专利名称：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(WirelessLocal 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^ternet无线接入服务，是当前应用最为流 行的^ternet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系统，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 )、A0DV (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) INl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mi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，INI, IN2)。
3) T随后根据RRQT生成RREP (Route R印ly，路由回复)，并以单播方式将完整的 源路由(S，INI, 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, INl) >实际上可描 述为 < RRQT, T, S, (INl) >。
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 —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。
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2为图1中描述形式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。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 kt)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)即便六将々_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_l， 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 插入源路由末端，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插入到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 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々_1，而非A)。
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。
同E类通信场景，C在验证本地WLAN目标节点(_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(Α_1，Α, B, C, C_l)和(A_l，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η个MAR节点，记为Ni(1 si n)(参见图7)；其中，第k号 MAR节点与且仅与第k-Ι及第k+Ι号MAR节点在相互信号覆盖范围之内(1 < k Cn )；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<丨)，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 & DataSrcIpData Target IP & Data Source IP，即普通数据报文 IP 地址(IPv4)。
2) ArpTgtIp & ArpSrcIpARP 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 & RqtSrcIpRequest Target IP Address & Request Source IP Address，艮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 & TgtMaskSource 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) SrcRteHopsSource 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_REPARP Request & ARP R印ly，即ARP i青求与回复报文7)普通数据报文<Data, DataTgtIpj 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,10)ARP回复报文 <ARP_REP, ArpTgtIp,11)路由请求报文<RRQT, RqtTgtIp,12)路由回复报文<RREP, RqtTgtIp,ArpSrcIp> ArpSrcIp> RqtSrcIp, SrcMask, (SrcRteHops)>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N1-W1-Mn,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 ONn 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N1W1-) Nn 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)。
权利要求
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；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。
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。
全文摘要
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。
文档编号H04W84/12GK102035730SQ201010553530
公开日2011年4月27日 申请日期2010年11月22日 优先权日2010年11月22日
发明者吴荣泉, 张翔, 汪文勇, 田晓霞, 黄鹂声 申请人:中国电子科技集团公司第三十二研究所, 电子科技大学