CN102035730A

CN102035730A - 支持wlan跨越manet通信的融合网络体系架构及按需路由方法

Info

Publication number: CN102035730A
Application number: CN2010105535300A
Authority: CN
Inventors: 张翔; 吴荣泉; 汪文勇; 黄鹂声; 田晓霞
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China; CETC 23 Research Institute
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China; CETC 23 Research Institute
Priority date: 2010-11-22
Filing date: 2010-11-22
Publication date: 2011-04-27

Abstract

本发明公开了一种支持WLAN跨越MANET通信的融合网络体系架构，涉及网络通信技术领域，承载网由MAR组成，同时每一个MAR作为AP支撑一个WLAN分组，组内通信采用IEEE802.11PCF模式；组间通信通过MAR构建的MANET网络实现，所述的MAR是指：在此网络体系结构中，节点除各自作为AP管辖一个WLAN外，同时也是MANET中的一员，实现全网移动多跳自主通信，在此，将所述的节点命名为MAR，所述的AP是指AccessPoint。本发明可以有效支撑WLAN跨越MANET通信，实现融合网络全网互联互通。

Description

支持WLAN跨越MANET通信的融合网络体系架构及按需路由方法

技术领域

本发明涉及网络通信技术领域，确切地说涉及WLAN跨越MANET通信的层次化融合网络体系结构及按需路由方法。

背景技术

无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）采用IEEE 802.11协议，为诸如笔记本电脑、手机、PDA等移动终端设备提供Internet无线接入服务，是当前应用最为流行的Internet无线终端接入方式，广泛应用于家庭、学校、办公室以及其他各类公共场所。

移动Ad hoc网络（Mobile Ad hoc Network，MANET）是由一系列具有移动无线收发能力的节点组成的自治网络***，具备自行组网、多跳通信等特殊能力。尽管存在拓扑变换频繁、无线信道不稳、链路带宽受限以及计算存储资源紧张等特点，但是由于MANET网络不依赖于任何固定基础设施即能正常工作，具有良好的移动性、自组性和抗毁性，且相对传统有线网络部署便利、成本低廉，在军事战场、灾难救援以及民生、商业等领域具有广阔的应用前景，由此成为近年来的研究热点。

MANET网络通信的核心在于高效的多跳路由判断，而按需（On-demand）路由（亦称为反应式（Reactive）路由）则是非常经典而重要的一类MANET路由方法。按需路由有别于传统有线网络路由方法，当且仅当有应用数据传输需求时，才会寻找去往目的地的最优路径。这一特性使得按需路由可以灵活地适应各类MANET拓扑变换场景，且相比反应式路由，能有效减小路由协议维护所需的通信载荷。经典的MANET按需路由方法有DSR（Dynamic Source Route，参见RFC4721）、AODV（Ad hoc On-demand Distance Vector，参见RFC）等，它们具有相同的路由发现过程。

以DSR协议为例，考虑一个四节点的简单演示场景，即源节点S与目标节点T不在相互信号覆盖范围内，但可通过中间节点（Intermediate Node）IN1和IN2实现多跳通信。图1展示了该场景中S与T通信的基本过程：

1）由于S没有去往T的路径信息，于是S首先以广播方式向所有邻居节点发送RRQT（Route Request，路由请求）。

2）当RRQT被中间节点转发时，中间节点将本地节点的地址标识信息记录于RRQT报文中，从而形成源路由。图1示例中，RRQT在途经中间节点IN1和IN2的中继转发之后最终到达目的地T，并带来始于源节点的源路由信息（S, IN1, IN2）。

3）T随后根据RRQT生成RREP（Route Reply，路由回复），并以单播方式将完整的源路由（S, IN1, IN2, T）回送给S。

4）S收到RREP后，根据RREP获取确定的路径信息后即可封装发送缓存的数据报文。在这里，DSR采用的基本方法是让数据报文携带源路由信息，故数据报文将严格按照源路由指定路径逐跳转发，直至目的地（参见图1）。

