面向无线Mesh网的集中式IP地址分配方案

李 越

(西安电子科技大学通信工程学院 陕西 西安 710071)

面向无线Mesh网的集中式IP地址分配方案

李 越

(西安电子科技大学通信工程学院 陕西 西安 710071)

针对无线Mesh网的地址自动分配问题，考虑到网络的分层特性，网络架构，用户需求等因素，提出了面向无线Mesh网的集中式IP地址分配方案。该方案发挥网关节点的枢纽作用，利用路由协议进行信息同步，能够高效地完成用户的地址分配。同时方案考虑到了数据备份，节点意外中断等实际问题。实验结果证明该方案可以快速完成用户的地址分配任务。

无线Mesh网(WMNs) 地址分配 路由协议 集中式分配

0 引 言

无线Mesh网络WMNs是一种新型的宽带无线网络结构，即一种高容量、高速率的分布式无线网络。作为未来无线网络理想的组网方式和关键技术之一[1]，WMNs可以应用在网络接入、电子商务和实时监控等多个领域[2]。近些年，对于WMNs的研究主要集中在链路调度、路由选择、网络安全等领域[3-5]。为了满足WMNs简单易用的特点，IP地址的自动分配也是一个需要考虑的问题。

地址分配的目的是为每个加入网络的节点自动分配独立唯一的IP地址，这是用户能够通过WMNs访问互联网的前提条件。现有的很多地址分配方案是为同属于无线多跳网络的移动对等网络MANETs设计的。与之相比，WMNs有着明确的分层结构，更加注重易用性、高带宽以及对互联网的访问，同时对节点移动性、能量消耗等要求不严格。由于WMNs的无线特性，例如DHCP[6]等传统的有线网络地址配置方案大多数无法满足要求，虽然MANETs的地址配置方案可以应用于WMNs，但考虑到两种网络的技术区别，已有的配置方案还有很大的性能提升空间。

WMNs和MANETs之间最大的区别就是WMNs属于分层结构，不同层次的节点存储、运算能力以及移动性等方面差别很大。因此地址分配方案需要将这些因素考虑在内。比如WMNs中的网关节点基本保持位置不变，存储能力、稳定性都强于其他节点，因此非常适合用来保存全局地址池列表。另外，很多的MANETs方案都会采用全网范围泛洪控制帧的方式来满足同步要求，这会对节点造成一定的开销。而WMNs中的用户大多是传统的802.11设备，为了保证很好的兼容性、节约设备能源，方案应该尽量不去对这些设备进行修改。为此，本文提出了面向WMNs的集中式地址分配协议CWCP(Centralized WMNs Configuration Protocol)。

1 地址配置协议相关研究

文献[7]提出的DWCP方法利用了WMNs的分层结构，把节点按功能分成了网关、路由和用户。该方法利用网关之间的有线连接来传递地址池等信息，可以快速高效地完成地址池的分配和借用，但是实际网络不一定都可以满足这个条件。该方法没有很好的同步机制，容易发生因节点意外中断造成的地址丢失。根网关负责地址池的初始化，一旦根网关发生中断，其他辅助网关需要启动竞选机制重新选择根网关，这要花费很多的网络资源。

文献[8]中的节点没有层次结构，原节点把自己拥有的一半地址池分给新加入的节点，每个节点都包含全网的地址池信息。文献提出的方法利用OLSR路由协议的广播包进行地址池的同步更新，可以节约网络资源。由于没有中心节点协调，地址的租借过程比较复杂，容易出现地址池利用不均匀的现象。

文献[9]提出的HTDCP方法为节点增加信任度信息，利用信任度值的大小选择地址服务器，选出的地址服务器负责其他节点的地址分配。但是信任度只和节点的在网时间有关，不能很好反应网络的实际情况变化。由于全网只有一个节点可以分配地址，因此该节点负载较大，而且新节点和地址服务器节点之间可能需要经过多跳才能实现地址分配，容易产生丢包，消耗网络资源。

文献[10]把节点分成配置代理和简单节点两类。配置代理拥有独立的地址池，简单节点没有地址池，只用来在新节点和配置代理之间中继。因此，地址分配过程可以保证在两跳之内完成。但是容易出现地址分配不均的情况，当某个配置代理地址耗尽，需要向全网广播请求信息来租借地址，从而消耗网络资源。

文献[11]中所有的节点需要形成一个拓扑树结构。在建立拓扑树结构的过程中产生的网络ID以及节点ID最终构成节点的IP地址。新节点需要先加入树形结构中，再从父节点获取IP地址。一旦拓扑结构发生变化，节点之间的继承关系也会发生很大变化，容易出现地址分配不均的情况。地址的分配是通过公式计算得出，不是依次分配，地址池中的地址利用效率不高。

