MANET与Internet互联中默认路由转发策略的改进

1 引言

　　移动自组网(MANET：Mobile Ad-Hoc Network)是一种新型无线网络，网络中的每个节点都具有分组转发能力，由于信号覆盖范围受限而无法直接通信的两个节点可借助中间节点的转发能力实现通信。由于MANET的无线多跳通信特性使其在无需人工干预的情况下自动创建、自我管理、自我维护，即使没有基站等固定基础设施网络提供支持，也能按需即时布置，因此，MANET特别适用于战场通信、应急通信、蜂窝网络覆盖扩展服务等场合。

　　而业界更为关注的是MANET与Internet瓦联问题，主要原因在于，Internet已经是一个海量信息库，拥有用户开展各种应用所需的资源和服务。而MANET虽然可满足移动用户即时开展通信的能力，但限于无线设备的存储容量、处理能力、能量供应等因素，无法独立提供用户所需关键应用。如能将关键信息的存储和处理交给Internet 上的固定主机，可延长MANET的存活时间并提高安全保障。故MANET与Internet的互联是MANET进入民用领域并获得利润的关键。

　　为与Internet固定主机通信，MANET节点须先通过网关发现过程建立到Internet 网关路由，相对于MANET内部路由，此过程称作全局路由计算。为了在这两个异质网络多跳互联的复杂环境中有效地将Internet业务分组中继给网关，MANET节点必须合理组织利用全局路由。

　　 2相关工作

　　MANET与Internet互联时，MANET节点基本有四种方式组织和使用到网关路由：主机路由、源路由、隧道转发以及默认路由。默认路由是指将到网关的路由组织为路由表的一个默认表项．若在路由表中的确没有表顶能够匹配分组目标地址，并且就分组目标地址重新进行路由发现也收不到路南应答(RREP：Route Reply)的话，则将分组转发给默认路由表项所指明的下一跳。图1(a)为默认路由表项的建立方式。参考文献[1]提出图1(b)所示转发方式不同，该处在于其额外增加了表明当前哪个网关被选作默认网关。

　　3无线多跳环境下存在的问题和改进 3.1默认路由转发存在的问题

　　3.1.1 Internet主机(IH：Internet Host)路由的重复发现效应

　　在随机配置节点IP地址并运行被动路南协议的MANET中，源节点可通过网关发现过程获得到网关的路径并将其以默认路由的形式组织在路由表中。但源节点及沿途的每个中间节点在采用其默认路由将分组转发给网关前都要保证这些分组的目标节点确实不在本地MANET中。故源节点及每个中间节点在发送目标为IH的Internet业务分组时如果对应的IH路由表项缺失，必须进行路由发现并依赖超时机制建立其所需的路由表项，这就是IH路由的"重复查找效应"。重复查找效应导致大量的RREQ分组被广播到MANET中．互联开销全局路由发现延迟将大大增加。

　　3.1.2默认路由的不一致性及状态复制问题

　　默认路由状态不一致问题的主要原因在于每个中间节点能够建立的默认路由表项只能有一个，但经其转发的分组却可能需要抵达多个不同网关。最后无论转发节点如何能辨明新旧网关并最终选择哪个网关作为默认网关都是一个局限于节点本身的"局部事件"，其他节点根本无法了解此转发节点的默认路由究竟指向哪一网关。该问题可能导致在源节点无法感知的情况下其Internet业务分组被转发到错误的路径而最终致使传输链路断裂。

　　状态复制问题是全局路由发现或更新过程中Internet主机路由表项缺失问题。如图2中的节点A原来已建立一条经节点B、C到网关GW的路径。此后由于C节点关机或移动导致其与B节点之间的无线连接丢失。B发现后首先按照AODV的局部路由修复方法发出RREQ分组试图重建与GW的连接，RREQ经过一个新节点D到达GW，GW收取后单播RREP给予回复。RREP在经D返回B的过程中依次在各个节点建立或更新到网关的默认路由，如图2(b)所示。不过对于新加入到此路径上的节点D而言，并不能通过RREP了解到关于IH的任何信息。这种源节点更新其到网关路径后，新加入到此路径上的中间节点因缺失"Internet主机->default"路由表项而无法立即执行转发任务，即状态复制问题。实际上，"状态复制"问题也同样出现在全局路由发现过程中。

　　3.2改进型默认路由转发策略

　　为克眼常规默认路由转发策略所存在的重复路由发现和状态复制问题，提出改进方案并将其命名为Default-Route_Improved。该方案通过在分组RREP-I／RREQ-I中增加网关对于Internet主机的可达性判断而达到目的，具体工作过程如下：首先，由于RREQ／RREQ-I的目标地址无非是：(1)某个明确的主机IP地址；(2)网关组播地址ALL_MANET_GW_MULTICAST。

　　对第一种情况，收取RREQ／RREQ-I的网关就在Internet中PING该主机。如收到肯定回复，网关创建扩展的RREP-I回复源节点。其目标地址字段为源节点IP地址，源地址字段为网关自身IP地址。此外，RREP-I还包含一个"ih_dst"(IH-Destination)新字段，网关已经PING通的RREQ／RREQ-I目标主机IP地址被包含在该字段中。接收到RREP-I的源节点及沿途的中间节点根据该分组的"I"标识位、源地址及"ih_dst"字段依次建立起到网关的默认路由表项(按Default_Route_Wakikawa方案建立)以及到Internet主机路由表项(即"IH->default"表项)。网关按卜述方式回复源节点的RREQ／RREQ-I分组过程如图3所示。

