（计算机应用技术专业论文）manet跨层服务发现协议研究.pdf

硕士学位论文 摘要 无线通信及相关技术的发展促进了新的网络组织方式的形成，m a n e t 就是 其中最重要的方式之一。m a n e t 具有无固定基础设施支持，无中心和自组织， 支持移动无线传输，易于安装部署等特点，但同时也受到资源的严格约束，其网 络拓扑动态变化，性能和安全性较差。为其设计合适的协议成为主要的研究热点。 由于m a n e t 的全动态特性，服务的自动发现在m a n e t 中显得至关重要，它是 m a n e t 协议栈中的一个不可或缺的组成部分。本文着重研究的就是m a n e t 下 轻量级服务发现协议及其机制。 从本质上说，路由发现和服务发现都属于资源定位协议，具有使用相似机制 的可能。而传统的设计方法对这两种协议进行严格的区分并使其位于协议栈中不 同的层，导致相似的机制被重复实现并执行，造成数据冗余，效率低下。针对这 一问题，我们提出了一种基于z r p 的服务发现协议c z r p ，该协议依据z r p 的特 点将服务发现和路由发现结合设计，在区域内实现主动路由和主动服务发现，区 域外则采用按需路由和按需服务发现。由于服务发现和路由发现在机制上的相似 性以及执行时紧密的先后顺序，两者的结合有利于降低时延，提高网络性能。特 别是当节点加入网络之前服务已经启动时，除了控制报文大小的变化以外，不会 造成额外的控制开销。 针对m a n e t 网络安全性差的特点，在c z r p 的基础上基于对称密钥体系提 出了一种支持安全认证的扩展协议s c z r p 。当服务请求者提出服务发现请求时发 起服务认证过程，在服务真正被请求时完成整个认证过程，可有效地防止伪造的 服务请求者或服务提供者，保证服务被可信而安全地使用。对于普通节点之间的 安全认证，通过服务提供者提供额外的安全认证服务实现。借助该安全认证服务， 普通节点间可进行间接的双向认证。 理论分析和仿真实验结果均表明，采用跨层设计思想在现有路由协议的基础 上实现的服务发现协议是高效和可行的。 关键宇：服务发现协议；跨层设计；安全认证：m a n e t m a n e t 跨层服务发现协议研究 a b s t r a c t r e c e n ta d v a n c e si nc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e se s p e c i a l l yi nw i r e l e s sn e t w o r k a r ef a c i l i t a t i n gt h ee m e r g e n c yo fn e wc l a s s e so fn e t w o r ko r g a n i z a t i o n m o b i l ea dh o c n e t w o r k ( m a n e t ) i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t i ti sas e l f - o r g a n i z i n gn e t w o r kw h i c h c o m p o s e db ym o b i l en o d e s ，u s i n gw i r e l e s st r a n s m i s s i o nw i t h o u tt h es u p p o r t s o f s t a t i o n a r yi n f r a s t r u c t u r ea n dc e n t r a l i z e da d m i n i s t r a t i o n i t se a s yt od e p l o y , b u tm a n y p o t e n t i a lp r o b l e m se x i s t ，f o re x a m p l e ，r e s o u r c e sa r es t r i c t l yl i m i t e d ，t o p o l o g yi s d y n a m i c ，t h ep e r f o r m a n c ea n ds e c u r i t yg o a l sa r en o ts a t i s f i e da n ds oo n f o rt h e s e r e a s o n s ，m a n yr e s e a r c h e sf o c u so ni t sp r o t o c o ld e s i g n d u et oi t sd y n a m i cp r o p e r t y , a u t o m a t i cs e r v i c ed i s c o v e r yi s o b v i o u s l yc r u c i a l f o rm a n e t ，a n db e c o m