2 面向无线Mesh网的集中式地址分配方案

2.1 网络架构

网络定义了四种节点类型：

网关节点：维护全网的地址池列表，为路由节点提供IP地址池。

副网关节点：由网关节点从路由节点中选出，从网关节点获取备份的全网地址池列表，当网关节点失效时升级为网关节点，行使分配地址池的功能。

路由节点：负责用户节点的接入，为用户提供IP地址。

用户节点：接入WMNs，等待被分配地址的普通802.11通用设备。

本文设计的应用场景是以WMNs为基础的。如图1所示，该网络由一台网关节点、多台路由节点构成骨干网络，用户节点接入骨干网络使用互联网服务。网关节点和路由节点位置通常保持不变，有稳定的能源供给，用户节点则可以分布在网络的任意位置并在任意时刻接入和离开。网关节点通过有线连接互联网，作为整个WMNs的网络出口。其他路由节点通过多跳中继的方式与网关节点连通，同时负责用户节点的接入以及数据转发。网络拓扑结构变化不大，网络分割发生的可能性很小。用户节点采用标准的802.11方式接入某个路由节点，当获取到自己的IP地址以及网关的IP地址后才能够正常访问网络。用户节点是在网关节点和路由节点部署完成，路由协议正常运行后再接入的，这种规定符合WMNs的实际设计要求。

图1 无线Mesh网结构示意图

2.2 网络同步

为了确保分配给路由节点和用户节点的地址不重复，地址分配方案需要有同步机制。尤其是在无线网络中，链路质量无法保障，丢包现象比较严重，更加依赖同步机制及时发现潜在的问题。传统的方法是利用节点周期发送广播包来进行信息同步，但是这会造成很大的带宽资源消耗。考虑到WMNs都是需要路由协议来转发数据的，而主动式路由协议本身就需要周期发送广播包来更新路由。因此，本文提出把地址分配方案与主动式路由协议相配合，可以在没有额外控制包开销的情况下，实现全网同步。

本文采用的路由是一种主动式的距离矢量路由协议。每个节点都存储着到达其他所有节点的路由信息，路由信息包括到达目的节点的最佳下一跳节点地址、链路质量、序列号以及有效时间等。最佳下一跳节点是从该节点的所有一跳邻居节点中选择到达目的节点链路质量最好的节点。路由协议周期广播Hello包，告知全网自己的信息，同时接收其他节点发送的Hello包来更新路由信息。通过这种方式，路由节点可以快速感知网络的变化，这就为地址分配方案进行同步提供了条件。

为了满足地址分配的需要，路由协议的Hello包中除了携带路由信息之外，还需要添加节点信任度以及剩余可分配地址数量的信息。节点信任度定义为路由节点在网时长、已分配用户节点数以及节点类型偏移量三者之和。其中在网时长由路由节点加入网络的起始时间决定，起始时间越早，取值越大。节点类型偏移量取值按照网关节点、副网关节点、路由节点的顺序递减。这样形成的信任度排列次序为网关节点最大，副网关节点次之，路由节点依照自己分配的用户节点数依次排序，分配用户数相同时，再根据在网时长排序。网关节点可以利用节点信任度的排序进行副网关节点的选择。所有路由节点可以通过Hello包得知其他节点的剩余地址数，从而使地址池的分配、租借更加简捷。

2.3 协议过程

2.3.1 副网关节点选取

由于无线网络的不稳定性，任何节点包括网关节点都可能意外中断，而网关节点又担负着全网地址分配的枢纽任务，因此本文采用添加副网关节点的方式解决网关节点中断的问题。由于全网地址池列表的数据规模较大，为了减少跳数、节省带宽资源，网关节点定期从它的一跳邻居节点中选取信任度值较高的节点作为副网关节点，并将全网的地址池列表发送给副网关节点存储备份。当副网关节点收到了数据之后就会更新自己的信任度值，并在发送路由广播包的时候通知其他节点。副网关节点在网关节点离开网络的情况下，行驶网关节点的功能。

网关节点正常离开网络时，会将当前的全网地址池表发送给副网关节点，然后告知副网关节点行使网关节点的功能，负责地址的收发，其他路由节点也能够通过路由协议得知网关节点的变更，之后就会向新网关节点进行地址请求。网关节点意外中断时，所有路由节点通过路由协议得知网关节点的中断，会把当前的副网关节点当作新的网关节点。此时副网关节点存储的全网地址池表可能与实际网络地址不匹配，因此副网关节点会把路由表中的信任度、剩余地址信息与存储的地址池表进行对比，若发现不匹配的情况，副网关节点向相应的路由节点发送地址池同步请求，从而保证全网地址池表的准确性。

