（通信与信息系统专业论文）无线移动ad+hoc网络移动性管理及地址分配策略的研究.pdf

摘要 无线移动a dh o c 网络( 简称m a n e t ) 作为一种近年来涌现的无线通信网络形 式备受瞩目，为了使m a n e t 节点能够在i p 网中自由移动，需要在网络中引入移 动i p 技术完成移动性管理。随着对移动自组网研究的不断深入及其各项技术的不 断发展，在移动组织网中地址的自动分配是一个仍然没有解决的问题，采用动态 编址技术能有效地管理移动自组网网络的地址资源。本文介绍了将m o b i l ei p 和 a dh o c 网络高效结合的应用，并探讨了如何在m a n e t 内进行地址的动态配置。 本文内容主要可分为以下几个部分： 】从无线移动a dh o c 网络的特点出发，介绍了移动l p 技术的基本概念，并 详细介绍了其在m a n e t 中的应用，给出了实验系统的硬件平台和移动i p 协议软 件实现的模块图。 2 介绍了现有的各种地址自动配置协议，分析和比较了各种地址动态分配协 议的特点，描述了s o n a m 协议并对其进行了性能仿真，并与其它地址自动配置 协议进行了比较。 关键词： dh 网络移动i p 移动性管理i p 地址分配 a b s t r a c t m o b 钉ea dh o cn e t w o r k ( m a n e t ) b e c o m e sm o r ea n dm o f ep o p u 】a ri nr e c e n t y e a r sa sak i n do f 谢r e l e s sn e t w o r ka r c h i t e c t u r e m o b i l ei ph a sb e e n 印p l i e dt os u p p o r t m o b i i i 哆m a n a g e m e mi n 埘r e l e s sn e t 、v o r kf o rn o d e sm o v i n gf r e e l y w i t l lt 1 1 e d e v e l o p m e n to fm er c s e a r c ho fv a r i o u st e c h n o i o 百e s ，t h ea u t o m a d ca d d r e s sa s s 噜n m e m i sap m b l e mt l l a ts t i l lh a sn o tb e e nr e s o l v e di nm o b i l ea dh o cn e t w o r k d y n 咖i c a d d r e s s i n gi sa ne f f b c t i v ew a yt om a n a g e 也ea d d f e s sr e s o u r c ei nm o b i l ea dh o c n e t w o r k t h e 印p l i c a t i o no fi n t c g r a t i n gm o b i l ei pw i t ha dh o c n e “v o r ki sp r e s e n t e di n t h i sp 印e r a n dh o wt oa u t o m a t i ca d d r c s sa s s i g n m e mi nm a n e ti sd i s c u s s e d t h i s p a p e ri so r g a l l i z e da sf o l l o w s ： 1 a c c o r d i n gt ot l l ec h 雒a c t e r i s t i c so f a dh o cn e t 、v o r k ，l eb a s i cc o n c e p to f m o b i l e i pi sp r e s e m e d ，a i l di t s 印p l i c a t i o ni n 虹l em a n e ti nd e t a i l i si i l t r o d u c e d d i a 野蛐so f m o b 订ei ps o n 帆r er e a h z 砒i o na n dm eh a r d w 8 r e 矗x t l l r ei nc x p e r h n e n ta r eg i v e n 2 t h ev a r i o u se x i s t i n ga d d r e s sa s s i g 呲e mp r o t o c o l s 舯ei n 仃o d u c e d t h e i r c h a r a c t e r i s t i c sa r ea l i a l ) 啦da 1 1 dc o m p a r e d t h ei 叫) r o v e ds o n a ms o l u t i o ni sp r o p o s e d ， a i l dc o m p 盯e d 稍mo m e ra d d m s s e sa s s i 髓m e mp f o t o c 0 1 sm f o u g hs j m u l a t i o n k e y w o r d s ： a dh o cn e 伽o r km o b n ei p m o b i l h ym a 聃g e m e t l pa d d r e s sa s s i g n m 蛐t 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 y 8 5 8 9 7 2 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安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。