MANET與Internet互聯(lián)中默認路由轉發(fā)策略的改進(jìn)

　　1 引言

　　移動(dòng)自組網(wǎng)(MANET：Mobile Ad-Hoc Network)是一種新型無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，網(wǎng)絡(luò )中的每個(gè)節點(diǎn)都具有分組轉發(fā)能力，由于信號覆蓋范圍受限而無(wú)法直接通信的兩個(gè)節點(diǎn)可借助中間節點(diǎn)的轉發(fā)能力實(shí)現通信。由于MANET的無(wú)線(xiàn)多跳通信特性使其在無(wú)需人工干預的情況下自動(dòng)創(chuàng )建、自我管理、自我維護，即使沒(méi)有基站等固定基礎設施網(wǎng)絡(luò )提供支持，也能按需即時(shí)布置，因此，MANET特別適用于戰場(chǎng)通信、應急通信、蜂窩網(wǎng)絡(luò )覆蓋擴展服務(wù)等場(chǎng)合。

　　而業(yè)界更為關(guān)注的是MANET與Internet瓦聯(lián)問(wèn)題，主要原因在于，Internet已經(jīng)是一個(gè)海量信息庫，擁有用戶(hù)開(kāi)展各種應用所需的資源和服務(wù)。而MANET雖然可滿(mǎn)足移動(dòng)用戶(hù)即時(shí)開(kāi)展通信的能力，但限于無(wú)線(xiàn)設備的存儲容量、處理能力、能量供應等因素，無(wú)法獨立提供用戶(hù)所需關(guān)鍵應用。如能將關(guān)鍵信息的存儲和處理交給Internet 上的固定主機，可延長(cháng)MANET的存活時(shí)間并提高安全保障。故MANET與Internet的互聯(lián)是MANET進(jìn)入民用領(lǐng)域并獲得利潤的關(guān)鍵。

　　為與Internet固定主機通信，MANET節點(diǎn)須先通過(guò)網(wǎng)關(guān)發(fā)現過(guò)程建立到Internet 網(wǎng)關(guān)路由，相對于MANET內部路由，此過(guò)程稱(chēng)作全局路由計算。為了在這兩個(gè)異質(zhì)網(wǎng)絡(luò )多跳互聯(lián)的復雜環(huán)境中有效地將Internet業(yè)務(wù)分組中繼給網(wǎng)關(guān)，MANET節點(diǎn)必須合理組織利用全局路由。 

　　2相關(guān)工作

　　MANET與Internet互聯(lián)時(shí)，MANET節點(diǎn)基本有四種方式組織和使用到網(wǎng)關(guān)路由：主機路由、源路由、隧道轉發(fā)以及默認路由。默認路由是指將到網(wǎng)關(guān)的路由組織為路由表的一個(gè)默認表項．若在路由表中的確沒(méi)有表頂能夠匹配分組目標地址，并且就分組目標地址重新進(jìn)行路由發(fā)現也收不到路南應答(RREP：Route Reply)的話(huà)，則將分組轉發(fā)給默認路由表項所指明的下一跳。圖1(a)為默認路由表項的建立方式。參考文獻[1]提出圖1(b)所示轉發(fā)方式不同，該處在于其額外增加了表明當前哪個(gè)網(wǎng)關(guān)被選作默認網(wǎng)關(guān)。

　　3無(wú)線(xiàn)多跳環(huán)境下存在的問(wèn)題和改進(jìn) 

　　3.1默認路由轉發(fā)存在的問(wèn)題

　　3.1.1 Internet主機(IH：Internet Host)路由的重復發(fā)現效應

　　在隨機配置節點(diǎn)IP地址并運行被動(dòng)路南協(xié)議的MANET中，源節點(diǎn)可通過(guò)網(wǎng)關(guān)發(fā)現過(guò)程獲得到網(wǎng)關(guān)的路徑并將其以默認路由的形式組織在路由表中。但源節點(diǎn)及沿途的每個(gè)中間節點(diǎn)在采用其默認路由將分組轉發(fā)給網(wǎng)關(guān)前都要保證這些分組的目標節點(diǎn)確實(shí)不在本地MANET中。故源節點(diǎn)及每個(gè)中間節點(diǎn)在發(fā)送目標為IH的Internet業(yè)務(wù)分組時(shí)如果對應的IH路由表項缺失，必須進(jìn)行路由發(fā)現并依賴(lài)超時(shí)機制建立其所需的路由表項，這就是IH路由的"重復查找效應"。重復查找效應導致大量的RREQ分組被廣播到MANET中．互聯(lián)開(kāi)銷(xiāo)全局路由發(fā)現延遲將大大增加。

