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

　　1 引言

　　移動自組網(MANET：Mobile Ad-Hoc Network)是一種新型無線網絡，網絡中的每個節(jié)點都具有分組轉發(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)點可借助中間節(jié)點的轉發(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的情況下自動創(chuàng)建、自我管理、自我維護，即使沒有基站等固定基礎設施網絡提供支持，也能按需即時布置，因此，MANET特別適用于戰(zhàn)場通信、應急通信、蜂窩網絡覆蓋擴展服務等場合。

　　而業(yè)界更為關注的是MANET與Internet瓦聯(lián)問題，主要原因在于，Internet已經是一個海量信息庫，擁有用戶開展各種應用所需的資源和服務。而MANET雖然可滿足移動用戶即時開展通信的能力，但限于無線設備的存儲容量、處理能力、能量供應等因素，無法獨立提供用戶所需關鍵應用。如能將關鍵信息的存儲和處理交給Internet 上的固定主機，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進入民用領域并獲得利潤的關鍵。

　　為與Internet固定主機通信，MANET節(jié)點須先通過網關發(fā)現(xiàn)過程建立到Internet 網關路由，相對于MANET內部路由，此過程稱作全局路由計算。為了在這兩個異質網絡多跳互聯(lián)的復雜環(huán)境中有效地將Internet業(yè)務分組中繼給網關，MANET節(jié)點必須合理組織利用全局路由。 

　　2相關工作

　　MANET與Internet互聯(lián)時，MANET節(jié)點基本有四種方式組織和使用到網關路由：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關的路由組織為路由表的一個默認表項．若在路由表中的確沒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行路由發(fā)現(xiàn)也收不到路南應答(RREP：Route Reply)的話，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網關被選作默認網關。

　　3無線多跳環(huán)境下存在的問題和改進 

　　3.1默認路由轉發(fā)存在的問題

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

　　在隨機配置節(jié)點IP地址并運行被動路南協(xié)議的MANET中，源節(jié)點可通過網關發(fā)現(xiàn)過程獲得到網關的路徑并將其以默認路由的形式組織在路由表中。但源節(jié)點及沿途的每個中間節(jié)點在采用其默認路由將分組轉發(fā)給網關前都要保證這些分組的目標節(jié)點確實不在本地MANET中。故源節(jié)點及每個中間節(jié)點在發(fā)送目標為IH的Internet業(yè)務分組時如果對應的IH路由表項缺失，必須進行路由發(fā)現(xiàn)并依賴超時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)開銷全局路由發(fā)現(xiàn)延遲將大大增加。

　　3.1.2默認路由的不一致性及狀態(tài)復制問題

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

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

　

　　3.2改進型默認路由轉發(fā)策略

　　為克眼常規(guī)默認路由轉發(fā)策略所存在的重復路由發(fā)現(xiàn)和狀態(tài)復制問題，提出改進方案并將其命名為Default-Route_Improved。該方案通過在分組RREP-I／RREQ-I中增加網關對于Internet主機的可達性判斷而達到目的，具體工作過程如下：首先，由于RREQ／RREQ-I的目標地址無非是：(1)某個明確的主機IP地址；(2)網關組播地址ALL_MANET_GW_MULTICAST。

　　對第一種情況，收取RREQ／RREQ-I的網關就在Internet中PING該主機。如收到肯定回復，網關創(chuàng)建擴展的RREP-I回復源節(jié)點。其目標地址字段為源節(jié)點IP地址，源地址字段為網關自身IP地址。此外，RREP-I還包含一個"ih_dst"(IH-Destination)新字段，網關已經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(jié)點及沿途的中間節(jié)點根據(jù)該分組的"I"標識位、源地址及"ih_dst"字段依次建立起到網關的默認路由表項(按Default_Route_Wakikawa方案建立)以及到Internet主機路由表項(即"IH->default"表項)。網關按卜述方式回復源節(jié)點的RREQ／RREQ-I分組過程如圖3所示。

　　如網關無法確定RREQ-I所尋找的目標節(jié)點是否在Internet中，或收取的RREQ-1分組以網關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(jié)點。

