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电子科技大学颈学位论文：无线移动自组织互联网核心树路出协议设计 摘要 本课题来源u 于闺家高技术磺究发袋计划( 8 6 3 计戋1 ) 颈鼙无线移动自缀 织互联网技术及其实验系统研制。无线移动自组织互联网是一种新型的无线通信 潮络。与传统的蕈跳的a dh o c 网络不同，无线移动自缀织网具有自组织窝多跳 路由的能力，并具有有效的移动用户管理和跟踪机制。在网络体系结构j 二借鉴了 g s m 的b s m s 两缀体制，把网络节点和用户节点明确区分开，使网络自缝织、动 态路由和网络管理等网络功能集中在网络节点中完成，并且对移动用户隐藏了网 络组织细节，从禚降低7 网络设备的负担和实现复杂度，并使整个系统对现有的 i ：p 网络和符合i e e e 8 0 211 标准的无线终端设备具有较强的兼容能力。 本文的主要内容是对无线移动鑫组织互联网的核心褥路由协议静设计。孩心 树路由协议是种基于树状路由结构的动态无线路由协议。协议以无线移动自组 织互联网酾豫级掰络体系结构为基磕，将复杂多变弱无线圈络拓扑抽象为垓，t 5 挺 结构，将动态路由的产生建立在对节点的邻居关系和对移动用户的位置关系的发 淡和维护之上。协议尽量减少广播信息的数量，并剥用节点间豹邻居关系将必需 的路由信息通告限制在网络的一个有限范围内，节省了可观的网络资源。 本文首先提出了网络体系结构耪鼹由需求，分孝厅了瑷有的典型a dh o c 路由 协议的设计思想，然后对核心树路由协议的设计进行了充分阐述。本文使用有限 拣态机的方法对协议进行了形式化描述和验证，关键漉程均给出了详细说鹗。 本文所做的研究是核心树路由协议实现的基础。与硬件平台设计、链路层驱 动和用户认证管理部分相配合，这些工作为无线移动自缀织互联网实验系统的实 现做好了准备。 关键谒：核心檄，自组织，移动路出 n 塞量整篓态耋堡圭堂垡笙塞! 蒌堡受墅塞簦坚薹壁塑黧室墼壁窭堡矍望型二一 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ni sa b o u tt h ep r o j e c to fs e l f - o r g a n i z e dw i r e l e s sm o b i l en e t w o r k i n g t e c h n o l o g y a n d e x p e r i m e n t a ls y s t e md e v e l o p m e n t ，a 芦嘲e c t o ft h en a t i o n a l h i g h ，t e c h r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tp r o g r a a n o fc h i n at h e s e l f - o r g a n i z e d w i t e l e s sm o b i l en e t w o r k ( s o w e r s ) i san e wt y p eo fw i r e t e s s c o m m u n i c a t i o n n e t w o r k d i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a ls i n g l e h o pa dh o cn e t w o r k , s o w m n ；s c a p a b l e o f s e l f - o r g a n i z a t i o na n dm u l t i ，h o pr o u t i n g ，a sw e l la si t sc a p a b i l i t yo f m o b i l e u s e rm a n a g e m e n ta n dt r a c i n g 。w i t hr e f e r e n c et ot h eb s m sa r c h i t e c t u r eo fg s m s y s t e m ，t h en e t w o r k n o d e sa n du s e rn o d e sa r ee x p l i c i t l yd i s t i n g u i s h e di ns o w m n s a r c h i t e c t u r e 秘en e t w o r kf u n c t i o n so fs e l f - o r g a n i z a t i o n ，d y n a m i cr o u t i n ga n du s e r m a n a g e m e n ta r ea 1 1c o m p l e t e dl nt h e n e t w o r kn o d e sa n dt h ed e t a i l so fn e t w o r k s t r e e t u r ea 糟h i d d e nt o1 1 1 0 b i l eu s e r s , s ot h eh u r d