IPv6 移動ad hoc網絡與Internet互聯中的網關發現

前言

ad hoc是一種特殊的無線網絡應用模式，是由兩個或者多個具有無線通信能力和組網能力的設備組成的集合。這些通信設備可以與在它們通信范圍之內或之外的另一個設備進行通信，無需通過接入點。

移動ad hoc網絡主要有以下特點：單向鏈路，容量時變，帶寬受限，易干擾，高誤碼率，高功率消耗，能量限制等。

ad hoc網絡為了實現全球連接性通常會出現節點與固定網絡中的節點通信的需求。然而，以往的ad hoc路由協議通常只實現了在manet（mobile ad-hoc network）內部的通信。要實現與internet中的節點通信的需求，節點需要一個全球地址，這樣它就可以從internet上收到數據。這可以通過使用internet 網關來實現。

internet 網關是指為manet中的節點提供internet連接的路由器。這種路由器位于manet的邊界，有一個接口在manet中，還有一個接口連接到internet上。internet網關將網關信息發送給manet中的節點，節點可以從這些信息中了解internet的連接性。網關消息中包括如下內容：internet網關全球地址，網絡前綴地址，生命期，網關的manet地址等。網關將這些信息作為manet路由協議或者鄰居發現協議（ndp）的一部分發布出去。節點收到包含網關信息的網關通告(gwadv)后就可以發現internet網關，前綴信息可以用來為節點配置全球ipv6地址。每個manet節點管理網關信息。當節點收到gwadv，它更新相關的網關信息。如果網關信息過期，節點刪除相應的網關信息。通過接收gwadv或通過網關請求(gwsol)請求網關信息，節點可以在網關信息到期之前更新網關信息。manet與internet互聯的網絡結構如圖1所示。

在ietf的草案“global connectivity for ipv6 mobile ad hoc networks”中提出了兩種internet網關發現的方法：一種是先應式網關發現方法，這種方法利用internet網關周期性的發送網關通告給manet中的所有節點；另一種方法是反應式網關發現方法，這種方法利用節點和網關之間的請求應答消息來獲得網關信息。

manet中有兩種方法進行網關管理。一種是作為路由協議的一部分，在ad hoc網絡內部使用信令協議來識別網關并且在網關注冊。第二種方法是在移動ip中使用信令協議來識別可以提供網關服務的代理。這種方法更合適，因為它能夠在不同的ad hoc路由協議上工作。移動ip在網絡層提供全球連接性的同時，ad hoc路由協議在manet網絡內部提供連接性。

反應式網關發現(reactive)

反應式網關發現由manet中的節點發起請求來發現網關或者更新網關信息。節點在需要進行internet連接時開始按需網關發現，節點廣播網關請求(gwsol)到網關多播地址all_manet_gw_multicast。中間節點收到gwsol后繼續廣播該請求。網關在收到請求后單播gwadv到發起請求的節點，移動節點可以從gwadv中獲得全球前綴等信息。

manet中的節點有兩種方法可以請求網關通告消息(gwadv)。
a)對任一反應式ad hoc路由協議，可以使用路由協議中定義的控制信息來請求和通告網關信息。因為這些反應式路由協議適用請求--應答方式進行路由管理?？梢栽谠械穆酚蓞f議中加入新的控制信息或者選項來處理網關信息而不影響現存的路由協議。這種修改了的路由請求稱作gwsol_m，對應的應答消息稱作gwadv_m。節點發送gwsol_m后從網關處收到包含internet網關信息的響應gwadv_m。

b)使用鄰居發現協議(ndp)路由器請求和路由器通告消息來獲得網關信息。節點通過發送gwsol_n到多播地址igw_mcast來請求gwadv_n。gwsol_n是manet中ipv6協議擴展用于請求網關信息的路由器請求消息。gwadv_n是internet網關的響應消息。

反應式路由協議的優勢在于只有當移動節點需要網關信息的時候才會發起網關發現，沒有大量的洪泛信息。不利之處在于中繼節點尤其是網關附近的節點負荷很大。

先應式網關發現(proactive)

