無(wú)線網(wǎng)絡(luò)二層交換路由協(xié)議研究與實(shí)現(xiàn)*

劉 磊，張運(yùn)福，陳宏波，王富強(qiáng)，何 鵬

0 引 言

隨著微電子技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和無(wú)線電通信技術(shù)的不斷向前發(fā)展，接連出現(xiàn)了不同的新的短距離無(wú)線通信技術(shù)。根據(jù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信距離的不同，目前應(yīng)用的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)主要可以分為衛(wèi)星通信網(wǎng)、無(wú)線廣域網(wǎng)、無(wú)線局域網(wǎng)和無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，其設(shè)計(jì)的合理性直接影響整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的整體性能。因此，在設(shè)計(jì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)路由時(shí)，不僅需要考慮網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳輸之間的延遲，而且需要考慮無(wú)線鏈路的穩(wěn)定性，以避免產(chǎn)生通信擁塞、均衡網(wǎng)絡(luò)流量而提高網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的利用率。

1 二層轉(zhuǎn)發(fā)在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)

隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在軍事、快速移動(dòng)、應(yīng)急通信等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，無(wú)線信道變化的不規(guī)則性以及節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)、加入、退出等，都會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化[1]。傳統(tǒng)三層數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)已經(jīng)不能滿足動(dòng)態(tài)拓?fù)涞臒o(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

IEEE802.11s草案明確提出了二層轉(zhuǎn)發(fā)的概念[2]，指出二層轉(zhuǎn)發(fā)相對(duì)于三層轉(zhuǎn)發(fā)有一些明顯優(yōu)點(diǎn)。首先，由于數(shù)據(jù)包通過(guò)二層來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)，所以協(xié)議棧對(duì)它的拆分和封裝次數(shù)減少，數(shù)據(jù)包在協(xié)議棧內(nèi)停留的時(shí)間也相應(yīng)減少，帶來(lái)了更短的轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)，從而滿足了一些對(duì)時(shí)延敏感業(yè)務(wù)（如話音業(yè)務(wù)）的QoS要求[3]。其次，與二層網(wǎng)橋類似，二層轉(zhuǎn)發(fā)功能對(duì)上層來(lái)說(shuō)是透明的，可以避免由于下層協(xié)議變化而造成對(duì)上層協(xié)議的影響，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性[4]。

2 二層交換路由設(shè)計(jì)

2.1 路由表設(shè)計(jì)

針對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)二層交換路由的特點(diǎn)，為能夠正確轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線數(shù)據(jù)并提高無(wú)線資源利用率，需要考慮以下幾點(diǎn)：（a）無(wú)線傳播的路由表盡可能短；（b）每個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)需保存全網(wǎng)路由；（c）重復(fù)集檢測(cè)；（d）路由超時(shí)。

根據(jù)上述原則，本文研究并實(shí)現(xiàn)了一種適合于無(wú)線信道的二層交換路由。

節(jié)點(diǎn)本地路由表：本地路由表存儲(chǔ)的關(guān)鍵信息如表1所示。

表1 本地路由表

表2 無(wú)線傳輸路由表

2.2 按需路由消息格式

本文設(shè)計(jì)的二層按需路由主要包括的路由信令有以下三種：主機(jī)請(qǐng)求（host_request）、主機(jī)應(yīng)答（host_response）和重定向（redirect）信令，具體消息格式依次如表3、表4和表5所示。

表3 host_request消息格式

表4 host_response消息格式

表5 redirect消息格式

2.3 按需路由流程

本文設(shè)計(jì)二層轉(zhuǎn)發(fā)路由表的維護(hù)主要靠按需路由流程維護(hù)，具體如下：

（1）當(dāng)節(jié)點(diǎn)從以太網(wǎng)口上收到一個(gè)arp請(qǐng)求時(shí)，節(jié)點(diǎn)需要將該arp請(qǐng)求通過(guò)主機(jī)請(qǐng)求的方式在其他節(jié)點(diǎn)上泛洪，最終由主機(jī)應(yīng)答該arp請(qǐng)求。

（2）當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)而本地?zé)o該數(shù)據(jù)的目的mac地址信息，則緩存數(shù)據(jù)，發(fā)送主機(jī)代理請(qǐng)求，待收到應(yīng)答后，將緩存的數(shù)據(jù)發(fā)送到最終目的地。

以上兩種請(qǐng)求都需要在節(jié)點(diǎn)之間無(wú)線上廣播路由信令。為了避免無(wú)線上的廣播風(fēng)暴，使用主機(jī)請(qǐng)求重復(fù)集，在一定超時(shí)時(shí)間內(nèi)不處理源節(jié)點(diǎn)號(hào)相同和序號(hào)相同（或更小）的廣播信息。

（1）主機(jī)請(qǐng)求（host_request）

發(fā)送：接收到arp請(qǐng)求時(shí)，發(fā)起按需方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的主機(jī)查找。此時(shí)，添加一個(gè)路由頭，在host_request報(bào)文里添加發(fā)起節(jié)點(diǎn)號(hào)、請(qǐng)求類型、序號(hào)，arp原封不動(dòng)地在無(wú)線上傳輸。

