CN100413272C - 一种移动网络中基于熵模型的移动路由器选择技术 - Google Patents

Abstract

一种移动网络中基于熵模型的移动路由器选择技术含有熵模型技术和选择最佳MR的技术。在多MR的移动网络模型中，借助于物理学中熵的意义和形式，根据表征一条链路状态的因素——链路的容量以及链路的时延，来构造能够表征链路优劣的尺度——熵。所有与移动网络相关的MR和HA都周期性的相互发送报文；移动网络中的节点给MR发送连接请求，MR给HA发送链路状态通告报文LSA；HA检查LS序号：计算每条链路的熵，选取熵最大的两条链路一条用来通信；另外一条链路作为备份路径，HA给和该最佳路径相对应的MR发送路径建立消息，进行数据传送。解决了在无线信道恶劣环境下最佳MR的选取问题。

Description

一种移动网络中基于熵模型的移动路由器选择技术

所属技术领域

本发明涉及一种移动网络中基于熵模型的移动路由器选择技术。本发明涉及计算机网络技术。

背景技术

移动网络(NEMO)是指一个可以任意移动并且接入到互联网的子网。NEMO通过一种特殊的网关——移动路由器(MR)来进行移动性管理。一个移动子网至少需要一个移动路由器。互联网工程任务组(IETF)成立了NEMO工作组，以对网络的移动性进行研究，迄今为止已经推出了一系列的标准和草案。

与传统有基础结构的网络相比，NEMO网络可以没有固定的基础结构。网络中的节点既可以在网内互相通信，又可以通过移动路由器接入到互联网。NEMO网络具有一些突出的特点：节点常常在网络中任意地移动，自由加入和退出网络，使得网络拓扑结构频繁变换；带宽有限、容量可变的链路，多接入、多径衰减、噪声和信号干扰等因素将显著降低无线通信的吞吐量；有限的网络安全等。

NEMO网络具有广阔的应用情景：一辆火车、一艘轮船或一架飞机上的用户可以通过NEMO接入到互联网；在本地范围内，用户也可以通过NEMO进行相互通信。

多宿主(multihoming)技术

NEMO网络是通过无线的方式接入互联网的。由于无线信道自身的缺点，如：带宽受限、高比特出错率等，因此不能保证移动网络的服务质量。使用multihoming机制可以保证NEMO更好的连通性并且提供更好的服务质量。multihoming机制是指NEMO通过多个活动接口接入互联网。使用multihoming机制具有以下优越性：

(1)保持永久的连接性：当一个接入点失效时，可以使用其它的接入点，这样可以保证连接的连续性。

(2)负载分配及负载均衡：把网络流量分配到多条路径上。当对同一个目的地址存在着多个相同费用的路径时，可以在这些路径上平均分配流量。这样可以减轻路径的负载。

(3)设置的优先选择：用户可以根据网络的花费、效率、政策、带宽以及延迟等进行网络的设置。

(4)增加带宽：当接口连接到不同的链路上时，增加了整体的可用带宽。

现有的多宿主(multihoming)机制主要有：家乡代理冗余备份、多路由器、多接口等。然而，家乡代理冗余备份没有考虑无线信道的动态特性，在NEMO中，每个MR所连接的无线信道都是在变化的，因此在管理流量分配时就有必要获得无线信道的动态特性；多接口使用了多接口机制，但是它只是在一个路由器上使用多个接口，当该路由器失效时，所有的接口也就失效，不能很好的保证服务质量；多路由器使用多路由器机制，当一个路由器失效时，可以快速切换到另一个路由器，由于NEMO是通过MR以无线的方式接入到互联网的，因此使用多MR机制可以很好的保证服务质量。

在多MR机制中，可以同时使用多个MR，也可以单独使用一个MR。使用多个MR时，每个数据流都选择一个MR；使用一个MR时，要选择一个最佳的MR。另外，为了保证接入的连续性，当一个MR失效时，应当有另外一个MR来取代它。

