移动自组织网络中基于地理位置的IP地址自动分配方法

摘要

本发明公开了移动自组织网络中基于地理位置的IP地址自动分配方法，首先将网络划分为多个层次的网格结构，并为每个网格预先定义临时IP地址段；该分配方法包括以下步骤：节点加入网络时从所在网格的临时IP地址段中随机选取一个作为临时IP地址，并进行DAD重复地址检测确保所选取的临时IP地址不冲突；节点的临时IP地址配置成功后，通过发送IP查询消息，避免IP地址冲突，进行正式IP地址的配置，配置成功后，若正式IP地址与临时IP地址不相同，则释放临时IP地址；节点通过HELLO信标和REG注册信息完成代理节点的选择。本发明提出了的方法具有系统开销小、扩展性好，且能实现IP地址的回收，避免地址的泄漏。

说明书

技术领域

本发明涉及移动自组织网络技术，具体涉及移动网络环境中IP地址分配方法。 

背景技术

移动自组织网络是由一系列带有无线收发装置的移动节点组成的临时性的自治系统，不依赖于预设的基础设施，节点在网络中任意分布。移动节点具有路由器的功能，可以通过无线连接构成任意的网络拓扑，并且拓扑结构变化快。移动自组织网络是一种移动、多跳、无中心、自组织的网络，可以应用于战场上部队的协同通信，地震或突发事故的灾后营救，车辆间通信网络，野外科学考察、临时会议等场合。移动自组网作为一种新兴的组网方式，要想能够使用并且与其它网络实现互通，首先必须解决网络节点的IP 地址配置问题。由于节点的随机移动性、 网络的临时性、 缺乏中央管理控制、 节点能源有限等因素的影响，实现节点的自动配置要比在固定网络环境下要困难的多。对于小规模的Ad Hoc 网络来说，可以使用手动静态配置。但是对于大规模网络，尤其是允许节点自由加入和离开的开放型、实用型网络，事先配置地址是不现实的。同时在移动环境中，节点移动速度快、网络拓扑结构的动态变化大、链路维持时间短、网络在运行过程中的分割和融合现象将导致地址的泄漏和重复性问题，而传统网络的地址动态配置协议不能直接应用于移动自组网。因此，地址动态分配是移动自组网实用化、商用化的一大挑战。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述问题，提供移动自组织网络中基于地理位置的IP地址自动分配方法。本发明将网络划分为多个层次的网格结构，并为每个网格预先定义临时IP地址段，便于实现代理节点的选择和管理，提供重复地址检测功能。本发明方法包括临时IP地址的配置、正式IP地址的配置和代理节点选择三个步骤。本发明通过如下技术方案实现： 

一种移动自组织网络中基于地理位置的IP地址自动分配方法，首先将网络划分为多个层次的网格结构，并为每个网格预先定义临时IP地址段，便于代理节点的选择和管理，提供重复地址检测服务；本方法包括三个步骤，第一步是临时IP地址配置：节点加入网络时从所在网格的临时IP地址段中随机选取一个作为临时IP地址，并进行重复地址检测确保所选取的临时IP地址不冲突；第二步是正式IP地址的配置：节点的临时IP地址配置成功后，通过向网络中的代理节点发送IP查询消息，避免IP地址冲突，进行正式IP地址的配置，配置成功后，若正式IP地址与临时IP地址不相同，则释放临时IP地址；第三步是代理节点的选择：节点通过HELLO信标和REG注册信息完成代理节点的选择。

上述基于地理位置的IP地址自动分配方法中，IP地址自动分配前，所有节点知道网络的全局划分，即由逐渐增大的正方形组成的分层网格结构，具体的网格划分规则是：最小的网格称为1阶正方形；任何n阶正方形包含4个(n-1)阶正方形，n≥2，即4个n阶正方形组成一个(n+1)阶正方形，为避免重叠，任何一个m阶正方形只属于一个(m+i)阶正方形，m≥1， i≥1；n阶正方形的左下角坐标为 ,其中a和b为整数。 