如果简单以 <报文类型，目的节点标识，源节点标识，（源路由）> 四元组形式表示报文信息，则以上过程还可描述为以下形式（参见图2，->*代表数据链路层广播）。该描述方式中，源、目的节点标识与源路由信息中的源、目的节点标识存在冗余，实际协议设计时，可考虑对部分报文的源路由信息进行简化处理，如< RRQT, T, S (S, IN1) >实际上可描述为< RRQT, T, S, (IN1)>。

过往MANET研究中，习惯采用成熟的WLAN IEEE 802.11协议DCF（Distributed Coordination Function）工作模式作为底层无线通信协议工作方式；同时，MANET作为无需基础架构设施的特定网络类型，也通常与采用基础架构设施的WLAN一道，被作为接入Internet的无线终端网络形态。尽快MANET与WLAN联系密切，但是尚未有关于WLAN与MANET融合的相关研究。

典型MANET应用场景通常具有以小组为单位进行机动的基本特征，这在军事战场、紧急救援等场景中表现尤为突出。此类成建制分组的MANET应用场景中，即时通信的需求量较大，且同一小组内部成员通信频繁，具有相同的机动特征，相互间通信距离总是保持在相对固定的较小范围之内。因此，每一组可抽象为MANET网络中的单一节点。若将组内部通信与组间通信区分开来，则必将有效减少MANET路由协议整体开销，提升网络整体性能。

MANET分簇机制是一种传统的解决思路，但是由于实际应用中，小组成员往往相对固定（如战场部队建制），考虑到通信效率及安全等因素，簇内成员随拓扑变化而变化的分簇方式显的过于松散。

发明内容

为解决上述现有技术不能适应成建制分组的MANET典型应用场景，本发明重点考虑以WLAN作为终端网络，而将MANET作为承载网络，提出了一种支持WLAN跨越MANET实施融合通信的网络体系架构，同时，本发明为解决现有技术不能有效支撑WLAN跨越MANET通信，不能实现融合网络全网互联互通的技术问题，提出了支持WLAN跨越MANET实施融合通信的网络体系架构的按需路由方法，本方法可以有效支撑WLAN跨越MANET通信，实现融合网络全网互联互通。

本发明是通过采用下述技术方案实现的：

一种支持WLAN跨越MANET通信的融合网络体系架构，其特征在于：承载网由MAR组成，同时每一个MAR作为AP支撑一个WLAN分组，组内通信采用IEEE 802.11 PCF模式；组间通信通过MAR构建的MANET网络实现，所述的MAR是指：在此网络体系结构中，节点除各自作为AP（Access Point）管辖一个WLAN外，同时也是MANET中的一员，实现全网移动多跳自主通信，在此，将所述的节点命名为MAR（Mobile Ad hoc Router），所述的AP是指Access Point。

支持WLAN跨越MANET通信的融合网络体系架构的按需路由方法，其特征在于：融合网路中的节点通信需求可分为以下六类：

A、MAR节点之间的通信；

B、WLAN内部不同WLAN节点之间的通信；

C、本地WLAN节点与本地MAR节点之间的通信；

D、本地WLAN节点发起的与非本地MAR节点间的通信；

E、本地MAR节点发起的与非本地WLAN节点间的通信；

F、本地WLAN节点发起的与非本地WLAN节点间的通信；

其中，A类通信即纯MANET网内通信，由传统按需路由协议支撑；B、C类通信属于WLAN内部通信，由IEEE 802.11协议支撑；D、F类通信由WLAN内部节点发起，须由对应MAR节点代发RRQT；而E类通信虽由MAR节点发起，但目标为非本地WLAN节点，其RRQT处理流程与F类通信对于RRQT的处理流程相同。