e l lo fn e t w o r kd e v i c e sa n d 氆e 持 i m p l e m e n t a t i o nc o m p l e x i t ya r ed i s t i n c t l ya l l e v i a t e dw h i l et h es o w m ns y s t e ms t i l l h a s 鑫拄e x c e l l e n t c o m p a t i b i l i t y w i t h e x i s t i n g 1 pn e t w o r k sa n dw i r e l e s st e r m i n a l s a c c o r d i n g w i t hi e e e 8 0 2lls t a n d a r d + d e s i g no f t h ek e r n e lt r e er o u t i n gp r o t o c o io fs o w m ni st h em a i np a r to ft h i s d i s s e r t a t i o n k t ri sad y n a m i cw i r e l e s sr o u t i n gp r o t o c o lb a s e do nt h et r e es t r u c t u r e ， t h e c o m p l i c a t e dt o p o l o g yo f w i r e l e s sn e t w o r k i sa b s t r a c t e dt oat r e es t r u c t u r ei nk t r w h i l et h ed y n a m i cr o u t e sa r ec r e a t e do nt h eb a s i so f d i s c o v e r ya n dm a i n t e n a n c eo f n e i g h b o rr e l a t i o n s h i p sa n dm o b i l el i n e r s p o s i t i o n s k t rt r i e st o r e d u c eb r o a d c a s t p a c k e t sa n dr e s t r i c t t h en e e d e da d v e r t i s e m e n t si nal i m i t e ds u b s e to ft h ew h o l e n e t w o r kt os a v eac o n s i d e r a b l en e t w o r kr e s o u r c e 酝i sf i r s ti n t r o d u c e dt h a tw h a tt h es o w n m sa r c h i t e c t u r ei sa n d , n h a ta g er e q u i r e db y r o u t i n g t h e ni tg i v e sas n a p s h o to fs o m et y p i c a la dh o cr o u t i n gp r o t o c o l s 。t h e p r i n c i p a l so f t h e s ep r o t o c o l sa n d t h e d e s i g no f k t r a r ee l a b o r a t e da st h em a i n p a r to f t h i sd i s s e r t a t i o n a l lt h ec o m p l e t e dw o r kd e s c r i b e dh e r ep l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nk t r sr e s e a r c h ，i t h a sm a d eap r e p a r a t i o nf o ft h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ew h o l ee x p e r i m e n t a ls y s t e m t o g e t h e r w i t hh a r d w a r e p l a t f o r m ，l i n kl a y e r d r i v e ra n du s e ra u i h e n t i c a t i o n n l a l l a g e m e n tw o r kg r o u p s k e 姆 o r d s ：k e r n e lt r e e ，s e l f - o r g a n i z a t i o n ，m o b i l er o m i n g 电子科技大学硕士学位论文：无线移动自组织互联两核心树路由协议设计 独龟| j | | 生声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的硬究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一阎王作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 乍了明 确的说明并表示谢意。 