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担切的法律责任。 本人签名：隧日期：筮翌妥：兰二丑 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学值论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学：学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授樱书。 本人签名： 导师签名： 日期：迎：2 ：疽 日期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 随着人类社会进入一个崭新的发展阶段信息社会。计算机网络技术的发 展和通信技术的融合，使锝越来越多的计算机和其他数字设备相互连接在一起。 然而，这种互联大都是有线连接，基于固定网络和固定拓扑结构。传统g s m 蜂窝 网和近年来发展起来的无线局域网( w i ，a n ) 等无线移动网络帮助人们摆脱了有线 网络对通信方式和习惯的限制，并且随着移动终端的多样化、智能化、小型化和 服务的用户定制化，网络的用户不断体验着新的技术和产品带来的新奇和方便然 而在许多场合用户希望无线移动网络能提供更灵活、更丰富和更安全的服务，但 这些传统的网络的结构都是以基站( b 甜e8 协缸o n ) 或接入点( a p ：a c c e s sp o i n t ) 为中心 的中心控制式结构，用户必须处于这些事先建立好的设备覆盖范围内时才能得到 网络提供的服务，当用户有某些特殊的使用要求时，网络也无法及时提供合适的 服务，而且网络的规模和最大可以容纳的用户数往往是固定的，这在定程度上 限制了用户使用网络的灵活性和网络的可扩展性。 在一些有特殊要求场合，比如说抗洪抢险的地区、地形勘测、移动办公和大 型户外活动等，临时铺设固定两络设备将是无谓的浪费，因为这些场合只在段 时间内需要通信网络的支持，而对于机场大厅和大型机构等场所，铺设有线网络 的难度较大，并且在进行改造和部门调整时原有的有线网络将带来极大的麻烦， 他们不得不考虑如何处置正在被使用的成捆的电线或电缆。巨大花销也是令用户 们头疼的问题。在很多紧急博况或者在较为恶劣的环境下，如灾区、战场，这种 有线固定网络狠难实现，或者报难迅速实现，也不能满足这些恶劣环境下对通信 网络快速、灵活组网并支持较高移动性和抗毁性的要求。 随着8 0 2 1 l 系列标准的制定，计算枫产品的性能的持续提高，便携式计算机 的普及，无线通信业者，软件供应商，硬件厂商均不遗余力的在加紧无线局域网 系统研究的同时积极开发无线移动自组织网相关产品，阻期在未来的竞争中占有 有利地位。 无线移动自组织网络( a d | o c ) 的出现为这些闯题的解决带来了可能，它可 以与现有的网络结合形成多跳网络有效延伸传统网络的覆盖范围，同时也可以以 自组织的形式组成独立的多跳网络满足不同场合的特殊需要，这种网络具有极大 的灵活性和可扩展性。这种网络可以根据用户的要求，形成用户需要的网络结构， 比如在抗洪抢险的搜救中，救援人员就可以采用覆盖整个灾区的无线移动自组织 网络进行信息交换，而在探险活动中，探险小组成员能够借助具有自组织网络功 无线移动a dh o c 网络移动性管理及地址分配策略的研究 能的终端形成整体移动的网络；这种网络也可以根据用户的要求，提供用户定制的 数掘传输服务，它可以作为i n t e m e t 或蜂窝网络的延伸与这些网络兼容使用，也可 以形成专用网络只为特殊数据的传输服务。无线移动自组织网络能否为用户提供 满意的服务取决于网络采用的组网路由算法和用户的要求。无线移动自组织网络 的核心技术就是它的组群和路由技术。不同于i n t e m e t 或蜂窝网络采用的中心控制 式结构，无线移动自组织网络中节点( 用户) 的地位都是平等的，网络是全分布式结 构的，如果不采取有效的管理方法节点之间的通信将是无序混乱的，良好的网络 组群技术可以保证数据传输的可靠性并为建立数据传输的路由提供基础，而且使 用户能够有效利用网络的资源。无线移动自组织网络的最大特点就是网络节点的 移动性，且网络中数据的传输需要网络中其它节点的转发，那么网络中的数据传 输就需要有路由的支持。 1 2 无线移动a dh o c 网络特点 无线移动a dh o c 网是由一组具有无线网卡的无线终端组成。这些无线终端通 过无线链路相互连接，在无线发射机的功率覆盖范围之内，进行点对点，或点对 多点之间的通信。 