混合移动自组织网络中移动节点无缝切换方法

摘要

本发明涉及用于混合式网络中移动节点路由的无缝切换技术，主要解决无线自组织网络与有线网络相结合的混合网络中移动节点连接多跳可关联节点发生变化时数据报文仍能可靠、实时的送达目的节点的问题。本发明包括：1)移动节点获取其周围多跳可关联节点的信息，确定其与可关联节点邻接的状态，并维护描述与可关联节点邻接关系的状态二元组；2)移动节点根据当前状态和将要切换后的状态，确认是否需要进行切换准备，并且与各个可关联节点进行通信协调；3)移动节点在进行通信切换时，向原关联节点发出切换通告，原关联节点收到通告后根据前期的切换准备，转发通信报文，发送重定向消息。

说明书

技术领域

本发明涉及一种在大规模网络环境中当移动节点在不同可关联节点之间切换关联关系时保证通信实时可靠与数据完整传输的方法，属于计算机混合移动自组织网络路由技术领域。

背景技术

在移动自组织网络中，移动节点之间通过多跳、自组织连接的方式进行通信，网络中没有固定充当基础设施的节点，所有节点既是主机同时又具有路由器的功能。如果辅助以有线网、卫星网络等基础设施网络，移动自组织网络中的节点不仅可以访问基础设施网络，而且可以通过基础设施网络进行移动节点之间的通信，从而提高通信的吞吐量，降低通信时延等。只需要建立每个移动节点到某个或者某几个接入基础设施网络的“关联节点”的映射关联关系，即可通过基础设施网络转发移动节点之间的通信报文。无线网络的特点是节点可以自由移动，因此，上述的映射关联关系会因为节点的移动而改变，这样在映射关联关系发生变化的过程中，就有可能中断正在进行的通信或者产生传输数据的丢失。

发明内容

本发明的目的是提供一种移动节点在与其直接相连或者多跳相连的“关联节点”之间无缝切换的方法，以便使用户在迁移过程中不会感觉到停顿，能够流畅地与切换节点通信。

为完成本发明的目的，本发明采取的技术方案是：利用状态变换的方法辅助通信切换，并在特定的状态维护必要的信息，进行通信切换的必要准备，包含步骤如下：

1)移动节点获取其周围的可关联节点的信息，确定其与可关联节点邻接的状态，并维护描述与可关联节点邻接关系的状态二元组；

2)移动节点根据当前状态和将要切换后的状态，确认是否需要进行切换准备，并且与各个可关联节点进行通信协调；

3)移动节点在状态改变的同时进行通信切换，并向原当前关联节点发出切换通告，原当前关联节点收到通告后根据前期的切换准备，转发通信报文，发送重定向消息。

本发明的有益效果是：(1)由于预先考虑移动节点与周围可关联节点之间的状态关系并进行必要的状态转换，因此使得切换过程平稳过渡，整个过程不会对通信产生较大影响；(2)因当前关联节点向备选关联节点转发数据报的副本，故可保证切换过程中数据报不丢失；(3)由于移动节点在关联关系切换的过程中，其IP地址不改变，网络连接没有中断，仅切换与关联节点的关联关系，因而对源端和目的端之间的通信产生的影响较小。

附图说明：

图1是本发明的应用场景与原理图；

图2是状态转换的应用场景图；

图3是切换过程的状态转换图；

图4是状态切换辅助的无缝切换流程。

具体实施方式：

本文中提到关联节点、移动节点这两种不同角色的节点，以及基础设施网络的概念，下面首先对其含义进行解释。“移动节点”是普通的无线网络节点，它的特点是通过无线链路互相通信且可以自由移动。“基础设施网络”指现有的有线网、卫星网络、GPRS网络等通过通信基站、卫星、路由器等互联设备进行通信的网络。“关联节点”是移动自组织网络接入到基础设施网络的边界节点，它的特点是具有两种不同的网络通信接口，一是具有可以通过无线链路与其他无线通信节点通信的无线网络接口，二是可以接入到基础设施网络中的网络接口，例如可以通过网线接入到有线局域网中，可以通过卫星链路接入到卫星网络中等。