本发明更优的技术方案是：在RRQT和RREP中增设WLAN子网掩码字段。从而对上述方案进行优化，使得MAR可以识别外部WLAN子网。

与现有技术相比，本发明所达到的技术效果如下：

1、通过采用WLAN跨越MANET通信的融合网络体系结构，基于成熟高效且易于获取的WLAN技术组件，可以对传统MANET平面网络进行简易方便的层次划分，很好地适应MANET实际应用场景中成建制分组的实际需求。

此类成建制分组的MANET应用场景中，即时通信需求量较大，且小组内部成员通信频繁，具有相同的机动特征，相互间通信距离总是保持在相对固定的较小范围之内。通过在组内采用成熟高效的WLAN技术，可以有效减少MANET路由协议整体开销。特别是由于WLAN内部采用IEEE 802.11 PCF工作模式，相对于传统MANET研究所采用的IEEE 802.11 DCF工作模式，对于时延敏感的服务能提供更有效的支持。

2、通过本方案提出的融合网络按需路由协议，可以克服传统MANET按需路由协议在融合网络中难以支撑全网互联互通的问题，有效支撑WLAN跨越MANET通信。且通过对融合网络按需路由协议的优化处理，可以有效减轻融合网络中MAR节点代WLAN节点发起的路由广播请求，同时有效减少MAR的源路由存储数量。

附图说明

下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，其中：

图1为现有技术中以DSP协议为例的该场景中S与T通信的基本过程示意图

图2为图1中描述形式图

图3为本发明WLAN over MANET融合网络简单示意图

图4为基于简单网络示例的D类通信基本过程示意图

图5为基于简单网络示例的E类通信基本过程示意图

图6为基于简单网络示例的F类通信基本过程示意图

图7为WLAN over MANET融合网络一般性示意图

图8为优化后的D类通信过程示意图

图9为优化后的E类通信过程示意图

图10为优化后的F类通信过程示意图

图11为对图3所示的融合网络进行仿真测试的示意图。

具体实施方式

实施例1

MANET分簇机制是一种传统的解决思路，但是由于实际应用中，小组成员往往相对固定（如战场部队建制），考虑到通信效率及安全等因素，簇内成员随拓扑变化而变化的分簇方式显的过于松散。本技术主要考虑采用WLAN与MANET融合的方式来获取网络整体性能的突破（参见图3）。以成熟的WLAN作为终端网络，不仅适应于实际应用中的分组建制需求，且能为组内通信提供更为高效的服务；而以MANET作为承载网络，则可有效实现不同分组WLAN跨越MANET的移动多跳自组通信。

图3展示的是一个基于802.11 IBSS（Independent Basic Service Set）所构建的融合网络简单示例。在此网络体系结构中，节点A、B、C除各自作为AP（Access Point）管辖一个WLAN外，同时也是MANET中的一员，以实现全网移动多跳自主通信（在此，将诸如A、B、C这样的节点命名为MAR（Mobile Ad hoc Router））。显然，传统MANET按需路由算法并不能有效支撑该融合网络的全网互联互通，因为各WLAN节点并不参与MANET路由进程。如若WLAN节点A_1希望与C_2通信，则存在以下主要问题：

1）A_1本身并不会发起路由请求，只能依赖于对应网关节点A，由其代发RRQT；

2）即便A将A_1数据视为己出，激活路由发现进程，亦须重新定义RRQT报文内容，保证数据源端信息（即A_1节点地址标识）在路由请求过程中始终可见，以供目的节点选择性采信RRQT所带源路由；

3）中间MAR节点对于RRQT的处理流程必然不同于传统按需路由协议，在转发RRQT之前，至少需要检查RRQT是否以本地WLAN为目标网段。

4）即便A代A_1送出的RRQT顺利到达C，C对于RRQT的处理必然不同于传统按需路由协议，须考虑是否验证C_2是否活跃，并做出合适的RREP回复，以确保A_1稍候可以实现有效的数据传送。