无线移动a dh o c 网的优点是能够提高通信设施的抗毁性和应变能力，但随之 带来了网络控制的特殊性和复杂性。因此，从适用于网络的移动管理技术研究的 角度出发，应着重考虑无线移动a dh o c 网的如下特征： 1 动态变化的网络拓扑结构 由于无线信道的时间变化特性以及该网对用户移动性的支持，网络拓扑的动 态变化成为无线移动自组织鼹的一个重要特征。这就要求所设计的移动管理技术 和路由算法必须能够自组织，自适应及时地跟踪拓扑变化，保持网络通信。 2 传输带宽受限且链路容量是时变的 通常情况下，无线链路的容量比相应的有线链路的容量低的多，如果再考虑 多址接入、信道衰落、噪声和干扰等不利因素的影响，实际可获得的链路容量比 理想的无线传输速率还要低的多。 3 终端的特殊性和局限性 a dh o c 网络的节点都是一些便携式的移动终端，它们都要靠随身携带的电池 或者其它消耗型的手段提供能源。为了能够延长节点的运行时间，一个最重要的 系统设计准则就是要尽量的节约能量，采用较小的发射功率。 4 采用分布式控制方式 网络的控制功能分散配置到各个用户节点中，而不是靠专门的控制中心来完 成，网络的建立和调整是通过各个节点的有机配合实现的。也就是说，从控制能 第一章绪论 力上看，网中的众多节点没有主次之分，从而可防止一旦中心被破坏而引起全网 瘫痪的危险。从而使网络具有很强的鲁棒性和抗毁性。这种特性在军事应用中尤 为重要。 5 可作为一个独立的网络有效地支持i m e r n e t 业务。 无线移动自组织网可与有线i n t e m e t 网集成为一个有机的整体，有效支持移动 i p 业务。在这种情况下，整个系统由移动终端( m t ) 、接入点( a p ) 、无线接入服 务器( w a s ) 等设备组成。移动用户只需使用无线网络适配器就可自适应地根据 网络实际拓扑情况寻找路由与接入点相通，从而通过网关进入互联网，通过专用 网关进入p s t n ，从而实现数据传输和实时电话业务。 1 3 无线移动a dh o c 网的研究耳标 证是由于无线移动a dh o c 网络的特殊性，如何把多个移动a dh o c 网连成一 个大网络以及如何与有线h l t 咖e t 相结合，使得移动a dh o c 网络的功能增强并能 够从i n t e m c t 获得多种业务的服务，成为当今移动a dh o c 研究领域的热点问题。 在这种发展趋势的推动下，移动a d h o c 网络需要解决如何实现互联的问题，这里 的互联包括了移动a dh o c 网络之间的互联和它与i n t e m e t 的互联。 互联使得移动a dh o c 网络的规模得以扩大。网络规模的扩大不仅能够使互相 通信的移动终端数量大大增加，而且大幅度扩展了移动终端的移动范围。这时的 移动终端不仅可以在一个a dh 0 c 网内自由移动，也可以在若干个互联在一起的 a d h o c 子网之间移动，还能够从一个与i n t 啪e t 互联的子网移动到另一个与i n t e m e t 互联的子网，也就是漫游。在移动终端移动的过程中，如果想要保持与其它移动 终端或网络主机的通信，那么就需要让网络及时了解自己的摄新位置信息，并在 必要时在子网之间进行切换。为了解决这一问题，需要在这个网络中引入移动管 理技术，用来对移动终端进行位置的跟踪和管理。 一般说来，在移动a dh 0 c 的研究领域中，对移动a dh o c 网络互联的研究都 要与移动管理技术相结合。目前对移动管理技术的研究均基于移动i p 协议，它是 由i e t f 提出的实现移动终端在网络中全方位的移动或者漫游的协议，给出了一种 在全球因特网上提供移动功能的方案，它具有可扩展性，可靠性和安全性，并使 节点在切换链路时仍可保持正在进行的通信。值得特别注意的是，移动驴提供了 种i p 路由机制，使移动节点可以以一个永久的i p 地址连接到任何链路上。我们 采用的移动i p 技术，是按照以下四个目标设计的： ( 1 ) 移动节点在改变数据链路层的接入点后仍能与因特网上的其它节点通信， 这与传统因特网中的网络前缀路由机制是不同的，前者能够使节点在任何链路上 通信，而后者只有在节点处于所属路由器管辖范围内才能正常传送数据； 无线移动a dh o c 网络移动性管理及地址分配策略的研究 ( 2 ) 无论移动节点连接在哪个数据链路层接入点上，都应仍能用原来的i p 地 址进行通信，也就是要求节点移动时并不改变i p 地址，这样做的好处在于节点在 移动时不必中断链路上正在进行的通信。另外，一些网络服务也是以i p 地址为基 础的： ( 3 ) 移动节点应能与不具备移动i p 功能的计算机通信，即移动i p 并不要求改 变现有的固定主机和路由器上的协议，而只需在移动节点和少数提供特殊功能的 节点上实现。 ( 4 ) 移动节点不应比因特网上的其它节点面临新的或更多的安全威胁。 总的说来，移动i p 是在因特网中提供移动功能的网络层方案。也就是说，移 动i p 通过在合适的节点上设立路由表，将i p 包送到那些不在家乡链路上的移动节 点。事实上，移动口可以看作是一个路由协议，只是与o s p f ，r j p ，b g p 等路由 协议相比，移动i p 具有特殊的功能，它的目的是将数据包路由到那些可能直在 快速地改变位置的移动节点上。