由于移动节点在移动过程中，它与关联节点之间的邻接关系以及关联关系会发生变化，从而导致到该移动节点路由的变化，因此需要解决这种变化带来的问题，即“节点在不同关联节点之间的关联关系重建”，要求无差错、实时的重建路由，保证网络应用完整性、实时性要求。如图1的原理图所示，移动节点由己关联节点A的信号覆盖区域经过叠加区域移动到关联节点B的信号覆盖区域中，移动节点需要切换关联关系，而同时为保证正在传输的数据完整性、实时性要求，A节点要发送重定向消息给发送端，B节点则要发送映射表更新消息。在切换过程中，A节点需要复制收到的发送给移动节点M的报文，再通过基础设施网络转发给B节点。

本发明将网络中的移动节点和关联节点之间的关联关系使用如下三种状态符号表示：用D表示移动节点与关联节点通过无线链路直接相连(Direct Link)，用M表示移动节点与关联节点通过无线多跳链路相连(Multiple Hop Link)，此处限制连接跳数的上限为MaxHop；Φ表示移动节点与关联节点不能通过无线链路相连或者无线链路超过跳数上限MaxHop。在移动节点关联关系切换的过程中，要考虑它与周围两个关联节点之间的邻接关系，所有可能的邻接关系见图2所示，图示使用的跳数上限Maxhop为2。

对图2中的节点邻接关系进行抽象，得到如图3所示的各移动节点与相邻两个关联节点之间的邻接关系状态对二元组。其中二元组的第一数据项表示移动节点与当前关联节点之间的邻接关系，因此不包括不可达状态Φ；第二数据项表示移动节点与当前备选关联节点的邻接关系。该邻接关系状态对二元组称为移动节点的状态转换表，各移动节点需要维护其状态转换表。图中标识了所有可能的状态转换关系，随着移动节点的移动，移动节点维护的状态关系会按照图示箭头的标识进行变换。图中的转换箭头指示了所有可能的状态对转换关系，标有pre的箭头表示在状态变换之前需要预处理准备，标有no的状态变换则需要重新寻找一个备选的“关联节点”，除非不存在备选节点；未标有符号的状态变换只需要向自己的关联节点通告状态变化即可。移动节点通过维护状态转换表来预处理可能的切换过程。

在一个特定的切换场景中，存在四种不同角色的节点：等待通信切换的移动节点M；与节点M关联的当前关联节点A；节点M可能切换到的备选关联节点B；以及通信的对端节点S。

下面具体阐述通信切换过程，具体分为以下几个关键步骤：

1)首先是移动节点与相邻关联节点之间“连接状态”与“关联关系”的通告与获取。

“连接状态”的获取方式是移动节点通过无线网络路由协议获得有限跳数(MaxHop)之内的路由信息，所维护的路由信息被定时的向外发送给移动节点的邻居关联节点，使得网络中的移动节点能够获得周围的关联节点信息，同时关联节点通过收到的移动节点“关联关系”的定时通告，获取与其关联的移动节点的信息。

在“连接状态”获取的过程中，移动节点可能存在多个“关联节点”作为邻居，为此，对其按照连接跳数和发现顺序加权后进行排序，其中连接跳数指从移动节点到关联节点的通信路径经过的中间节点的个数，发现顺序是指移动节点发现各个“关联节点”的先后顺序，加权排序即是对以上两个信息，按照其关键程度，赋予不同的影响级别(如分别占20％与80％的影响程度)计算关联节点的优先度，一个可能的计算公式为：

优先度＝100-(发现的顺序号×80％+连接跳数×20％)

在排序结果中选出优先度最高的关联节点作为其连接的关联节点，而第二个作为备选关联节点。

移动节点定期的向外通告其关联关系，描述本移动节点到上述两个关联节点“连接状态”的二元组，维护在本移动节点的状态转换表中。此状态转换表根据本移动节点的移动产生的邻接关系变化而改变。同时存储与周围所有关联节点的“连接状态”与“关联关系”。其中“连接状态”有D、M、Φ三种，关联关系有关联、备选、不关联三种。

图4左侧中间的数据表格显示了移动节点发生“状态变化”时信息存储的变化，当移动节点M发现与节点B有邻接关系时，将此信息通告给其关联节点A，从而将节点A上的移动节点M的复制地址由空(NULL)更改为节点B的ip地址，节点B即把作为移动节点M的备选关联节点的信息通告给节点A进行存储。

2)其次阐述状态转换方法以及状态转换需要的关联关系切换准备。

移动节点可通过多跳关联到关联节点，因此在移动节点M上要维护与其可达的所有“关联节点”连接状态信息。由于当前移动节点M与节点A关联，故M与A在当前时刻状态不可能为Φ。因此，可能的初始状态与其可能的转换由图3所示的转换图表示，图中的状态对(x，y)分别表示节点M与A、B之间的状态关系，B即是M选定的备选关联节点，当y为Φ时，说明M未找到备选关联节点。

