IPv6 移动ad hoc网络与Internet互联中的网关发现

前言

Ad hoc是一种特殊的无线网络应用模式，是由两个或者多个具有无线通信能力和组网能力的设备组成的集合。这些通信设备可以与在它们通信范围之内或之外的另一个设备进行通信，无需通过接入点。

移动ad hoc网络主要有以下特点：单向链路，容量时变，带宽受限，易干扰，高误码率，高功率消耗，能量限制等。

Ad hoc网络为了实现连接性通常会出现节点与固定网络中的节点通信的需求。然而，以往的ad hoc路由协议通常只实现了在MANET（Mobile Ad-Hoc Network）内部的通信。要实现与Internet中的节点通信的需求，节点需要一个地址，这样它就可以从Internet上收到数据。这可以通过使用Internet 网关来实现。

Internet 网关是指为MANET中的节点提供Internet连接的路由器。这种路由器位于MANET的边界，有一个接口在MANET中，还有一个接口连接到Internet上。Internet网关将网关信息发送给MANET中的节点，节点可以从这些信息中了解Internet的连接性。网关消息中包括如下内容：Internet网关地址，网络前缀地址，生命期，网关的MANET地址等。网关将这些信息作为MANET路由协议或者邻居发现协议（NDP）的一部分发布出去。节点收到包含网关信息的网关通告(GWADV)后就可以发现Internet网关，前缀信息可以用来为节点配置IPv6地址。每个MANET节点管理网关信息。当节点收到GWADV，它更新相关的网关信息。如果网关信息过期，节点删除相应的网关信息。通过接收GWADV或通过网关请求(GWSOL)请求网关信息，节点可以在网关信息到期之前更新网关信息。MANET与Internet互联的网络结构如图1所示。

网关发现方法分析

在IETF的草案“Global cONnecTIvity for IPv6 Mobile Ad Hoc Networks”中提出了两种Internet网关发现的方法：一种是先应式网关发现方法，这种方法利用Internet网关周期性的发送网关通告给MANET中的所有节点；另一种方法是反应式网关发现方法，这种方法利用节点和网关之间的请求应答消息来获得网关信息。

MANET中有两种方法进行网关管理。一种是作为路由协议的一部分，在ad hoc网络内部使用信令协议来识别网关并且在网关注册。第二种方法是在移动IP中使用信令协议来识别可以提供网关服务的代理。这种方法更合适，因为它能够在不同的ad hoc路由协议上工作。移动IP在网络层提供连接性的同时，ad hoc路由协议在MANET网络内部提供连接性。

反应式网关发现(Reactive)

反应式网关发现由MANET中的节点发起请求来发现网关或者更新网关信息。节点在需要进行Internet连接时开始按需网关发现，节点广播网关请求(GWSOL)到网关多播地址ALL_MANET_GW_MULTICAST。中间节点收到GWSOL后继续广播该请求。网关在收到请求后单播GWADV到发起请求的节点，移动节点可以从GWADV中获得前缀等信息。

MANET中的节点有两种方法可以请求网关通告消息(GWADV)。
a)对任一反应式ad hoc路由协议，可以使用路由协议中定义的控制信息来请求和通告网关信息。因为这些反应式路由协议适用请求--应答方式进行路由管理。可以在原有的路由协议中加入新的控制信息或者选项来处理网关信息而不影响现存的路由协议。这种修改了的路由请求称作GWSOL_M，对应的应答消息称作GWADV_M。节点发送GWSOL_M后从网关处收到包含Internet网关信息的响应GWADV_M。

b)使用邻居发现协议(NDP)路由器请求和路由器通告消息来获得网关信息。节点通过发送GWSOL_N到多播地址IGW_MCAST来请求GWADV_N。GWSOL_N是MANET中IPv6协议扩展用于请求网关信息的路由器请求消息。GWADV_N是Internet网关的响应消息。

反应式路由协议的优势在于只有当移动节点需要网关信息的时候才会发起网关发现，没有大量的洪泛信息。不利之处在于中继节点尤其是网关附近的节点负荷很大。

先应式网关发现(Proactive)

先应式网关发现是由Internet网关发起的。网关以ADVERTISEMENT_INTERVAL间隔周期性的发送GWADV来广播网关信息。所有在网关传送范围内的节点都可以收到这个通告。如果节点没有到达网关的路由，节点在收到网关通告后在路由表中产生一个记录。如果路由表中已经存在到达网关的路由，节点就更新到网关的路由记录。然后节点将GWADV转发到其传送范围内的其他节点。GWADV的传播取决于MANET路由协议。

