利用有線路由協議實現Ad hoc與固定網絡互聯

2019-11-03 10:21:13

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供稿：網友

于衛波王海鄭少仁
（解放軍理工大學通信工程學院南京 210007）

　　摘要 Ad hoc網絡因為其自身獨有的特點，將在越來越廣泛的領域發揮越來越大的作用，如何將Ad hoc網絡與固定網絡甚至Internet互聯，成為人們關注的一個課題，本文提出了一種利用現有的有線網絡路由協議接入有線網絡的方案，并給出了一個實現的實例。

　　關鍵詞 Ad hoc 路由 Rip 互聯

1 引言

　　Ad hoc 網絡又稱為多跳網絡(muti-hop network)或自組織網絡(self-organized network)，它使用無線通信技術，節點中不存在專門的路由器，每個節點都可以為其相鄰的節點轉發信息，即不存在有線網絡或是移動通信系統中的中心站，各個節點間的相互關系是對等的。由于其無中心、自組織、可快速展開、可移動和多跳等特點使得該種網絡在戰場通信，緊急救助，傳感器網絡等特殊領域具有無可比擬的優勢。

　　在Ad hoc網絡發展過程中，Ad hoc網絡主要是作為一個獨立的網絡存在的，但隨著Ad hoc網絡技術的逐步成熟和應用的范圍的擴大，要求Ad hoc網絡能夠與有線網絡互通甚至接入Internet，這將成為Ad hoc發展不可避免的趨勢。

2 Ad hoc接入有線網絡的困難

　　Ad hoc網絡的協議棧結構基本與有線網絡相同（某些情況可能在IP層與接入層間增加一個Intranet層），采用共同的IP層屏蔽了物理信道和媒體訪問控制的差異，為互通提供了可能，但同時也需要兩種網絡中主機可以方便地路由到對方，即要能夠實現兩種網絡中的路由信息的交互。

　　目前Internet中常用的內部網關協議主要有兩種：

　　（1）基于距離矢量的路由協議（如RIP）。在該協議中，每個路由器都維護一張距離向量表，表中記錄著本路由器到每個目的地的最佳路由（通常是最短路由）。通過與相鄰路由器交換距離信息來更新路由表的信息。

　　（2）基于鏈路狀態的路由協議（如OSPF）。該協議中，所有路由器不必以分布方式計算最短路由，而是通過可靠的發布鏈路狀態分組來維護一張完整的網絡拓撲結構圖，并按照該拓撲結構計算出至目的結點的最短路由。

　　這兩種協議都是針對固定網絡設計的，廣泛應用于目前網絡上的各級路由器中，他們都需要周期性的交換信息維護網絡正確的路由表和網絡拓撲結構圖。而Ad hoc網絡由于各個節點的對等關系，每個節點都充當路由器，可以轉發來自其鄰居（一跳范圍內節點）的數據，同時由于無線信道帶寬較窄、結點移動性帶來拓撲變化頻繁等因素，如果直接將傳統路由協議應用于Ad hoc網絡，這些周期性的控制信息將會占用大量的無線信道資源，降低系統效率，甚至阻塞整個網絡。因此Ad hoc網絡通常使用專門的控制報文對無線信道占用較少，且能適應拓撲頻繁變化的路由協議。兩類針對不同環境設計的路由協議互通，存在著一定的困難。需要對兩類路由協議都做一定的改動，但因為有線網絡是一個現有的已經在運行的網絡，因此要將有線網絡上的改動降到最低。

3 解決的方法

　　AP（access Point）充當Ad hoc網絡接入有線網絡的網關，它是一臺同時擁有有線接口和無線接口的特殊主機，通過AP的轉發和路由可以使有線網絡和Ad hoc網絡互通。Ad hoc網絡可以通過一個或是多個AP連接到不同地域的有線網絡。IETF的MANET工作組提出了一種利用移動IP和Ad hoc路由相結合的方法，通過外部代理和家鄉代理實現和有線網絡互通。這種方法需要各個結點都支持移動IP，這在有些應用中會有一定的難度，同時該工作組還提出了基于IPv6的實現方案，因為IPv6還未被廣泛應用，所以暫時不在這里討論。本文針對Ad hoc網絡作為末端網，不作為承載網，且網絡規模不是很大的具體情況，采用了一種修改AP上有線端口路由協議的方法實現了Ad hoc和有線網絡的互聯，具體的實現可以分為以下幾種方法。