作为网络层协议，移动i p 与运行在什么媒介上毫 无关系。因此，采用移动i p 的移动节点可以从一种媒介移动到另一种媒介上，当 然更可以在同种媒介的链路上移动。研究者们基于移动i p 协议的思路和想法，正 在对移动a dh o c 网络的移动管理做着多方面的研究，目的在于使移动a dh o c 网 络的移动管理技术不断完善，提供更强大的管理功能，更好地实现移动a dh o c 网 络的互联，使它在更广阏的应用领域里发挥作用。 1 4 项目来源和研制任务 本项目来源于西安电子科技大学的国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 旺1 。 项目的研制任务是：开发实现无线移动a dh o c 网络中移动管理系统，研究适合无 线移动a dh o c 网络地址分配策略。 通过对研究任务系统认真的分析，本文首先分析无线移动i p 技术的相关内容， 针对项目要求提出了相应的无线移动自组织网实验系统，并详细叙述了无线移动 自组织网中的移动管理技术和网络互联，然后在试验系统上实现了无线移动自组 织网移动管理协议，并移植到试验系统平台。最后根据无线移动自组织网节点的 移动特性，提出了一种与之相适应的地址动态分配策略。 1 5 本文主要内容 本文在分析无线移动自组织网络特点的基础上，介绍了如何实现无线移动自 组织网络中的网络互联以及移动i p 管理技术，并将程序代码移植到实验平台。在 第一章绪论 研究了有关无线移动自组织网络的地址分配协议后，阐述了一种与之相结合的地 址分配策略，给出了相关性能分析。 本文内容主要可分为以下几个部分： 第章介绍了无线移动自组织网络的研究背景和意义、项目来源与要求，以 及它在各个领域的作用和国内外目前的研究发展状况。 第二章介绍了移动i p 的基本理论，并针对无线移动自组织网络的使用环境， 阐述了无线移动自组织网络互联技术，分析了在无线移动自组织网络系统中的移 动管理技术。 第三章介绍了试验系统包括整个系统分为硬件平台和软件平台。根据本人在 课题中的工作，着重介绍了相关的协议系统，详细说明了系统移动管理协议的实 现过程，包括编程和程序移植。 第四章对多种动态地址分配策略进行详细描述，分析和比较了各种地址动态 分配协议，结合网络模型，阐述了一种适合无线移动网络的地址动态分配策略， 并进行了详细的描述和性能比较。 第二章移动i p 披术与移动a dh o c 网络的互联 第二章移动i p 技术与移动a dh o c 网络的互联 2 1 移动i p 技术介绍 2 1 1 移动i p 要解决的问题 在i n t e m e t 上，每个主机分配有惟一的i p 地址或动态的i p 地址。由于i m e m e t 是基于网络前缀的路由，i p 数据分组首先路由到i p 地址网络前缀对应的网段，然 后转发到目的主机，因此，婵地址不仅标识台主机，也表示这台主机的物理网 络位置。当移动主机在不同的网络间移动时，它的1 p 地址已经不能表示其物理网 络地址，发送给移动主机的i p 分组不能被正确转发给目的节点，移动主机因而不 能正常地接入i n t e m e t 获得网络服务。为了实现移动主机接入i m e m e t ，曾经提出 下两的几种方案。 2 1 2 移动i p 的应用范围 在i n t e 粕e t 网络协议中，网络层协议 1 负责将网络数据正确转发到相应的目 的地址，其主要部分就是路由协议。路由协议通过路由器之间交换路由信息，建 立用于转发分组的路由表，路由器根据接收分组的目的i p 地址查找路由表，转发 分组到相应的端口。移动i p 是网络层的支持主机移动的解决方案，目的是把数据 分组发送到在外地链路上的移动主机。因此，采用移动i p 功能的移动主机可以从 一个网段移动到另个网段，甚至从一种介质的网络移动到另种介质的网络而 保持已有连接的通信，这种在不同网络介质问移动同时保持已有通信的功能是移 动i p 的重要标志。 作为网络层的一个协议，移动i p 协议与下层数据链路层协议无关，也与物理 传输介质无关。移动i p 是支持主机移动的i p 分组转发的网络层标准，对t c p 层h 1 及上层协议的改进不属于移动i p 的研究范围。 2 1 3 移动l p 的设计目标 移动i p 的主要设计目标就是移动节点在改变网络接入点时，不必改变其i p 地 址，能够在移动过程中保持通信的连续性，对上层协议保持透明性，与其他移动 节点或不具有移动i p 功能的节点能够进行正常的通信。具体来说，移动i p 协议的 设计应该满足如下的要求： 无线移动a dh o c 网络移动性管理及地址分配策略的研究 1 移动节点在改变数据链路层接入点以后，应该能够保持与i n t e m e t 上其他节 点的连续通信： 2 移动节点无论连接到任何接入点，应该能够用原来的l p 地址进行通信； 3 移动节点应该能够与不具有移动i p 功能的其他节点进行通信，并且不需要 修改这些节点的协议； 4 移动节点不应该比i n t e m e t 上的其他节点面临更多的安全威胁。 另外，由于移动节点通常通过无线链路连接到i n t e m e t 上，无线链路具有低带 宽、高误码率的特点，长消息容易出错，以及移动节点通常由能量少的电池供电， 减少通信中的能量消耗非常重要。