论文研究-无线Mesh网中基于OLSR协议的区域移动性网络端管理方案 .pdf

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无线Mesh网中基于OLSR协议的区域移动性网络端管理方案,何炬,,为使移动用户在切换无线Mesh网络中不同的WLAN接入点时,不会因为接入点和终端IP地址的变化而失去原有端到端数据连接,提出了一个涵��
山国武技论文在线 http://www.paper.edu.cn 在OLSR协议中,各节点闩需要周期性地交换各种控制信息,通过分布式计算来更新和 建立自己的网络拓扑图。与LSR( Link State routing Protocol)的 flooding机制不同的是, OLSR中只有被邻节点选为多点中继站( Multipoint relay,MPR)的节点才会转发邻居节点 的控制信息。并且只有MPR节点被用作路由选择节点,非MPR节点不参与路由计算。 WMN主干网主要利用OLSR的两种控制分组来建立拓扑: HELLO分组和TC( Topology Control)分组。 HELLO分组用来侦听邻居节点的状态和无线链路的对称性,建立邻居表, 计算该节点的MPR。它只在一跳的范围内广播,不能被转发。与之相反,TC分组必须通过 MPR机制被广播给所有Mesh路由器。在TC分组中包含了将该节点选为MPR的邻居节点 的信息,其它节点根据收到的来自各个邻居节点的TC分红来计算出WMN二层拓扑。 32HNA消息 由于WMN网络存在第三层用户层,所以MAP除需要计算 MANET路由表之外,还需 要维护本地用户接入信息,并且将这些信息同样通过MPR机制广择到 MANET全网。所以, 除了 HELLO分组和TC分组之外,MAP还将定期广播MID( Multiple Interface Declaration)分 组和HNA( Host and Network association)分组,分别用于向其它路由器通知自己的 MANET 接口和非 MANET接口。 HNA消息列举了MAP木地非 MANET接口下所接入的用户地址列表。Mesh网络中的 路由器在收到一个HNA消息后,会将HNA消息中的用户地址列表与其对应的网关地址(即 MAP连接了网的非 MANET接∏)成对添入内核路由衣,实现绑定。之后,如果它们接受 到目标地址存在于该用户地址列表中的数据包,就会把它(多跳的)转发到该网关接口对应 的MAP,从而发送给用户终端。 MANET Interface: 2.2 2.2 Data to192.168.2.101 Gateway Interface: 192.168.2.1 MAP2 (l) Before HNA MAP1 (3)Aftcr HNA MHIP:192.168.2.101 User subnet MH Gatewav: 192.168.3.1 MANET Intcrfacc: 3.3.3.3 MAP3 Gateway Interface: 192.168.3.1 User subnet 图2OLSR协议HNA消息原理 如图2所小,目标为192.168.2.101的数据包原木被MAPl转发全MAP2,再由MAP2 发送给其用户子网中的终端。当MAP1收到图示MAP3发送的INA信息后,会将 192.168.2.101与网关192.1683.1添加到内核路由表,同时通过查询OLSR协议的HNA路由 表找到192.168.3.1对应的 MANET接口地址33.3.3,从而将转发目标重定向为MAP3 山国武技论文在线 http://www.paper.edu.cn 问题的提出 4wMN中的终端用户移动及问题 MAP CN CN Mesh backbone MAP MH OLD MAP MH NEW MH movc > old data path > new data path 图3MH在WMN网络中移动切换小意图 图3描述了移动终端MH( Mobile host)在WMN中进行跨局域网移动的过程。移动前, MH位于 MAP MH OLD的子网内,和MH保持端到端连接的是通过 MAP CN接入WMN 的终端 CN (Correspondent nodo)MH与CN之间的数据通过各自的网关 MAP MH OLD和 MAP CN,在WMN主干网上以单跳或多跳的方式进行转发。 当MH移动出原网关的无线覆盖范围之后,它会自动搜索到新的Mesh路由器 MAP MH NEW。按照标准的WLAN接入方式, MAP MH NEW会按照标准802.11协议 为MH提供无线接入,通过DHCP为其分配新的P和网关地址,最后根据OLSR路由协议 在木地用户列表中添加MH的地址,将其纳入木地子网。而 MAP MH OLD则会在用户列 衣中删除MH的信息,从而完成次WMN下的用户域间移动切换过程。