ea n i n d i s p e n s a b l ec o m p o n e n ti np r o t o c o ls t a c ko fm a n e t t h i st h e s i sf o c u s e so nt h e s t u d yo fl i g h tw e i g h ts e r v i c ed i s c o v e r yp r o t o c o la n di t sm e c h a n i s m sf o rm a n e t i nf a c t r o u t ed i s c o v e r yp r o t o c o la n ds e r v i c ed i s c o v e r yp r o t o c o la l lb e l o n g st o r e s o u r c el o c a t i o n p r o t o c 0 1 s i m i l a rm e c h a n i s m se x i s t i nt h e s et w o p r o t o c o l s t r a d i t i o n a ls o l u t i o n sd o n tp a ya t t e n t i o nt ot h i sf a c t a sar e s u l t ，t h em e c h a n i s m sa r e e x e c u t e dr e p e a t e d l y ，r e d u n d a n td a t aa r ep r o d u c e da n dt h ep e r f o r m a n c es l o w sd o w n i n o r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ，w ep r o p o s eaz r p b a s e ds e r v i c ed i s c o v e r yp r o t o c o l c z r p , w h i c hb l e n ds e a m l e s s l yw i t hr o u t ed i s c o v e r yp r o t o c 0 1 i nc z r p sz o n e ，a c t i v e r o u t ea n ds e r v i c e d i s c o v e r yi sa d o p t e d ，o t h e r w i s e ，r e a c t i v er o u t ea n ds e r v i c e d i s c o v e r yi sa d o p t e d s i n c et h ec l o s e l yr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h er o u t ep r o t o c o la n d t h es e r v i c ed i s c o v e r yp r o t o c o l ，t h e s em e c h a n i s m sl e a dt on e t w o r kd e l a yr e d u c e da n d p e r f o r m a n c ei m p r o v e d e s p e c i a l l yn oa d d i t i o n a lc o s te x i s t si fs e r v i c e sh a v es t a r t e d b e f o r et h en e t w o r kt o p o l o g yi sf o r m e d ，e x c e p tt h es i z eo fc o n t r o lp a c k e t sg r o w s s i n c em a n e ti sv e r ys u s c e p t i b l et os e c u r i t yt h r e a t s ，w ep r o p o s ea ne n h a n c e d p r o t o c o ls c z r pb a s e do nc z r p , w h i c hu s i n gs y m m e t r i ce n e r y p t i o nt e c h n o l o g yt o s u p p o r ts e c u r ea u t h e n t i c a t i o n s e r v i c ea u t h e n t i c a t i o np r o c e s si ss t a r t e dw h e ns e r v i c e d i s c o v e r yr e q u e s ti sb e g i n ；t h ep r o c e s si