3.1 采用靜態路由

　　最直接的方法是在路由器和AP結點中都配置相應的靜態路由，即在AP結點中增加一條到路由器的缺省路由，路由器中按照Ad hoc的IP地址段，增加一條或多條靜態路由。這種方法的好處是簡單，容易實現，但同時又具有它不可避免的局限性。在一個Ad hoc網絡可能同時存在兩個或多個接入點，Ad hoc1可以通過AP1和AP2接入有線網絡，其中AP1的速率較高，在設置靜態路由時，使用了AP1，但當AP1出現故障時，雖然有備用接入點AP2可用，但Ad hoc網絡中的移動結點卻無法使用，導致與有線網絡斷開。另一種情況是Ad hoc網絡可能因為某些特定的因素分割為兩個或是多個互不連通的子網時，此時如果結點A由Ad hoc 1 移動到Ad hoc 2，由于采用了靜態路由，Internet上的主機將繼續使用原來的路由通過AP1訪問已經不連通的結點A，造成訪問失敗；而結點A也將因為無法訪問AP1而無法再與有線網絡連接。

3.2 采用動態路由

　　為了解決上述問題，需要路由器能夠及時地了解AP上的Ad hoc路由情況，從而根據Ad hoc內部的拓撲變化調整自身的路由。采用的方法是在AP的有線接口上（以太網接口），配置Internet中使用的內部網關協議如RIP或OSPF等，通過將Ad hoc路由在有線接口上重新發布，來使路由器了解AP上的Ad hoc路由。

　　在Ad hoc網絡中，路由協議可以處于IP層以下，也可以處于IP層以上。如果處于IP層以下，路由協議使用網絡的內部地址（如物理地址）來標識結點，Ad hoc網絡結點間報文的轉發也將在IP層以下完成。美軍的MIL-STD-188-220標準采用的就是這種結構。在188-220中在接入層和IP層之間增加一個Intranet層來完成ad hoc網絡內部的尋址和選路。如果路由協議處于IP層以上，就可以使用IP地址來標識結點，實現IP層的路由轉發。IETF的MANET工作組制定的路由協議采用的都是這種結構。現有的協議有GSR、DSDV、DSR、TORA、AODV等。

　　當路由協議采用的是在IP層之上的工作方式，需要做的工作就是要能夠實現Ad hoc路由與有線網絡路由間的重新發布，這是因為幾乎所有的路由協議都單獨維護著一個本協議獨立的路由表，通過查詢該路由表的更新，來生成路由更新信息。所謂重新發布就是要將其他路由協議維護的路由信息提取出來，按照本協議自身的方法生成更新信息，來實現不同路由協議之間的互通。這種工作方式需要對有線路由協議和Ad hoc路由協議都作出一定的修改，但由于把大量的有線路由更新情況擴展到Ad hoc網絡上，會造成網絡的負擔加重，甚至影響Ad hoc網絡的正常工作，同時因為Ad hoc網絡通常作為末端網存在，不存在轉發其他網絡數據的要求，不需要了解有線網結點的拓撲。因此考慮只是單向地把Ad hoc網絡路由信息重新發布到有線網絡，而所有Ad hoc網絡上的移動結點把所有的AP結點作為特殊結點標注，把到AP結點的路由作為出Ad hoc網絡的缺省路由，從而在到多個AP的多條路由中選擇最佳路由到有線網絡。

　　如果采用工作在IP層以下的路由協議，通過Intranet層隔離了Ad hoc網絡的特殊性，除在Intranet層維護一個轉發表外，在IP層同樣維護一個路由表，該路由表由Intranet層根據本站拓撲情況維護，通常采用靜態路由。在Ad Hoc網絡內部的路由通過Intranet層完成，IP層路由表把所有Ad Hoc網絡范圍內的結點看作是一跳可達的，而到所有的Ad Hoc網絡外部結點則需要通過AP轉發。IP層具體選擇哪一個AP作為本站的缺省路由器，則需要通過Intranet層的路由比較選擇最佳路由。