上述基于地理位置的IP地址自动分配方法中，所述临时IP地址的配置步骤包括：加入网络之前，节点通过GPS获取自身的地理位置，从而根据所述网格划分规则计算出自己所处的正方形；所有节点保存有所在网格预先定义的临时IP地址段，每个1阶正方形都定义了一个互不相交的临时IP地址段；节点加入网络时，会从它们所在1阶正方形的临时IP地址段中选取一个IP地址作为临时地址，发送地址请求消息AREQ给相邻的节点，并启动定时器，地址请求消息AREQ包含分组类型、序列号、节点ID号和节点请求的地址；周围的节点根据自己的邻居表中的地址信息判断是否冲突；如果存在冲突，则返回地址应答消息AREP，地址应答消息AREP包含分组类型、序列号、节点ID号和冲突的IP地址；收到地址应答消息AREP后节点重新选择一个临时IP，执行相应的操作，直到获得一个无冲突的临时地址；若节点在定时器超时后还没有收到地址应答消息AREP，则节点认为该地址不存在冲突，临时IP地址配置成功；为了避免多个节点同时加入网络并选择相同的IP地址，节点在获得临时IP地址后会运行DAD重复地址检测算法，周期广播DAD信息，DAD信息包含分组类型、节点ID号和节点IP地址，如果某节点收到包含和自己临时IP地址相同的DAD信息，则该节点释放自己的临时地址，等待一个设定时间后重新选择一个临时IP地址。 

上述基于地理位置的IP地址自动分配方法中，所述正式IP地址的配置包括以下内容：临时IP地址配置成功后，节点随机选取一个地址作为正式地址，为了保证IP地址的唯一性，需要在网络中进行重复地址检测，节点节点通过地理位置转发算法（Geographic Forwarding）向网络中的各阶正方形网格发送IP查询消息，IP查询消息中包含分组类型、节点临时地址和待查询的IP地址，节点首先向1阶正方形内的目标节点发送IP查询消息，设定等待应答的时间Tout，并启动定时器；接收到IP 查询消息的节点根据消息中的待查询的IP地址，按照代理选择规则判断自己能否作为代理节点，满足条件则查询IP地址信息表判断待查询的IP地址是否存在冲突，不冲突则不作回应，存在冲突时则返回不确认消息NACK，如果在Tout时间内请求节点没有收到不确认消息NACK，则节点认为在1阶内不存在冲突，节点发送3个IP查询消息给更高阶正方形，直到发送到最高阶正方形都没有收到不确认消息NACK，则节点将待查询的IP地址设置为自己的正式IP地址；如果节点收到不确认消息NACK，则重新选择一个IP地址并重复执行以上的操作，直到成功获得正式IP地址。 

为了防止节点同时选择相同的正式IP地址，代理节点需要缓存一个IP查询消息队列，代理节点收到IP查询消息后会将请求节点的临时地址、待查询的IP地址、超时等待时间Timeout加入队列。如果代理节点收到的IP查询消息包含相同的待查询的IP地址当时不同的临时地址，则代理节点就会返回一个不确认消息NACK给后来发送IP查询消息的节点，防止地址冲突的发生。 

上述基于地理位置的IP地址自动分配方法中，所述代理选择规则具体是： (1)在n阶正方形区域内，固定节点负载没有达到阈值，则固定节点被选为代理节点，n≥1；(2)固定节点负载达到阈值或者固定节点不存时，被选为代理的节点IP地址要比请求节点的IP地址大，并且是其中最小的，如果不存在这样的节点，则执行规则(3)；(3)选择该阶正方形中IP地址最小的节点作为代理节点，如果节点不存在，则执行规则(4)；(4)选择自己作为代理节点。 

述基于地理位置的IP地址自动分配方法中，所述代理节点的特点是保存其他节点的位置、速度矢量和IP地址信息，每个节点都可以作为自己或者其他节点的代理节点，在关键位置架设高性能的固定节点，固定节点能优先被选为代理节点，固定节点同时具备路由转发的缓存、道路连通度的感知、作为网关连接Internet功能；代理节点的选择依据IP地址和节点地理位置，对于一个n阶的网格结构，一个节点代理节点的个数。 

