面向無線Mesh網的集中式IP地址分配方案

李 越

(西安電子科技大學通信工程學院 陜西 西安 710071)

面向無線Mesh網的集中式IP地址分配方案

李 越

(西安電子科技大學通信工程學院 陜西 西安 710071)

針對無線Mesh網的地址自動分配問題，考慮到網絡的分層特性，網絡架構，用戶需求等因素，提出了面向無線Mesh網的集中式IP地址分配方案。該方案發揮網關節點的樞紐作用，利用路由協議進行信息同步，能夠高效地完成用戶的地址分配。同時方案考慮到了數據備份，節點意外中斷等實際問題。實驗結果證明該方案可以快速完成用戶的地址分配任務。

無線Mesh網(WMNs) 地址分配 路由協議 集中式分配

0 引 言

無線Mesh網絡WMNs是一種新型的寬帶無線網絡結構，即一種高容量、高速率的分布式無線網絡。作為未來無線網絡理想的組網方式和關鍵技術之一[1]，WMNs可以應用在網絡接入、電子商務和實時監控等多個領域[2]。近些年，對于WMNs的研究主要集中在鏈路調度、路由選擇、網絡安全等領域[3-5]。為了滿足WMNs簡單易用的特點，IP地址的自動分配也是一個需要考慮的問題。

地址分配的目的是為每個加入網絡的節點自動分配獨立唯一的IP地址，這是用戶能夠通過WMNs訪問互聯網的前提條件。現有的很多地址分配方案是為同屬于無線多跳網絡的移動對等網絡MANETs設計的。與之相比，WMNs有著明確的分層結構，更加注重易用性、高帶寬以及對互聯網的訪問，同時對節點移動性、能量消耗等要求不嚴格。由于WMNs的無線特性，例如DHCP[6]等傳統的有線網絡地址配置方案大多數無法滿足要求，雖然MANETs的地址配置方案可以應用于WMNs，但考慮到兩種網絡的技術區別，已有的配置方案還有很大的性能提升空間。

WMNs和MANETs之間最大的區別就是WMNs屬于分層結構，不同層次的節點存儲、運算能力以及移動性等方面差別很大。因此地址分配方案需要將這些因素考慮在內。比如WMNs中的網關節點基本保持位置不變，存儲能力、穩定性都強于其他節點，因此非常適合用來保存全局地址池列表。另外，很多的MANETs方案都會采用全網范圍泛洪控制幀的方式來滿足同步要求，這會對節點造成一定的開銷。而WMNs中的用戶大多是傳統的802.11設備，為了保證很好的兼容性、節約設備能源，方案應該盡量不去對這些設備進行修改。為此，本文提出了面向WMNs的集中式地址分配協議CWCP(Centralized WMNs Configuration Protocol)。

1 地址配置協議相關研究

文獻[7]提出的DWCP方法利用了WMNs的分層結構，把節點按功能分成了網關、路由和用戶。該方法利用網關之間的有線連接來傳遞地址池等信息，可以快速高效地完成地址池的分配和借用，但是實際網絡不一定都可以滿足這個條件。該方法沒有很好的同步機制，容易發生因節點意外中斷造成的地址丟失。根網關負責地址池的初始化，一旦根網關發生中斷，其他輔助網關需要啟動競選機制重新選擇根網關，這要花費很多的網絡資源。

文獻[8]中的節點沒有層次結構，原節點把自己擁有的一半地址池分給新加入的節點，每個節點都包含全網的地址池信息。文獻提出的方法利用OLSR路由協議的廣播包進行地址池的同步更新，可以節約網絡資源。由于沒有中心節點協調，地址的租借過程比較復雜，容易出現地址池利用不均勻的現象。