NEMO技术是目前在移动互联网络领域中很先进的技术，对于NEMO的研究还很少。如前所述，multihoming机制可以保证NEMO的服务质量，而在multihoming机制中，由于MR的特殊地位及作用，使用多MR机制具有更多的优势。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种移动网络中基于熵模型的移动路由器选择技术，提出一种表征最佳MR的新尺度——熵，并在该熵模型的基础上提供一种选择最佳MR的技术——EBMRS：(Entropy-Based Best MRSelection)。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：NEMO网络由移动路由器MR以及移动节点MNN构成。NEMO网络通过接入路由器AR接入互联网。HA是移动路由器的家乡代理，AR与HA之间通过双向隧道进行通信。CN是通信节点。一种移动网络中基于熵模型的移动路由器选择技术含有熵模型技术和选择最佳MR的技术。

熵模型的技术：在多MR的移动网络模型中，借助于物理学中熵的意义和形式，根据表征一条链路状态的因素——链路的容量(带宽)以及链路的时延(包括传播时延和处理时延)，来构造能够表征链路优劣的尺度——熵，熵值越大，链路越好，相应的MR越优。

多MR的移动网络模型如图1所示。移动网络通过多个MR以无线的方式接入到互联网，HA和AR之间以双向隧道的方式进行通信。

整个NEMO网络可以表示为带权图G(V，E)，其中V为NEMO中的MR节点集，E为HA与MR间能够互相通信的双向链路集，也就是无线信道集。在NEMO中E是动态变化的。对于

设任一节点对之间的所有路径集合用P_V表示，各条路径上的流量用x_p表示，链路l(i，j)上的流量用F_ij表示，则

路由最优化就是寻找最佳的X_p＝{x_p}，即

式中，D_ij是每条链路的代价。

在所提出的网络体系结构中，由于只有一个HA并且其目的是选举出最佳的MR，因此在以后的篇幅中，用l_i代替l(i，j)，它表示的是HA到标号为i的MR之间的链路。

熵尺度的解释：在多MR机制中，选择最佳MR的最重要的一个问题是如何根据已知的无线信道的状态来选择MR。为此，需要提出一种尺度来衡量MR的优劣。熵揭示出了系统的不确定性，并且可以用来度量系统的混乱程度。在NEMO中，由于路径的不确定性，从而带来了时延的不确定性，带宽的不确定性等，因此可以用熵来衡量路径的优劣，从而衡量MR的优劣。

在NEMO中，有理由认为，表征一条链路的状态的因素主要有两个方面：链路l_i的容量(带宽)C_i，链路l_i的时延(包括传播时延和处理时延)d_i。其中，i是指与该链路相对应的MR的标号。由于整个NEMO是移动的，所使用的无线链路是时刻在变化的，因此，构造特征向量：

$D_i=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{1}{C_i}+d_i)---\left(3\right)$

这里，N是在时间间隔Δ_t内离散时刻t_i的个数(每隔一个时间间隔Δ_t，链路状态重新被计算和更新)。

基于以上定义，定义熵：

H_i(t，Δ)＝-p_i(t，Δ)logp_i(t，Δ)(4)

这里，

$p_i(t,\mathrm{\Δ})=\frac{D_i}{\underset{l\∈P_V}{\mathrm{\Σ}}{D}_l}...\left(5\right)$

根据以上定义，可以看出：熵函数H_i(t，Δ)并不是统计物理学或者信息论中严格意义下的熵，而只是借助于熵的意义和形式所构造的能够表征路径优劣的尺度。从定义可知若路径越好，则H_i(t，Δ)越大，因此可以认为：熵值越大，路径越好，相应的MR越优。

根据以上的讨论，定义最佳MR为熵最大的那条路径所对应的MR。作如下假设：

(1)在NEMO中的每个MR都有一个唯一的标志符；

(2)存在某MAC协议，保证在局部广播范围内的邻居节点中只有想要接受消息的节点保持消息，其它节点都丢弃该消息；

(3)已经存在邻居发现协仪，每个节点周期地广播BEACON包来标识自己，使得任意节点都知道它与各邻居节点间的链路的当前状态；

(4)假定MNN(移动网络内的节点)都可以和任何一个MR相连并且没有ping-pong切换问题。

一种选择最佳MR的技术(EBMRS)技术含有以下步骤；

步骤1、所有与移动网络相关的MR都周期性的给HA发送Hello报文；

步骤2、HA接收到Hello报文后也给MR发送Hello报文；通过这种相互发送Hello报文的方式可以确保MR和HA之间的双向连接；

步骤3、移动网络中的节点给MR发送连接请求，当接收到连接请求时，MR给HA发送LSA(链路状态通告报文)；

步骤4、HA接收到该LSA后，首先检查LSA的LS序号：若自己已经接收过相同LS序号的LSA，则HA丢弃该LSA；若没有接收过相同LS序号的LSA，则检查LSA的校验和，判断该LSA是否被破坏：如果该LSA已经被破坏，则丢弃该LSA；

