MANET與Internet互聯(lián)中默認(rèn)路由轉(zhuǎn)發(fā)策略的改進(jìn)

　　1 引言

　　移動自組網(wǎng)(MANET：Mobile Ad-Hoc Network)是一種新型無線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)都具有分組轉(zhuǎn)發(fā)能力，由于信號覆蓋范圍受限而無法直接通信的兩個節(jié)點(diǎn)可借助中間節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)能力實現(xiàn)通信。由于MANET的無線多跳通信特性使其在無需人工干預(yù)的情況下自動創(chuàng)建、自我管理、自我維護(hù)，即使沒有基站等固定基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)提供支持，也能按需即時布置，因此，MANET特別適用于戰(zhàn)場通信、應(yīng)急通信、蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋擴(kuò)展服務(wù)等場合。

　　而業(yè)界更為關(guān)注的是MANET與Internet瓦聯(lián)問題，主要原因在于，Internet已經(jīng)是一個海量信息庫，擁有用戶開展各種應(yīng)用所需的資源和服務(wù)。而MANET雖然可滿足移動用戶即時開展通信的能力，但限于無線設(shè)備的存儲容量、處理能力、能量供應(yīng)等因素，無法獨(dú)立提供用戶所需關(guān)鍵應(yīng)用。如能將關(guān)鍵信息的存儲和處理交給Internet 上的固定主機(jī)，可延長MANET的存活時間并提高安全保障。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(jī)通信，MANET節(jié)點(diǎn)須先通過網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)過程建立到Internet 網(wǎng)關(guān)路由，相對于MANET內(nèi)部路由，此過程稱作全局路由計算。為了在這兩個異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)多跳互聯(lián)的復(fù)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(jié)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，MANET節(jié)點(diǎn)基本有四種方式組織和使用到網(wǎng)關(guān)路由：主機(jī)路由、源路由、隧道轉(zhuǎn)發(fā)以及默認(rèn)路由。默認(rèn)路由是指將到網(wǎng)關(guān)的路由組織為路由表的一個默認(rèn)表項．若在路由表中的確沒有表頂能夠匹配分組目標(biāo)地址，并且就分組目標(biāo)地址重新進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)也收不到路南應(yīng)答(RREP：Route Reply)的話，則將分組轉(zhuǎn)發(fā)給默認(rèn)路由表項所指明的下一跳。圖1(a)為默認(rèn)路由表項的建立方式。參考文獻(xiàn)[1]提出圖1(b)所示轉(zhuǎn)發(fā)方式不同，該處在于其額外增加了表明當(dāng)前哪個網(wǎng)關(guān)被選作默認(rèn)網(wǎng)關(guān)。

　　3無線多跳環(huán)境下存在的問題和改進(jìn) 

　　3.1默認(rèn)路由轉(zhuǎn)發(fā)存在的問題

　　3.1.1 Internet主機(jī)(IH：Internet Host)路由的重復(fù)發(fā)現(xiàn)效應(yīng)

　　在隨機(jī)配置節(jié)點(diǎn)IP地址并運(yùn)行被動路南協(xié)議的MANET中，源節(jié)點(diǎn)可通過網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)過程獲得到網(wǎng)關(guān)的路徑并將其以默認(rèn)路由的形式組織在路由表中。但源節(jié)點(diǎn)及沿途的每個中間節(jié)點(diǎn)在采用其默認(rèn)路由將分組轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)前都要保證這些分組的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)確實不在本地MANET中。故源節(jié)點(diǎn)及每個中間節(jié)點(diǎn)在發(fā)送目標(biāo)為IH的Internet業(yè)務(wù)分組時如果對應(yīng)的IH路由表項缺失，必須進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)并依賴超時機(jī)制建立其所需的路由表項，這就是IH路由的"重復(fù)查找效應(yīng)"。重復(fù)查找效應(yīng)導(dǎo)致大量的RREQ分組被廣播到MANET中．互聯(lián)開銷全局路由發(fā)現(xiàn)延遲將大大增加。