签名：要是 一 西袭：泐 年易月了西 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解窿后应遵守此栽定) 签名：曼垂 导师签名：一整坐型j 日期：9 0 0 年6 月节日 电子科技大学硕士学位论文：无线移动自组织互联网核心树路由协议设计 a a a a a a i p a m a c a o d v a p b s b s s 缩略语 a d m i n i s t r a t i v ea r e a a u t h e n t i c a t i o n ，a u t h o r iz a t i o na n da c c o u n t i n g a c t u a l 工pa d d r e s s a c t u a im a ca d d r e s s a dh o co n d e m a n dd i s t a n c ev e c t o r a c c e s sp o i n t b a s es t a t i o n b a s i cs e r v i c es e t b s s i db a s i cs e r v i c es e ti d c n d r p c o n v e r g e n c en o d e d y n a m i cr o u t i n gp r o t o c 0 1 d s d v d y n a m i cd e s t i n a t i o n s e q u e n c e dd i s t a n c e - v e c t o r r o u t i n g d s r d y n a m i cs o u r c er o u t i n g e s se x t e n d e ds e r v i c es e t e s s i de x t e n d e ds e r v i c es e ti d f i b f o r w a r d i n gi n f o r m a t i o nb a s e f s r f i s h e y es t a t er o u t i n g g s mg 1 0 b a l s y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n g s rg 1 0 b a ls t a t e r o u t i n g h s rh i e r a r c h i c a ls t a t e r o u t i n g h s r pc i s c oh o t s t a n d b yr o u t e rp r o t o c 0 1 i b s s i n d e p e n d e n tb a s i cs e r v i c es e t i s m i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i ca n dm e d i c a l k t rk e r n e lt r e e r o u t i n g v 电子科技大学硕士学位论文：无线移动自组织互联网核心树路由协议设计 i m s l s p l o c a t i o nm a n a g e m e n ts e r v e r l i n ks t a t ep a c k e t m a n e tm o b i l ea dh o cn e t w o r k m s m s d u n a t 0 s p f m o b i l es t a t i o n m a cs e r v l c ed a t au n i t n e t w o r ka d d r e s st r a n s i a t i o n o p e ns h o r t e s t p a t hf i r s t r a d i u sr e m o t ea u t h e n t i c a t i o nd i a li nu s e rs e r v i c e r i b r i p r o u t i n gi n f o r m a t i o nb a s e r o u t i n gi n f o r m a t i o np r o t o c 0 1 s o w h n s e l f - 0 r g a n i z e dw i r e l e s sm o b i l en e t w o r k s r p s s r t o r a v 工p v m a c v r v r r p w h w r z h l s s t a t i cr o u t i n gp r o t o c o l s i g n a is t a b i l i t yr o u t i n