2.3.2 地址分配

根据网关节点在为用户分配地址中起到的作用，本方案采用主动式和被动式两种分配方式。二者的数据包发送流程见图2所示。

图2 地址分配示意图

网关节点定期从路由信息中获取其他节点的剩余地址数，若发现有剩余地址数为零的节点，则向其主动发送一定数量的可用地址，并更新自己的剩余地址数、全网地址池表。当用户节点加入WMNs时，会向邻近的网关节点或是路由节点请求IP地址，若该路由节点拥有空闲地址，则直接向用户分配地址，并更新自己的信任度、剩余地址数以及本地用户列表等信息。若此时路由节点无空闲地址，则它会向网关节点请求空闲地址，当网关被动向其提供了地址后再向用户节点分配。利用这两种分配方式，用户可以快速获得IP地址。

2.3.3 地址回收

用户节点正常离开网络时，路由节点会将IP地址回收，更新自己的本地用户列表、信任度值以及剩余地址数。用户节点意外中断时，路由节点会在超过设定时限后将地址回收。随着接入自己的用户节点离开网络，路由节点的剩余地址数逐渐增加，当超过一定门限时，路由节点会把多余的地址归还给网关节点。路由节点也会定期从路由信息中获取其他节点的剩余地址数，若发现自己的剩余地址数是全网包括网关节点中最多的，则会将一定的地址归还给网关节点。利用这种方式，可以避免地址池分配不均的情况。

路由节点正常离开网络时，会向网关节点发送通知，网关节点从而把分配给该路由节点的地址回收，原先接入该路由节点的用户节点需要重新请求新的地址。路由节点意外中断时，在路由协议的帮助下所有其他节点都能够知道此节点中断，因此网关节点也会回收地址。若离开的节点是副网关节点，则网关节点需要重新选择副网关节点来备份全网地址池列表。

3 仿真实现与性能分析

由于网络中的节点数量未知，因此协议需要重点考虑不同用户数量下的网络稳定性。为此实验主要测试了地址分配时间和数据包开销与节点数量的关系。

本文实验采用NS-2[12]网络仿真软件实现。表1展示了仿真程序的部分参数选择。骨干网络架构由八个路由节点、一个网关节点组成，用户节点均匀分布在仿真区域里面。用户节点在骨干网络搭建完成之后随机接入，总接入时间为40 s。随着每次实验用户节点数量的增加，地址请求的速率相应增加。

表1 仿真参数

3.1 CWCP地址分配方式性能分析

网络定义了四种节点类型：

本文方案采用了主动和被动两种地址分配方式，图3展示了不同用户数量下两种分配方式的实际使用比例以及各自的平均地址配置时间。

图3 主动分配方式所占比例示意图

由图3和图4可知，主动分配方式的配置时间比被动分配方式更短，随着节点数量的增加主动分配方式的使用比例逐渐下降。这是由于主动分配是网关节点周期分析路由信息，提前把地址池分配给路由节点，因此用户只需和相应的路由节点进行一跳范围内的信息交流即可完成地址分配。而被动分配是路由节点接收到用户请求之后再向网关节点请求地址，因此配置时间更长。随着用户节点数量的增加，地址请求速率加快，而网关节点分析路由信息的周期不变，因此主动分配的比例逐渐下降。

图4 地址配置时间示意图

3.2 CWCP与其他协议性能对比

本实验将CWCP与HTDCP[9]和D2HCP[8]两个协议在数据包开销和地址配置时间方面进行比较。其中HTDCP是集中式的配置方案，D2HCP配置方案采用了OLSR路由协议进行同步。

由图5和图6可知，CWCP的整体性能好于另外两种协议，且不会随用户数量增加而明显增长。

图5 数据包开销对比示意图

图6 配置时间对比示意图

这是因为整个骨干网络都拥有为用户分配节点的能力，大部分用户都可以在一跳范围内获取地址，减少时间和数据包开销。而通过路由协议的支持，网关节点可以快速感知路由节点的地址池情况，预先向路由节点提供地址，即使网络规模扩大、地址请求速率变快也不会出现明显的性能下降。

4 结 语

本文提出并测试了一个面向无线Mesh网的集中式IP地址分配方案。该方案通过WMNs的骨干网络进行地址分配，采用网关节点作为全网地址分配的协调中心，利用路由协议实现地址池等信息的同步，设计了两种分配方式。同时也对节点意外中断和数据备份等实际问题提出了解决方案。实验证明，该方案可以有效应用于WMNs场景中，为用户提供高效、稳定的地址分配服务。

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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，硕士生，主研领域：无线Mesh网。

TP393

A

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