基于关系链的MANET地址自动配置机制

【摘要】为解决目前多数无限自组网络地址配置协议通信开销大、时延高、过于复杂等特点，提出了基于关系链的MANNET地址自动配置机制，采用关系链以提高地址回收可靠性，降低了因地址漏洞而产生的冲突开销，该机制具有效率高、开销小、支持网络融合和分割、实现简单、适合大型网络的地址分配等特点。

【关键词】无线自组网络；关系链；地址自动配置

0 引言

IP网络中，移动装置的IP地址分配是最重要的网络参数之一，一个移动装置在没有分得一个空闲IP地址及其相应子网掩码地址之前无法参与网络中的单目标通讯，地址分配是面向MANET网络实际应用的第一步，也是当前研究者关注的热点。对于小规模的MANET网络，人工分配IP空闲地址可能既高效又简单，但是对于大规模MANET网络，节点数量众多，人工分配IP空闲地址变得非常困难。

在传统网络中，地址配置方案分为有状态地址配置和无状态地址配置两种形式。有状态地址配置方案采用服务器/客户端的通信方式分配地址，该种地址配置方案无法应用到分布式的MANET网络中。如果采用单纯无状态地址配置方案，如何确保地址唯一性的同时避免产生大量的控制包开销从而浪费网络资源成为一大难题[1]。

MANET中对IP地址的自动配置包括MANET本地地址分配和全球唯一地址分配问题，涉及唯一性地址分配、网络融合与分裂、重复地址检测等多个方面，需要考虑分布式、多跳性、拓扑动态性等网络特点以及由此带来的网络开销[2-3]。与传统有线网络相比，MANET网络的移动节点不固定、无线链路不稳定、带宽有限、无中心管理设备，所以其地址自动分配更加困难[4]，通常会面对以下三种情形：

（1）一个节点加入MANET网络而后永久离开；

（2）一个MANET网络分割若干不连接的；

（3）两个孤立的、已配置的MANET网络合并在一起。

目前大多数MANET地址配置协议过于复杂、开销大、难以实现，如文献[5]提出建立地址树，但是没有考虑因节点移动而导致网络分割引起的地址树失效问题，所以其应用性不强。文献[6]提出基于OLSR的MANET地址自动配置机制，只能适合于小型MANET网络，其可扩展性差，在大型MANET网络中会导致通信开销过高。本文提出一种基于关系链的MANET地址自动配置方案，旨在降低IP地址配置过程中开销和增强其可实现性。

1 IP地址自动配置方案

1.1 定义及数据结构

IP配置节点：具备地址配置能力及空闲地址块的节点，可以给申请节点配置IP地址及地址块。

IP地址块：IP配置节点所具有的待分配IP地址的集合。

节点关系：根据IP地址配发关系，配置节点与其请求节点构成父子关系，配发节点的两个子节点点构成兄弟关系，首节点同首次请求节点定为兄弟关系。

关系链：根据IP地址配发关系，每个节点定期更新其父节点、祖父节点、兄弟节点、其交付IP地址块的两个子节点的路由信息，维持节点间的逻辑关系，该关系链主要应用于非正常脱网节点IP地址回收。

IP地址传递：一个节点获得空闲地址块，而自身不具备IP地址配置能力，则其地址块向其子节点进行传递，从而避免非配置节点占据空闲IP地址块。

分割部分识别码：每个分割部分周期生成分割识别码PartitionID并在其分割网络内广播，用以区分MANET中节点所属于不同的分割部分，避免IP地址相同引发冲突。

该IP地址方案的路由环境采用AODV算法，节点定期向周围节点发送HELLO消息。

1.2 单个MANET节点的加入

假设节点通信采用AODV路由算法，当单个节点A期望加入MANET网络时，启动search_timer定时器，侦听周围节点HELLO消息，如果定时器超时仍未收到邻居节点的HELLO信息，则自己成为IP配置节点，如果A发现已存在可达MANET网络，则广播request请求消息，并启动replyTimer应答定时器，定时器定时结束后，客户重新发送请求信息，当接收到MANET网络中的reply消息后停止定时，节点A选择其最先收到的reply消息源服务节点回复ACK消息并启动地址块定时器进行地址获取，如果定时器超时仍未完成配置，则重新进行IP申请，如果配置成功则通过confirm消息对地址块配置成功予以确认。