g t e m p o r a l l y0 r d e r e dr o u t i n ga 1 9 0 r i t h m v 1 r t u a li pa d d r e s s v i r t u a lm a ca d d r e s s v 1 r t u a lr o u t e r v i r t u a lr o u t e rr e d u n d a n c yp r o t o c 0 1 w i r e l 8 s sh o s t w i r e i e s sr o u t e r z o n e b a s e dh i e r a r c h i c a ll i n ks t a t e v i i i 电子科技大学硕士学位论文：无线移动自组织互联网核心树路由协议设计 1 l 课题背景 第一章引言 作为现代通信技术的两个重要领域，i p 技术和移动通信技术正在全球范围内 快速发展和应用，两种技术的结合也日益称为当今通信技术发展的一个趋势。本 课题的研究正是着眼与此。 本课题来源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 项目一无线移动自组 织互联网技术及实验系统研制。该项目探索无线移动通信与i p 技术的结合，研究 在小型区域范围内允许多个网络同时存在、不同网络自动区分、拓扑结构动态可 变、具有多跳和动态路由能力的自组织网络结构形式。美国早在8 0 年代初即提出 了自组织网络的概念，目前其研究重点在移动a dh o c 网络( m a n e t ) 。我国从 七五后期开始自组织网络技术研究。 无线网络技术是当前获得迅速发展的技术，它允许移动用户采用更加灵活方 便的方式接入网络。典型的无线网络通常具有两种组织形式：中心结构网络 ( i n f i a s t r t r c t m e d n e t w o r k ) 和a dh o c 网络( i n f r a s t r u c t u t 。e l e s s n e m o r k ) 。 中心结构网络由包含固定有线网关的网络组成。在无线覆盖范围内，移动主 机与基站( 固定有线网关) 进行通信，并可在通信过程中移动。当移动主机离开 原基站的无线覆盖范围后，它可与另一个基站建立连接并通过该基站继续进行通 信。在这种组网和通信方式中，基站位置是固定不动的。g s m 系统即是采用这 种网络组织形式。 a d h o c 网络是无线网络的另一种组织方法。在a dh o c 网络中，所有节点都 处于平等地位，它们之间都可能有通信关系存在，同时每个节点还承担着组网和 为其它节点中继的义务。网络中的所有节点都像路由器一样参与路由的发现和维 护。a dh o c n 络在搜救环境、会议环境以及复杂环境中的数据获取等方面具有重 要意义。目前，国内外对移动a dh o c 网络的自组织算法和路由算法有非常多研 究。但在共享信道方式情况下，任何一种算法都有相当大的组网开销，使网络的 实际通信能力受到限制。 无线移动自组织网络技术是一个新的研究领域，它将i p 网络技术与无线通信 技术紧密结合在一起。无线网络的自组织协议和算法、动态路由协议和算法在国 内尚无成熟的研究成果。课题将要实现的实验系统具备网络拓扑动态可变、自动 组织、动态路由和移动用户接入管理等能力，是一种新型的网络体系结构和组网 电子科技大学硕士学位论文：无线移动自组织互联网核心树路由协议设计 形式。 无线移动自组织网络具有组网方式灵活、环境适应性强和快速应变的特点 因而能够广泛应用于没有现存网络支持或现有网络不能满足机动性要求的应用 环境，将会在军事和民用方面得到广泛的应用。 12 研究目标和途径 本课题的目标是研究适应于无线移动自组织网络特点的快速、准确、高效和 可扩展的动态路由技术。在组网体制上，课题借鉴移动通信系统的b s m s 组网形 式，采用无线网点( 基站) 和无线用户( 移动用户) 的方式构造两级网络结构。 无线网点通过无线信道沟通和自组织，形成无线互联网络，实现网络的拓扑构成、 中继与路由、按入控制和用户管理等功能，为移动用户提供通信服务。移动用户 不参与网络的自组织和动态路由，只是使用网络提供的可移动的通信服务。这样， 无线网络中所有节点分成两个部分，较少部分是无线网点，较多的部分是无线用 户。与传统的a d h o c 网络相比，在同样数目的无线节点情况下，大大减少了参 与自组织和动态路由算法的节点数，也大大降低了网络开销。本文将在分析比较 现有的各种m 肘忸t 路由协议的基础上，结合无线移动自组织网络拓扑变化快、 主机可移动等特点，提出新的路由协议和算法。 i e e e 8 0 21 1 b 已经提供了一个比较成熟的无线局域网标准，目前各个厂商也 研制出了大量符合该标准的移动设备。i e e e 8 0 21 1 b 提供了链路层的互连，利用 其包含的“a dh o c ”和“m a n a g e d ”两种组网方式，能够快速构建一个单跳的无 线网络。课题将以i e e e 8 0 21 】b 无线网为基础，构建新的功能更强的多跳无线自 组织网。 为了与i p l x x 日络的现有技术兼容，本网络将在自行研制的无线路由器上采用新 的协议，尽量保证移动主机的协议栈及驱动程序不发生改变。