sc o m p l e t e dw h e nt h es e r v i c ei sr e a l l yu s e d t h r o u g ht h ep r o c e s s ，s e r v i c er e q u e s t e r sa n dp r o v i d e r sc a l lb ea u t h e n t i c a t e da n d s e r v i c e sc a nb eu s e dc r e d i b l ya n ds e c u r e l y b e s i d e st h e s e ，c o m m o nn o d e sc a na l s ob e a u t h e n t i c a t e db yp r o v i d i n gas e c u r ea u t h e n t i c a t i o ns e r v i c ei no a rm e c h a n i s m q u a n t i t a t i v ea n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l ta l s o s h o wt h a ti t sf e a s i b l ea n d e f f e c t i v et oi m p l e m e n ts e r v i c ed i s c o v e r yp r o t o c o lb a s e do ne x i s t e dr o u t ep r o t o c o l s u s i n gc r o s s l a y e rd e s i g nm e t h o d o l o g y 硕士学位论文 k e y w o r d s ：s e r v i c ed i s c o v e r yp r o t o c o l ；c r o s s l a y e rd e s i g n ；s e c u r ea u t h e n t i c a t i o n ： m a n e t 1 1 1 m a n e t 跨层服务发现协议研究 插图索引 2 1 严格分层设计与跨层设计1 1 2 2 跨层设计流程图1 2 3 1z r p 体系结构图1 5 3 2z r p 路由实例一17 3 3c z r p 体系结构图1 8 3 4c z r p 服务信息表1 9 3 5 修改后的i a r p 报文1 9 3 6 服务通告机制一2 0 3 7 服务通告机制伪码描述2 l 3 8 修改后的i e r p 报文2 2 3 9 修改后的i e r pr e p l y 报文2 2 3 1 0 服务发现机制2 3 3 1 1q d l ，q d 2 示意图2 5 3 1 2 服务发现机制伪码2 6 3 1 3 服务删除机制伪码2 7 4 1 数据加密流程3 2 4 2 对称密钥加密3 2 4 3 公开密钥加密一3 3 4 4 基于对称密钥体系的安全认证原理3 3 4 5 服务安全认证原理一3 5 4 6s c z r p 的i e r p 报文3 5 4 7s c z r p 的i e r pr e p l y 报文3 6 4 8s c z r p 伪码描述3 7 4 9s c z r p 的i a r p 报文3 8 4 1 0s c z r p 的i a r pr e p l y 报文3 8 4 1 l 普通节点间的相互认证过程3 9 5 1n s 2 移动节点模型4 2 5 2 不同区域半径下服务请求平均时延4 6 5 3 不同区域半径下控制开销4 6 5 4 不同区域半径下s c z r p 的服务请求平均时延4 7 5 5 不同区域半径下s c z r p 的控制开销4 7 5 6 不同服务发现协议的服务请求平均时延4 8 5 7 不同服务发现协议的控制开销4 9 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 硕士学位论文 表 表 表 表 附表索引 3 1 服务发现过程一2 4 3 2 服务发现协议量化性能比较2 9 5 1c z r p 性能测试参数表 5 2c z r p 性能对比测试参数表 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名： 亩f 每矛 日期：砌6 年弓月枷日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：彰j 纷鹭日期：矽彩年弓月匆日 导师签名：三啄册喔 日期：切年；月扫日 硕士学位论文 1 1 研究动机与意义 第1 章绪论 近年来，蜂窝移动通信系统，无线局域网，蓝牙，家庭无线网等无线移动通 信技术纷纷出现并迅速发展，极大地推动了无线通信技术的广泛应用，同时带来 了网络组织形式的变化。