　　3.1.2默認路由的不一致性及狀態(tài)復制問(wèn)題

　　默認路由狀態(tài)不一致問(wèn)題的主要原因在于每個(gè)中間節點(diǎn)能夠建立的默認路由表項只能有一個(gè)，但經(jīng)其轉發(fā)的分組卻可能需要抵達多個(gè)不同網(wǎng)關(guān)。最后無(wú)論轉發(fā)節點(diǎn)如何能辨明新舊網(wǎng)關(guān)并最終選擇哪個(gè)網(wǎng)關(guān)作為默認網(wǎng)關(guān)都是一個(gè)局限于節點(diǎn)本身的"局部事件"，其他節點(diǎn)根本無(wú)法了解此轉發(fā)節點(diǎn)的默認路由究竟指向哪一網(wǎng)關(guān)。該問(wèn)題可能導致在源節點(diǎn)無(wú)法感知的情況下其Internet業(yè)務(wù)分組被轉發(fā)到錯誤的路徑而最終致使傳輸鏈路斷裂。

　　狀態(tài)復制問(wèn)題是全局路由發(fā)現或更新過(guò)程中Internet主機路由表項缺失問(wèn)題。如圖2中的節點(diǎn)A原來(lái)已建立一條經(jīng)節點(diǎn)B、C到網(wǎng)關(guān)GW的路徑。此后由于C節點(diǎn)關(guān)機或移動(dòng)導致其與B節點(diǎn)之間的無(wú)線(xiàn)連接丟失。B發(fā)現后首先按照AODV的局部路由修復方法發(fā)出RREQ分組試圖重建與GW的連接，RREQ經(jīng)過(guò)一個(gè)新節點(diǎn)D到達GW，GW收取后單播RREP給予回復。RREP在經(jīng)D返回B的過(guò)程中依次在各個(gè)節點(diǎn)建立或更新到網(wǎng)關(guān)的默認路由，如圖2(b)所示。不過(guò)對于新加入到此路徑上的節點(diǎn)D而言，并不能通過(guò)RREP了解到關(guān)于IH的任何信息。這種源節點(diǎn)更新其到網(wǎng)關(guān)路徑后，新加入到此路徑上的中間節點(diǎn)因缺失"Internet主機->default"路由表項而無(wú)法立即執行轉發(fā)任務(wù)，即狀態(tài)復制問(wèn)題。實(shí)際上，"狀態(tài)復制"問(wèn)題也同樣出現在全局路由發(fā)現過(guò)程中。

　

　　3.2改進(jìn)型默認路由轉發(fā)策略

　　為克眼常規默認路由轉發(fā)策略所存在的重復路由發(fā)現和狀態(tài)復制問(wèn)題，提出改進(jìn)方案并將其命名為Default-Route_Improved。該方案通過(guò)在分組RREP-I／RREQ-I中增加網(wǎng)關(guān)對于Internet主機的可達性判斷而達到目的，具體工作過(guò)程如下：首先，由于RREQ／RREQ-I的目標地址無(wú)非是：(1)某個(gè)明確的主機IP地址；(2)網(wǎng)關(guān)組播地址ALL_MANET_GW_MULTICAST。

　　對第一種情況，收取RREQ／RREQ-I的網(wǎng)關(guān)就在Internet中PING該主機。如收到肯定回復，網(wǎng)關(guān)創(chuàng )建擴展的RREP-I回復源節點(diǎn)。其目標地址字段為源節點(diǎn)IP地址，源地址字段為網(wǎng)關(guān)自身IP地址。此外，RREP-I還包含一個(gè)"ih_dst"(IH-Destination)新字段，網(wǎng)關(guān)已經(jīng)PING通的RREQ／RREQ-I目標主機IP地址被包含在該字段中。接收到RREP-I的源節點(diǎn)及沿途的中間節點(diǎn)根據該分組的"I"標識位、源地址及"ih_dst"字段依次建立起到網(wǎng)關(guān)的默認路由表項(按Default_Route_Wakikawa方案建立)以及到Internet主機路由表項(即"IH->default"表項)。網(wǎng)關(guān)按卜述方式回復源節點(diǎn)的RREQ／RREQ-I分組過(guò)程如圖3所示。