先应式网关发现也有两种类型的消息：

a)基于MANET路由协议的控制消息将网关信息集合在控制信息GWADV_M中传输。控制信息预期能传送到MANET中的所有节点。控制消息是周期性的洪泛消息。任何洪泛机制都可以散布GWADV_M。

b)基于NDP的通告消息将网关信息包括在NDP的路由器通告消息（GWADV_N）中。任何洪泛机制都可以散布GWADV_N。网关周期性的散布GWADV_N。

MANET网络的资源很有限。在先应式网关发现中，网关信息周期性的洪泛到整个MANET网络，开销很大，将占用大量的资源。

混合式网关发现(Hybrid)

为了减少先应式网关发现和反应式网关发现的不足，可以将这两种方法结合起来。在Internet网关附近一定范围内的节点使用先应式网关发现，在这个范围之外的节点使用反应式网关发现来获得网关信息。

在距网关跳数为ADVERTISEMENT_ZONE的范围内，网关以ADVERTISEMENT_INTERVAL间隔周期性的发送GWADV来广播网关信息。在网关传输范围内的所有节点都可以收到GWADV。如果节点没有到达网关的路由，节点在收到GWADV后在路由表中产生一个记录。如果路由表中存在到达网关的路由，节点就更新到网关的路由记录。然后，节点将GWADV转发到其传输范围内的其他节点。

在ADVERTISEMENT_ZONE 范围之外的节点如果要获得网关信息，节点就广播网关请求(GWSOL)到网关多播地址ALL_MANET_GW_MULTICAST。中间节点收到GWSOL后继续广播。网关在收到请求后单播GWADV到发起请求的节点。源节点收到GWADV后可以从中获得Internet网关信息。

仿真环境

我们通过仿真对先应式网关发现，反应式网关发现，混合式网关发现进行比较。

MANET内有15个移动节点，2个网关，分布在800m 500m的矩形区域内。仿真时间为900秒。网络内采用AODV路由协议。采用恒定比特率发送数据分组，分组大小为512个字节，发送间隔0.2秒。移动节点的运动速度为10米/秒。

主要的性能判矩如下:

a)分组传送率：目的节点接收到的分组数与源节点发出的分组数之比。

b)端到端时延：目的节点收到分组的时间与源节点发出该分组的时间之差。

c)系统开销。

仿真结果

1)ADVERTISEMENT_INTERVAL在2~60秒之间变化时，分组传送率的比较。
从图2中可以看出，三种网关发现方法的分组传送率都比较高，在99.7%以上。其中混合式网关发现和先应式网关发现比反应式网关发现的分组传送率略高。这是因为在混合式网关发现和先应式网关发现中，Internet网关周期性地广播网关信息，节点可以较快的更新路由，这样就减少了因为路径断开没有及时更新路由造成的分组丢失。随着广播间隔的增大，混合式网关发现和先应式网关发现路由更新的频率减小，因此分组传送率也略有所下降。反应式网关发现是由源节点发起路由更新，路由更新与广播间隔无关，所以分组传送率不随广播间隔变化，在图中看到的就是一条直线。

2)ADVERTISEMENT_INTERVAL在2~60秒之间变化时，端到端时延的比较。
从图3中可以看出，反应式网关发现比先应式网关发现和混合式网关发现的端到端时延要大。这是因为在反应式网关发现中，路径断开之前源节点一直使用原有路由到达网关，而由于节点的运动此路由不一定一直是短的。在混合式网关发现和先应式网关发现中，Internet网关周期性地广播网关信息，节点可以较快的更新到达网关的短路由，因此先应式网关发现和混合式网关发现比反应式网关发现的端到端时延要小。随着广播间隔的增大，混合式网关发现和先应式网关发现路由更新的频率减小，因此端到端时延略有增加。反应式网关发现是由源节点发起路由更新，路由更新与广播间隔无关，所以端到端时延不随广播间隔变化，在图中看到的就是一条直线。
3)ADVERTISEMENT_INTERVAL在2~60秒之间变化时，系统开销的比较。
从图4中可以看出，反应式网关发现比先应式网关发现和混合式网关发现的系统开销要小。特别是在广播间隔较小时，反应式网关发现的开销要小得多。这是因为在混合式网关发现和先应式网关发现中，不管源节点是否需要连接到Internet，网关都会周期性地广播网关信息，因此系统开销较大。随着广播间隔的增大，混合式网关发现和先应式网关发现广播消息的频率减小，系统开销因此下降。反应式网关发现是由源节点发起路由更新，所以系统开销不随广播间隔变化，在图中看到的就是一条直线。
结论

从上面的分析比较中可以看出，先应式网关发现和混合式网关发现的分组传送率和端到端时延都比反应式网关发现要好，而反应式网关发现比先应式网关发现和混合式网关发现的系统开销要小。我们可以根据系统性能的要求选择不同的网关发现方法。

Internet网关可以提供MANET与Internet连接的方法，可以有效的解决两种网络之间相互访问的问题，适应未来多种网络的融合和无处不在的网络特点。