以上问题均须通过设计合适的融合网络按需路由方法加以解决，以有效支撑WLAN跨越MANET的融合网络通信。

为此，为适应成建制分组的MANET典型应用场景，本方案提出了WLAN跨越MANET通信的层次化融合网络体系结构（体系结构示意图参见图3）。该网络体系结构中，承载网由MAR组成，同时每一个MAR可作为AP支撑一个WLAN分组。组内通信采用IEEE 802.11 PCF（Point Coordination Function）模式，具有成熟高效的应用特性；组间通信则通过MAR构建的MANET网络实现。

采用本方案提出的融合网络按需路由方法，可以有效支撑WLAN跨越MANET通信，实现融合网络全网互联互通。此类融合网路中的节点通信需求可分为以下六类：

A、MAR节点之间的通信；

B、WLAN内部不同WLAN节点之间的通信；

C、本地WLAN节点与本地MAR节点之间的通信；

D、本地WLAN节点发起的与非本地MAR节点间的通信；

E、本地MAR节点发起的与非本地WLAN节点间的通信；

F、本地WLAN节点发起的与非本地WLAN节点间的通信；

显然，A类通信即纯MANET网内通信，可由传统按需路由协议支撑（参见图1）。而D、E、F类通信则有所不同：D、F类通信由WLAN内部节点发起，须由对应MAR节点代发RRQT，它们的区别在于最后一跳MAR对于RRQT的处理方式不同；而E类通信虽由MAR节点发起，但目标为非本地WLAN节点，其RRQT处理流程与F类通信对于RRQT的处理流程类似。

本方案假定融合网络采用类似802.11的链路双向（bi-directional）通信协议，且全网节点均为安全节点。下面通过图3示例网络，分别就D、E、F类通信过程进行说明：

1）D类通信（假设本地WLAN节点A_1欲发起与非本地MAR节点C的通信）基本过程如图4所示：

A_1首先通过ARP（Address Resolution Protocol）协议获取网关节点A的MAC地址，随后将数据报文发送至A。A缓存A_1的数据报文，并代A_1发起寻路广播请求。虽然A负责生成RRQT并发送，但此RRQT并非源于A的需求，故RRQT携带的源路由起始节点为A_1，而非A。

随后的RRQT传输过程与传统MANET按需路由方法类似，只不过中间节点转发RRQT前须首先判断RRQT的目的地是否属于本地WLAN网络。

经过一系列中间节点的多跳广播，RRQT最终达到目的地C，C将自身节点地址标识***源路由末端，形成完整的路径信息，并将该信息通过RREP以单播方式回送给A。RREP回送过程中，中间节点均可通过源路由信息学习更新本地路由缓存。

A收到RREP之后，即可通过确定的源路由发送先前缓存的A_1数据报文。

2）E类通信（假设本地MAR节点A欲发起与非本地WLAN节点C_2的通信）基本过程如图5所示：

因为通信由MAR节点A发起，故A在缓存本地数据报后，可像传统MANET按需路由方法一样，生成源节点为自身的RRQT并广播发送。

中间节点对于RRQT的处理亦和D类通信场景一致，直至C收到RRQT。

C对于RRQT的处理不同于D类通信。虽然RRQT的目的地不是C，但属于C所辖WLAN，故C须首先验证目的WLAN节点C_2的可达性。本方案C采用简单的ARP协议来确认C_2是否可达，即发送ARP_RQT之后，若在指定时间收到ARP_REP，则认为目标可达（对安全有特定要求的场景亦可采用其他加密通信方案进行可达性验证）。

C确认C_2可达后，将C及C_2节点地址标识信息依次***到RRQT所带源路由的末端，构成完整的路径信息，并即刻生成RREP并以单播方式回送至A。RREP回送过程中，中间节点均可通过源路由信息学习更新本地路由缓存。