这一要求是本课题 进行动态路由协议设计的一个重要考虑。 皇三型苎查堂堡圭兰垡笙苎：重垡堑塾旦塑堡戛壁塑垫! 堂塑堕宴垫：望垡! 一 第二章网络体系结构与路由需求分析 2 1 e e 8 0 21 1 组网 本课题在链路层采用日益得到广泛应用的i e e e 8 0 211 b 技术。i e e e 8 0 2 1 1 是一个成熟的无线局域网标准，使用24 g h z 的i s m 频段，提供小范围( 小于 1 0 0 米) 的无线设备的互连与接入。8 0 21 1 在链路层的组网能力直接关系到无线 移动自组织网络的体系结构。8 0 2 】网络以基本服务集( b s s ) 为基本构件块。 站点在b s s 提供的覆盖区域内能够保持充分的连接，并可自由移动。 21 1i e e e 8 0 2 】1 拓扑结构 i e e e 8 0 211 拓扑结构由许多组件组成，它们相互作用提供一个无线l a n 使站点的移动性对高层协议透明，且支持i b s s 和e s s 两种拓扑结构。 图1i e e e 8 0 21 1 独立基本服务集网络 b s s l ， b s s l 、 。 图2i e e e 8 0 21 1 扩展服务集网络 虢独立基本服务集( 1 b s s ) 网络 i b s s 是一个独立的b s s ，没有中心基础结构，至少包括两个无线站点。i b s s 网络也称为a d h o c 网络。 繇扩展服务集( e s s ) 网络 e s s 是一种跨越i b s s 的扩展网络，通过分布式系统将多个a p ( a c c e s sp o i n t ) 相互连接，无线站点之间不能直接通信，它们的通信需要a p 中继。 电子科技大学硕士学位论文：无线移动自组织互联网核心树路由协议设计 2 】2i e e e s 0 2 】1 移动类型 标准认可三种移动类型： 壤不迁移型( n o t r a n s i t i o n ) ：非移动的站点和在局部b s s 内移动的站点。 瓣b s s 迁移型( b s s - t r a n s i t i o n ) ：站点从e s s 中的一个b s s 移动到相同e s s 中的另一个b s s 。 罐e s s 迁移型( e s s - t r a n s i t i o n ) ：站点从一个e s s 中的某个b s s 移动到另 个e s s 中的b s s 。 i e e e s 0 21 1 支持不迁移型和b s s 迁移型两种移动类型。当进行e s s 迁移时， 标准不能继续保证连接。因此，如果站点想要在不同的a p 之间切换并希望保持 通信不中断，那么这些a p 必须属于相同的e s s ，即它们的e s s i d 必须有相同设 置。 213i e e e 8 0 21 1 服务 8 0 21l 为l l c 在网络层实体问发送m s d u 定义了下列两种类型的服务： 曝站点服务： 为各站点间提供的功能称为站点服务，包括认证、不认证、保密和m s d u 发送。站点可以位于网络内任一无线组件内，所有a p 都执行站点服务。 为了发挥必要的功能，站点需要发送和接收m s d u 并保持较高的安全 标准。 壤分布式系统服务： 为整个分布式系统提供的服务功能称为分布式系统服务，包括结合、分 离、分布、集成和重新结合。a p 提供分布式系统服务。 结合：站点通过分布式系统发送数据之前必须首先借助a p 调用结 合服务。每个站点只能与单一a p 连接，而每个a p 可以与多个站点 连接。结合是为站点在b s s 间提供移动性的第一步。 分离：每一个站点或a p 可以调用分离服务终止一个现存的结合， 它是一种标志性信息，任何方都不能拒绝终止。站点离开网络时 应当调用该服务。 分布：站点每次发送m a c 帧经过分布式系统时都要利用分布式服 务。8 0 2 】1 当中并没有指明分布式系统如何发送数据。分布式服务 仅向分布式系统提供足够的信息去判明正确的目的地b s s 。 电子科技大学硕士学位论文：无线移动自组织互联网核心树路由协议设计 集成：集成服务使m a c 帧能够通过分布式系统和一个非8 0 211 l a n 问的入口发送。集成功能执行所有必须的介质和地址空间转 换。集成功能的具体实施依赖于分布式系统，不在8 0 21 1 标准的范 围之内。 重新结合：重新结合服务能使站点改变当前的结合状态，使站点从 一个a p 到另一个a p 变换结合。当站点在e s s 内从某个b s s 移动 到另一个b s s 时，分布式系统能够了解a p 和站点间的当前变换。 当多个站点与同一个a p 保持连接时，重新结合服务还能改变已确 定结合的结合属性，是站点移动时必须调用的服务。 8 0 21 1 提供的这些服务为站点的接入和移动提供了基本的支持，这些服务也 是无线移动自组织网络设计时的重要考虑。 2 2 网络体系结构 为了克服传统的有线i p 网络和无线a d h o c 网络在组网和性能上的不足，在 借鉴了现存多种无线网络的优点的基础上，本课题结合无线移动自组织网络的总 体要求设计了新的网络体系结构。