m a n e t ( m o b i l ea dh o cn e t w o r k ) 网络就是随着无线 通信技术的快速发展而出现的一种新型网络，最初起源于2 0 世纪7 0 年代的美国 军事研究领域，是一种特殊的应用于战场环境且不借助任何基础设旌和中心管理， 在有限范围内实现多个对等移动终端互连的临时网络。随着技术的发展，目前 m a n e t 网络已经得到国际学术界和工业界的广泛关注，应用于工业，商业，医 疗，家庭，军事等领域，成为移动通信技术向前发展的一个重要里程碑，并将在 未来无处不在的计算中占据重要地位。 m a n e t 所标称的是一种有别于中心接入、单跳、固定等特征的临时性多跳 自治网络。与传统的固定以太网不同，m a n e t 不属于总线型网络，由于全网广 播的开销非常大，且其网络拓扑随着节点的移动而动态变化，因此为静态网络设 计的许多机制不再满足m a n e t 的需要；与无线局域网和蜂窝移动通信系统相比， m a n e t 不属于单跳广播网络，并且无固定基础设施支持，因此，其部署更加灵 活机制也更加复杂。 随着计算机和网络技术的不断发展，以及各类业务需求的不断出现，网络中 可供使用的业务种类和数量曰益增多，如何使用户快速有效地在网络中寻找并发 现与特定的任务相匹配的服务，实现网络的自动配置，从而减少管理开销变得越 来越重要。尤其是对于m a n e t 而言，缺乏中心管理和动态变化的拓扑结构使得 服务的自动发现交得至关重要，传统的服务发现协议很难满足其要求。 受m a n e t 设备移动性的限制，组成m a n e t 饷终端计算能力和电能等资源 均受到约束，严格的分层设计方法尽管能形成统一的接口，方便升级和维护，但 也会造成开销较大。因此，通过模糊层与层之间的接口，采用跨层设计思想将若 干联系紧密的功能或层进行压缩和组合并依此进行裁减和优化对于此类资源受限 的终端而言非常具有实用价值。由于m a n e t 中的两种主要协议即网络层路由协 议和应用层服务发现协议具有类似机制，故采用跨层设计思想将其统一设计不仅 能有效地利用节点和服务相互对应这一事实，也能方便地利用路由机制辅助优化 服务发现，在开销较少的情况下兼顾两者之间的统一。 m a n e t 跨层服务发现协议研究 1 2 研究目的 服务自动发现的概念是随着计算机网络的不断发展而提出来的，其主要目标 是解决网络中设备和服务的自动发现。在以广播为基础的网络或固定网络中服务 自动发现并不存在很大的困难。 随着无线网络的发展以及服务种类和数量的剧增，服务的自动发现h 趋重要， 特别是对于m a n e t 网络而言，拓扑结构动态变化，服务提供者和服务请求者的 频繁加入与退出，网络中可能存在相同或相似服务等特点使得服务的自动发现至 关重要。传统的服务发现协议大多针对链路可靠性高，带宽资源充裕，响应时间 短，拓扑结构相对稳定的静态网络设计，其体系结构大多采用基于固定设施的集 中式目录结构，不适应无中心、自组织的m a n e t 的需求，因而需要采用不同于 固定网络的设计原则。 当前m a n e t 网络协议的设计很大程度上基于严格的分层设计方法并采用协 议栈的方式实现，层与层之间通过定义良好的接口互相通信，各层完成预先定义 的功能并实现其协议接口。这种方式具有较好的通用性和可扩展性，也使得协议 的设计缺乏针对性，不适合动态变化的网络特点，网络的性能无法得到有效保障。 通过扩展协议栈主要层的功能，将其中若干功能或层组合压缩减少协议层之间的 相互通信开销，并利用这些组合信息对其进行裁减和优化的跨层体系成为行之有 效的解决方案川。 在m a n e t 中，路由发现是必不可少的核心协议。在路由发现过程中，节点 通过节点问路由信息的相互交互或者广播报文建立到达目的节点的路径。依据传 统的分层设计方法，尽管路由发现过程已经完成，但服务发现仍不得不采用相似 的方式再次交换报文进行服务的自动发现，显然，严格分层的设计思想使得这两 种协议无法共享这一相似机制，导致信息的重复交互，开销较大且效率低下。 注意到服务发现和路由发现的特点以及服务信息和路由信息之间的对应关 系，通过在路由发现过程中捎带有效的服务信息，使得路由建立的同时完成服务 的自动发现，以减少节点间不必要的重复信息交换。利用路由协议对节点位置、 拓扑变化、网络规模等信息的了解对服务发现进行优化，建立一种高效的跨层服 务发现协议是本文主要的研究目的。 1 3 研究内容 本文以一种面向m a n e t 的高效跨层服务发现协议的研究为目标。首先分析 现有不同网络环境下服务发现协议的优缺点，然后系统地分析比较严格分层设计 模型和跨层设计模型，在此基础上提出一种针对m a n e t 应用需求的基于区域路 由协议z r p 的跨层服务发现协议机制。其次，针对服务请求过程中的安全性问题 硕士学位论文 我们还提出了一种基于对称密钥体系的相互认证解决方案。最后，在n s 2 仿真平 台上就服务请求时延、控制包开销等指标将其与若干现有服务发现机制进行分析 比较。 