A通过RREP获取确定的路径信息之后，即可封装并发送先前缓存的本地数据报文，随后该报文最终由C解封装并通过WLAN转发至目标节点C_2。

3）F类通信。（假设本地WLAN节点A_1欲发起与非本地WLAN节点C_2的通信）基本过程参见图6：

同D类通信场景，A_1经ARP协议交互后将数据报文发送至A，A缓存该数据报文，并由A代A_1发起寻路广播请求（RRQT携带源路由信息同样须指明数据源为A_1，而非A）。

同E类通信场景，C在验证本地WLAN目标节点C_2 可达后，更新源路由信息，生成RREP，并以单播方式回送至A。RREP回送过程中，中间节点均可通过源路由信息学习更新本地路由缓存。

A通过RREP获取确定的路径信息之后，即可封装并转发先前缓存的A_1数据报文，随后该报文最终由C解封装并通过WLAN转发至目标节点C_2。

实施例2

在上述实施例的基础，本发明进一步优化后的实施方式为：以上内容描述的融合网络按需路由方法，已能有效支撑WLAN跨越MANET的融合网络全网通信。但是该方法存在一定弊端：若本地WLAN或MAR节点欲与同一外部WLAN内的多个节点进行通信，则须分别对这些目标WLAN节点发起路由请求，且本地MAR节点亦须对同一目标WLAN内的不同目标节点分别进行路径存储，从而形成大量存储冗余，这在大规模网络中将会严重影响路由查询效率。

以图3示意网络为例，若节点A_1分别和节点C_1和C_2通信，则须分别针对C_1和C_2发起路由请求，而C_1和C_2对应的MAR网关节点C将返回给A两条路径信息，分别为（A_1, A, B, C, C_1）和（A_1, A, B, C, C_2），显然，这两条路径除最后一跳外是完全一致的，均是沿路经A->B->C传送数据到节点C，最后由C进行WLAN网内数据分发。

因此，本方案考虑在RRQT和RREP中增设WLAN子网掩码字段，从而对上述方案进行优化，使得MAR可以识别外部WLAN子网。采用该方法，本地MAR对于去往同一外部WLAN多个目标节点的路径仅需存储1条，即仅需记录去往该WLAN的路径即可。从而减轻MAR路由缓存数量，减小路由发现需求，提高MAR选路效率。优化后的方案如下：

融合网络环境假定：

1）假定融合网络中存在n个MAR节点，记为Ni（1

Figure 2010105535300100002DEST_PATH_IMAGE001

）（参见图7）；其中，第k号MAR节点与且仅与第k-1及第k+1号MAR节点在相互信号覆盖范围之内（

）；每个MAR节点均作为AP节点管辖有1个WLAN，WLAN内部存在若干WLAN节点，记为Ni_Wj（1

Figure 2010105535300100002DEST_PATH_IMAGE003

），均与对应MAR在相互信号覆盖范围内。MAR节点Ni所辖W LAN子网掩码对应记为Ni_M。（参见图7）

2）WLAN采用IEEE 802.11 PCF（Point Coordination Function，根据IEEE 802.11 规范定义，PCF设计用于时延敏感类传输服务）功能模式，MANET则采用IEEE 802.11 DCF功能模式。

3）融合网络采用IPv4地址作为融合网络节点的身份标识，且所有节点均为安全节点。

报文内容格式定义：

1）DataTgtIp & DataSrcIp

Data Target IP & Data Source IP，即普通数据报文IP地址（IPv4）。

2）ArpTgtIp & ArpSrcIp

ARP Target IP & ARP Source IP，即ARP请求的目的及源节点的节点标识（均为IPv4地址）。

3）RqtTgtIp & RqtSrcIp

Request Target IP Address & Request Source IP Address，即按需路由请求的目的及源节点的节点标识（均为IPv4地址）；