　　如網(wǎng)關(guān)無(wú)法確定RREQ-I所尋找的目標節點(diǎn)是否在Internet中，或收取的RREQ-1分組以網(wǎng)關(guān)組播地址為目標地址，則直接創(chuàng )建不攜帶"ih-dst"的RREP-1分組回復源節點(diǎn)。

　　對圖2路由更新過(guò)程中的狀態(tài)復制問(wèn)題改進(jìn)策略的處理方式也類(lèi)似。以圖4中的節點(diǎn)B為例，當發(fā)現與節點(diǎn)C之間的鏈路斷裂后即嘗試局部鏈路修復。首先查看路由表確定是否有以C為下一跳的目標節點(diǎn)，如果發(fā)現這樣的目標節點(diǎn)如圖4(a)中的GW，則開(kāi)始嘗試局部路由修復。由于采用圖1(b)所示的默認路由建立方式，節點(diǎn)B并不像通常那樣立即發(fā)出以GW為目標地址的RREQ，而是進(jìn)一步檢查此GW是否為"default"的下一跳，如果是還須查找是否存在以"default"為下一跳的目標節點(diǎn)。于是B將發(fā)現不僅是GW，而且IH1和IH2也因到C的鏈路發(fā)生斷裂而不可達。B最終將創(chuàng )建一個(gè)以ALL_MANET_CW_MULTICAST為目標地址的RREQ-I，該分組不僅具有一個(gè)特殊的"I"標識位以標識其尋求到IH的路由，而且通過(guò)"ih_dst"字段具體給出這些IH地址(IH1和IH2)。接收到此分組的網(wǎng)關(guān)首先發(fā)現此RREQ-I是針對網(wǎng)關(guān)發(fā)出的，但在"ih_dst"字段中的IH1和IH2后還了解源節點(diǎn)B重建與自己的連接的真正目的是為了和"ih_dst"所列的IH通信。網(wǎng)關(guān)通過(guò)與Internet互聯(lián)接口逐個(gè)ping這些"ih_dst"字段中的地址是否位于Internet中，得到肯定應答的IH的IP地址將被網(wǎng)關(guān)包含在其所創(chuàng )建的RREP-1分組的"ih_dst"字段中，并以單播方式返回請求節點(diǎn)B。沿途轉發(fā)的中間節點(diǎn)根據RREP-I所攜帶信息相應建立起到IH及網(wǎng)關(guān)的默認路由，當B收到此RREP-I并重建起所需路由后．立即使用這些路由繼續數據傳輸，既不會(huì )發(fā)生狀態(tài)復制問(wèn)題，也不會(huì )有重復路由查找效應。

　　需要指出的是，如果B發(fā)現以C為下一跳的目標節點(diǎn)根本不是到"default"的下一跳，則意味著(zhù)C為IH。這樣的局部路由失效，則按照AODV規范修復。另外，如果B是通過(guò)接收RERR而了解到無(wú)法通過(guò)C抵達某個(gè)目標節點(diǎn)，則按照上述方法處理。

　　4網(wǎng)關(guān)轉發(fā)策略性能比較研究

　　4.1平臺仿真環(huán)境建立

　　選擇ns2作為仿真平臺，測試兩種轉發(fā)策略在如下網(wǎng)絡(luò )場(chǎng)景的性能：每個(gè)測試場(chǎng)景中包含兩個(gè)網(wǎng)關(guān)，每個(gè)網(wǎng)關(guān)通過(guò)一個(gè)路由器連接一個(gè)作為信宿的固定節點(diǎn)，路由器與路由器、網(wǎng)關(guān)之間均通過(guò)10 Mb／s的有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)。信源被安置在某個(gè)隨機選擇的MANET節點(diǎn)上，對應的信宿是兩個(gè)固定節點(diǎn)中的一個(gè)。節點(diǎn)的運動(dòng)遵守Random Waypoint MobilityModel，運動(dòng)速度在[0，Vmax]中隨機選擇，運動(dòng)暫停時(shí)間為5秒。每次仿真運行600個(gè)仿真秒，仿真結果曲線(xiàn)中的每個(gè)數據點(diǎn)代表在相同流量模型和Vmax下，以隨機產(chǎn)生的運動(dòng)場(chǎng)景運行10次仿真所得結果之均值。且所有的無(wú)線(xiàn)收發(fā)機的信號覆蓋直徑均為250 m。