因此，设计移i p 时要考虑移动节点接入时发送 的管理消息数目应该尽量少，消息的长度也应该尽量短。 2 2 移动i p 的基本概念 2 2 1 移动i p 的基本功能实体及术语 为实现无线网络中的移动i p 巧1 管理功能，移动碑协议定义了三种功能实体； 移动节点( m t ) ：一个可移动的主机或路由器，当它在切换链路时可以不改 变i p 地址而仍能保持正在进行的通信； 本地代理( h o m e a g e n t ) ：一个连接到移动节点本地网络的主机或路由器，它 保存有移动节点的位置信息，当移动节点离开本地网络时能够将发往移动节 点的数据包截获并转发给移动节点； 外地代理( f o r e i g n a g e n t ) ：移动节点当前所在的外地网络上的一个主机或路 由器，它能够把由本地代理送来的数据包转发给移动节点。 家乡代理和外地代理可以统称为“移动代理”。移动i p 功能实体间的关系如图 2 1 所示。 豳2 1 移动i p 功能实体及相互关系 第二章移动i p 技术与移动a dh o c 网络的互联 在移动i p 中还有几个重要的概念： 家乡地址( h o m e a d d r e s s ) ：是指每个移动节点在家乡链路上拥有一个“长期 有效”的i p 地址。对这种地址的管理类似对固定主机i p 地址的管理。 转交地址( c a r e o f 二a d d r e s s ) ：当移动节点漫游到外地网时，它从外地代理处获 得一个转交地址并通知其本地代理。此后，移动节点的本地代理将把发给该移动 节点原来地址的i p 包接收下来并重新打包后发送到它的转交地址( 通常是外地代 理的i p 地址) ，再由外地代理转交到移动节点。 家乡网络( h o m e n 咖o r k ) ：是指与移动节点的家乡地址具有相同前缀的网络， 可以是一个不存在的虚拟网络。发往移动节点家乡地址的i p 分缎会被标准的i p 路 由机制转发到家乡网络上。 家乡链路( h o m el i i l k ) ：是指与移动节点的家乡地址具有相同前缀的链路， 是移动节点在家乡网络时的链路。 外地网络( f o r d 髓n e t w o r k ) ：是指除移动节点家乡网络外的任何网络，也就 是网络前缀与移动节点家乡地址网络前缀不同的网络。 外地链路( f o r e i g nl i n k ) ：是指除家乡链路以外的链路，也就是网络前缀与移 动节点家乡地址网络前缀不同的链路。 移动绑定( m o b i l 畸b i n d i n g ) ：是指由家乡代理维护的移动节点的家乡地址和 转交地址的关联，还包括关予关联的剩余生存期等其他信息。 隧道( t u n n e l ) ：当一个数据分组被封装在另一个数据分组的净荷中进行传送 时，所经过的路径称为隧道。在移动i p 中，家乡代理将发送给移动节点的分组通 过隧道转发，隧道的一端是家乡代理，另一端是外地代理或移动节点。由于采用 隧道技术，隧道上的中间路由器看不到移动节点的家乡地址，隧道的终点是移动 节点的转交地址，这个转交地址必须是一个通过传统的i p 路由到达的地址。在这 里发往移动节点的分组将被取出来进行分析，以便做进一步的处理。 图2 2i p 隧道及移动l p 中的应用 2 2 2 移动i p 的基本操作 代理搜寻( a g e n td i s c o v e r y ) ：m t 开机后，首先要确定自己是在本地网还是 在外地网，这个过程称为代理搜寻。实现代理搜寻的方法有两种：由移动代理发 无线移动a dh o c 网络移动性管理及地址分配策略的研究 送代理公告报文的方法和出m t 发送代理征求报文的方法。前者由移动代理定期 地发送代理公告广播报文，m t 接收到该报文后判断自己处在何处。后者由m t 主 动发送代理请求广播报文，依据移动代理的应答报文m t 判断自己处在何处。如 果m t 在外地网，它会从外地代理的代理公告或应答中获得转交地址，然后开始 注册过程。 注册( r e g i s t r a t i o n ) ：首先由m t 向外地代理发出注册请求，外地代理会对注 册请求消息作有效性检查，如果没有问题，则将该消息转发给m t 的本地代理。 本地代理收到注册请求消息后。绑定m t 的i p 地址和转交地址，并向外地代理发 送注册应答消患指示注册成功。外地代理收到注册应答消息后，更新来访移动节 点表，并将该消息转发给m t 。m t 收到成功的注册应答后就可以开始正常的报文 发送与接收。 报文发送与接收：任何一个主机向m r 发送的报文按照正常的路由策略会被 发送到m t 的本地网，这对本地代理将截获这一报文，进行封装盾通过隧道发送 到m t 的转交地址( 通常是外地代理) ，作为隧道出口的外地代理拆掉隧道封包后 将报文转发给m t 。m t 要发送数据时则直接通过外地网的路由器发送。 2 3 移动a d h o c 网络的互联 2 3 1 移动a dh o c 网络控制结构 由于移动a dh o c 网络是一种自治的无线多跳网，整个网络没有固定的基础设 施，也没有固定的路由器，所有节点都是移动的，并且都能以任意方式动态地保 持与其他节点的联系。