1 4 本文的主要工作 本文主要研究的是一种运用跨层设计思想面向m a n e t 的基于z r p 的高效安 全的服务发现机制，为此，本文将总结现有的若干服务发现机制，并系统地比较 跨层设计模型和严格分层设计模型，在此基础上提出新的跨层服务发现协议 c z r p 和具有安全认证扩展的s c z r p ，并就若干性能指标在仿真平台上与现有的 协议进行比较。本文的主要工作包括： ( 一) 现有服务发现协议机制的比较 本文将综述现有的各种服务发现机制，依据其应用环境和机制的不同进行分 类和比较，通过对其机制的定性分析指出现有服务发现机制的不足及其适用范围， 最后分析m a n e t 环境下服务发现协议的特殊需求及其评价指标。 ( 二) 跨层设计模型与严格分层设计模型的比较 通过建立跨层设计和严格分层设计的设计模型，定量分析跨层设计和严格分 层设计之间的差异，为跨层设计思想在协议设计时提供理论指导，其中主要的量 化评价指标包括时延，控制包开销和能耗等。 ( 三) 新的跨层服务发现协议及其性能评价 z r p 是m a n e t 网络中一种趋于实用的混合分区路由协议，通过将服务发现 过程与该路由协议相结合，并加入服务通告，选择和删除等机制。本文在充分利 用了已有的路由机制的前提下进行服务通告和发现，提出一种高效的跨层服务发 现协议c z r p 。在此基础上，提出了一种基于对称密钥体系的安全认证扩展机制 s c z r p 。最后在n s 2 平台上就若干评价指标与现有的协议进行了仿真和比较。 l 。5 本文的组织结构 全文分为五章，第一章概述了本文的研究动机、目的、内容、主要工作以及 组织结构等。第二章详细介绍了研究的背景知识及相关研究现状，并对跨层设计 方法学进行了系统阐述，提出了跨层设计的流程和定量分析模型。第三章首先介 绍z r p 路由协议，在此基础上提出了新的跨层服务发现协议c z r p ，并详细介绍 了服务通告，服务发现，服务删除等机制。第四章则依据对称密钥体系中安全认 证原理实现了服务双方相互认证机制，在此基础上对其扩展使其支持对普通节点 进行相互认证。第五章是仿真结果与分析。最后总结全文。 m a n e t 跨层服务发现协议研究 2 1 引言 第2 章背景知识及研究现状 服务的自动发现是m a n e t 的重要组成部分。通过服务发现协议，设备能自 动发现网络中相关的服务信息以便使用网络所提供的服务f j 。换句话说，服务发 现就是寻找提供所需服务的服务提供者的位置，一旦获得所需服务的位置( 通常 是服务提供者的地址) ，用户就可以访问并使用它】。对用户而言，服务发现可以 大大简化终端设备发现以及使用服务的过程，尤其是在动态变化的m a n e t 网络， 新加入网络的节点对于网络中所提供的服务无所知，在绝大多数情况下也不可 能通过预先给节点静态配置服务信息。对于这类可靠性差，节点移动性大的网络 而言采用服务发现协议实现网络服务的自动发现更显得尤为重要州。此外，以信 息空日j 和物理空间完全融合为目的普适计算的发展也对服务的自动发现提出了新 的需求【5 】i “，作为普适计算一个重要的基础应用环境，m a n e t 下的服务发现协议 具有重要研究意义。 尽管采用严= 格分层的方法设计m a n e t 下的服务发现协议是可行的，但是受 带宽、计算能力等资源的严格约束，动态变化的拓扑，节点移动和应用相关等因 素的影响，这种传统的设计方法也面临开销和时延较大，信道利用率低，冗余信 息多等问题的困扰。注意到路由协议和服务发现协议在机制上的相似之处以及路 由请求和服务发现请求紧密的先后执行顺序这一基本事实，采用跨层设计方法将 两种协议进行结合设计，在路由发现的同时完成服务发现不仅有利于降低网络开 销，提高网络性能，也有利于提高资源利用率，降低资源需求，特别是对于采用 按需路由的m a n e t 网络而言”l 。 本章首先将综述现有的各种服务发现协议机制，从不同的角度对其进行分类 和定性分析，并着重介绍m a n e t 下服务发现协议的研究现状，指出m a n e t 下 存在的主要问题：然后通过对严格分层模型进行简单的分析引入跨层设计模型， 指出跨层设计的一般原则、设计流程和定量分析方法等。 2 2 服务发现协议 2 2 1 服务发现协议概述 通常来说，服务发现协议主要解决如下两个问题： 1 服务提供者如何向网络通告其服务的存在，以及如何向服务请求者提供访 问该服务的必要信息。 2 服务请求者如何利用已有的信息在网络中搜索和选择其所需的服务。 2 服务请求者如何利用已有的信息在网络中搜索和选择其所需的服务。 硕士学位论文 由上可知，任何一个服务发现协议至少涉及两个最基本的实体：服务请求者 和服务提供者。依据是否提供服务信息的存储和查询中介，可能存在另外的实体， 如目录服务中心和代理等删。 目前，已存在较多不同类型的服务发现协议，因此有必要对其进行系统的分 类与分析。依据标准的不同，服务发现协议可以被划分为不同的类型【4 】【5 】【9 】。 从网络类型来看，可以把服务发现协议分成局域网，广域网和m a n e t 网。 