探討移動自組網IP地址自動配置協議的研究

廖昀

摘 要：本文對移動自組網中IP地址自動分配技術進行了介紹，并列舉出了移動自組網中IP地址自動配置協議的共同特點，簡要分析了幾種典型的移動自組網IP地址自動配置協議的優點與不足之處。

關鍵詞：移動自組網； 無線節點； IP地址； 自動分配算法

中圖分類號：TN915 文獻標識碼：A

1 IP地址自動分配技術簡介

移動自組網中節點的IP地址自動分配技術就是在分布式運行的網絡中，新加入的節點通過向網絡中已經存在的節點申請自己的IP地址，或通過自身所獲取的網絡IP地址信息并進行相關的運算，得出自己可用的IP地址，進而為自己進行IP地址配置的協議。通過以上描述得出，移動自組網中節點的IP地址自動配置需要通過節點自身已有的信息和網絡中其他節點已有的信息相互協助共同完成。由于移動自組網中節點能夠隨機移動，并且該網絡不存在集中的地址管理節點，因此網絡中新加入的節點正在尋求一種方式來自動完成IP地址的配置。移動自組網的IP地址自動分配是在某些已存在節點的協同作用下共同完成的，并不是僅僅依賴于網絡中固定的IP地址管理節點。

2 移動自組網中IP地址自動配置協議的特點

由移動自組網中節點IP地址自動配置的含義可知，移動自組網中節點的IP地址自動配置協議具有如下特點：

（1）自組織。由于移動自組網是一種節點經常變化、無中心節點的無線網絡，移動自組網中IP地址自動配置協議能夠在這種網絡環境中完成每個節點的IP地址自動配置過程。

（2）分布式。由于移動自組網是一種分布式的網絡，網絡中節點的IP地址自動配置協議是網絡中一個或幾個節點共同參與完成的，網絡中的每一個節點都有可能是節點IP地址自動配置協議中的一部分。

（3）自愈性。當網絡中可用IP地址耗盡，移動自組網中IP地址自動配置協議能夠獲得新的可用地址，從而使IP地址自動配置過程不會因為lP資源的耗盡而終止。

（4）抗毀性。因為某些原因導致網絡中的某些節點無法進行通信時，新加入網絡的節點也能完成IP地址自動配置過程。

3 幾種典型的移動自組網IP地址自動配置協議

（1）基于硬件地址的IP地址分配

基于硬件地址的IP地址分配協議是采用基于硬件MAC地址的已知網絡前綴和后綴組成的IP地址。此協議認為每塊以太網卡的硬件地址具有唯一性，所以網絡中節點的IP地址不能產生重復。但是該協議應該注意以下情況：①移動自組網中節點的硬件地址有可能不是采用標準的以太網MAC地址，而是使用其它格式的硬件地址；②無法保證MAC地址的唯一性，因為通過ifconfig命令或重編EEPROM可以改變網卡的MAC地址；③相同生產廠家制造的多塊網卡的MAC地址有可能相同；④由于IP地址中隱含著硬件地址，所以通過節點的IP地址就能推出節點的MAC地址，這就使節點的安全性受到威脅。因此，采用基于硬件地址為節點自動配置IP地址的方法存在不足之處。

（2）預知地址分配法

基于預知地址分配法的IP地址分配協議的原理是，首先網絡中的第一個節點選擇一個能夠產生隨機數的函數f（n），由此函數產生的隨機數作為節點的IP地址，函數f（n）需要很長的時間間隔才能產生兩個相同的隨機數。當網絡中有新節點加入時，該節點便向網絡中已存在節點申請IP地址，網絡中已存在的節點便通過函數f（n）生成一個隨機的IP地址，然后將該IP地址回復給網絡中新加入的節點，下一個新加入節點的IP地址自動配置以此類推。此方法中函數f（n）能夠產生的IP地址數量遠遠大于網絡中的節點數。雖然函數f（n）需要較長的間隔時間才能生成兩個相同IP地址，但是伴隨移動自組網中節點的隨機移動、節點間位置關系的不斷變化，最終有可能導致不同節點間的IP地址沖突。

（3）MANETconf協議

在MANETconf協議中，移動自組網中的所有節點都保存著兩張表：可分配IP地址表和已分配IP地址表，節點間周期性的通過廣播的形式使新這兩張表中的信息達到同步。網絡初始化時僅存在一個節點，該節點便從可分配IP地址表中選取一個IP地址完成自身地址的配置。以后網絡中新加入的節點通過網絡中已存在的鄰居節點來為自身配置IP地址，鄰居節點選擇1個未分配的地址（該地址存在于可分配IP地址表中但不在已分配IP地址表中），隨后向整個網絡內的其他節點廣播一種特定的消息，來請求所有節點的同意，在網絡中所有的節點都認為該IP地址沒有被使用的前提下，鄰居節點回復該IP地址給新加入的節點，同時，同步所有節點的已分配IP地址表。否則，它將重新選取地址并進行上述過程。

