一种应用于Ad‑hoc网络的IP地址动态分配方法与流程

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种应用于Ad-hoc网络的IP地址动态分配方法。

背景技术：

Ad-hoc网络是一种没有基础设施支持的网络，具有自组性和机动性。随着移动技术的不断发展和人们日益增长的自由通信需求，Ad-hoc网络在军用、民用、商用等多方面得到了快速的发展和普及。

目前网络IP地址动态分配普遍采用集中式分布，网络中各节点向网络中心设备申请IP地址，由中心设备给网络中各节点动态分配IP地址。集中式动态分配IP地址一旦中心设备遇到故障，整个通信网络都不能正常工作，增加了网络不稳定性。Ad-hoc网络是无中心、自组织网络，采用集中式动态分配IP地址不适用于Ad-hoc网络，且网络普遍利用IP地址唯一性，把IP地址作为网络中节点的标识。在为新加入网络节点分配IP地址时，为确保IP地址在全网络的唯一性，要对IP地址进行重复地址检测，这样极大的增加了网络开销。

技术实现要素：

本发明提出了一种应用于Ad-hoc网络的IP地址动态分配方法，解决了Ad-hoc网络在高移动性情况下动态分配IP地址问题，增加了网络稳定性和可靠性，减小了网络开销。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下，一种应用于Ad-hoc网络的IP地址动态分配方法，包括以下步骤：

步骤一：IP地址分层；

步骤二：定义簇头和簇集；

步骤三：簇头建立及维护地址表；

步骤四：节点检测与周围节点的连通性；

步骤五：节点定期发送更新消息；

步骤六：动态分配IP地址。

进一步根据所述IP地址动态分配方法，步骤一中IP地址分层，IP地址包括网络号和主机号，网络号由子网掩码确定位数，前两位10.1是网络号，后两位0.0到255.255，为可用的主机号，其中网络号为L3层；若不考虑网络号，IP地址从右往左按照0的数量划分层，0的数目为n，即位于第n层，根据主机号，若最小的主机号0.0，则该节点划分为2层，若主机号是1.0到255.0，则该节点划分到1层，所有主机号不含0的节点为L0层节点；L0、L1、L2、L3分别表示0层、1层、2层、3层；若网络号是10.0，且子网掩码是255.255.0.0，IP地址为10.0.0.0的节点仍属于L2层节点。

进一步根据所述IP地址动态分配方法，步骤二中定义簇头和簇集，其中分配IP地址最高到L3层，从高层到低层依次为L3、L2、L1、L0，L0位于最底层，其中L3、L2、L1层中各节点都是簇头；L2层中的节点与L3的簇头相连接，组成簇集；L1层中的节点与L2的簇头相连接，组成簇集；L0层中的节点与L1的簇头相连接，组成簇集；簇头在与自己直接相连的节点中随机选取一个节点作为下属头节点，当簇头离开网络，下属头节点成为新的簇头，原有簇集中的节点连接下属头节点，即新的簇头。

进一步根据所述IP地址动态分配方法，步骤三中簇头建立及维护地址表，地址表中簇头下有255个可用的IP地址，无论这些IP地址是否分配给节点，这些IP地址在簇头的地址表中均存在；

若某个IP地址被分配给某一节点，则节点会发消息给簇头，消息内容包括该节点的MAC地址、最新进入网络时间，簇头接收到消息，在地址表中记录与IP地址相对应的MAC地址及节点发送消息的最新时间；

若IP地址分配给节点，则在簇头的地址表中有与IP地址相对应的MAC地址和最新进入网络时间，可判断该IP地址被分配，若某个IP地址没有分配给节点，则没有与IP地址相对应的MAC地址和最新进入网路时间，可据此判断IP地址未分配；

簇头维护地址表的过程是，复制地址表到下属头节点中，防止自己突然离开或出现故障，造成地址表信息丢失，定期接收簇集中节点的更新消息，更新地址表。

进一步根据所述IP地址动态分配方法，步骤四中节点检测与周围节点的连通性，不同层的节点检测与周围节点的连通性有不同的处理方法，具体方法如下：

L0层的节点周期性扫描周围节点，确保任一时间点上，至少和本簇集内一个节点连通，若一个节点发现它和本簇集中的任一节点没有连接，但和其它簇集中的节点有连接，则它会发出改变地址请求，请求连接到新的可达簇集上；

若没有任何节点与它相连，则它发出广播信令检查是否存在可用网络，若存在可用网络则加入这个网络，若不存在可用网络则初始化一个网络；

L1、L2、L3层的每个节点都会尽力保持和本簇集中至少一个节点连通，若这个节点失去了和本簇集节点的连接，则它会改变地址，连接到其他簇集并通知下属头节点，让下属头节点改变地址成为新的簇头。