RqtSrcIp特指发起通信需求的初始节点，即可能为WLAN节点或MAR节点。

4）SrcMask & TgtMask

Source Subnet Mask & Target Subnet Mask，即通信初始源端与目的端所在网络的子网掩码；

如若通信源端为WLAN节点，则SrcMask为该WLAN节点所在网络的子网掩码，如若通信源端为MAR节点，则SrcMask为空；

如若通信目的端为WLAN节点，则TgtMask为该WLAN节点所在网络的子网掩码；如若通信目的端为MAR节点，则SrcMask为空。

5）SrcRteHops

Source Route Hops，即源路由中每一跳的节点标识（IPv4地址串）；

RqtTgtIp及RqtSrcIp通常已经指明一条完整源路由信息的起始部分，故 SrcRteHops根据具体情况，通常仅包含一条完整源路由信息的中间节点部分。

6）ARP_RQT & ARP_REP

ARP Request & ARP Reply，即ARP请求与回复报文

7）普通数据报文

<Data, DataTgtIp, DataSrcIp>

8）携带源路由信息的数据报文

<Data, DataTgtIp, DataSrcIp, TgtMask, SrcMask, (SrcRteHops)>

9）ARP请求报文

<ARP_RQT, ArpTgtIp, ArpSrcIp>

10）ARP回复报文

<ARP_REP, ArpTgtIp, ArpSrcIp>

11）路由请求报文

< RRQT, RqtTgtIp, RqtSrcIp, SrcMask, (SrcRteHops)>

12）路由回复报文

< RREP, RqtTgtIp, RqtSrcIp, TgtMask, (SrcRteHops)>

网络通信过程描述（参见图7）。

1）D类（本地WLAN节点发起的与非本地MAR节点间的通信）

假定N_{1_}W₁->N_n，过程描述如图8。

2）E类（本地MAR节点发起的与非本地WLAN节点间的通信）

假定N₁ ->N_{n_}W₁，过程描述如图9。

3）F类（本地WLAN节点发起的与非本地WLAN节点间的通信）

假定N_{1_}W₁-> N_{n_}W₁，过程描述如图10。

显然，基于以上三类协议流程，可以有效保障本地WLAN节点与外部MAR节点之间、本地WLAN与外部WLAN节点之间以及本地MAR节点与外部WLAN节点之间的有效通信，实现WLAN跨越MANET通信的融合网络全网互联互通。

实验验证：

对图3所示的融合网络进行仿真测试，分别在三个WLAN中选中一个节点作为测试服务提供端，其余节点均设置为客户端，并在服务端与客户端之间随机选择通信对，采用FTP流量模型进行测试。同时对比测试具有相同拓扑结构的MANET平面网络（采用DSR协议）。实验结果证明，融合网络可以有效实现全网互联互通，且WLAN（PCF）跨越MANET融合通信网络相比MANET DSR网络具有更低的通信时延（delay）。

Claims

1.一种支持WLAN跨越MANET通信的融合网络体系架构，其特征在于：承载网由MAR组成，同时每一个MAR作为AP支撑一个WLAN分组，组内通信采用IEEE 802.11 PCF模式；组间通信通过MAR构建的MANET网络实现，所述的MAR是指：在此网络体系结构中，节点除各自作为AP管辖一个WLAN外，同时也是MANET中的一员，实现全网移动多跳自主通信，在此，将所述的节点命名为MAR，所述的AP是指Access Point。

2.根据权利要求1所述支持WLAN跨越MANET通信的融合网络体系架构的按需路由方法，其特征在于：融合网路中的节点通信需求可分为以下六类：

A、MAR节点之间的通信；

B、WLAN内部不同WLAN节点之间的通信；

C、本地WLAN节点与本地MAR节点之间的通信；

D、本地WLAN节点发起的与非本地MAR节点间的通信；

E、本地MAR节点发起的与非本地WLAN节点间的通信；

F、本地WLAN节点发起的与非本地WLAN节点间的通信；

3.根据权利要求2所述的支持WLAN跨越MANET通信的融合网络体系架构的按需路由方法，其特征在于：在RRQT和RREP中增设WLAN子网掩码字段。