該協議采用廣播的方式對網絡中所有節點的IP地址表信息進行更新，有效避免了IP地址沖突，但是具有很大開銷；當網絡中加入新節點時，選擇的鄰居節點需要在征求網絡中其它節點的同意后，才能給新加入節點分配預選好的地址，具有較大的配置延時；此外，隨著網絡規模的擴大，此協議的時延和開銷明顯增加，該算法不具有很好的擴展性。

（4）PMWRS算法

由Perkins，Malinen，Wakikawa，RoyerandSun等人研究的一個為移動自組網節點自動配置IP地址的方法，簡稱其為PMWRS算法。該算法的原理是，網絡中新加入的節點在IP地址池169.254/16中隨機選取一個IP地址，然后在網絡中泛洪達到該地址的請求報文，并啟動計時器。如果在計時器超時后，新加入節點沒有收到任何節點的地址回復報文，該節點重新發送地址請求報文。如果節點進行幾次嘗試后，還是沒有收到地址回復報文，該節點就認為它所選的IP地址沒有被其它節點使用，并為自己配置該IP地址。但是PMWRS算法也存在著缺陷。

使用PMWRS算法的節點在泛洪地址請求報文后，如果在一定的時間內沒有收到相應的應答報文，節點就以為它所選的IP地址沒有被其它節點使用。但是選取計時器超時時間是一個難題。計時器超時時間太短則地址請求報文不能夠被網絡中的所有節點接收到。為了解決這個問題，計時器的超時時間應與移動自組網中的總節點數成正比。這樣，大型的移動自組網中節點的IP地址自動配置延時將會很長。

（5）PACMAN算法

PACMAN算法中節點采用了PDAD的方式以避免進行DAD（主動沖突檢測）所導致的大量開銷。新加入到網絡中的節點從地址空間中為自己選取1個IP地址。該算法通過分析節點進行路由更新時的數據信息，尋找存在地址重復時才可能發生的事件來發現地址沖突，并采取相應措施進行處沖突理。例如在典型的鏈路狀態路由協議中，每個節點都需要周期性地交換含有序列號、源地址等信息鏈路狀態消息。假如鏈路狀態消息中每個節點序列號的變化都是有規律的，當某個節點收到的某條鏈路狀態消息中具有與自己的IP地址相同的源地址，消息中的序列號大于自己當前的序列號，則該節點確定網絡中發生地址沖突。

在地址分配過程中不產生控制信息是該算法的最大特點，該算法通過特有的路由事件來判斷地址沖突，并采取相應的措施處理地址沖突，具有較小的協議開銷。但該算法需要的IP地址數遠遠大于網絡中存在的節點數，否則容易導致地址沖突，引入沖突處理算法會增大協議的開銷。此外，該算法的實現針對具體的路由協議，適應范圍過于狹窄。

（6）Ipv6Stateless協議

這類算法的共同特點是對整個網絡先進行分群，一個群中的所有節點相距小于或等于r跳，根據節點鄰居數目的多少來選舉群首節點，孤立節點自立為群首。所有群內節點屬于同一個子網，群首節點隨機選擇一個子網ID，為了保證該子網ID的唯一性，該群首節點在所有群首節點中進行DAD（主動沖突檢測）。群首節點在確定下子網ID后，便向群內所有節點周期性地廣播子網ID。新加入到網絡中的節點首先選擇一個臨時IP地址，并以該IP地址在群內所有節點間進行主動檢測沖突，如果發生地址沖突，則節點重新選擇臨時地址，并進行主動檢測沖突，如果沒有發生地址沖突，則將該臨時地址和群首廣播的子網ID合并為節點的IP地址。

該算法使整個網絡實現了分群，將子網ID的DAD檢測限制在群首節點之間，而臨時地址的DAD檢測限制在群內，降低了協議開銷。但隨著網絡拓撲動態變化，節點的移動，維護網絡分群結構的本身也需要很大的開銷，所以該算法并不適合于網絡拓撲變化劇烈、節點移動快的移動自組網。

結語

本文主要針對論文研究的主要內容，詳細闡述了移動自組網IP地址自動配置的定義，IP地址自動配置協議的特點，為后面章節中提出的改進算法做理論鋪墊。然后重點介紹了幾類IP地址自動分配協議，并針對每一類IP地址自動分配協議列舉了典型的、具有代表性的IP地址自動分配算法進行了簡要概述，最后對這些典型算法的優劣進行了簡要分析。

參考文獻

[1]陳愛國，張曦煌.移動自組網的IP地址自動配置技術研究[J].計算機工程與應用，2007，43（35）：146-149.