最初的服务发现协议就出现在局域网环境下，通常认为，局域网的资源不受限制， 网络拓扑结构较稳定，与其他环境相比，其带宽资源较丰富，因此局域网环境下 的服务发现协议大都接口定义规范，功能强大，便于扩展。典型的锛议主要有 s l p 【1 1 1 ，j 1 n i 12 1 ，u p n p t 3 】等。广域网是有别于局域网的另一个网络应用环境， 受广播和多播机制缺乏等网络特性以及网络规模等因素的影响，广域网环境下的 服务发现协议面临诸多挑战，主要包括协议的可伸缩性，服务信息的一致性及网 络通讯开销等闯题，现有的协议主要有s s d s l l 4 】，c s p ”】等。m a n e t 是服务发现 协议研究最集中的领域，这主要由于该环境的动态特性，与前两种网络类型相比， m a n e t 下的服务自动发现显然更有价值。由于m a n e t 下不存在网络基础设施， 节点既是收发终端也作为路由器，因此，这样韵结构是不稳定和高度动态的，此 外网络中的设备受手持移动等要求约束而资源贫乏，其服务发现协议的研究面临 更大的挑战，目前协议主要包括s d p 15 1 ，k o n a r k 17 1 ，g s de 1 引等。 按服务信息的存储方式可以将服务发现协议分为集中存储和分布式存储两种 类型，其中分布式存储又可分为结构化存储和非结构化存储两种。集中存储方法 的典型代表有s l p e l l l ，j i n i l l 2 l 等，它们都提供一个中心服务器负责存储服务信息， 客户通过向该已知的中心服务器查询服务信息后直接与服务提供者之间通讯。这 种方式机制简单、开销较低，但依赖于固定的中心服务器，比较适合拓扑结构稳 定，可靠性高的固定网络。结构化分布式存储方式则将服务信息按一定的结构进 行分布存储，可采用的结构包括平面结构，层次结构或混合结构等，它主要用于 需着重考虑网络伸缩性问题的大规模网络中，如s s d s l l 4 】，c s p 1 s 等。非结构化 存储体系则依赖于广播或组播技术，通过服务提供者在网络中广播服务通告或者 请求者广播服务请求，节点侦听并缓存感兴趣的服务信息等方式获取服务信息， 因此信息的存储不会形成某种特定的结构，主要适用于以广播技术为基础的局域 网和m a n e t 网络，如u p n p 1 ”，k o n a r k ! t t ，g s d1 1 8 】等。 按协议所采用的机制可以将服务发现协议分为直接型和间接型。间接型服务 发现协议一般由专门的服务管理实体负责处理服务信息，服务提供者向服务管理 实体注册服务，服务请求者则从服务管理实体查询所需的服务信息。间接型服务 发现协议多采用集中存储和结构化的分布式存储等模式，因此不太适合动态网络。 直接型协议又可以分为主动型和被动型，分别称为p u l l 型和p u s h 型，其中在p u l l m a n e t 跨层服务发现协议研究 模式下服务请求者主动广播服务请求消息，合适的服务提供者在接收到该请求后 做出相应，向请求者提供服务的位置和特性信息；相反p u s h 模式是指服务提供者 主动( 周期性地) 发送服务通告消息来声明所能提供的服务及其接入信息，网络 中的其他节点被动接收这些消息以了解网络中所提供的服务进而访问服务。由于 直接型协议的潜在广播需求及能适应拓扑动态变化的特点，因此在m a n e t 网络 中多采用此种类型的服务发现协议。 最后，从服务发现协议所采用的通讯技术可以将其分为单播，组播，广播和 任播方式。由于在服务发现协议设计之前，网络所支持的通讯技术就已经确定， 并有可能同时支持多种通讯技术，因此服务发现协议主要考虑的是如何综合有效 地利用网络所提供的这些通讯技术。一般来说，单播搜索的开销较大，比较适合 于服务信息存储位置己知的情况，如s l p 】，j i n i 1 2 】等，s s d p 1 4 1 也提供了单播 支持。组播和广播技术则适合在没有任何已知兹提条件的情况下进行服务发现， 但无节制地使用组播和广播技术容易产生广播风暴，造成信道利用率下降，数据 传输时延增加。任播则是一种比较特殊的技术，发送给任播地址的数据包将会由 最近的任播主机转发，在产生一定冗余的基础上有利于提高服务请求性能和稳定 性，但对于m a n e t 网络而言，动态拓扑下任播主机的选择以及资源受限情况下 的数据冗余是一个比较大的问题。 2 2 2m a n e t 服务发现协议研究现状 目前，产业界和学术界在服务发现领域已做了大量研究工作【”】，如s u n 提出 的基于j a v a 的j i n i 体系【l ”，该体系由三组协议组成：查找，发现和加入。通过使 用这些技术，用户可以从任何地点任何时刻将任何一台具有计算能力的设备与网 络相连，实现全方位“即插即用”。蓝牙技术中包含了服务发现协议( s d p ) 标准， 该标准详细阐述了如何在蓝牙微微网中发现服务，以及如何按照服务属性和类型 进行服务查找等。u p n p 是由m i c r o s o f t 主导针对信息家电，无线设备以及p c 机 提出的服务发现协议【l3 1 。