上述基于地理位置的IP地址自动分配方法中，所述代理节点的选择通过HELLO信标和REG注册信息来完成，具体包括： 

(1)在1阶正方形内，节点通过HELLO信标选取代理节点：节点与在该节点通信范围内的节点能够直接进行通信，节点周期广播包含自身位置、速度矢量和IP地址的HELLO信标，接收到HELLO信标的邻居节点会将这些信息进行缓存保存在邻居表Neighbor Table中，并根据代理节点选取规则判断自己是否可以作为发送HELLO信标节点的代理节点，满足条件则将发送HELLO信标节点的信息中的IP地址保存在IP地址信息表中；通过周期广播HELLO信标节点可以获取它所在的1阶正方形内所有其他节点的位置、速度矢量和IP地址信息，并且完成了代理节点的选择；如果在该区域内，节点没有接收到HELLO信标，节点就选择自己作为代理节点；

(2)在大于1阶的正方形中代理节点的选择通过周期更新REG注册信息实现：节点广播HELLO信标经过一段时间后，通过地理位置转发的方式发送3个REG注册信息给自己所在的2阶正方形中其他3个邻居1阶正方形，REG注册信息包含分组类型、目标位置、节点ID、节点位置和节点速度矢量，REG注册信息包中的目的位置信息不是某个节点的位置，而是目标正方形的中心的地理位置；目标正方形内的节点收到REG注册信息后判断是否存在固定节点并且固定节点的负载是否达到阈值，如果存在并且负载小于阈值，则该节点将REG注册消息转发给固定节点，如果不存在固定节点或者固定节点负载超过阈值，判断自己的地址和IP地址信息表中的IP地址，如果自己的IP地址不满足代理节点选取的条件，则将注册信息转发给该正方形区域内符合条件的其它节点，其他节点接收到REG注册信息后也进行相应的判断，满足条件就将REG注册信息中的IP地址保存在IP地址信息表中，完成代理注册，节点成为发送REG注册信息节点的代理节点，并停止REG注册信息的转发；按照同样的方法，节点将注册信息发送到更高阶的正方形中，完成代理节点的选择和注册。

上述基于地理位置的IP地址自动分配方法中，所述HELLO消息和REG注册信息是周期发送的，如果节点主动脱网或者意外突然脱网，节点的邻居和代理节点在一定的时间间隔内没有收到节点的HELLO信标和更新REG注册信息，则邻居节点和代理节点就会在对应的表中将有关该节点的项目删除，避免了IP地址的泄漏。 

与现有技术相比，本发明的优点与积极效果在于： 

1、本发明提出的IP地址自动分配方法具有系统开销小，扩展性好。将网络划分为多层次的网格结构，这种分层网格结构由逐渐增大的正方形组成，便于网络中代理节点的选择和分布式管理，同时也利于地理位置转发路由算法的运行。

2、采用代理节点的机制，保证配置的IP地址的唯一性。代理节点分布在网络中，避免出现集中管理方式的节点负载过重，导致节点失效的问题。节点在配置正式IP地址之前首先向代理节点发送地址查询信息，避免地址冲突的发生。节点获得无冲突的正式IP地址后会周期性通过地理位置转发向代理节点注册、更新自己的信息。 

3、在关键位置加入高性能的固定节点，固定节点可以优先被选为代理节点，一定程度上减少节点移动速度快给网络带来的不利因素。同时，固定节点具备路由转发的缓存、道路连通度的感知、紧急信息区域广播、作为网关连接Internet等功能。固定节点的加入可以使路由达到较好的发送成功率和较低的传输延迟，保证数据能够有效、可靠地传输到目的位置，满足各类应用需求。 

4、本发明提出的基于地理位置的IP自动分配方法能实现IP地址的回收，避免地址的泄漏。主动脱网或意外脱网节点的IP地址经过一定的时间后可以重新被其他加入网络的节点利用，每个节点通过周期发送信息给代理节点进行注册更新，如果代理节点在一定的时间内没有收到注册信息，就将该节点的相关项目从表中删除，使得该节点的IP地址可以重新被回收利用。 

附图说明

图1是本发明具体实施方式中的网络分层结构图。 

图2是本发明具体实施方式中一个包含节点分布的4阶正方形的网络划分图。 

图3是本发明具体实施方式中代理节点选取的流程图。 

图4是本发明具体实施方式中一个移动自组织网网络拓扑示例图。     

图5是本发明具体实施方式中节点向邻居一阶正方形更新REG注册信息。

图6是本发明具体实施方式中节点向高阶正方形发送REG注册信息。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明，但本发明的实施和保护范围不限于此。 