文獻[9]提出的HTDCP方法為節點增加信任度信息，利用信任度值的大小選擇地址服務器，選出的地址服務器負責其他節點的地址分配。但是信任度只和節點的在網時間有關，不能很好反應網絡的實際情況變化。由于全網只有一個節點可以分配地址，因此該節點負載較大，而且新節點和地址服務器節點之間可能需要經過多跳才能實現地址分配，容易產生丟包，消耗網絡資源。

文獻[10]把節點分成配置代理和簡單節點兩類。配置代理擁有獨立的地址池，簡單節點沒有地址池，只用來在新節點和配置代理之間中繼。因此，地址分配過程可以保證在兩跳之內完成。但是容易出現地址分配不均的情況，當某個配置代理地址耗盡，需要向全網廣播請求信息來租借地址，從而消耗網絡資源。

文獻[11]中所有的節點需要形成一個拓撲樹結構。在建立拓撲樹結構的過程中產生的網絡ID以及節點ID最終構成節點的IP地址。新節點需要先加入樹形結構中，再從父節點獲取IP地址。一旦拓撲結構發生變化，節點之間的繼承關系也會發生很大變化，容易出現地址分配不均的情況。地址的分配是通過公式計算得出，不是依次分配，地址池中的地址利用效率不高。

2 面向無線Mesh網的集中式地址分配方案

2.1 網絡架構

網絡定義了四種節點類型：

網關節點：維護全網的地址池列表，為路由節點提供IP地址池。

副網關節點：由網關節點從路由節點中選出，從網關節點獲取備份的全網地址池列表，當網關節點失效時升級為網關節點，行使分配地址池的功能。

路由節點：負責用戶節點的接入，為用戶提供IP地址。

用戶節點：接入WMNs，等待被分配地址的普通802.11通用設備。

本文設計的應用場景是以WMNs為基礎的。如圖1所示，該網絡由一臺網關節點、多臺路由節點構成骨干網絡，用戶節點接入骨干網絡使用互聯網服務。網關節點和路由節點位置通常保持不變，有穩定的能源供給，用戶節點則可以分布在網絡的任意位置并在任意時刻接入和離開。網關節點通過有線連接互聯網，作為整個WMNs的網絡出口。其他路由節點通過多跳中繼的方式與網關節點連通，同時負責用戶節點的接入以及數據轉發。網絡拓撲結構變化不大，網絡分割發生的可能性很小。用戶節點采用標準的802.11方式接入某個路由節點，當獲取到自己的IP地址以及網關的IP地址后才能夠正常訪問網絡。用戶節點是在網關節點和路由節點部署完成，路由協議正常運行后再接入的，這種規定符合WMNs的實際設計要求。

圖1 無線Mesh網結構示意圖

2.2 網絡同步

為了確保分配給路由節點和用戶節點的地址不重復，地址分配方案需要有同步機制。尤其是在無線網絡中，鏈路質量無法保障，丟包現象比較嚴重，更加依賴同步機制及時發現潛在的問題。傳統的方法是利用節點周期發送廣播包來進行信息同步，但是這會造成很大的帶寬資源消耗。考慮到WMNs都是需要路由協議來轉發數據的，而主動式路由協議本身就需要周期發送廣播包來更新路由。因此，本文提出把地址分配方案與主動式路由協議相配合，可以在沒有額外控制包開銷的情況下，實現全網同步。

本文采用的路由是一種主動式的距離矢量路由協議。每個節點都存儲著到達其他所有節點的路由信息，路由信息包括到達目的節點的最佳下一跳節點地址、鏈路質量、序列號以及有效時間等。最佳下一跳節點是從該節點的所有一跳鄰居節點中選擇到達目的節點鏈路質量最好的節點。路由協議周期廣播Hello包，告知全網自己的信息，同時接收其他節點發送的Hello包來更新路由信息。通過這種方式，路由節點可以快速感知網絡的變化，這就為地址分配方案進行同步提供了條件。