但是,这样来, MH的P会随着每次移动带来的MAP切换而改变次,原先的端到端连接MNCN会因 为MH的移动而失效 42现存方案的不足 4.2.1 Mobile ip hawall. cellular ip 几种常见的包含用户终端的全局移动管理协议,如ITF提出的 Mobilc ip标准,以及 HAWAIL和 Cellular ipl,它们的共同点是都需要增加独立的功能实体,如 Home Agent(HA) 以及 Foreign Agent(FA)等,并且定义了额外的基于终端的协议流程来实时记录和更新终端 地址。如果将此类策略应用于WMN,则同样需要在类似 MANET K络的Mesh主干中添 加史高层的集中控制功能实体,这与WMN简单的组恻模式相违背,并且使WMN的多接 口路由计算复杂化。更重要的是,除802.11协议之外,终端若想接入WMN,需要扩充IP 山国武技论文在线 http://www.paper.edu.cn 协议栈,这将使WMN易组网、易扩展的特性大打折扣。 4.2.2Ant 与以上移动管理方案不同的是一种纯粹的 NETLMM方案Ant8,它提出并实现了单单 在网络端对用户进行Mesh路由器切换的支持,同时无须用户终端修改协议,仅攴持802.11 即可 首先,在切换触发方式上,与 Mobile lh等方案主动进行网络层用户状态轮询不同,Ant 通过被动的接收wiFi终端发送的MAC层 Association de- association请求米触发网络端切换 流程。之后,通过DHCP应答实现MH在网段间切换后维持I地址不变,从而省去了终端 上的IP地址相关操作,将保存和追踪终端I地址笭操作移交Mesh路由器完成ε这样一来, 终端协议流稈得到了简化。另一方面,Ant借助在Mesh路由器上的数据缓存和隧道(P Tunnel),将抵达 MAP MH OLD的数据包转发给 MAP MH NEW,进而雨送交MH,这为 在切换时间內到来的数据提供了临时数据通路,有效避免了丟包情况 但是,由于Ant中未对现有Mesh恻终路由协议流程做出改进,仍然采用标准OLSR协 议,使得各个Mesh路由器都尢法同时获知终端移动前后所属的网关地址,就没有办法将移 动前后的各个终端对应起来,所以不得不增加一个独立的主千层位置服务器( Location Server)米随时记录和查询每一个接入WMN的终端的P地址和所在网段地址。另一方面 由于隧道技术需要一个额外的IP包头,一般为每个包增加20个字节,所以增加了额外的协 议开销,众多隧道的存在将在一定程度上降低网络传输能力 总体来讲,基于网络的Ant成功实现了针对通信中用户移动的网络端支持,将用户端的 额外开销减少为零。但是,它相对独立的拓扑设计和数据流稈难以融入WMN网络,对WMN 简易的网络拓扑结构和系统开销都会造成不利影响,所以在一定程度上将制约WMN网络容 量的进一步提升。 5.基于OLSR路由协议的 NETLMM解决方案 5.1核心思想 木方案的核心思想通过在切换前后的Mesh接入点上进行分布式消息处理,保持切换后 移动终端的地址不变,使原有数据连接不中断。同时,利用HNA机訇,在移动用户切换 MAP时,根据终端与MAP的地址动态生成HNA消息,并进行全网八播,使切换后的 数据包可以通过OLSR路由默认转发规则被正确转发到新接入点,从而在网络端完成用户数 据不中断的接入点切换。 这种纯粹基于网络的、通过路由协议实现的终端移动管理思想,使之前的一些解决方案 中的集中控制实体(如代理、位置服务器等)的功能分布化于每一个Mesh路由器当中,让 WMN主干层依然保持 MANET无中心的拓扑模式。 52消息流程 首先需要说明,在研究MH移动切换过程时,可以假设CN是固定不移动的。因为在二 者都处于移动切换状态时,可以看作是网络两端分别在进行区域移动管理,互相并无影响 所以以下只讨论CN至MH方向数据 山国武技论文在线 http://www.paper.edu.cn MH MAP MH OLD MAP MH NEW MAP CN N data data data De association Broadcast with MH IP Associat Re allocate MH IP Update HNA Route HNA with MH旧 HNA with MH IP Update HNA Route Data during handover Data during handover Re calculate Route data data dat 图4用户移动管哩的络端消息流程图 在MII与CN之间存在数据通信时,MH从原MAP断开,并接入到新MAP的过程 称为一次切換过稈。如图4所示,在切换时,作为支持WLAN标准协议的接入点, MAP MH OLD与 MAP MH NEW会先后收到MH发来的MAC层断开请求De- association 和接入请求 Association,从而得以触发各自的消息流程。 MAP MH NEW首先从 MAP MH OLD获取MH原先的IP地址,把它添加入本地HNA 路由表,并将这个IP地址作为DHCP协议应答冉次送给MH,使MH在切换后侏持恒定的 IP地址。之后,由 MAP MH NEW分别向 MAP MH OLD和 MAP CN发送个指明MH 的P地址与本地网关地址的HNA消息。 