile web design based on IP，wireless mobile network is proposed to satisfy the users in a short period of time，the need of wide range of network communication，he realized the effective extension of traditional multiple hops network，high position switching performance，management performance through OPNET simulation contrast after adopting the new scheme in data management overhead and switching performance improvements，finally gives the actual Ad Hoc communication system experiment platform of application in this paper，the proposed hierarchical and distributed specific software implementation of mobile IP scheme.

Ad Hoc network；IP address assignment；mobility management；dynamic host configuration

TN99

A

1674－6236（2016）12-0104-04

2015-12-09稿件編號：201512104

王悅（1972—），男，陜西西安人，碩士研究生，工程師。研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用。