先應式網關發現是由internet網關發起的。網關以advertisement_interval間隔周期性的發送gwadv來廣播網關信息。所有在網關傳送范圍內的節點都可以收到這個通告。如果節點沒有到達網關的路由，節點在收到網關通告后在路由表中產生一個記錄。如果路由表中已經存在到達網關的路由，節點就更新到網關的路由記錄。然后節點將gwadv轉發到其傳送范圍內的其他節點。gwadv的傳播取決于manet路由協議。

先應式網關發現也有兩種類型的消息：

a)基于manet路由協議的控制消息將網關信息集合在控制信息gwadv_m中傳輸?？刂菩畔㈩A期能傳送到manet中的所有節點?？刂葡⑹侵芷谛缘暮榉合?。任何洪泛機制都可以散布gwadv_m。

b)基于ndp的通告消息將網關信息包括在ndp的路由器通告消息（gwadv_n）中。任何洪泛機制都可以散布gwadv_n。網關周期性的散布gwadv_n。

manet網絡的資源很有限。在先應式網關發現中，網關信息周期性的洪泛到整個manet網絡，開銷很大，將占用大量的資源。

混合式網關發現(hybrid)

為了減少先應式網關發現和反應式網關發現的不足，可以將這兩種方法結合起來。在internet網關附近一定范圍內的節點使用先應式網關發現，在這個范圍之外的節點使用反應式網關發現來獲得網關信息。

在距網關跳數為advertisement_zone的范圍內，網關以advertisement_interval間隔周期性的發送gwadv來廣播網關信息。在網關傳輸范圍內的所有節點都可以收到gwadv。如果節點沒有到達網關的路由，節點在收到gwadv后在路由表中產生一個記錄。如果路由表中存在到達網關的路由，節點就更新到網關的路由記錄。然后，節點將gwadv轉發到其傳輸范圍內的其他節點。

在advertisement_zone 范圍之外的節點如果要獲得網關信息，節點就廣播網關請求(gwsol)到網關多播地址all_manet_gw_multicast。中間節點收到gwsol后繼續廣播。網關在收到請求后單播gwadv到發起請求的節點。源節點收到gwadv后可以從中獲得internet網關信息。

仿真環境

我們通過仿真對先應式網關發現，反應式網關發現，混合式網關發現進行比較。

manet內有15個移動節點，2個網關，分布在800m 500m的矩形區域內。仿真時間為900秒。網絡內采用aodv路由協議。采用恒定比特率發送數據分組，分組大小為512個字節，發送間隔0.2秒。移動節點的運動速度為10米/秒。

主要的性能判矩如下:

a)分組傳送率：目的節點接收到的分組數與源節點發出的分組數之比。

b)端到端時延：目的節點收到分組的時間與源節點發出該分組的時間之差。

c)系統開銷。

仿真結果

1)advertisement_interval在2~60秒之間變化時，分組傳送率的比較。
從圖2中可以看出，三種網關發現方法的分組傳送率都比較高，在99.7%以上。其中混合式網關發現和先應式網關發現比反應式網關發現的分組傳送率略高。這是因為在混合式網關發現和先應式網關發現中，internet網關周期性地廣播網關信息，節點可以較快的更新路由，這樣就減少了因為路徑斷開沒有及時更新路由造成的分組丟失。隨著廣播間隔的增大，混合式網關發現和先應式網關發現路由更新的頻率減小，因此分組傳送率也略有所下降。反應式網關發現是由源節點發起路由更新，路由更新與廣播間隔無關，所以分組傳送率不隨廣播間隔變化，在圖中看到的就是一條直線。

從上面的分析比較中可以看出，先應式網關發現和混合式網關發現的分組傳送率和端到端時延都比反應式網關發現要好，而反應式網關發現比先應式網關發現和混合式網關發現的系統開銷要小。我們可以根據系統性能的要求選擇不同的網關發現方法。

internet網關可以提供manet與internet連接的方法，可以有效的解決兩種網絡之間相互訪問的問題，適應未來多種網絡的融合和無處不在的網絡特點。