IP地址配置过程中，每个节点设置一个计数器num_counter，将新参与到MANET网络中的节点num_counter初值设为-1，如果节点为MANET网络中首个节点，则num_counter初值设为-2，如图2，IP配置时有以下三种情况：

若配置节点num_counter0，则将自身空闲地址块一半配发给请求节点。

若配置节点num_counter= 0，则将其自身空闲IP地址块全部配发给请求节点。

若节点num_counter>1，自其不再具备IP配置功能。

1.3 单节点动态检测与IP地址回收

在IP地址配置过程中，每个节点周期更新父节点和子节点的路由信息并获取其逻辑度数和地址空间，并通过其确定关系链节点的存在性，其中逻辑度数可通过节点num_counter进行确定。对于单个节点离开分为正常离开和非正常离开两种，正常离开下节点对其关系链节点进行通知，并回收其IP地址块，非正常离开则直接脱网，通过关系链节点发现其脱网[7]。

1.3.1 单节点非正常脱网

如图3，A为首节点，规定A和B互为父节点，C、D节点为A节点的子节点，各节点连接线代表节点存在地址配置关系。若该节点的子节点或父节点发现该节点消失，则首先对消失节点度数N进行判断，有以下三种情形：

（1）N2，如节点C脱网，则其子节点H代替父节点，回收父节点IP地址块并进行地址传递，与祖父节点A进行通信并更新关系链，形成如图4的逻辑关系。

（2）N=2，以图3中的F节点消失时为例，子节点K回收父节点的IP地址块，并与祖父节点B建立父子关系，更新关系链，并进行地址传递机制。

（3）N=1，由其父亲节点回收该节点的IP地址块，根据其父亲节点更新后逻辑度数确定是否重新成为配置节点并更新num_counter数值，否则进行地址传递。

1.3.2 单节点正常脱网

当一个节点决定脱网后，向其关系链节点点发送一条bye消息，并启动准许定时器okTimer，定时器结束后可以重新启动脱网进程。若收到准许消息ok，则发送bye消息表示客户已经脱离网络，再服务器节点发送ok消息的同时，启动再见定时器byeTimer，定时器结束则服务期ping客户节点，如果收不到任何客户消息，则证明客户节点脱网，若收到bye消息，则byeTimer停止。其关系链中节点的替代和地址传递均等同于非正常脱网[8]。

1.4 网络的分割与合并的IP地址配置

1.4.1 网络分割

当出现网络分割时，会有大量节点同时消失，假设节点关系链如图3所示，而实际位置分布如图5，当因为节点移动性等问题，当节点J和节点A失去联系后，会造成A、F、D、K四个节点同时脱网，从而划分为两个网络部分，分割网络随机生成分割部分识别码Partition ID，以确区分不同MANET网络。不同于单节点脱网，节点会出现多个关系链成员节点同时脱网的现象，当一个节点同时发现其父节点和祖父节点均脱网时，则就近选择一个节点作为其父亲节点，从而形成图6中的新关系链。

1.4.2 地址块漏洞检测

在网络分割过程中，必然存在因多个节点脱网而导致空闲地址块损失的问题，网络分割次数越多，其剩余空闲地址块越小。在网络融合和MANET分割网络地址块用尽的情况下，MANET网络内应由IP配置节点广播address_check报文，N=1节点接受报文后，将自身IP地址和空闲地址块向其父节点进行地址传递，各级节点依次向其父节点传递，直至首节点汇总其子节点的报文，通过该传递可以重新获取因网络分割而丢失的空闲地址块，并重新做地址块的分配，根据目前空闲地址块大小进而更新其MANET节点数。