在本文中，将无线路由器( w i r e l e s sr o u t e l ) 简称为w r ，将无线主机( w i r e l e s sh o s t ) 简称为w h 。 221 管理域与虚拟路由器 管理域( a a ，a d m i n i s t r a t i v ea r e a ) 与虚拟路由器( v r ，v i r t u a lr ( m t e r ) 是 网络体系结构中的两个重要概念。 罐管理域 无线网络并不意味着w h 的随意接入，也不表示任意w r 都能加入网络参 与自组织和路由。相反，只有经过授权的合法用户才能接入，只有属于该网络的 合法路由器才能参与网络自组织和路由。每个无线移动自组织网在逻辑上都有其 特定的范围。为了实现上述要求，我们引入“管理域”的概念，将一个无线移动 白组织网设置成个管理域，由网络管理员划分，并具有唯一的标识，与站点位 置和网络拓扑无关。为了向用户隐藏网络组织的细节，并与现有的有线和无线i p 网络兼容，我们将管理域设计为使其在t c p i p 网络体系中呈现为一个i p 子网， 即同一个管理域内的所有主机都具有相同的i p 地址前缀。 电子科技大学硕士学位论文：无线移动自组织互联网核心树路由协议设计 7 a d m i n i s t r a t i v ea r e a3 、( i ps u b n e t w o r k3 ) 、 一 一，+ 、a d m i 蛐n i s t r a t i v ea r e ：a ，2i i i 、一一j 。 、 镒泌嘲i n t e r n e t j 7 、 固3 管理域 将管理域设计为i p 子网的优势在于，当w h 从管理域中的某个w e 移动接 入到相同管理域内的另一个w e 下时，不需要改变自己的i p 地址，也不需要采 用n a t 或动态地址分配等技术，用户在网络内移动通信时可以保持i p 地址不变， 从而保证通信的持续性。 另一方面，由于w h 仍然沿用了基于t c p i p 的分组寻径方式，这种设计突 破了传统路由器的概念，给路由和分组转发等功能设计带来了新的挑战，必须对 传统的基于i p 子网的寻径和转发技术进行修改，这正是本文研究的核心所在。 瓣虚拟路由器 虚拟路自j 器是根据网络体系结构的要求而设计的个“逻辑上”的路由器。 在整个管理域对所有w h 呈现为一个i p 予网的前提下，必须设计一个唯一的i p 地址来标识管理域内的所有w r ( 作为缺省网关) ，这个i p 地址就是w h 的缺省 路由指向的缺省网关的地址。但是，这个地址并不是某个w r 的接口的实际地 址，而是由管理员配置的虚拟地址。此时，对w h 而言，管理域内的w r 也不 再是单个的路由器，而是仿佛自己接入到同一个路由器的同个接口上。因而， 虚拟路由器是不是一个实际的路由器，而是一个逻辑上的路由器。从传统的i p 寻径的角度看，它又是一个标准意义上的i p 路由器。 虚拟路由器的设计可以借鉴c i s c o 热备份路由器协议( h s r p ：r f c 2 2 8 】) 和虚拟路由器冗余协议( v r r p ：r f c 2 3 3 8 ) 的思想。 皇王型堇查堂婴主堂垡堡壅! 垂垡整塾宴塑堡兰壁旦垫! 生塑堕堕垫：堡丝盐一 n t e r n e t 图4 虚拟路由器 引入管理域和虚拟路由器的概念后，每个、t 将具有四个地址： v i p ( ，t u a l i p a d d r e s s ) ：虚拟i p 地址，无线移动自组织网络内所有w r 对w h 呈现的虚拟路由器的i p 地址。虚拟i p 地址作为无线移动自组织 网络中所有w h 的缺省网关地址，参与不同i p 网络中w h 间的t c p i p 通信，是一个合法的外部i p 地址。 a l p ( a c t u a li pa d d r e s s ) ：真实i p 地址，无线移动自组织网络内w r 之 间及w r 与管理站点之问用以区分和内部通信所使用的i p 地址。因为这 个地址仅参与w r 与w r 间及w r 与管理站点间的通信，所以可使用私 有网络地址( p r i v a t en e t w o r ka d d r e s s ) 。在无线移动自组织互联网中， w h 和其它网络中的节点并不需要获知a l p 。 v m a c ( 砌t u a lm a ca d d r e s s ) ：虚拟m a c 地址，无线移动自组织网络 内为所有w r 配置的虚拟m a c 地址，与虚拟i p 地址相对应。配置虚拟 m a c 地址的原因是：按照传统的t c p i p 通信方式，主机在发送i p 数据 报之前先要使用a r p 进行目的主机或下一跳网关的地址解析，并在内存 中维护一张地址解析缓存表。如果每个w r 都使用自己的真实m a c 地 址做地址解析，那么当w h 从一个w r 移动到另一个w r 时，通信就会 中断。在本课题中，参考v r r p 协议的思想设置虚拟m a c 地址： 0 0 o o 一5 e 一0 0 0 1 一 a a r d l ，其中a a i d 是管理域的标识。 a m a c ( a c t u a l m a c a d d r e s s ) ：真实m a c 地址，无线移动自组织网络内 w r 的实际m a c 地址，即w r 上无线网卡的m a c 地址。