基于Ad Hoc和移动IP的无线移动网络技术分析与研究

基于Ad Hoc和移动IP的无线移动网络技术分析与研究 摘 要 简要介绍了Ad Hoc和移动IP的工作原理，探讨了一种基于Ad Hoc和移动IP集成的无线移动网络体系结构，并分析了其工作过程和服务性能。 关键词 Ad Hoc 移动IP 无线移动网络0 引言 随着互联网和移动通信技术的飞速发展，无线移动互联网（Wireless Mobile Internet）正日益受到人们的关注。它使全球网络基础设施可以实现随时、随地、无缝地接入，从根本上改变了全球通信业的面貌。目前，通过移动IP实现Ad Hoc接入Internet以拓展互联网的无线应用范围，正成为无线移动网络技术的研究热点。1 Ad Hoc网络和移动IP技术概述1.1 Ad Hoc网络概述 Ad Hoc网络即自组网（Self Organized Network），是一种特殊的对等式网络，它使用无线通信技术，由一组带有无线收发装置的移动节点组成，网络中所有节点的地位平等，无需设置任何的中心控制节点，也被称为多跳无线网（Multihop Wireless Network）、无固定设施的网络（Infrastructureless Network），具有无中心、自组织、多跳路由、动态拓扑等特点。Ad Hoc网络通过移动节点间的相互协作来进行网络互联，而不依赖于任何固定的网络基础设施，每个移动节点都具有报文转发能力；当一个节点需要和另一个节点通信时，它或使用直接的无线链路，或通过到目的节点的多个中间节点的转发，即经过多跳路由，从而实现网络的自动组织和运行。Ad Hoc网络路由协议通常被分为两类：先验式（proactive）和反应式（reactive）。先验式协议通过周期性路由控制信息的交换，每个节点始终维护到网络中所有节点的路由，如DSDV和OLSR；反应式协议在节点需要时才发现路由，并且仅维护活动路由，如AODV和DSR。1.2 移动IP概述 移动 IP 是用于移动主机移动性管理的一组网络层协议，其目的是使移动中的主机在保持原IP地址不变的条件下能保持通信，类似于移动电话系统中的漫游，可适用于各种不同类型的移动通信系统。它定义了四个功能实体：移动主机（mobile host）、通信主机（corresponding host）、家乡代理（home agent）和外地代理（foreign agent）。移动主机是一个能在子网间移动的主机，当Internet 上的通信主机向移动主机发送IP数据包时，数据包将交付到移动主机的家乡网络，若移动主机离开了家乡网络，数据包将通过隧道（tunnel）机制交付到外地网络，外地代理负责拆封数据包并转发到移动主机。2 Ad Hoc和移动IP集成原因分析 Ad Hoc网络有很强的独立性，但它所使用的路由算法大多数只适用于单个Ad Hoc网络，很少涉及如何实现Ad Hoc网络与Internet的互联，这些因素使它难以大范围与互联网通信。 移动IP使节点在不同的子网间切换时仍可保持正在进行的通信，它提供了一种IP路由机制，使移动节点能够以一个永久的IP地址连接到任何子网中，它的扩展性使其能在整个Internet上应用。 为了达到Ad Hoc网络中的移动主机可以在不同的Ad Hoc网络间移动和随时接入互联网，我们利用移动IP的可扩展及可在不同网络中漫游的特性，从而实现Ad Hoc网络与Internet的互联。3 Ad Hoc和移动IP结合的体系结构及工作过程 近几年，许多国内外学者从事Ad Hoc网络和移动IP集成方面的研究，并且提出了不同的解决方案。在此我们以图1所示的简单结构模型为例来探讨Ad Hoc和移动IP的结合思想及工作过程。图1 体系结构3.1体系结构在图1所描述的体系结构中，无线移动网络由多个Ad Hoc网组成，每个Ad Hoc网相当于一个子网，它们都通过相应的网关（即基站）接入Internet，每个网关需配置两块网卡：一块连接有线网络，另一块连接无线网络，其职责是在Ad Hoc网和Internet之间转发/中继数据包；为支持移动IP，每一个网关还同时扮演外地代理的角色，周期性地广播代理公告消息，同时运行Ad Hoc路由协议、移动IP协议和Internet路由协议，保证Ad Hoc网内的节点利用自组网路由协议来创建和维持路由，并通过移动IP实现移动节点的移动管理。由于移动节点与网关之间可以进行多跳通信，在不添加任何固定设施的情况下，只要有一个支持移动IP的网关节点能够访问Internet，网络就能有效地访问Internet。3.2工作过程 在上述无线移动网络中，通过移动IP实现Ad Hoc接入Internet的几个主要过程简述如下： （1）网关发现。网关发现是 Ad Hoc与 Internet连接的一个关键技术，通过合适的网关发现方法可以同时解决地址分配及路由等问题。当Ad Hoc网的 移动节点要向其它节点发送数据包时，首先要判断目的节点是否在本网内，这时节点根据路由协议发起路由查找，如果找到就判定目的节点在网内，并使用Ad Hoc网络路由协议进行通信，如果找不到就判断目的节点在Internet中，就需要通过网关进行外部访问。