1.4.3 网络融合

当节点通过HELLO消息发现存在不同PartitionID的节点，当两个或多个不同PartitionID的MANET共同通信时时可能会产生地址冲突节点，如若进行网络融合，则其中一个网络必须放弃其IP地址和空闲地址块。

通过地址漏洞检测机制，首节可通过空闲地址块大小或节点数确定其MANET规模，空闲地址块大的一方网络节点放弃自身IP地址，成为孤立节点，而后向对方网络重新获取IP地址。

2 性能分析

通过NS-2仿真平台对该算法进行仿真[9]，本文中IP地址自动配置协议仿真环境如下：仿场景大小分别为1000m×1000m，节点数量为50个节点，节点出现速度为0.25个/s，节点移动速度为5m/s，采用随机移动模型，路由协议使用AODV。

测量在地址空间分别为2倍和5倍于节点数量的情况下的地址配置总开销，其中地址总开销为MANET中所需要发送的控制报文总数。仿真过程中，采取在MANET网络中加入传感器节点以获取近似数据，仿真结果如图7、8，从控制报文数量来看，能够满足于MANET网络需要，在地址空间较小的情况下，容易因地址不足，会产生较大的路由开销。

3 结束语

本文设计了一种适合MANET的地址自动配置算法，用于本地IP地址分配。算法具有通信开销小、简单快速特点，维护网络地址的唯一性，通过地址漏洞检测机制降低了IP地址块难以收回的问题，支持频繁的网络融合和分裂，具有较强的可扩展性。下一步将研究协议的安全性，并对协议进行进一步仿真分析。

附录

Background

Mobile Ad Hoc networks composed of mobile nodes with wireless communication device are typically characterized by their multi-hop， temporary and un-center. And it is capable of self-organization and self-cure. The technology of Mobile Ad Hoe Networks is mainly used in military， fire， safety， succor .

IP address configuration is the first step of research of routing protocol. A successful P address configuration could improve the efficiency of the routing protocol. But most IP address auto-configuration protocols are too complexity， highly delay and inefficiency for the MANET， a new scheme was should be proposed to further improve the reliability of address recovery and decreases the conflict expenses of address leak.

【参考文献】

[1]R. DROMS. Dynamic Host Configuration Protocol[C]//Network Working Group RFC 2131.March，1997.

[2]A. MISRA，S. Das，A. McAulley，and S. K. DAS. Auto-configuration， Registration， and Mobility Management for Pervasive Computing[J]. IEEE Personal Communications，2001，8（4）：24-31.

[3]H. Zhou， L. M. Ni， and M. W. MUTKA.Prophet Address Allocation for large Scale MANET[C]//Proceedings of the IEEE INFOCOM 2003. San Francisco，US，2003：1304-1311.

[4]陈林星，曾曦.移动Ad Hoc网络自组织分组无线网络技术[M].北京：电子工业出版社，2012：486-492.

[5]王晓喃，钱焕延.一种MANET自动配置方案[J].计算机应用研究，2012，29（8）：3128-3120.

[6]卿利.基于OLSR的 MANET 地址自动配置机制[J].计算机应用研究，2011， 28（4）：1527-1529.

[7]Indrasinghe S， Pereira R. Protocol Specification for Conflict Free MANET Address Allocation Mechanisms[C]//Proc. of the 22nd International Conference on Advanced Information Networking and Applications Workshops. Ginowan， Japan：[s. n.]，2008：1435-1439.

[8]Zhou Hongbo， Ni L M， Mutka M W. Prophet Address Allocation for Large Scale MANETS[C]//Proc. of IEEE INFOCOM’03. Boston，USA：[s. n.]， 2003：657-662.

[9]Yoshikage OCHI， Kazuhiko KINOSHITA，Hideki TODE， Koso MURAKAMI. A Design of Wide Area Manet By Dynamic Linkage With Ip-based InfrastructureA[Z]. IEICE Transactions on Communications，2009，e92/b（3）.