MAP CN收到消息后,自动重新计算路由衣,开 始将 MAP MH NEW改为目标,转发CN至MH的数据。而 MAP MH OLD收到HNA消 息后,则可以把在 MAP CN计算路由的这段延迟时间内到米的数据转发给 MAP MH NEW, 避免切换所造成的丢包。 待 MAP CN完成路由表更新后,原MHCN连接就完成了一次MAP切换。由于双方终 端的IP地址不变,切换前后该连接不会中断,是完全对用户透明的。 5.3实现环境 采用 Fedora Core5系统作为开发平台,以OLSR开源项目ν为基础对路由协议进行改进 54实现方法 (1)接收 Association/ De-association请求 通过 olsr register scheduler even(接口函数(见接口描述部分)注册 Linux netlink Socket,监听并接收米自用户终端的接入请求。断开请求De- association到来时,MAP启动 图4的 MAP MH OLD协议流程,从请求中获取终端I地址,并将其打包成MIP分组进 行广播,通知邻居节点。而收到接入请求 Association的MAP同样从中提取终端IP地址, 将其与之前收到的MHIP分组进行比较,如果匹配则启动 MAP MH NEW协议流程。 山国武技论文在线 http://www.paper.edu.cn (2)MHP分组定义 HEADE+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ I Message Type I vtime Message size +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ ¥1 inator Address I Time To Live Hop Count Message sequence Number BODY+-+ MESSAG +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ +-+-+-+-+-+ 图5OLSR基木消息结构 如图5,一个OLSR控制消息通过 Message Type'字段指定消息类型。现有类型共四种, 分别为 HELLO、TC、MID、HNA。现增加一个新的“MHIP消息,用于 MAP MH OLD向 MAP MH NEW发送MH的IP地址,“ MESSAGE”字段保存该IP地址。 MAP MH OLD由于在发送MHIP时无从得知MH切换到了哪个MAP,所以无法指 定日标地址,只能以广播的形式,即作为控制信息向外发送MHIP分组 MHIP采用与 HELLO分组一样的转发策略,即只广播给一跳范围内的邻居节点,不能 破转发,因为用户终端只可能切换到与当前接入点相令的MAP (3)基于OLSR- Plugin的实现机制 LSR-Plugin1是一种位于OLSR后台程序与其它应用程序或服务流程之间的接口,可 以看作是在OLSR后台程序运行时动态加载的动态链接库。 在数据传输方面,如图6, OLSR-Plugin可以将本地的数据(如MIIP,HNA)或通过 IPC( nterprocess Communication)接收到的来自其它程序的数据,利用现有OLSR路由算法 对外进行广播;在协议流程方面,它可以在接收到特定类型数据包后进行补充处理,完成在 原协议状态机的基础上对特定服务的扩展。 为了增强方案的可移植性,同时降低设计难度,本方案通过开发独立的 OLSR-Plugin 对OLSR协议进行扩展,而个对其现有流程及相应实现代码做任何修改。扩展部分主要包括 MHIP分组和HNA史新策略 Local machine oLsR daemon Application/serviceIPC that uses broadcast MPR flood 声t MANET 佟6 OLSR-Plugin借助OLSR路山算法向 MANET广播护展服务的数据包 7 山国武技论文在线 http://www.paper.edu.cn (4)重要数据接冂 OLSR-Plugin通过实现以下OLSR提供的接口函数明来向其注册或与其交换数据: int(* olsr plugin io)int,void*,sict),获取OISR中的变量或函数指针; int register olsr data( (struct olsr plugin data*data),在OSR中注册OIsR- Plugin的变量 void (olsr parser add function)(void ((union olsr message s, struct interface s, union olsr ip addr*)int,int),在OISR中注册OISR- Plugin的数据包解析器 int(* olsr register scheduler event)(void(*)O), float, float, olsr u8t*),在OLSR中注册 OLSR-Plugin的事件侦听函数,并在每次OLSR主调度函数轮询时自动执行一次; void olsr calculate hna routes(,更新HNA路由表。 