由图3所示的转换图可以看出，如果某种状态下可以转换到(Φ，D)或者(Φ，M)的情况时，必须预先对通信切换进行必要准备，否则移动节点随时有可能无法与当前关联节点通信。这种情况下，移动节点M必须将自己的备选关联节点信息及时通告给当前关联节点进行存储，已备关联关系切换后使用。

必须指出的是，对于所有可能出现的移动节点与所有“可关联节点”均无法直接或者多跳相联的情况，理论上没有可能做到通信的无缝切换，可行的解决方案是增加基础设施与可关联节点，使其可以加入到混合网络中。

3)最后阐述关联关系切换过程、数据报文的复制转发以及切换通告。

切换通告报文有以下几种：一是移动节点M向原关联节点A发送告知切换发生的通告，节点M与B关联后，B也向A发送关联通告；二是A节点向M的对端通信节点S发送重定向消息报文，通告S节点将后来的报文发送给B。在切换过程中给出一定时限的“过渡期”，此时期到达A节点的所有发送给M的报文，A根据通告转发给B节点。对于A节点可能收不到M节点通告信息的情况，A则根据最后一次M的关联关系通告来决定重定向报文的目的地址。“过渡期”内，B节点发布新的关联关系消息到基础设施网络中，在网络中更新移动节点M的关联关系。

以图4为例，当“关联变化”时，节点M的原关联节点A收到M的关联变化通告或者无法与M通信，则根据已经存储的备选关联节点B，将收到的发送给M的报文转发到B；新关联节点B收到关联信息后也向原关联节点A发送协调信息，要求对发给M的报文进行转发，同时向网络中通告更新关联关系的变更。同时，节点A向所有正在与M通信且信息仍然发向自己的节点发送信息重定向通告，通知他们选择新的发送目的地。

以上方案中利用了无线自组织网络的路由协议来获取多跳关联节点的信息，节省了重复维护可关联节点的开销，同时在通信切换之后，原来的关联关系被替换，但是不改变仍然存在的路由，因此，只要路由信息仍然存在，原关联节点仍然可以向移动节点直接转发报文。

通过上述可知本发明方法包括以下内容：

网络中的关联节点、移动节点通过无线网络的跳数受限的路由协议来通告和获取其连接状态信息、关联信息，连接状态信息包括移动节点对所有邻接关联节点邻接情况的标识(D，M，Φ)，关联信息包含每个移动节点的已关联节点和备选关联节点，而关联节点要保存关联到自己的移动节点的邻接状态信息，从而判断关联切换的发生。

移动节点发生关联关系切换时，有两种可能的情况，一种是移动节点主动切换到备选关联节点，以原备选关联节点作为自己新的关联节点，这时移动节点需要通告关联切换给原关联节点；再有是发生了移动节点与原关联节点状态信息变为不可达，此时原关联节点可以通过受限的路由协议来获得这种状态变化。

一旦关联关系发生了切换，为保证通信的无缝切换，需要做如下工作：第一，原关联节点通过状态变化或者移动节点的主动通告获得关联信息切换的通告；第二，原关联节点向新的关联节点转发目的地址为该移动节点的数据报文；第三，原关联节点向所有切换移动节点通信的对端通信节点发送重定向通告，告知关联关系的切换，让对端通信节点向新的关联节点发送数据；第四，新的关联节点向基础设施网络边缘的所有关联节点组成的存储结构更新关联关系的切换，使得新的关联关系查询能够获取正确的信息。

本发明能实现无缝切换的原因在于：切换发生后，原关联节点会将切换后收到的发给移动节点的报文向备选关联节点转发，使得报文能够送达到目的节点；由于切换过程发生在物理位置相距较近的关联节点之间，所以上述转发过程经过基础设施网络的时延较小；在切换过程中的通告消息可以尽快的将切换的发生通告给所有需要的节点。同时由于无线多跳网络本身的多跳路由协议的存在，我们可以在实现上让受限路由协议的最大跳数比关联关系等于Φ的限制跳数大1，因此即使切换发生，原关联节点仍然可以通过无线链路将数据送达给目标节点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明大规模混合移动自组织网络节点通信无缝切换方法原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明方法的保护范围。