通常，网关节点通过网关通告算法周期性地在本Ad Hoc网内发布网关信息通告，以表明它是当前可用的Internet接入网关，当Ad Hoc网中的节点想要发送数据到 Internet节点时，它首先必须将数据发送到网关。对于Ad Hoc网节点，每当它收到（以直接或间接方式）一个网关通告消息之后，就会立即记录下该网关的信息（包括其IP地址、路由信息以及该信息的有效期(TTL)等），当需要同本Ad Hoc之外的节点通信时，便向选择的网关发送接入请求消息，网关决定是否接受该请求，并发送Accept/Reject消息通知该节点。为了避免因多个Ad Hoc网重叠而造成网关的服务范围变得不清晰，可设置一个参数N来限定网关的服务范围，任何在网关N跳范围内的移动主机可获得网关的服务，如图1中网关G1的服务范围（椭圆范围内区域）N=3，主机A虽然和自组网1相连，但它不在网关G1的服务范围内；若一台主机处在多个网关的服务范围内，它可以选择距离自己最近（跳数最小）的网关，图1中B、C同时位于自组网2和自组网3中，而B选择网关G2，C选择网关G3。 （2） 协议转换。网关同时运行Ad Hoc路由协议、移动IP协议和Internet路由协议， 为了确保采用不同的协议Ad Hoc与 Internet进行通信，网关实现了Ad Hoc协议和Internet中的TCP/IP协议的转换。 （3）地址转换。移动节点将数据包发送到网关节点后，网关对发往目的节点的数据包进行封装，通过网络地址转换（NAT）将数据包的源地址改为自己的地址，并将外层报头的目的IP地址设为外地代理的IP地址，从而将数据包转换为由本地网关发往外地代理（即目标节点的家乡代理），在网关节点上，维持一个网络地址转换(NAT)表用来记录通过本网关访问Internet的节点，以及它们各自的网络地址的映射关系。 （4）路由选择。在此体系结构中，路由选择分自组网内路由选择和网间路由选择。自组网内节点之间通信时（图1中D到E的传输），路由选择采用自组网路由协议，如1.1节中AODV路由协议。如果通信的节点中有一个在Internet中，通信节点就通过Ad Hoc路由协议获得网关的路由，将数据发往网关。一旦数据包经过网关进入Internet，则依据标准IP路由协议进行网间路由，将数据包发送到外地代理，外地代理查询移动节点注册表，将数据转发往目标移动节点（如图1中F到E的传输，即数据包在转发过程中，从F到G2使用AODV，从G2通过Internet到G3使用标准IP路由，从G3到E再次使用AODV），若外地代理在移动节点注册表中没有直接查询到目标移动节点，则要进行外地代理切换或网关切换。 （5）切换。当目标主机从一个自组网移动进入了另一个自组网，数据包转发到其代理后，由移动IP负责在自组网间转发数据包，实现原代理到新代理的切换，原代理对数据进行封装，采用移动IP路由协议，利用隧道机制将数据包转发至新代理，最后新代理将数据包直接发送到目的移动节点（如图1中的通信主机CN到D的传输，数据包在转发过程中，从CN到G3使用标准IP路由，从G3到G2使用隧道机制，从G2到D使用AODV，数据包在G3被封装，封装包在G2被拆封）。3.3性能分析总结起来该体系结构具有如下特点：（1）Ad Hoc网内部的通讯可以直接进行。设想在一个校园内部，如果用户的手机之间可以直接或以多跳的方式通信，而不经过公用的基站，就可以省去通过公用基站的费用。（2）增强了无线接入网的可靠性和扩展性。移动节点可能移动到基站覆盖范围以外，也可能因某些无线传输现象（如衰减、多路径干扰等）或是障碍物等因素而无法直接访问基站，这时节点仍可通过多跳路由的方式间接地访问基站。（3）微观移动对家乡代理来说是透明的。当移动节点在Ad Hoc网内移动时，从网关到移动节点的路由是自动改变的，家乡代理无须更新位置信息。4 结束语 目前，随着移动通信技术逐渐普及，各种便携式终端大量涌现，底层通信技术层出不穷，越来越多的移动应用正逐渐被人们所发现和熟悉，这都极大地推进了无线移动网络的应用和推广。通过移动IP和Ad Hoc网络的结合，在不添加任何固定设施的情况下，传统的接入点可以直接利用Ad Hoc网的灵活性并扩展它们的覆盖范围，从而提高了无线移动网络的工作效率和服务质量，在家庭、办公、工业、商业、医疗、军事等多种领域应用前景广阔。 参考文献：1（美）James F.Kurse Keith W.Ross 著，陈鸣等译 .计算机网络自顶向下方法与Internet特色.机械工业出版社，2005年6月2 Y.Sun， E.M.Belding-Royer， C.E.Perkins. Internet Connectivity for Mobile Ad Hoc NetworksJ. international journal of wireless information networks， 2002， 9（2）:75-883 C.Jelger， T.Noel， A.Frey. Gateway and address autoconfiguration for IPv6 Ad Hoc networksZ.IETF Internet Draft， draft-jelgermanet-gateway-autoconf-v64杨波等.移动IP和自组网的集成.计算机系统应用，2004年6月 10