并且具有无中心、自组织、多跳路由、动态拓扑等特点使 得a d h o c 网络在体系结构、网络组织、协议设计等方面都与普通的蜂窝移动通信 网络和固定通信网络有着显著的区别。 对于可变拓扑结构的网络有四种基本结构：中心式控制、分层中心式控制、 完全分布式控制、分层分布式控制。前两种属于集中式控制，普通节点的设备比 较简单，中心控制节点负责选择路由及控制流量，但它要求中心节点有很强的处 理能力，特别是中心控制节点一旦出现故障，整个网络就会瘫痪。 完全分布式控制结构网络的基本特点是网络的所有节点在网络控制和流量管 理上是平等的。各节点要监测系统的连通性，进行拥塞、流量以及路由信息的控 制。因此网络的抗毁能力强，且设备的成本也比较低。但在用户很多，特别是在 移动的情况下，存在处理能力弱，控制业务急剧增多，路由在不断重组中出现不 连续的弱点。 第二章移动f p 技术与移动a dh o c 网络的互联 分层分布式控制采纳了全分向式和分层中心式的优点，它的基本特点是网络 由若干控制节点( 即群首) 和许多普通节点组成，网络的管理是由控制节点来完成， 拥有前面所述的优势，采用分层分布式控制是自组织网络发展的趋势。 移动a dh o c 网络结构一般分为两种：全分布式控制结构和分层分布式控制结 构。在全分布式控制结构中，所有节点的地位是一样的，网络路由协议通常采用 分布式控制方式。而在分层分布式控制中，网络的基本结构是由若干节点组成的 几个群相互链接而构成，如图2 3 所示。每个群由若干节点组成，群内的某个节点 被选作群首，不同群之间通过网关传输控制或业务信息。每个节点至少属于一个 群，群内的各节点可作为群曹、网关或普通节点，这由网络控制算法决定，个别 节点在通信范围内可以有多个群首。群首负责监管所属群内的节点，完成网络的 路由选择、流量控制、优先级的分配和节点入网、退网处理。群首之间通过网关 提供整个网络的链接。 圈2 _ 3 分层分布式控制结构示意图 2 3 2 移动a d h o c 子冈结构 移动a dh o c 网络是一个多跳网，如何把多个移动a dh o c 网连成个大网络 以及如何与有线h l t e m e t 相结合，是当今的热点问题。当若干个移动a dh o c 网络 互联成一个更大规模的移动a dh o c 网络时，原来的每一个移动a dh o c 网络可以 被看作是一个子网，这个子网有别于i p 子网，它可以根据节点标识来划分，也可 以根据节点所处的位置来划分；当一个移动a dh o c 网络接入工n t e r i l e t 时可以被认 为是一个i p 子网。移动a dh o c 网络与其它网络联接时需要有一个连接点，我们 称之为接入点( a p ) ，a p 起到了连接子网与子网、子网与i m e m c t 的作用。在子网 与子网互联的情况下，每一个子网均通过各自的a p 互相连接，即a p 的互联实现 了各个子网的互联；在子网与i n t c m e t 互联的情况下，a p 是子网内每一个移动终 端与i n t e m e t 之间的桥梁，移动终端必须通过a p 这个唯一的途径才能接八i n t e m c t 。 无线移动a dh o c 网络移动性管理及地址分配策略的研究 a p 作为子网间或子网与i n t e m e t 的连接点，具有如下特点：a p 在位置上是固 定不可移动的，这是它与移动终端最主要的区别之一；在子网删互联的情况下， a p 之间的连接方式可以是无线也可以是有线，如果是无线的方式，则需要采用与 子网内无线通信不同的频率，而且要有更大的功率以保证a p 互相在对方的覆盖范 围内；而在子网与i n t e m e t 互联的情况下，a p 就只能以有线的方式与i n t e m e t 连接。 由于移动a dh o c 网络是一个多跳的网络，所以不是所有的移动终端都在a p 的一跳范围内，这些移动终端必须经过其它移动终端的中转才能到达a p 。在a p 与移动终端的通信中，采用与子网内部移动终端之间相同的路由协议，也就是说， 对于子网内部的路由协议，a p 被当作是一个普通的节点，它与移动终端具有相同 的地位。由一个a p 和若干移动终端构成的予网结构如图2 4 所示。 图2 4 移动a d h o c 子网结构 a p 在子网中的位置可以根据实际的环境有多种选择，可以处在子网的中心或 是边缘。从理论上讲，a p 只要和子网内的一个移动终端连接，就可以通过多跳的 方式连接子网中的每一个移动终端，起到接入点的作用。但是在实际中，我们不 得不考虑可行性和效率的问题。如果a p 处于子网内移动终端分布密度较小的区 域，比如网络的边缘，这时只有一个或极少数的移动终端可以直接与a p 连通，子 网内所有其它移动终端都要通过这有限的几个中转节点到达a p ，那么当子网内移 动终端与外界产生了较大的业务数据交换时，这几个中转节点就会成为网络的瓶 颈所在；同时我们希望子网内的移动终端都尽可能的离a p 越近，即跳数越少，这 样如果a p 处在网络的边缘地带，那么子网内移动终端到达a p 的平均跳数就会很 高，如果a p 尽可能的靠近子网的中心，则上面提到的平均跳数会显而易见的降低。 