进一步根据所述IP地址动态分配方法，步骤五中节点定期发送更新消息，在网络中所有的节点定期发送更新消息给本簇集簇头，以保证簇头中地址表信息是网络中节点的最新信息，释放离开网络的节点信息，保证簇头地址表信息都是最新的，更新消息广播信令都在发到本簇集内部，不会发到本簇集外部。

进一步根据所述IP地址动态分配方法，步骤六中动态分配IP地址，根据构建好的网络，对于节点加入网络时的动态分配IP地址，具体方法如下：

首先节点发出广播信令检查是否存在可用网络，若没有收到应答广播信令，则认为不存在可加入网络，选择一个网络号和子网掩码，初始化网络，初始化节点的IP地址为可用IP地址中最小的IP地址；

若收到应答广播信令，则该节点加入这个网络，该节点称为请求节点，请求节点通过分配器加入已存在的网络，分配器是网络中与请求节点直接相连的节点；若请求节点与该网络中已存在的多个节点直接相连，则请求节点选择最低层的那个直连节点作为它的分配器，分配器可以给请求节点分配IP地址；若分配器是K层节点，K为1或2或3，若有可用空闲IP地址，则自动给请求节点分配一个K-1层的IP地址，请求节点发送自己的MAC地址和最新进入网络时间给簇头，簇头更新地址表，记录与IP地址相对应的MAC地址和请求节点最新进入网络时间，若无可用空闲IP地址，则由上层节点为该请求节点分配可用空闲IP地址；若分配器是L0层节点，分配器发消息给L1层簇头，由L1层簇头为该请求节点分配可用空闲IP地址；若L1层节点有可用空闲IP地址，则L1层节点通知分配器有可用空闲IP地址并将IP地址发给分配器，分配器将IP地址发给请求节点，请求节点收到后将自己的MAC地址和最新进入网络时间发给分配器，分配器把请求节点的MAC地址和最新进入网络时间发给L1层节点，L1层节点更新地址表，发送完消息后将更新地址表给分配器，分配器接收到完成消息后，会给请求节点发送完成消息，分配IP地址过程结束；若L1层节点没有可用空闲IP地址，则由L2层节点为该请求节点分配IP地址，若L2层节点没有可用空闲IP地址，则由L3层节点为该请求节点分配IP地址，最终请求节点会得到可用的空闲IP地址。

进一步根据所述IP地址动态分配方法，步骤六中动态分配IP地址，根据构建好的网络，对于节点离开网络时的动态分配IP地址，在一个节点离开网络后，Ad-hoc网络有自愈能力，能够根据一定规则自动重组新的完整网络，节点离开有两种方式，通过退出机制离开和突然离开，具体方法如下：

若L0层的节点通过退出机制离开网络，则与该节点直连可达的节点通知簇头节点离开，簇头修改地址表，使退出网络的节点IP地址空闲可用；

若L0层的节点突然离开网络，每个L1层的节点定期接收来自本簇集L0层节点的更新，L0层节点突然离开，簇头接收不到来自离开节点的更新消息，门限值时间后簇头仍接收不到来自离开节点的更新消息，簇头会发送一个消息给离开的节点，若簇头没有收到回复，则认为这个节点已离开网络，释放该节点的IP地址使其可用；

若L1、L2、L3层节点通过退出机制离开网络，通知下属头节点它要离开，同步下属头节点中存储的地址表，簇头离开网络后，下属头节点改变IP地址成为新的簇头；

若L1、L2、L3层节点突然离开网络，下属头节点并不知道簇头已离开网络，直到网络中的节点不能联系到簇头，通知下属头节点簇头已离开网络，下属头节点确认簇头已离开网络，则改变IP地址成为新的簇头。

进一步根据所述IP地址动态分配方法，步骤六中动态分配IP地址，根据构建好的网络，对于查找网络中节点时的动态分配IP地址，具体步骤如下：

(1)在LK层，K为0或1或2，节点询问位于LK+1层簇头要查找的节点是否在本簇集内，若要查找的节点在本簇集内，则返回要查找节点的IP地址，若要查找的节点不在本簇集内，则簇头发送查找地址请求给同层的其他节点；

(2)同层其他节点收到查找地址请求后，查找本簇集内是否有要查找节点，若要查找的节点在本簇集内，则返回要查找节点的IP地址，若要查找的节点不在本簇集内，则请求节点的簇头发送查找地址请求给上层节点；