设备通过a u t o i p 自动进行i p 地址的配置，使用简单服 务查找协议( s s d p ) 查找和访问服务。s a l u t a t i o n 由s a l u t a t i o n 协会提出 1 9 1 ，功 能类似于j i n i 中的查找服务，服务提供者在s a l u t a t i o nm a n a g e r 注册服务，客户通 过s a l u t a t i o nm a n a g e r 发现所需的服务信息。上述协议都基于静态网络环境设计， 需要中心服务器保存网络服务目录，因此不适合动态变化的a dh o c 网络。 已有的m a n e t 服务发现协议针对m a n e t 的特性与服务发现的要求在能效。 安全，可伸缩性等方面提出了不同的解决方案。 对于资源受限的m a n e t 网络而言，针对能耗性设计协议有助于更好实现服 务发现。影响能耗的因素很多，包括网络开销，信道获取，数据包发送和接收等。 s u p e r s t r i n g 【2 l j 提供一种负载转移的方法减少能耗，将能源受限的电池驱动设备负 硕士学位论文 = = = 竺! ! = = = = ! = = = = ! = = = ! = = = 苎! 喜皇= = = = = = = = = = = = = = = = ! = = ! ! ! = = 皇烹ii ! 皇 载转移到能源充足的固定设备上。但这种方法并不适合对等结构的m a n e t 网络， m a n e t 网络不存在满足要求的固定设备。d e a p s p a e e 2 2 允许能量较弱的节点在 两次广播之间的时间空隙进入休眠时间以此减少能量的消耗，然而在动态变化的 m a n e t 中，并不支持这种理想的休眠方式。针对m a n e t 网络资源受限的特点， 文献f 2 3 】研究了采用缓存方法实现低开销服务发现协议的可行性。将请求的服务 缓存到设备，根据服务的使用周期判定服务是否过期。 安全性是设计m a n e t 服务发现协议的另一个重要问题。s s d s ! 1 4 】加入了安 全模型保护敏感信息，并帮助客户定位真实可信的服务。文献 2 4 】允许服务请求 者在获得多个满足服务需要的实体中，选择一个最信任的服务提供者进行通信， 以保证业务过程的有效性和建立协议机制。这个过程需要服务提供者维护一个动 态的业务历史列表，保存先前与其他节点的业务评价结果。当赧务结束时，服务 提供者产生一个收据发给客户。客户返回一个评价值。请求服务豹节点根据其他 节点对服务提供者的评价，选择一个评价值最多的服务提供者。 随着m a n e t 广泛应用，网络的覆盖范围也将由开始的1 跳，2 跳伸缩到成 百上千个节点，使得协议设计需要考虑到伸缩性问题。文献【2 5 】提出了建立虚拟 主干网的策硌，在网络中选择主干节点负责周围节点的服务查询与服务注册。这 种方法一定程度上增大了网络开销。一方面主干节点之伺的通信增大了网络开销， 另一方面当主干节点失效，重新选择主干节点也增大了网络负担。文献【2 6 】假设 网络通信在邻近域发生，因此将网络按照位置部分划分多个区域，当服务请求者 到达一个区域，该区域内的服务提供者发送服务列表，通告服务。然而这种方法 没有顾及到跨区域的服务查找，不能满足大范围的服务发现。l 觚e f 2 7 1 提出一种逻 辑划分方法，将网络按照服务类型划分多个通道，通道用任播地址标识，使用任 播技术查找服务。这种方法需要大量开销维护通道逻辑结构，并且文中没有给出 任播地址分配的策略。 以上从功能性方面讨论了m a n e t 服务发现协议。从实现角度上，又可以分 为严格分层实现和跨层实现。 大多数协议采用严格分层的方法实现，如k o n a r k 1 ，j s d p 2 酊，n o m 【2 9 1 等。 k o n a r k 提供了一个协议栈，在传输层之上分别实现k o n a r k 应用层，k o n a r k 服务 发现管理器和k o n a r k 消息层。其中管理器负责服务对象和信息的维护，消息层负 责发送和接收通告和请求消息。应用层利用基于s o a p 的h t t p 服务器实现服务 描述的传递。j s d p 是基于j a v a 服务体系轻量级中间件j e s a 的重要组件，支持点 对点和目录查询两种模式，其中点对点模式中支持p u l l 与p u s h 模式。采用发现 一使用一忘记的策略进行服务存储。k o n a r k 与j s d p 都是基于中间件的服务发现 协议，这种严格分层设计思想容易产生数据冗余，并易造成性能瓶颈，不适合资 源严格受限的小型设备。 m a n e t 跨层服务发现协议研究 严格分层的服务发现协议大多需要网络层路由协议的支持，当服务请求者使 用单播或多播传输机制与服务提供者建立通信前，必然需要借助路由实现点到点 的通信，即通过路由发现后才能实现服务发现。另一方面，路由发现与服务发现 机制具有高度的相似性。