第二章移动i p 技术与移动a dh o c 网络的互联 所以在实际选择a p ，位置的时候，需要在考虑实际环境的前提下尽量满足这些要 求，找到一个最佳的结合点。 2 3 - 3 移动a dh 6 c 网络子网间的互联 多个移动a dh o c 网络可以通过互联来实现网络规模和覆盖范围的扩大，或者 满足相互之间信息交互的需要。这里每一个参与互联的移动a dh 0 c 网络都被看作 是一个子网。每一个子网有自己的接入点a p ( a c c e s sp o i n t ) ，予网中的移动终端 通过本子网的a p 与其它予网内的移动终端通信。网络结构如图2 5 所示。 图2 5 移动a d h 0 c 子网互联结构 由图2 5 可以看出，这里采用的是一个两层的结构，第一层为参与互联的子网， 每个子网中的移动终端均通过一跳或多跳与a p 连接；第二层为骨干网，a p 是构 成第二层网络的节点，负责完成不同子网间数据的传输。在这样的网络结构中， a p 作为一个予网的出口和入口，不仅要为本子网内移动终端向外发送的数据包选 择路由，同时也要向其它予网提供自己管辖范围内移动终端的信息。这就要求a p 不得不具有路由器的功能。a p 需要掌握最新的自己管辖范围内移动终端的位置信 息，再通过与其它a p 的信息交互，就可获取到达全网移动终端的路由信息。 如果a p 是以有线方式连接，那么各个a p 之间必然是全连通的，而且带宽资 源不受限制。这样就可以采用类似i p 路由协议的方式，a p 定期向其它a p 广播有 哪些移动终端在自己的管辖范围内，这样即使移动终端在贯穿各个子网的范围内 移动，也能够使得网络中所有的a p 都及时她掌握到达网内每一个移动终端的最新 路由信息。 如果a p 是以无线方式连接，则各个a p 之间并非是全连通的，而是形成了一 无线移动a dh o c 网络移动性管理及地址分配策略的研究 定的拓扑结构，那么就需要采用一种相对于子网内移动终端的路由协议而言独立 的机制，来构成a p 与a p 之间的路由；而且无线网络的带宽资源受限，不允许有 大量定期的广播数据，那么要保证a p 为移动终端的数据传输提供有效的路由，可 以采用按需路由的方式，以少量的数据交换达到获取路由信息的目的。多个移动 a dh o c 网络形成互联后，如果移动节点从一个子网移动到了另一个子网，那么势 必要解决节点在外地网络如何正常通信的问题。这是个有关在无线移动a dh o c 网 络中如何实现移动性管理的问题，我们将通过下一章中详细介绍。 2 3 4 移动a dh o c 网络与i n t e r n e t 的互联 移动通信和i n t e r n e t 技术的结合给人们的生活方式和生活质量带来了巨大的变 化，越来越多的用户希望在移动的过程中高速接入h 她m e t 。但现有的无线接入网 如无线局域网( w l a n ) 从网络层来看是一个单跳网，覆盖较小，移动性较差。 如果仅靠安装足够多的接入点a p 来为移动节点提供无缝漫游，那必然大大提高整 个网络成本。这是一个极不经济的做法。 用移动a dh o c 网络来代替现有的无线接入网“1 ，在移动终端与接入点a p 之 间可建立多跳无线链路来进行通信，那么在移动a dh o c 网内，只要有一个或多个 移动节点在a p 覆盖范围之内，其他不在a p 覆盖范围之内的移动节点就可以借助 于其他中间节点进行分组转发与外地代理进行多跳通信。这样，实现移动a dh o c 网络与i n t e m e t 的互连，就可扩展现有无线网络的覆盖范围，尤其是对于那些a p 不便安装的地方和信号覆盖不到的“死区”来说，移动a dh o c 网不失为目前最好 的解决办法之一。 另一方面，在移动a dh o c 网络发展过程中，它主要是作为一个独立的网络存 在的，但随着移动a dh o c 网络技术的逐步成熟和应用的范围的扩大，要求移动 a dh o c 网络能够与i m 明矧：互通，这将成为移动a dh o c 发展不可避免的趋势。a d h o c 网络因为其自身独有的特点，将在越来越广泛的领域发挥越来越大的作用，如 何将a dh o c 网络与i n t e m e t 互联，成为人们关注的个课题。 当一个移动a d h o c 网络接入i n t 锄e t 时可以被认为是一个p 子网，也可以是 一个i p 子网的一部分。接入点a p 将这个移动a dh o c 网络与h l t e m e t 连接起来。 移动a dh o c 网络与i n t e n l e t 的互联的结构如图2 6 所示。 第二章移动i p 技术与移动a dh o c 网络的互联 图2 6 移动a d h o c 网络与i n t e m e t 互联 a p 通过有线的方式与i n t e m e t 连接，成为了i n t e m e t 中的一个固定节点，它和 所在i p 子网的路由器是连通的。a p 在m 咖e t 侧要采用标准的i p 路由协议与路 由器或其它主机通信，而在移动a dh o c 一侧要采用移动a dh o c 网络内部的路由 协议和移动终端通信，所以a _ p 在这里是两种路由协议的集合体和交叉点。