在本实施方案中，首先将网络划分为多个层次的网格结构，并为每个网格预先定义临时IP地址段，以便于代理节点的选择和管理，提供重复地址检测服务。节点加入网络第一步是临时IP地址配置：节点从所在网格的临时IP地址段中随机选取一个作为临时IP地址，并进行重复地址检测确保所选取的临时IP地址不冲突；第二步是正式IP地址的配置：节点的临时IP地址配置成功后，通过向网络中的代理节点发送IP查询消息，避免IP地址冲突，进行正式IP地址的配置，配置成功后，若正式IP地址与临时IP地址不相同，则释放临时IP地址；第三步是代理节点的选择：节点通过HELLO信标和REG注册信息完成代理节点的选择。图1是网络分层结构的示意图，网络由多个层次的网格组成，网格中的小黑点代表随机分布的节点。 

本实施方案中所有节点知道网络的全局划分，即由逐渐增大的正方形组成的分层网格结构，网格划分规则是：最小的网格称为1阶正方形；任何n阶正方形包含4个(n-1)阶正方形，n≥2，即4个n阶正方形组成一个(n+1)阶正方形，为避免重叠，任何一个m阶正方形只属于一个(m+i)阶正方形，m≥1， i≥1。n阶正方形的左下角坐标为,其中a和b为整数；如图2所示，是一个包含4阶正方形的网络划分图，4个1阶正方形组成一个2阶正方形，4个2阶正方形组成一个3阶正方形，4个3阶正方形组成一个4阶正方形。 

本实施方案中，临时IP地址分配方法如下：加入网络之前，节点通过GPS获取自身的地理位置，从而根据所述网格划分规则计算出自己所处的正方形；所有节点保存有所在网格预先定义的临时IP地址段，每个1阶正方形都定义了一个互不相交的临时IP地址段；节点加入网络时，会从它们所在1阶正方形的临时IP地址段中选取一个IP地址作为临时地址，发送地址请求消息AREQ给相邻的节点，并启动定时器，地址请求消息AREQ包含分组类型、序列号、节点ID号和节点请求的地址；周围的节点根据自己的邻居表中的地址信息判断是否冲突；如果存在冲突，则返回地址应答消息AREP，地址应答消息AREP包含分组类型、序列号、节点ID号和冲突的IP地址；收到地址应答消息AREP后节点重新选择一个临时IP，执行相应的操作，直到获得一个无冲突的临时地址；若节点在定时器超时后还没有收到地址应答消息AREP，则节点认为该地址不存在冲突，临时IP地址配置成功；为了避免多个节点同时加入网络并选择相同的IP地址，节点在获得临时IP地址后会运行DAD重复地址检测算法，周期广播DAD信息，DAD信息包含分组类型、节点ID号和节点IP地址，如果某节点收到包含和自己临时IP地址相同的DAD信息，则该节点释放自己的临时地址，等待一个设定时间后重新选择一个临时IP地址。 

本实施方案中，正式IP地址的分配方法如下：临时IP地址配置成功后，节点随机选取一个地址作为正式地址，为了保证IP地址的唯一性，需要在网络中进行重复地址检测，节点节点通过Geographic Forwarding地理位置转发算法向网络中的各阶正方形网格发送IP查询消息，IP查询消息中包含分组类型、节点临时地址和待查询的IP地址，节点首先向1阶正方形内的目标节点发送IP查询消息，设定等待应答的时间Tout，并启动定时器；接收到IP 查询消息的节点根据消息中的待查询的IP地址，按照代理选择规则判断自己能否作为代理节点，满足条件则查询IP地址信息表判断待查询的IP地址是否存在冲突，不冲突则不作回应，存在冲突时则返回不确认消息NACK，如果在Tout时间内请求节点没有收到不确认消息NACK，则节点认为在1阶内不存在冲突，节点发送3个IP查询消息给更高阶正方形，直到发送到最高阶正方形都没有收到不确认消息NACK，则节点将待查询的IP地址设置为自己的正式IP地址；如果节点收到不确认消息NACK，则重新选择一个IP地址并重复执行以上的操作，直到成功获得正式IP地址。为了防止节点同时选择相同的正式IP地址，代理节点需要缓存一个IP查询消息队列，代理节点收到IP查询消息后会将请求节点的临时地址、待查询的IP地址、超时等待时间Timeout加入队列。如果代理节点收到的IP查询消息包含相同的待查询的IP地址当时不同的临时地址，则代理节点就会返回一个不确认消息NACK给后来发送IP查询消息的节点，防止地址冲突的发生。 