　　3.1.2默認(rèn)路由的不一致性及狀態(tài)復(fù)制問題

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

　　狀態(tài)復(fù)制問題是全局路由發(fā)現(xiàn)或更新過程中Internet主機(jī)路由表項缺失問題。如圖2中的節(jié)點(diǎn)A原來已建立一條經(jīng)節(jié)點(diǎn)B、C到網(wǎng)關(guān)GW的路徑。此后由于C節(jié)點(diǎn)關(guān)機(jī)或移動導(dǎo)致其與B節(jié)點(diǎn)之間的無線連接丟失。B發(fā)現(xiàn)后首先按照AODV的局部路由修復(fù)方法發(fā)出RREQ分組試圖重建與GW的連接，RREQ經(jīng)過一個新節(jié)點(diǎn)D到達(dá)GW，GW收取后單播RREP給予回復(fù)。RREP在經(jīng)D返回B的過程中依次在各個節(jié)點(diǎn)建立或更新到網(wǎng)關(guān)的默認(rèn)路由，如圖2(b)所示。不過對于新加入到此路徑上的節(jié)點(diǎn)D而言，并不能通過RREP了解到關(guān)于IH的任何信息。這種源節(jié)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(jié)點(diǎn)因缺失"Internet主機(jī)->default"路由表項而無法立即執(zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，即狀態(tài)復(fù)制問題。實際上，"狀態(tài)復(fù)制"問題也同樣出現(xiàn)在全局路由發(fā)現(xiàn)過程中。

　

　　3.2改進(jìn)型默認(rèn)路由轉(zhuǎn)發(fā)策略

　　為克眼常規(guī)默認(rèn)路由轉(zhuǎn)發(fā)策略所存在的重復(fù)路由發(fā)現(xiàn)和狀態(tài)復(fù)制問題，提出改進(jìn)方案并將其命名為Default-Route_Improved。該方案通過在分組RREP-I／RREQ-I中增加網(wǎng)關(guān)對于Internet主機(jī)的可達(dá)性判斷而達(dá)到目的，具體工作過程如下：首先，由于RREQ／RREQ-I的目標(biāo)地址無非是：(1)某個明確的主機(jī)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(jī)。如收到肯定回復(fù)，網(wǎng)關(guān)創(chuàng)建擴(kuò)展的RREP-I回復(fù)源節(jié)點(diǎn)。其目標(biāo)地址字段為源節(jié)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"ih_dst"(IH-Destination)新字段，網(wǎng)關(guān)已經(jīng)PING通的RREQ／RREQ-I目標(biāo)主機(jī)IP地址被包含在該字段中。接收到RREP-I的源節(jié)點(diǎn)及沿途的中間節(jié)點(diǎn)根據(jù)該分組的"I"標(biāo)識位、源地址及"ih_dst"字段依次建立起到網(wǎng)關(guān)的默認(rèn)路由表項(按Default_Route_Wakikawa方案建立)以及到Internet主機(jī)路由表項(即"IH->default"表項)。網(wǎng)關(guān)按卜述方式回復(fù)源節(jié)點(diǎn)的RREQ／RREQ-I分組過程如圖3所示。

　　如網(wǎng)關(guān)無法確定RREQ-I所尋找的目標(biāo)節(jié)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(biāo)地址，則直接創(chuàng)建不攜帶"ih-dst"的RREP-1分組回復(fù)源節(jié)點(diǎn)。

　　對圖2路由更新過程中的狀態(tài)復(fù)制問題改進(jìn)策略的處理方式也類似。以圖4中的節(jié)點(diǎn)B為例，當(dāng)發(fā)現(xiàn)與節(jié)點(diǎn)C之間的鏈路斷裂后即嘗試局部鏈路修復(fù)。首先查看路由表確定是否有以C為下一跳的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，如果發(fā)現(xiàn)這樣的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)如圖4(a)中的GW，則開始嘗試局部路由修復(fù)。由于采用圖1(b)所示的默認(rèn)路由建立方式，節(jié)點(diǎn)B并不像通常那樣立即發(fā)出以GW為目標(biāo)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(biāo)節(jié)點(diǎn)。于是B將發(fā)現(xiàn)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(dá)。B最終將創(chuàng)建一個以ALL_MANET_CW_MULTICAST為目標(biāo)地址的RREQ-I，該分組不僅具有一個特殊的"I"標(biāo)識位以標(biāo)識其尋求到IH的路由，而且通過"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(xiàn)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(jié)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)通過與Internet互聯(lián)接口逐個ping這些"ih_dst"字段中的地址是否位于Internet中，得到肯定應(yīng)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(jié)點(diǎn)B。沿途轉(zhuǎn)發(fā)的中間節(jié)點(diǎn)根據(jù)RREP-I所攜帶信息相應(yīng)建立起到IH及網(wǎng)關(guān)的默認(rèn)路由，當(dāng)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(xù)數(shù)據(jù)傳輸，既不會發(fā)生狀態(tài)復(fù)制問題，也不會有重復(fù)路由查找效應(yīng)。

　　需要指出的是，如果B發(fā)現(xiàn)以C為下一跳的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)根本不是到"default"的下一跳，則意味著C為IH。這樣的局部路由失效，則按照AODV規(guī)范修復(fù)。另外，如果B是通過接收RERR而了解到無法通過C抵達(dá)某個目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，則按照上述方法處理。