当一个 移动终端要向i n t c m e t 中的某一个主机发送数据，则按照移动a dh o c 网内的路由 协议将数据包发送到a p ，a p 将其转发给该子网的路由器，然后再由路由器按照 i m e m e t 上的i p 路由协议将该数据包发送到目的主机：相反，当i n t e r n e t 中的一个 主机给浚移动a dh o c 网络中的一个移动终端发送数据，会首先依照i p 路由协议 将恢数据包发送到该子网的路由器，路由器将其发给a p ，然后再由a p 通过移动 a dh o c 网中的路由转发给目的移动终端，这其中有一个问题，就是路由器如何知 道发给所有移动终端的数据包均要由a p 转发。在标准的i p 路由协议”1 中，路由 器会保存一个予网中每一个节点的i p 地址和物理地址的对应表，这个对应关系是 通过a r p 来获得的。当一个目的节点为移动终端的数据包到达了该移动终端所在 子网的路由器，那么该路由器首先要做的是找到这个目的p 地址对应的物理地址， 由于路由器无法分辨拥有这个i p 地址的是移动终端还是固定节点，所以就会按照 统一的做法查找地址映射表或发出a r p 请求。因为所有发往移动终端的数据包必 须由a p 来转发，所以当a p 收到这个a r p 请求后会将自己的物理地址返回给路 由器，路由器保存了这样的地址对应关系之后，会将所有发往这个i p 地址的数据 包按照a p 的物理地址发给a p 。 无线移动a dh o c 网络移动性管理及地址分配策略的研究 2 4 小结 本章首先介绍了移动i p 技术的应用范围、设计目标以及相关的基本概念，移 动i p 技术实现过程中必要的基本操作，描述了移动a dh o c 网络的基本网络结构 咀及网络问的互联，对于如何具体实现基于移动a d h o c 网络互联模型中的移动性 管理将在下一章中将详细介绍。 在无线移动a d h o c 网络与i “t e r n e t 互联中，无线移动a d h o c 网络中a p 节点 要根据数据包中所提供的移动终端的i p 地址进行数据包的分发，但是实现这一条 件的前提是网络中的移动终端必须拥有一个唯一确定的i p 地址，由于网络节点的 移动性和地址资源的有限，在无线移动a dh o c 网络中实现移动节点i p 地址自动 配置，并保证移动节点所拥有的i p 地址唯一可靠，对于更好的实现移动a dh o c 网络的互联将是一个非常可行的策略，对此我们将在第四章中进行详细的分析讨 论。 第三章移动i p 技术在无线移动a dh o c 网络中的设计与实现 第三章移动jp 技术在无线移动a dh o c 网络中的设计与实现 3 1 移动a dh o c 网络中的移动性管理协议设计 3 1 1 网络模型 在移动a dh o c 网络与其它网络联接时有个连接点a p ，它负责将网络中子 网与子网、子网与i n t e m e t 进行连接，实现不同子网间的互联。多个移动a dh o c 网络可以通过互联来实现网络规模和覆盖范围的扩大，或者满足相互之间信息交 互的需要。这里每一个参与互联的移动a d h o c 网络都被看作是一个子网，每一个 子网有自己的接入点a p ，予网中的移动终端通过本子网的a p 与其它子网内的移 动终端通信。网络结构如图3 1 所示。 由图3 1 可以看出，在这样的网络结构中，a p 作为一个予网的出口和入口， 不仅要为本子网内移动终端向外发送的数据包选择路由，同时也要向其它予网提 供自己管辖范围内移动终端的信息。a p 需要掌握最新的自芒l 管辖范围内移动终端 的位置信息，再通过与其它a p 的信息交互，获取到达全网移动终端的路由信息。 图3 1 移动a dh o c 子网互联网络结构 3 1 2 在移动a dh o c 网络子网间互联模式下的应用 在上一小节中介绍了移动a d h o c 子网互联的结构，从中可以看出，一个子网 是由一个a p 和在这个a p 管辖范围内的移动终端组成，而每一个子网的a p 又连 在一起构成了骨干网，子网内部和骨干网可分别具有各自的路由策略。在这样的 无线移动a dh o c 网络移动性管理及地址分配策略的研究 网络结构中，a p 将移动代理，路由器和接入点三者的功能融为一体，也就包含了 实现移动i p 管理功能需要的本地移动节点表、外地移动节点表和路由表。在这种 一个子网只有一个接入点的情况下，移动终端在两个a p 的管辖范围之间进行越区 切换的同时也要进行漫游的管理。 在组网初期，每一个移动终端都确定地知道自己在哪一个a p 的管辖范围内， 即属于哪一个子网，这个子网就将被认为是该移动终端的本地网，而其它所有的 子网就都是它的外地网；而每一个a p 也都确定地知道有哪些移动终端归属于自 己，并在组网初期将这些信息连同自己地信息一起在骨干网中广播，以在所有的 a p 中就各移动终端与各子网的关系上达成共识，这些信息被保存在a p 的路由表 中，并且固定不变。 a p 在各自的子网内定期广播代理广播消息，雨每一个移动终端通过接收这些 广播消息来进行代理搜寻的过程。一个新开机或是移动到一个新的子网内的移动 终端向目d 口所在子网的a p 进行注册，在注册过程中，各个有关的a p 通过骨干网 交换信息，相关的本地节点表和外地节点表都会被更新。注册完成后，移动终端 也会定期的向当前所在子网的a p 发送自身声明的消息。 当该网络内的一个移动终端要向另