　　4.2 CBR性能測試結果及原因分析

　　在每個(gè)仿真場(chǎng)景中，隨機選擇的兩個(gè)MANET節點(diǎn)被設置為CBR信源，并在仿真開(kāi)始后的第10仿真秒鐘開(kāi)始發(fā)送大小為512 B的CBR分組且持續至仿真結束。發(fā)送速度為10 packet／s。在兩個(gè)固定Internet節點(diǎn)中隨機選擇一個(gè)作為CBR信宿。采用表1所示性能指標對不同網(wǎng)關(guān)轉發(fā)策略的性能進(jìn)行測定。

　　4.2.1分組遞交率

　　兩種轉發(fā)策略在不同網(wǎng)絡(luò )規模和不同移動(dòng)速度下的分組遞交率如圖5所示，分組遞交率隨MANET網(wǎng)絡(luò )規模的擴大以及MANET節點(diǎn)活躍程度(最大運動(dòng)速度)的增加而下降。這是因為隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )規模的擴大，源節點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)的平均路徑長(cháng)度增加，發(fā)生斷裂的概率也隨之增加。在網(wǎng)絡(luò )規模保持穩定的情況下，節點(diǎn)活躍程度的增加也會(huì )導致更多的鏈路斷裂。而為重建斷裂的連接，會(huì )有更多的路由和控制分組被發(fā)送到MANET中，控制流量就會(huì )增加，這在每個(gè)仿真結果曲線(xiàn)上都可以觀(guān)察到。

　　另一方面，改進(jìn)后的轉發(fā)策略DefaultRoute_Improved由于克服了Internet主機路由缺失以及重復路由發(fā)現等問(wèn)題，因此，其相對DefaultRoute_Wakikawa具有更高的分組遞交率。

　　4.2.2分組傳輸時(shí)延

　　在完全相同的仿真環(huán)境下測試了兩種協(xié)議的平均全局路由發(fā)現時(shí)延以及平均分組傳輸時(shí)延，仿真結果如圖6、圖7所示。圖中可見(jiàn)改進(jìn)的轉發(fā)策略性能更優(yōu)，主要體現在全局路由發(fā)現時(shí)間的縮短上。在RREP-I中增加的"ih_dst"字段攜帶了網(wǎng)關(guān)對于IH的可達性判斷，因此源節點(diǎn)及到網(wǎng)關(guān)路徑上的所有中間節點(diǎn)在接收到RREP-I后。不僅建立默認路由，而且可立即建立關(guān)于IH的路由表項。不用像Default-Route_Wikawiwa那樣必須利用路由發(fā)現超時(shí)來(lái)建立該路由表項。大大減少了節點(diǎn)廣播RREQ-I的次數，全局路由發(fā)現延遲也得到顯著(zhù)降低，則有更多的時(shí)間發(fā)送數據而不是等待超時(shí)，使互聯(lián)性能得到改善。隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )規模的擴大以及節點(diǎn)移動(dòng)速度的增加，需要頻繁進(jìn)行全局路由發(fā)現時(shí)，改進(jìn)型默認路由轉發(fā)策略性能優(yōu)越性更趨明顯。

　　5 結語(yǔ)

　　運行被動(dòng)路由協(xié)議的MANET節點(diǎn)如采用傳統的默認路由轉發(fā)分組進(jìn)入Internet的話(huà)，默認路由不一致、Internet主機路由缺失以及狀態(tài)復制等問(wèn)題將迫使MANET節點(diǎn)不得不長(cháng)時(shí)間的處于超時(shí)狀態(tài)并反復進(jìn)行網(wǎng)關(guān)發(fā)現，如此使得傳輸時(shí)延和互聯(lián)開(kāi)銷(xiāo)顯著(zhù)增加，仿真結果證實(shí)默認路由的不正確轉發(fā)妨害了業(yè)務(wù)傳輸性能，而經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的默認路由轉發(fā)策略可有效改善互聯(lián)性能。