　　對圖2路由更新過程中的狀態(tài)復制問題改進策略的處理方式也類似。以圖4中的節(jié)點B為例，當發(fā)現(xiàn)與節(jié)點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(jié)點，如果發(fā)現(xiàn)這樣的目標節(jié)點如圖4(a)中的GW，則開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(jié)點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(jié)點。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。B最終將創(chuàng)建一個以ALL_MANET_CW_MULTICAST為目標地址的RREQ-I，該分組不僅具有一個特殊的"I"標識位以標識其尋求到IH的路由，而且通過"ih_dst"字段具體給出這些IH地址(IH1和IH2)。接收到此分組的網關首先發(fā)現(xiàn)此RREQ-I是針對網關發(fā)出的，但在"ih_dst"字段中的IH1和IH2后還了解源節(jié)點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。網關通過與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，得到肯定應答的IH的IP地址將被網關包含在其所創(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B。沿途轉發(fā)的中間節(jié)點根據(jù)RREP-I所攜帶信息相應建立起到IH及網關的默認路由，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(xù)數(shù)據(jù)傳輸，既不會發(fā)生狀態(tài)復制問題，也不會有重復路由查找效應。

　　需要指出的是，如果B發(fā)現(xiàn)以C為下一跳的目標節(jié)點根本不是到"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。另外，如果B是通過接收RERR而了解到無法通過C抵達某個目標節(jié)點，則按照上述方法處理。

　　4網關轉發(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)策略在如下網絡場景的性能：每個測試場景中包含兩個網關，每個網關通過一個路由器連接一個作為信宿的固定節(jié)點，路由器與路由器、網關之間均通過10 Mb／s的有線網絡互聯(lián)。信源被安置在某個隨機選擇的MANET節(jié)點上，對應的信宿是兩個固定節(jié)點中的一個。節(jié)點的運動遵守Random Waypoint MobilityModel，運動速度在[0，Vmax]中隨機選擇，運動暫停時間為5秒。每次仿真運行600個仿真秒，仿真結果曲線中的每個數(shù)據(jù)點代表在相同流量模型和Vmax下，以隨機產生的運動場景運行10次仿真所得結果之均值。且所有的無線收發(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

　　在每個仿真場景中，隨機選擇的兩個MANET節(jié)點被設置為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)至仿真結束。發(fā)送速度為10 packet／s。在兩個固定Internet節(jié)點中隨機選擇一個作為CBR信宿。采用表1所示性能指標對不同網關轉發(fā)策略的性能進行測定。

　　4.2.1分組遞交率

　　兩種轉發(fā)策略在不同網絡規(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網絡規(guī)模的擴大以及MANET節(jié)點活躍程度(最大運動速度)的增加而下降。這是因為隨著網絡規(guī)模的擴大，源節(jié)點到網關的平均路徑長度增加，發(fā)生斷裂的概率也隨之增加。在網絡規(guī)模保持穩(wěn)定的情況下，節(jié)點活躍程度的增加也會導致更多的鏈路斷裂。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，這在每個仿真結果曲線上都可以觀察到。

　　另一方面，改進后的轉發(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(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，仿真結果如圖6、圖7所示。圖中可見改進的轉發(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"字段攜帶了網關對于IH的可達性判斷，因此源節(jié)點及到網關路徑上的所有中間節(jié)點在接收到RREP-I后。不僅建立默認路由，而且可立即建立關于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。隨著網絡規(guī)模的擴大以及節(jié)點移動速度的增加，需要頻繁進行全局路由發(fā)現(xiàn)時，改進型默認路由轉發(fā)策略性能優(yōu)越性更趨明顯。

　　5 結語

　　運行被動路由協(xié)議的MANET節(jié)點如采用傳統(tǒng)的默認路由轉發(fā)分組進入Internet的話，默認路由不一致、Internet主機路由缺失以及狀態(tài)復制等問題將迫使MANET節(jié)點不得不長時間的處于超時狀態(tài)并反復進行網關發(fā)現(xiàn)，如此使得傳輸時延和互聯(lián)開銷顯著增加，仿真結果證實默認路由的不正確轉發(fā)妨害了業(yè)務傳輸性能，而經過改進后的默認路由轉發(fā)策略可有效改善互聯(lián)性能。