　　4網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)發(fā)策略在如下網(wǎng)絡(luò)場景的性能：每個測試場景中包含兩個網(wǎng)關(guān)，每個網(wǎng)關(guān)通過一個路由器連接一個作為信宿的固定節(jié)點(diǎn)，路由器與路由器、網(wǎng)關(guān)之間均通過10 Mb／s的有線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。信源被安置在某個隨機(jī)選擇的MANET節(jié)點(diǎn)上，對應(yīng)的信宿是兩個固定節(jié)點(diǎn)中的一個。節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動遵守Random Waypoint MobilityModel，運(yùn)動速度在[0，Vmax]中隨機(jī)選擇，運(yùn)動暫停時間為5秒。每次仿真運(yùn)行600個仿真秒，仿真結(jié)果曲線中的每個數(shù)據(jù)點(diǎn)代表在相同流量模型和Vmax下，以隨機(jī)產(chǎn)生的運(yùn)動場景運(yùn)行10次仿真所得結(jié)果之均值。且所有的無線收發(fā)機(jī)的信號覆蓋直徑均為250 m。

　　4.2 CBR性能測試結(jié)果及原因分析

　　在每個仿真場景中，隨機(jī)選擇的兩個MANET節(jié)點(diǎn)被設(shè)置為CBR信源，并在仿真開始后的第10仿真秒鐘開始發(fā)送大小為512 B的CBR分組且持續(xù)至仿真結(jié)束。發(fā)送速度為10 packet／s。在兩個固定Internet節(jié)點(diǎn)中隨機(jī)選擇一個作為CBR信宿。采用表1所示性能指標(biāo)對不同網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)策略的性能進(jìn)行測定。

　　4.2.1分組遞交率

　　兩種轉(zhuǎn)發(fā)策略在不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和不同移動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(guī)模的擴(kuò)大以及MANET節(jié)點(diǎn)活躍程度(最大運(yùn)動速度)的增加而下降。這是因為隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，源節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)的平均路徑長度增加，發(fā)生斷裂的概率也隨之增加。在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模保持穩(wěn)定的情況下，節(jié)點(diǎn)活躍程度的增加也會導(dǎo)致更多的鏈路斷裂。而為重建斷裂的連接，會有更多的路由和控制分組被發(fā)送到MANET中，控制流量就會增加，這在每個仿真結(jié)果曲線上都可以觀察到。

　　另一方面，改進(jìn)后的轉(zhuǎn)發(fā)策略DefaultRoute_Improved由于克服了Internet主機(jī)路由缺失以及重復(fù)路由發(fā)現(xiàn)等問題，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(xiàn)時延以及平均分組傳輸時延，仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。圖中可見改進(jìn)的轉(zhuǎn)發(fā)策略性能更優(yōu)，主要體現(xiàn)在全局路由發(fā)現(xiàn)時間的縮短上。在RREP-I中增加的"ih_dst"字段攜帶了網(wǎng)關(guān)對于IH的可達(dá)性判斷，因此源節(jié)點(diǎn)及到網(wǎng)關(guān)路徑上的所有中間節(jié)點(diǎn)在接收到RREP-I后。不僅建立默認(rèn)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(xiàn)超時來建立該路由表項。大大減少了節(jié)點(diǎn)廣播RREQ-I的次數(shù)，全局路由發(fā)現(xiàn)延遲也得到顯著降低，則有更多的時間發(fā)送數(shù)據(jù)而不是等待超時，使互聯(lián)性能得到改善。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大以及節(jié)點(diǎn)移動速度的增加，需要頻繁進(jìn)行全局路由發(fā)現(xiàn)時，改進(jìn)型默認(rèn)路由轉(zhuǎn)發(fā)策略性能優(yōu)越性更趨明顯。

　　5 結(jié)語

　　運(yùn)行被動路由協(xié)議的MANET節(jié)點(diǎn)如采用傳統(tǒng)的默認(rèn)路由轉(zhuǎn)發(fā)分組進(jìn)入Internet的話，默認(rèn)路由不一致、Internet主機(jī)路由缺失以及狀態(tài)復(fù)制等問題將迫使MANET節(jié)點(diǎn)不得不長時間的處于超時狀態(tài)并反復(fù)進(jìn)行網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)，如此使得傳輸時延和互聯(lián)開銷顯著增加，仿真結(jié)果證實默認(rèn)路由的不正確轉(zhuǎn)發(fā)妨害了業(yè)務(wù)傳輸性能，而經(jīng)過改進(jìn)后的默認(rèn)路由轉(zhuǎn)發(fā)策略可有效改善互聯(lián)性能。