6.结束语 NETLMM由于无需用户端额外的协议栈支持,所以使网终在用户管理方面具有很强的 适应性,是现今网终发展的目标之一。本文针对WMN中移动终端在域间切换所造成的原有 数据连接失效的问题进行了分析和讨论,结合WMN及OLSR路由协议的特点,提出了 个网络端解决方案,并在Ant的部分基础上采用 OLSR-Plugin模式设计了实现方法。方案在 不提高Mesh恻络拓扑复杂度的前提下,增强了OLSR协议对WMN用户层的管理功能。 参考文献 [I J. Kempf. IETF RFC 4830. Problcm Statcmcnt for Nctwork-Bascd Localized Mobility Managcmcnt ( NETLMM)「S.2007 Kempf IETF RFC 481 Goals for Network-Based Localized Mobility Management(NETLMM)[S. 200)7 R. Bruno, M. Conti, E. Gregor. Mesh networks: Commodity multihop Ad Hoc networks [J]. IEEE Com Mag, 2005,43(3):123-131 T Clausen, P Jacquet. IETF RFC 3626 Optimized Link State Routing Protocol (OLSR)[S]. 2003 5 C. Perkins. IETF RFC 2002. IP Mobility Support s]. 1996 [6 R. Ramjcc, T. La Porta, S. Thucl, ct al. HAWAll: A Domain-bascd Approach for Supporting mobility in Wide-Area Wireless Networks. In Proc. of Icnp'99 1999 [7 A Campbell,. Gomez, S.Kim, et al. Design, Implementation and Evaluation of Cellular IP. IEEE Personal Communications. 2000 [8]Hui Wang, Quan Huang, Yong Xia, et al. A Network-Based Local Mobility Managenent Scheme for Wireless Mesh Networks. WCNC proceedings, 2007 [91 Andreas Tonnesen. Impementing and extending the Optimized link State Routing Protocol [D Oslo: UniK University graduate Center. University of oslo, 2004 [10]Andreas Tonnesen, Andreas Hafslund, Oivind Kure. The Unik-OLSR plugin library. 2004 A Network-based localized mobility Management scheme for Wireless mesh Network Based on OlsR He ju School of Computer Science and Technology, Beijing University of Post and Telecommunications Beijing(100876 Abstract To cover user mobility management in mesh backbone, a NetlmM scheme based on Olsr protocol for wireless mesh network is presented here. Keeping IP unchanged, it makes user able to maintain current peer-to-peer data link after a handover between mesh routers. Basically, new messages, e. g MHIP and HNA, are used for the scheme through an interface implemented for OlSr called OLSR-Plugin. Mobile hosts do not have to upgrade their softwares before benefit from this scheme Keywords: WMN, NETLMM, OLSR, HNA

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