接收：通過(guò)host_request信令承載的arp幀有可能是免費(fèi)arp，如主機(jī)請(qǐng)求、主機(jī)代理請(qǐng)求、mac代理請(qǐng)求。收到該信令后首先進(jìn)行重復(fù)集檢測(cè)，然后再處理。

（2）主機(jī)應(yīng)答（host_response）

當(dāng)節(jié)點(diǎn)從以太網(wǎng)口上收到arp應(yīng)答時(shí)，節(jié)點(diǎn)需要向arp請(qǐng)求的源節(jié)點(diǎn)回復(fù)該arp應(yīng)答。此時(shí)，需要主機(jī)請(qǐng)求重復(fù)集中的記錄來(lái)獲取該arp過(guò)程是主機(jī)請(qǐng)求還是主機(jī)代理請(qǐng)求，以獲取該arp請(qǐng)求的源節(jié)點(diǎn)，然后向該源節(jié)點(diǎn)單播該類請(qǐng)求對(duì)應(yīng)的應(yīng)答消息。

當(dāng)源節(jié)點(diǎn)收到主機(jī)代理應(yīng)答時(shí)（說(shuō)明找路成功），節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)形成了到該目的地的路徑。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)收到主機(jī)代理請(qǐng)求的應(yīng)答時(shí)（說(shuō)明找路成功），節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)形成了到該目的地的路徑，然后該節(jié)點(diǎn)的路由模塊立即通知數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊，將之前緩存的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

發(fā)送：接收到arp回復(fù)時(shí)，發(fā)起按需方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的主機(jī)回復(fù)。此時(shí)，添加一個(gè)路由頭，在host_response報(bào)文里添加發(fā)起節(jié)點(diǎn)號(hào)、請(qǐng)求類型、序號(hào)，arp原封不動(dòng)地在無(wú)線上傳輸。

接收：通過(guò)host_response信令承載的arp幀有可能是主機(jī)請(qǐng)求回復(fù)、主機(jī)代理請(qǐng)求回復(fù)、mac代理請(qǐng)求回復(fù)。不管是哪種類型的回復(fù)，都需要進(jìn)行二層表學(xué)習(xí)。

（3）重定向（redirect）

當(dāng)無(wú)線口收到數(shù)據(jù)，目的節(jié)點(diǎn)是自己，但自己不是以太網(wǎng)代理時(shí)（說(shuō)明來(lái)源節(jié)點(diǎn)的二層表有錯(cuò)誤），向來(lái)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一條重定向消息。來(lái)源節(jié)點(diǎn)收到該消息后修改二層表（該數(shù)據(jù)應(yīng)該發(fā)送給以太網(wǎng)代理節(jié)點(diǎn)）。

發(fā)送：節(jié)點(diǎn)向數(shù)據(jù)路由頭中的源節(jié)點(diǎn)單播redirect信令。redirect信令包括目的mac地址、目的ip地址、目的節(jié)點(diǎn)號(hào)和序號(hào)。

接收：節(jié)點(diǎn)收到redirect信令后，查找本機(jī)二層表中所有目的mac地址匹配的記錄，只要不是本機(jī)自身的二層表記錄，即修改為出接口為無(wú)線口，而該記錄所在節(jié)點(diǎn)為redirect信令中的目的節(jié)點(diǎn)號(hào)。

2.4 二層路由轉(zhuǎn)發(fā)流程

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)二層業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)主要指業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)各個(gè)端口之間的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)。整個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)是一個(gè)更新二層路由表、按照路由表進(jìn)行業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)的流程。本文設(shè)計(jì)中，業(yè)務(wù)二層轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制如圖1所示。

圖1 業(yè)務(wù)二層轉(zhuǎn)發(fā)流程

在二層轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)查找二層路由表失敗，則將該數(shù)據(jù)緩存起來(lái)，然后發(fā)送主機(jī)請(qǐng)求報(bào)文，等待生成二層路由表后再進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

3 性能分析

本文研究與設(shè)計(jì)的二層路由轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，已經(jīng)應(yīng)用到多種架構(gòu)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中。經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下路由建立時(shí)間的對(duì)比情況如圖2所示。

圖2 路由建立時(shí)間

如圖2所示，本文設(shè)計(jì)的二層路由轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議在不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的路由收斂時(shí)間明顯低于三層路由。由此可見(jiàn)，二層路由轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議對(duì)于動(dòng)態(tài)變化的無(wú)線拓?fù)涓袃?yōu)勢(shì)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文分析了在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中二層路由轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議的優(yōu)勢(shì)，為了解決在無(wú)線信道中三層路由轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)法滿足網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化問(wèn)題，研究了一種適合無(wú)線信道拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化的二層路由轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，并詳細(xì)介紹了二層路由轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議的設(shè)計(jì)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析可以看出，本文設(shè)計(jì)的二層路由轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議縮短了動(dòng)態(tài)拓?fù)涞穆酚山r(shí)間，在軍事、快速移動(dòng)、應(yīng)急通信等領(lǐng)域能夠更加及時(shí)、有效地保障無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的通信。

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