(3)上层节点收到查找地址请求并发送查找地址请求给同层其他节点，同层其他节点查找要查找节点是否在本簇集内，若要查找的节点在本簇集内，则返回要查找节点的IP，若要查找的节点不在本簇集内，则上层节点发送查找地址请求给它的上层节点，重复步骤(3)，直到找到要查找节点的IP地址或所有簇头均被访问完。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明通过采用不相交的地址池(可用的IP地址范围)分配唯一的IP地址，无需进行重复地址检测，极大的减小了网络开销；

2、本发明通过采用分布式动态分配IP地址，使网络不会因一个节点故障导致整个网络无法正常工作，增加网络可靠性；

3、本发明通过利用一个节点离开网络后，网络能够根据一定规则自动重组新的完整网络的自愈行为，使网络在节点离开网络后仍保持完整性。

附图说明

图1为本发明所述的一种应用于Ad-hoc网络的IP地址动态分配方法流程图；

图2为本发明所述方法中的IP地址动态分配示意图；

图3为本发明所述方法中步骤六查找网络中节点的流程图。

具体实施方式

针对现有技术的不足，本发明对所述一种应用于Ad-hoc网络中的IP地址动态分配方法，为使本发明所述的技术方案更加清楚明白，以下结合附图，对本发明所述方案作进一步详细说明，如图1所示，具体步骤如下：

步骤一：IP地址动态分配。

IP地址包括网络号和主机号，网络号由子网掩码确定位数。本发明所使用的IP地址均采用点分十进制表示。前两位10.1是网络号，后两位0.0到255.255是可用的主机号。网络号为L3层，若不考虑网络号，参考图2，IP地址从右往左按照0的数量划分层，0的数目为n，即位于第n层，根据主机号，若最小的主机号0.0，则该节点划分为2层；若主机号是1.0到255.0，则该节点划分到1层；所有主机号不含0的节点为L0层节点。用L0、L1、L2、L3分别表示0层、1层、2层、3层。若网络号是10.0，且子网掩码是255.255.0.0，IP地址为10.0.0.0的节点仍属于L2层节点。

步骤二：定义簇头和簇集。

参考图2中的IP地址动态分配示意图，所示圆圈为Ad-hoc网络中的节点，该圆圈里面的数字表示具有相同网络号的IP地址的主机号，网络号是10.1。本发明分配IP地址最高到L3层，从高层到低层依次为L3、L2、L1、L0，L0位于最底层，其中L3、L2、L1层中各节点都是簇头。L2层中的节点与L3的簇头相连接，组成簇集；L1层中的节点与L2的簇头相连接，组成簇集；L0层中的节点与L1的簇头相连接，组成簇集。簇头在与自己直接相连的节点中随机选取一个节点作为下属头节点，当簇头离开网络，下属头节点成为新的簇头，原有簇集中的节点连接下属头节点，即新的簇头。

步骤三：簇头建立及维护地址表。

簇头建立地址表，地址表中有簇头下255个可用的IP地址，无论这些IP地址是否分配给节点，这些IP地址在簇头的地址表中均存在。当某个IP地址被分配给某一节点，则节点会发消息给簇头。消息内容包括该节点的MAC地址、最新进入网络时间。簇头接收到消息，在地址表中记录与IP地址相对应的MAC地址及节点发送消息的最新时间。

若IP地址分配给节点，则在簇头的地址表中具有有与IP地址相对应的MAC地址和最新进入网络时间，可据此判断，IP地址被分配；若某个IP地址没有分配给节点，则没有与IP地址相对应的MAC地址和最新进入网路时间，可据此判断IP地址未分配。

簇头维护地址表的过程是，复制地址表到下属头节点中，防止自己突然离开或出现故障，造成地址表信息丢失；定期接收簇集中节点的更新消息，更新地址表。

步骤四：节点检测与周围节点的连通性，不同层的节点检测与周围节点的连通性有不同的处理方法，具体方法如下：

L0层的节点周期性扫描周围节点，确保任一时间点上，至少和本簇集内一个节点连通。若一个节点发现它和本簇集中的任一节点没有连接，但和其它簇集中的节点有连接，则它会发出改变地址请求，请求连接到新的可达簇集上；若没有任何节点与它相连，则它发出广播信令检查是否存在可用网络；若存在可用网络则加入这个网络，若不存在可用网络则初始化一个网络。

L1、L2、L3层的每个节点都会尽力保持和本簇集中至少一个节点连通，若这个节点失去了和本簇集节点的连接，则它会改变地址，连接到其他簇集并通知下属头节点，让下属头节点改变地址成为新的簇头。