真实m a c 地 毫子科技走掌羲士学位论文：无装移动鑫缝绞豆联翔菝心据鼹巍播议设计 垃在键鼷层搜臻i e e e 8 0 2 ，1l b 避行通信对使用。 2 , 22 网络体系结构 在管理域和虚拟路融器的纂础上，本课题借鉴了g s m 的b s m s 两缀缓网 形式，采爝无线路由器( w r ) 稠无线主规( 、搬 ) 的方式来构造两级舱无线移 动自组缀两络。个无线移动岛组织网络就是一个管鳃域。 ，一+ 。n、“、 ，7 。是 a d m i n i s t r a t i v e 、 ”刊一、 岛胃一萨、虽、 、jw r w ，乙娑生o i n t 。m 。t 謦5 无线罄动鸯缀织霹掭季| 、结构 在两级网络体系结构中，网络的自组织、路幽与中继、用户按入控制和网络 篱理等功麓主要寝w r 寒实瑷。鼓这个意义土簧，无线移凄窦缓缀网辫魏弼终 拓扑仅哟w r 构成。w r 之间通过无线信道相互沟通，并自组织形成无线互联网 终，为w h 搀供无凌鄹謦主静道德藤务。w h 是其有无臻移番通信慈力游爆户主 机，不参与网络拓扑的构成，不具备中继能力，只是通过w r 接入并使用网络 提供豹遵信鼹务。w r 帮w h 憝移动都可疆弓| 蕊动态薅卷懿调蘩帮更赣。 电子科技大学硕士学位论文：无线移动自组织互联网核心树路由协议设计 瓣、篷二荔黪、 ，溺致、之 、。二，镒融、 - 、| 、? 懿接- 入信遭( w r 与w h 之趣 通信的信道) 不相同，以免拓扑关系发生混乱。 5 为了掇供w h 在整个管理域内瓣可移动性，w r 必须支擒e s s 迁移型蕊 移动类型，因丽同一个管理域肉的所有w r 的a p m a s t e r 接口的e s s l d 必须佟耜麓设纛。 o 电子科技大学硕士学位论文：无线移动自组织互联网核心树路由协议设计 24 移动用户接入管理 在无线移动自组织网络中，“开放的”无线接入方式为组网和管理带来了许 多不便，同时也对网络的安全性提出了新的挑战。 目前在l p 网络中使用最广泛的用户接入管理方式是基于c l i e n t s e r v e r 的集 中管理模式一一r a d i u s ( r e m o t e a u t h e n t i c a t i o nd i a l i nu s e r s e p v i c e ) ，其a a a ( a u t h e n t i c a t i o n ，a u t h o r i z a l i o na n d a c c o u n t i n g ) 信息的交互遵循标准的r a d i u s 协议( r f c 2 8 6 5 、r f c 2 8 6 6 ) 。在移动用户接入管理上，本课题可以借鉴r a d i u s 的成功之处，设计适合于无线移动自组织网络特点的管理协议。本文只简单介绍 移动用户接入管理的基本设计思想，具体设计内容另文详述。 24 】集中式管理 集中式管理是一种与有线i p 网络类似的管理方式。整个网络配置一台 r a d i u s 服务器记录所有的用户信息，w r 搜集w h 的接入信息并作为r a d i u s 客户机与r a d i u s 服务器交互以完成移动用户的接入管理。 相、 、s e r v e r ，7 ， 一，+ r a d i u sp r o t o c o l 图8r a d i u s 集中管理模式 r a d i u s 服务器可以用有线或无线的方式接入网络。为了实现对移动用户的 位置跟踪和管理，r a d i u s 服务器除了记录用户的认证信息外，还将记录用户的 位黄信息( 即该用户当前所接入的w r ) 。这种集中式的设计方式可以较好的维 护用户信息的一致性，但也更容易发生单点故障和性能瓶颈问题。 2 42 分布式管理 一 一瘳 电子科技大学硕士学位论文：无鼗移动自组织甄联闭般心树潞曲协议设诗 分布式管理燕一静与无线移动容缀织丽终体系结秘紧密结合的管理方式，它 姆管理功能分布到多个点上，可以很好的解决集中式管理的单点问题。 在分布式管理中，r a d i u s 服务器的单点管理功能分布到所有翡w r 上，每 个w r 都内捩个小型黔用户接入管躞暇务器，浚服务器对所有用户进行a a a 篱理和位置跟踪。 一曼一一一i 1 3 i u 涵o r 、。，一4 黼 、一一一燃黼m j0 e n ， 图9 r a d i u s 分布管理模式 分布式管理模式的孩心问题是用户债息( 认证信息和位置信息) 的翳步。无 泌是否要求每个w r 都知道网络内所有w h 豹躅户信息，每个、懒的认证信息 和当前时刻的位置信息在全网范围内登额保持一致。当w h 由于移动而发生接 入谴置敬变对，如何将改变煎居的位置信息及时通告给相关w r 是分布式管理 模式需鬻解决的难点。 两辛牵移动兵j 户接入管理接式稿眈较，分匆式管理模式在功镌、技术和管理策 略等方面都比较复杂。阂此，本课题选用集中式管理模式寐管理移动用户的接入。 2 5 路邀需求分辑 路囱是玉线移动自缝织网络没诗鲍个重要部分。无线移动盘组织网络要裳 能节点自动感知、不同网络自动区分、拓扑结构动态可变以及具有多跳和动态路 瘦能力，因此，传统豹有线t p 网络路由协议和a d h o c 蹰络路由协议都不适用予 这种新剩的网络体系结构。