本实施方案中代理选择规则具体是： (1)在n阶正方形区域内，固定节点负载没有达到阈值，则固定节点被选为代理节点，n≥1；(2)固定节点负载达到阈值或者固定节点不存时，被选为代理的节点IP地址要比请求节点的IP地址大，并且是其中最小的，如果不存在这样的节点，则执行规则(3)；(3)选择该阶正方形中IP地址最小的节点作为代理节点，如果节点不存在，则执行规则(4)；(4)选择自己作为代理节点；具体实施流程如图3所示，节点接收到HELLO信标或者REG注册信息后，判断该区域是否存在固定节点并且固定节点负载小于阈值，是则将信息转发给固定节点，固定节点作为代理节点并保存到IP地址信息表中；否则判断自己的地址或IP地址信息表中的IP地址是否比请求节点的地址大，并且是其中最小的，若是则该节点作为发送信息节点的代理节点；否则判断该区域是否存在IP地址最小的节点，若是则IP地址最小的节点被选为代理节点；否则选择自己作为代理节点。

本实施方案中，代理节点保存着其他节点的位置、速度矢量、IP地址信息，每个节点都可以作为自己或者其他节点的代理节点，在关键位置架设高性能的固定节点，固定节点能优先被选为代理节点，固定节点同时具备路由转发的缓存、道路连通度的感知、作为网关连接Internet功能；代理节点的选择依据IP地址和节点地理位置，对于一个n阶的网格结构，一个节点代理节点的个数；图4为本发明中的一个实施例，该网络由固定节点和移动节点通过无线的方式组成一个自组织网络，其中A、B、C和D为固定节点，其余为移动节点。 

本实施方案中，代理节点的选择通过HELLO信标和REG注册信息来完成， (1)在1阶正方形内，节点通过HELLO信标选取代理节点：节点与在该节点通信范围内的节点能够直接进行通信，节点周期广播包含自身位置、速度矢量和IP地址的HELLO信标，接收到HELLO信标的邻居节点会将这些信息进行缓存保存在邻居表Neighbor Table中，并根据代理节点选取规则判断自己是否可以作为发送HELLO信标节点的代理节点，满足条件则将发送HELLO信标节点的信息中的IP地址保存在IP地址信息表中；通过周期广播HELLO信标节点可以获取它所在的1阶正方形内所有其他节点的位置、速度矢量和IP地址信息，并且完成了代理节点的选择；如果在该区域内，节点没有接收到HELLO信标，节点就选择自己作为代理节点； 

(2)在大于1阶的正方形中代理节点的选择通过周期更新REG注册信息实现：节点广播HELLO信标经过一段时间后，通过地理位置转发的方式发送3个REG注册信息给自己所在的2阶正方形中其他3个邻居1阶正方形，如图5所示，节点向邻居一阶正方形更新REG注册信息，箭头表示信息传递的方向；如图6所示，网络中的节点向高阶正方形发送REG注册信息，箭头所指的方向是目标正方形的中心地理位置；REG注册信息包含分组类型、目标位置、节点ID、节点位置和节点速度矢量，REG注册信息包中的目的位置信息不是某个节点的位置，而是目标正方形的中心的地理位置；目标正方形内的节点收到REG注册信息后判断是否存在固定节点并且固定节点的负载是否达到阈值，如果存在并且负载小于阈值，则该节点将REG注册消息转发给固定节点，如果不存在固定节点或者固定节点负载超过阈值，判断自己的地址和IP地址信息表中的IP地址，如果自己的IP地址不满足代理节点选取的条件，则将注册信息转发给该正方形区域内符合条件的其它节点，其他节点接收到REG注册信息后也进行相应的判断，满足条件就将REG注册信息中的IP地址保存在IP地址信息表中，完成代理注册，节点成为发送REG注册信息节点的代理节点，并停止REG注册信息的转发；按照同样的方法，节点将注册信息发送到更高阶的正方形中，完成代理节点的选择和注册。