為了滿足地址分配的需要，路由協議的Hello包中除了攜帶路由信息之外，還需要添加節點信任度以及剩余可分配地址數量的信息。節點信任度定義為路由節點在網時長、已分配用戶節點數以及節點類型偏移量三者之和。其中在網時長由路由節點加入網絡的起始時間決定，起始時間越早，取值越大。節點類型偏移量取值按照網關節點、副網關節點、路由節點的順序遞減。這樣形成的信任度排列次序為網關節點最大，副網關節點次之，路由節點依照自己分配的用戶節點數依次排序，分配用戶數相同時，再根據在網時長排序。網關節點可以利用節點信任度的排序進行副網關節點的選擇。所有路由節點可以通過Hello包得知其他節點的剩余地址數，從而使地址池的分配、租借更加簡捷。

2.3 協議過程

2.3.1 副網關節點選取

由于無線網絡的不穩定性，任何節點包括網關節點都可能意外中斷，而網關節點又擔負著全網地址分配的樞紐任務，因此本文采用添加副網關節點的方式解決網關節點中斷的問題。由于全網地址池列表的數據規模較大，為了減少跳數、節省帶寬資源，網關節點定期從它的一跳鄰居節點中選取信任度值較高的節點作為副網關節點，并將全網的地址池列表發送給副網關節點存儲備份。當副網關節點收到了數據之后就會更新自己的信任度值，并在發送路由廣播包的時候通知其他節點。副網關節點在網關節點離開網絡的情況下，行駛網關節點的功能。

網關節點正常離開網絡時，會將當前的全網地址池表發送給副網關節點，然后告知副網關節點行使網關節點的功能，負責地址的收發，其他路由節點也能夠通過路由協議得知網關節點的變更，之后就會向新網關節點進行地址請求。網關節點意外中斷時，所有路由節點通過路由協議得知網關節點的中斷，會把當前的副網關節點當作新的網關節點。此時副網關節點存儲的全網地址池表可能與實際網絡地址不匹配，因此副網關節點會把路由表中的信任度、剩余地址信息與存儲的地址池表進行對比，若發現不匹配的情況，副網關節點向相應的路由節點發送地址池同步請求，從而保證全網地址池表的準確性。

2.3.2 地址分配

根據網關節點在為用戶分配地址中起到的作用，本方案采用主動式和被動式兩種分配方式。二者的數據包發送流程見圖2所示。

圖2 地址分配示意圖

網關節點定期從路由信息中獲取其他節點的剩余地址數，若發現有剩余地址數為零的節點，則向其主動發送一定數量的可用地址，并更新自己的剩余地址數、全網地址池表。當用戶節點加入WMNs時，會向鄰近的網關節點或是路由節點請求IP地址，若該路由節點擁有空閑地址，則直接向用戶分配地址，并更新自己的信任度、剩余地址數以及本地用戶列表等信息。若此時路由節點無空閑地址，則它會向網關節點請求空閑地址，當網關被動向其提供了地址后再向用戶節點分配。利用這兩種分配方式，用戶可以快速獲得IP地址。

2.3.3 地址回收

用戶節點正常離開網絡時，路由節點會將IP地址回收，更新自己的本地用戶列表、信任度值以及剩余地址數。用戶節點意外中斷時，路由節點會在超過設定時限后將地址回收。隨著接入自己的用戶節點離開網絡，路由節點的剩余地址數逐漸增加，當超過一定門限時，路由節點會把多余的地址歸還給網關節點。路由節點也會定期從路由信息中獲取其他節點的剩余地址數，若發現自己的剩余地址數是全網包括網關節點中最多的，則會將一定的地址歸還給網關節點。利用這種方式，可以避免地址池分配不均的情況。

路由節點正常離開網絡時，會向網關節點發送通知，網關節點從而把分配給該路由節點的地址回收，原先接入該路由節點的用戶節點需要重新請求新的地址。路由節點意外中斷時，在路由協議的幫助下所有其他節點都能夠知道此節點中斷，因此網關節點也會回收地址。若離開的節點是副網關節點，則網關節點需要重新選擇副網關節點來備份全網地址池列表。