以下这些问题是设计新的路由协议的基本考虑： 馨适唐动态变毒艺鹪溺络拓拎 在有线i p 网络中，路出器之问的连接关系几乎是固定的，陶络拓扑结 ， 电子科技大学硕士学位论文：无线移动自组织互联网核心树路由协议设让 构相对稳定。尽管有线网路由协议也能自动维护和更新网络中的路由， 但是这种适应能力不能满足无线网的要求。无线网络节点的一个重要任 务就是感知网络拓扑的变化，并根据这种改变对路由进行相应调整。这 是对无线移动自组织网路由算法的基本要求。 壤网络功能集中在w r 中完成 在两级网络体系结构中，由于w h 仅作为用户站点接入，对w h 没有选 路和转发的要求，因而适用于对等的a dh o c 网的路由协议不能直接用 于无线移动自组织网。 藏网络节点具有自组织的能力 新的路由算法中必须包括对节点进行感知的有效机制，同时也必须包含 对网络节点进行身份认证的功能，能够自动接受合法节点f f , ! 】d h 入，也能 够自动拒绝非法节点。 瀑“边界网关”路由器 一个无线移动自组织互联网的管理域在通信上等效于一个i p 子网，管 理域通过一定的“边界网关”与其它管理域或有线i p 网络相连，以使 管理域内的所有w h 能够将缺省路由设为指向这个“边界网关”路由器。 藩集中的管理节点 前文的移动用户接入管理分析已经说明，集中式的r a d i u s 管理方式比 分布式管理更为可行。为了进行集中式管理，要求r a d i u s 服务器必须 连接在个固定的网络节点上。另一方面，移动用户位置管理要求 r a d i u s 服务器记录管理域内所有w h 的当前接入位置，而w h 的当前 位置与指向该w h 的移动路由直接相关。因此，集中的管理节点同时也 可以在路由上发挥核心的作用。 捧限制网络广播信息 无线网相对于有线网的一个重要特征是其网络带宽受限，过多的广播信 息将使无线网络陷于瘫痪。限制广播信息的一个有效方法就是尽量减少 不必要的广播通告，并将发布广播通告的范围约束在网络的一个子集之 内。 基于以上基本需求，本文讨论了一种新的适用于无线移动自组织网网络体系 结构的路由协议一核心树路由协议。具体设计内容在第四章详述。 电子科技大学硕士学位论文：无线移动自组织互联网核心树路由协议设计 第三章典型的a dh o c 路由算法分析 a dh o c 网络及其路由算法目前在国外得到了广泛的研究，各种路由算法在 不同的应用环境和性能评价指标下各有千秋。本文简要介绍其中一些典型的路由 算法，分析这些算法的基本原理，借鉴前人的设计思想，从而结合无线移动自组 织网的特点，设计出新的更适合的路由协议。 现有的a dh o c 网络路由协议可以分为两大类：表驱动( t a b l e d l i v e n ) 路由 协议和按需( o n - d e m a n d ) 路由协议。 3 】表驱动( t a b l ed r i v e n ) 路由协议 表驱动路由协议又称为先应式路由协议。在表驱动路由协议中，每个节点需 要维护一张或多张路由表以记录该节点到其它节点的路由。为了维护网络拓扑和 路由信息的一致性，所有节点都要以定期或触发的方式更新路由表。本节介绍三 种典型的表驱动协议：f s r 、h s r 和z h l s 。这些协议的主要区别在于，每个节 点维护了不同数量的表，并且当网络拓扑变化时更新信息在网络中具有不同的传 输方式。 3 1 】f s r ( f i s h e y es t a t er o u t i n g ) 图1 0f s r 中的信息准确度 为了避免因大量的更新消息而浪费网络带宽，f s r 采用一种形状像鱼眼的路 由信息交换频度图。在f s r 中，更新消息并不包括所有节点的信息，相反，相 近节点间的信息交换比较远节点间的信息交换频繁。因此，节点可以得到关于其 皇兰型堇奎兰望主兰垡笙奎! 垂垡壁垫宴望堡至壁旦垫：生型堕虫塑型望盐一 邻居节点的准确信息，而信息的绍节及精确度随着距离的增加而减少。随着分组 越来越靠近目的节点，路由信息将变得越来越精确。f s r 的这种设计思想使广播 风暴问题得到了很好的控制，有利于向大型网络的扩展。 312h s r ( h i e r a r c h i c a ls c a r er o u t i n g ) h s r 的特点是多级分簇和移动节点的逻辑分区。网络被分为多个簇，并与 基于簇的算法类似选择一个簇首节点。在h s r 中，所有簇首节点组成一个新簇， 这个过程一直持续进行下去。物理簇中的所有节点向其它节点广播自己的链路信 息。簇首节点汇总本簇内的信息并通过网关发送给它的邻居簇首节点。簇首节点 是一个更高层次的簇成员，它们也像它们的低层簇成员一样彼此交换信息。每层 的节点都向它的下层洪泛广播自己获得的本层信息。因此，低层节点将具有分级 的拓扑信息。每个节点都具有一个分级地址。指定分级地址的一种方法是从根开 始给簇成员分配。从根开始可以经过多条路径到达网关，因此网关可以有多个分 级地址。 l e v e l0 ( p h y sc a ll e v e l 图1 1h s r 中的分簇 o 回 “：y ，z g a t e w a yn o d e c l u