4 一個應用的實例

　　在我們已實現的系統中，Ad hoc網絡采用的是IP層以下路由的方法。即路由協議工作在Intranet層，具體的路由協議是PAR，它是一種主動式的基于平面結構的Ad hoc網絡路由協議，采用利用稀疏路由樹來建立到所有其他結點的最短路由表項不超過兩條的路由表的方法，該協議通過拓撲變化觸發發送拓撲更新消息與相鄰節點交換路由信息。同時AP的有線接口采用較為簡單的RIP路由協議來與路由器交換路由信息。系統中的無線節點是基于Vxworks實時嵌入式操作系統實現的，該系統已經很好地實現了TCP/IP的各級協議棧（包括RIP），關于Intranet層和接入訪問控制的實現不是本文討論的范圍，這里著重探討與有線網絡互通部分功能的實現。

　　為了實現PAR路由協議與Internet的互通，對AP結點中的路由協議做了如下的修改，在每次發現拓撲發生變化，需要發送拓撲更新消息時，修改工作在AP有線接口上的RIP路由協議的路由表。具體的方法是將網絡拓撲中新增加的結點地址作為目的地址，AP無線端口地址作為網關，跳數設為1加入到RIP路由表中，在發現某個結點不在當前網絡拓撲中時，查找RIP路由表中相應的路由表項刪除。這樣在RIP向路由器發送路由更新時，就將與AP連接的無線網絡結點反映到路由器的路由表項中。各個移動結點的Intranet層在收到或是發送拓撲更新消息時，比較本結點到各個AP的路由，選擇最近的AP，將其作為本結點到Internet的缺省路由的網關加入IP層靜態路由表SR中。

4.1 實現的方法

　　在Vxworks操作系統啟動時由主程序調用系統函數啟動RIP路由，同時啟動一個守護線程。在Intranet層發送路由更新消息時，與系統保存的老拓撲更新消息比較，如果發現拓撲變化，則向守護線程發送消息，通知該線程增加或刪除RIP路由。其中RIP路由表為一個臨界區，對它的訪問要采用互斥的方法，當RIP更新時間到達時，RIP要根據路由表生成路由更新信息，發往與路由器連接的端口。

　　經過以上的配置和修改，就實現了本系統Ad hoc網絡與有線網絡的互聯，經測試工作狀況良好。

4.2 注意的問題

　　首先，因為不需要在Ad hoc網絡中發布有線網絡的路由情況，所以AP結點不需要接收來自路由器的路由更新信息，因此需要將路由器與AP互聯的接口設置為被動接口，不廣播路由更新。其次，為防止AP上的RIP因長時間收不到路由更新，而將所有路由刪除，需要將RIP的路由老化刪除時間設為無限長。同時要注意確保RIP路由更新多播消息只是在與路由器相連的端口多播，避免增加無線網絡負擔和造成不必要的錯誤。

5 一些思考

　　實現Ad hoc網絡與Internet互聯，為在Ad hoc網絡上應用多種現有的互聯網業務提供了可能，為Ad hoc網絡提供了更為廣泛的應用舞臺。但上述的實現方法，仍然存在著一定的局限性，如從Ad hoc網絡發往路由器的路由信息大多為主機路由，這對于網絡的可擴展性形成了很大的制約，這個問題將在以后的研究中加以解決，并將進一步考慮使用OSPF協議代替RIP。在本文提出的實現方法都是基于Ad hoc網絡和有線網絡都使用有效地址考慮的，對于在Ad hoc網絡使用內部地址，通過配置了NAT（Network Address Translation）協議的AP結點實現兩類網絡的互聯也是一種很好的實現方法。

　　另外，移動IP也是目前比較受關注的研究領域，可以考慮可否把路由表改造引入移動IP內，即通過類似本文的方法建立起家鄉網絡和其他主機到移動主機的路由，從而繞開家鄉和外部代理，這些都將在今后進一步加以研究。

----《中國數據通信》