服务发现的p u l l 模式相当于反应式路由，由客户实体发 出请求，查找满足要求的服务实体。服务发现的p u s h 模式相当于先验式路由，周 期性发送通告，周围节点接收并维护列表信息。路由发现与服务发现相似而又紧 密的联系使得跨层设计成为可能。k o o d l i 最早提出了将路由协议与服务发现协议 结合设计【3 们，通过在按需路由协议a o d v 的路由请求包和回复包中分别加入服务 请求信息和回复信息实现按需m a n e t 的服务发现协议。文中认为将服务发现与 按需路由协议结合设计，避免了由于服务发现而引发的路由开销。由于该协议完 全依赖于按需路由策略，随着网络节点数和移动频率增加，服务请求响应的性能 将显著下降。文献【3 l 】在按需组播路由协议o d m r p 的基础上实现了服务发现协 议。文献3 2 采用跨层设计，利用o l s r 路由层的消息机制有效地实现了网络层 协议从而减少协议的开销。然而该协议只支持实时多媒体s i p 服务。m z r p 是一 个基于z r p 的跨层服务发现协议口3 1 ，它通过在z l 冲区域路由协议组的h e l l o 分 组中添加一个服务类型域达到发现服务的目的。m z r p 利用n d p 协议周期性广 播h e l l o 分组获取邻接点链路状态，在h e l l o 分组中增加服务i d 域，周期性通告 区域内服务。由于z r p 区域路由协议是由区域内路由协议i a r p 和区域外路由协 议i e r p 组成，而该m z r p 只对i a r p 进行了修改，使得服务发现过程仅针对区 域内节点，对区域外节点的服务几乎一无所知。此外，文献 3 4 】【3 5 】【3 6 】也对跨 层服务发现协议进行了研究。 2 。2 3m a n e t 服务发现协议存在的主要问题 m a n e t 网络是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的多跳的临时性自 治系统。与传统通信网络相比，m a n e t 具有如下显著特点：无中心和自组织， 动态变化的拓扑结构，多跳路由，无线传输，资源受限，无固定设施支持及安全 性差等。在m a n e t 中，当节点进入到一个新的区域，其对该部分网络中可提供 的服务一无所知，通过服务发现过程，节点可获得网络中相关服务信息以便使用 网络提供的服务。因而，服务自动发现是m a n e t 的重要组成部分。 由于m a n e t 的所具有的诸多特点，因此为其提供合适的服务发现协议面临 着许多困难，主要包括： 1 服务如何描述。服务的描述方式直接关系到客户如何描述要查找的服务， 也一定程度上影响服务的查找机制。键一值对是使用最广泛的服务描述方式，如 s l p ，s d p 等大部分协议都使用这种方式，层次化键一值对的描述方式也应用较 多，如g l o s e r v ，g s d 等使用x m l 语言来描述服务信息，此外，也有一些协议使 硕士学位论文 用比较特殊的描述方式，如j i n i 使用j a v a 对象来进行描述等。 2 如何进行服务查找。服务的查找机制是服务发现协议的核心，在m a n e t 环境下，由于集中对服务信息进行存储几乎是不可能，因此在绝大多数情况下广 播成了服务信息获取的唯一途径，可以分为两种基本的工作方式，即p u s h 方式和 p u l l 方式。 3 如何选择服务。由于网络中可能存在相同和相似的服务，在没有特殊要求 的情况下，有必要选择合适的服务提供者来提供服务以优化服务质量，提高网络 性能。大致来说，能进行服务选择的实体主要包括最终用户，服务请求者，服务 提供者或服务代理等。 4 移动支持。移动是m a n e t 网络的主要特点，与蜂窝网络相比，m a n e t 网络没有任何基础设施支持，移动节点既要充当数据收发终端又需进行数据转发 实现路由功能，因此，节点的移动不仅会造成节点到其他节点路由的改变还会导 致整个网络拓扑发生变化，进而导致服务的可用性发生改变。此外节点的动态加 入和退出也是一个值得考虑的重要问题，在这些情况下，已有的服务信息如何获 取、更新或删除，新的服务信息如何通告等都是必须由协议做出相应处理的。 5 资源受限。与桌面计算相比，m a n e t 环境中的移动主机通常是资源受限 的，因此，服务发现协议必须在功能和性能之间做出一定的折中。一般来说， m a n e t 环境下的服务发现协议必须是轻量级的。 6 性能问题。除了资源受限导致的性能问题之外，m a n e t 中广泛使用的广 播也会造成很大的问题，由于无线信号相互重叠，直接使用泛洪广播通常造成极 大的开销，并带来严重冗余，竞争，冲突，甚至造成广播风暴【37 1 ，此外由于节点 需要转发数据包等因素的影响还会导致信道容量低，有效利用率不高等问题p 鄹， 因此仔细地处理性能问题是协议是否实用的基础。 7 安全与稳私问题。安全与隐私是一个广泛存在而又不能忽视的问题，特别 是m a n e t 的开放性和服务发现协议的特殊性导