3 仿真實現與性能分析

由于網絡中的節點數量未知，因此協議需要重點考慮不同用戶數量下的網絡穩定性。為此實驗主要測試了地址分配時間和數據包開銷與節點數量的關系。

本文實驗采用NS-2[12]網絡仿真軟件實現。表1展示了仿真程序的部分參數選擇。骨干網絡架構由八個路由節點、一個網關節點組成，用戶節點均勻分布在仿真區域里面。用戶節點在骨干網絡搭建完成之后隨機接入，總接入時間為40 s。隨著每次實驗用戶節點數量的增加，地址請求的速率相應增加。

表1 仿真參數

3.1 CWCP地址分配方式性能分析

網絡定義了四種節點類型：

本文方案采用了主動和被動兩種地址分配方式，圖3展示了不同用戶數量下兩種分配方式的實際使用比例以及各自的平均地址配置時間。

圖3 主動分配方式所占比例示意圖

由圖3和圖4可知，主動分配方式的配置時間比被動分配方式更短，隨著節點數量的增加主動分配方式的使用比例逐漸下降。這是由于主動分配是網關節點周期分析路由信息，提前把地址池分配給路由節點，因此用戶只需和相應的路由節點進行一跳范圍內的信息交流即可完成地址分配。而被動分配是路由節點接收到用戶請求之后再向網關節點請求地址，因此配置時間更長。隨著用戶節點數量的增加，地址請求速率加快，而網關節點分析路由信息的周期不變，因此主動分配的比例逐漸下降。

圖4 地址配置時間示意圖

3.2 CWCP與其他協議性能對比

本實驗將CWCP與HTDCP[9]和D2HCP[8]兩個協議在數據包開銷和地址配置時間方面進行比較。其中HTDCP是集中式的配置方案，D2HCP配置方案采用了OLSR路由協議進行同步。

由圖5和圖6可知，CWCP的整體性能好于另外兩種協議，且不會隨用戶數量增加而明顯增長。

圖5 數據包開銷對比示意圖

圖6 配置時間對比示意圖

這是因為整個骨干網絡都擁有為用戶分配節點的能力，大部分用戶都可以在一跳范圍內獲取地址，減少時間和數據包開銷。而通過路由協議的支持，網關節點可以快速感知路由節點的地址池情況，預先向路由節點提供地址，即使網絡規模擴大、地址請求速率變快也不會出現明顯的性能下降。

4 結 語

本文提出并測試了一個面向無線Mesh網的集中式IP地址分配方案。該方案通過WMNs的骨干網絡進行地址分配，采用網關節點作為全網地址分配的協調中心，利用路由協議實現地址池等信息的同步，設計了兩種分配方式。同時也對節點意外中斷和數據備份等實際問題提出了解決方案。實驗證明，該方案可以有效應用于WMNs場景中，為用戶提供高效、穩定的地址分配服務。

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CENTRALIZED IP ADDRESS ALLOCATION SCHEME FOR WIRELESS MESH NETWORKS

Li Yue

(SchoolofTelecommunicationsEngineering,XidianUniversity,Xi’an710071,Shaanxi,China)

Aiming at the problem of automatic address allocation in wireless mesh networks, a centralized IP address allocation scheme for wireless mesh networks is proposed considering the hierarchical characteristics, network architecture and user demands. The scheme plays the key role of the gateway node, and uses the routing protocol to synchronize the information, so it can efficiently complete the user address allocation. At the same time the scheme takes into account the data backup, node accidental interruption and other practical problems. Experimental results show that the scheme can quickly complete the user’s address allocation task.

Wireless mesh networks Address allocation Routing protocol Centralized allocation

2016-05-22。李越，碩士生，主研領域：無線Mesh網。

TP393

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.06.028