　　如网关无法确定RREQ-I所寻找的目标节点是否在Internet中，或收取的RREQ-1分组以网关组播地址为目标地址，则直接创建不携带"ih-dst"的RREP-1分组回复源节点。

　　对图2路由更新过程中的状态复制问题改进策略的处理方式也类似。以图4中的节点B为例，当发现与节点C之间的链路断裂后即尝试局部链路修复。首先查看路由表确定是否有以C为下一跳的目标节点，如果发现这样的目标节点如图4(a)中的GW，则开始尝试局部路由修复。由于采用图1(b)所示的默认路由建立方式，节点B并不像通常那样立即发出以GW为目标地址的RREQ，而是进一步检查此GW是否为"default"的下一跳，如果是还须查找是否存在以"default"为下一跳的目标节点。于是B将发现不仅是GW，而且IH1和IH2也因到C的链路发生断裂而不可达。B最终将创建一个以ALL_MANET_CW_MULTICAST为目标地址的RREQ-I，该分组不仅具有一个特殊的"I"标识位以标识其寻求到IH的路由，而且通过"ih_dst"字段具体给出这些IH地址(IH1和IH2)。接收到此分组的网关首先发现此RREQ-I是针对网关发出的，但在"ih_dst"字段中的IH1和IH2后还了解源节点B重建与自己的连接的真正目的是为了和"ih_dst"所列的IH通信。网关通过与Internet互联接口逐个ping这些"ih_dst"字段中的地址是否位于Internet中，得到肯定应答的IH的IP地址将被网关包含在其所创建的RREP-1分组的"ih_dst"字段中，并以单播方式返回请求节点B。沿途转发的中间节点根据RREP-I所携带信息相应建立起到IH及网关的默认路由，当B收到此RREP-I并重建起所需路由后．立即使用这些路由继续数据传输，既不会发生状态复制问题，也不会有重复路由查找效应。

　　需要指出的是，如果B发现以C为下一跳的目标节点根本不是到"default"的下一跳，则意味着C为IH。这样的局部路由失效，则按照AODV规范修复。另外，如果B是通过接收RERR而了解到无法通过C抵达某个目标节点，则按照上述方法处理。

　　4网关转发策略性能比较研究

　　4.1平台仿真环境建立

　　选择ns2作为仿真平台，测试两种转发策略在如下网络场景的性能：每个测试场景中包含两个网关，每个网关通过一个路由器连接一个作为信宿的固定节点，路由器与路由器、网关之间均通过10 Mb／s的有线网络互联。信源被安置在某个随机选择的MANET节点上，对应的信宿是两个固定节点中的一个。节点的运动遵守Random Waypoint MobilityModel，运动速度在[0，Vmax]中随机选择，运动暂停时间为5秒。每次仿真运行600个仿真秒，仿真结果曲线中的每个数据点代表在相同流量模型和Vmax下，以随机产生的运动场景运行10次仿真所得结果之均值。且所有的无线收发机的信号覆盖直径均为250 m。

　　4.2 CBR性能测试结果及原因分析

　　在每个仿真场景中，随机选择的两个MANET节点被设置为CBR信源，并在仿真开始后的第10仿真秒钟开始发送大小为512 B的CBR分组且持续至仿真结束。发送速度为10 packet／s。在两个固定Internet节点中随机选择一个作为CBR信宿。采用表1所示性能指标对不同网关转发策略的性能进行测定。

　　4.2.1分组递交率

　　两种转发策略在不同网络规模和不同移动速度下的分组递交率如图5所示，分组递交率随MANET网络规模的扩大以及MANET节点活跃程度(最大运动速度)的增加而下降。这是因为随着网络规模的扩大，源节点到网关的平均路径长度增加，发生断裂的概率也随之增加。在网络规模保持稳定的情况下，节点活跃程度的增加也会导致更多的链路断裂。而为重建断裂的连接，会有更多的路由和控制分组被发送到MANET中，控制流量就会增加，这在每个仿真结果曲线上都可以观察到。

　　另一方面，改进后的转发策略DefaultRoute_Improved由于克服了Internet主机路由缺失以及重复路由发现等问题，因此，其相对DefaultRoute_Wakikawa具有更高的分组递交率。

　　4.2.2分组传输时延

　　在完全相同的仿真环境下测试了两种协议的平均全局路由发现时延以及平均分组传输时延，仿真结果如图6、图7所示。图中可见改进的转发策略性能更优，主要体现在全局路由发现时间的缩短上。在RREP-I中增加的"ih_dst"字段携带了网关对于IH的可达性判断，因此源节点及到网关路径上的所有中间节点在接收到RREP-I后。不仅建立默认路由，而且可立即建立关于IH的路由表项。不用像Default-Route_Wikawiwa那样必须利用路由发现超时来建立该路由表项。大大减少了节点广播RREQ-I的次数，全局路由发现延迟也得到显著降低，则有更多的时间发送数据而不是等待超时，使互联性能得到改善。随着网络规模的扩大以及节点移动速度的增加，需要频繁进行全局路由发现时，改进型默认路由转发策略性能优越性更趋明显。

　　5 结语

　　运行被动路由协议的MANET节点如采用传统的默认路由转发分组进入Internet的话，默认路由不一致、Internet主机路由缺失以及状态复制等问题将迫使MANET节点不得不长时间的处于超时状态并反复进行网关发现，如此使得传输时延和互联开销显著增加，仿真结果证实默认路由的不正确转发妨害了业务传输性能，而经过改进后的默认路由转发策略可有效改善互联性能。