步骤五：节点定期发送更新消息。

在网络中所有的节点定期发送更新消息给本簇集簇头，以保证簇头中地址表信息是网络中节点的最新信息，释放离开网络的节点信息，保证簇头地址表信息都是最新的。更新消息广播信令都在发到本簇集内部，不会发到本簇集外部，大大减小网络开销。

步骤六：根据构建好的网络，动态分配IP地址。

(1)节点加入网络时的动态分配IP地址，具体方法如下：

首先节点发出广播信令检查是否存在可用网络，若没有收到应答广播信令，则认为不存在可加入网络，选择一个网络号和子网掩码，初始化网络，初始化节点的IP地址为可用IP地址中最小的IP地址。

若收到应答广播信令，则该节点加入这个网络，该节点称为请求节点，请求节点通过分配器加入已存在的网络，分配器是网络中与请求节点直接相连的节点；若请求节点与该网络中已存在的多个节点直接相连，则请求节点选择最低层的那个直连节点作为它的分配器，分配器可以给请求节点分配IP地址；若分配器是K层节点，K为1或2或3，若有可用空闲IP地址，则自动给请求节点分配一个K-1层的IP地址，请求节点发送自己的MAC地址和最新进入网络时间给簇头，簇头更新地址表，记录与IP地址相对应的MAC地址和请求节点最新进入网络时间，若无可用空闲IP地址，则由上层节点为该请求节点分配可用空闲IP地址；若分配器是L0层节点，分配器发消息给L1层簇头，由L1层簇头为该请求节点分配可用空闲IP地址；若L1层节点有可用空闲IP地址，则L1层节点通知分配器有可用空闲IP地址并将IP地址发给分配器，分配器将IP地址发给请求节点，请求节点收到后将自己的MAC地址和最新进入网络时间发给分配器，分配器把请求节点的MAC地址和最新进入网络时间发给L1层节点，L1层节点更新地址表，发送完消息后将更新地址表给分配器，分配器接收到完成消息后，会给请求节点发送完成消息，分配IP地址过程结束；若L1层节点没有可用空闲IP地址，则由L2层节点为该请求节点分配IP地址，若L2层节点没有可用空闲IP地址，则由L3层节点为该请求节点分配IP地址，最终请求节点会得到可用的空闲IP地址。

(2)节点离开网络时的动态分配IP地址，具体方法如下：

在一个节点离开网络后，Ad-hoc网络有自愈行为，能够根据一定规则自动重组新的完整网络。节点离开有两种方式，通过退出机制离开和突然离开，具体方法如下：

若L0层的节点通过退出机制离开网络，则与该节点直连可达的节点通知簇头节点离开，簇头修改地址表，使退出网络的节点IP地址空闲可用。

若L0层的节点突然离开网络，每个L1层的节点定期接收来自本簇集L0层节点的更新，L0层节点突然离开，簇头接收不到来自离开节点的更新消息，门限值时间后簇头仍接收不到来自离开节点的更新消息，簇头会发送一个消息给离开的节点，若簇头没有收到回复，则认为这个节点已离开网络，释放该节点的IP地址使其可用。

若L1、L2、L3层节点通过退出机制离开网络，通知下属头节点它要离开，同步下属头节点中存储的地址表，簇头离开网络后，下属头节点改变IP地址成为新的簇头。

若L1、L2、L3层节点突然离开网络，下属头节点并不知道簇头已离开网络，直到网络中的节点不能联系到簇头，通知下属头节点簇头已离开网络，下属头节点确认簇头已离开网络，则改变IP地址成为新的簇头。

(3)查找网络中节点时的动态分配IP地址，以下结合附图3进一步描述，具体步骤如下：

(1)在LK层，K为0或1或2，节点询问位于LK+1层簇头要查找的节点是否在本簇集内，若要查找的节点在本簇集内，则返回要查找节点的IP地址，若要查找的节点不在本簇集内，则簇头发送查找地址请求给同层的其他节点。

(2)同层其他节点收到查找地址请求后，查找本簇集内是否有要查找节点，若要查找的节点在本簇集内，则返回要查找节点的IP地址，若要查找的节点不在本簇集内，则请求节点的簇头发送查找地址请求给上层节点。

(3)上层节点收到查找地址请求并发送查找地址请求给同层其他节点，同层其他节点查找要查找节点是否在本簇集内，若要查找的节点在本簇集内，则返回要查找节点的IP，若要查找的节点不在本簇集内，则上层节点发送查找地址请求给它的上层节点，重复步骤(3)，直到找到要查找节点的IP地址或所有簇头均被访问完。