步骤5、经过上述的检查，若该LSA是新的LSA，并且该LSA是完整的，则HA根据接收到的LSA，计算每条链路的熵；计算完所有的熵后，选取熵最大的两条链路：熵最大的那条链路作为最佳路径，用来通信；另外一条链路作为备份路径，当最佳路径失效时，立即启动该备份路径；

步骤6、选举出最佳路径后，HA给和该最佳路径相对应的MR发送路径建立消息；

步骤7、当MR接收到该路由建立消息后，知道自己是最佳MR，于是就可以开始进行数据传送了。

本发明的有益效果是所提出的技术方案，有效的解决了在无线信道恶劣环境下最佳MR的选取问题，从而成功的在NEMO网络中使用multihoming机制，保证了NEMO网络接入互联网时的服务质量，为移动互联网络的发展奠定了必要的技术基础，对推动自主知识产权信息技术的研究具有重要的意义，必将产生良好的经济效益和社会效益。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是多MR的移动网络模型。

图2是实施例2示意图。

图3是技术方案的流程图。

图4是LSA(链路状态通告)的报文格式。

具体实施方式

下面给出本发明的一个具体实施例，实施例1：为了对本发明主要内容有一个清晰的认识，特画出了本发明所提技术方案的流程图，如图3所示。需要说明的是，该流程图只是表示出了技术方案的框架。

步骤1、所有与移动网络相关的MR都周期性的给HA发送Hello报文；

步骤2、HA接收到Hello报文后也给MR发送Hello报文。通过这种相互发送Hello报文的方式可以确保MR和HA之间的双向连接；

步骤3、移动网络中的节点给MR发送连接请求。当接收到连接请求时，MR给HA发送LSA(链路状态通告报文)。这个LSA报文是在这个发明中首次定义的。在该LSA报文中，包含了MR所获得的相关链路的状态信息：链路l_i的容量(带宽)C_i，链路l_i的时延(包括传播时延和处理时延)d_i。该LSA(链路状态通告)的报文格式如图4所示，在该LSA的报文格式中，各个字段的含义如下所示：

①源IP地址字段：表示的是MR的IP地址。

②目的IP地址字段：表示的是HA的IP地址。

③LS序号字段：用来标识这个报文的新旧程度，序号较大的LSA是新的。这种机制不受动态路由选择变化的影响，是一个判断当前LSA的很可靠的方式。

④LS校验和字段：用于检测在传送过程中报文是否遭到破坏。由于无线信道恶劣的环境，进行报文的完整性检测是很有必要的。MR首先把校验和字段置为0，然后对首部中每16bit进行二进制反码求和(整个首部看成是由一串16bit的字组成)，结果存在校验和字段中。HA接收到LSA后，运行同样的算法。由于HA在计算过程中包含了MR首部中的校验和，因此，如果首部在传输过程中没有发生任何差错，那么HA计算的结果应该全为1。如果不是全1(即校验和错误)，那么HA就会丢弃该LSA。

⑤流量字段：表示的是该链路所能传输的最大流量。

⑥带宽字段：表示的是链路l_i的容量(带宽)C_i。

⑦时延字段：表示的是链路l_i的时延(包括传播时延和处理时延)d_i。

步骤4、HA接收到该LSA后，首先检查LSA的LS序号：若自己已经接收过相同LS序号的LSA，则HA丢弃该LSA；若没有接收过相同LS序号的LSA，则检查LSA的校验和，判断该LSA是否被破坏：如果该LSA已经被破坏，则丢弃该LSA；

步骤5、经过上述的检查，若该LSA是新的LSA，并且该LSA是完整的，则HA根据接收到的LSA，计算每条链路的熵。计算完所有的熵后，选取熵最大的两条链路：熵最大的那条链路作为最佳路径，用来通信；另外一条链路作为备份路径，当最佳路径失效时，立即启动该备份路径。这样可以保证通信的连续性，更好的提供服务质量；

步骤6、选举出最佳路径后，HA给和该最佳路径相对应的MR发送路径建立消息；

步骤7、当MR接收到该路由建立消息后，知道自己是最佳MR，于是就可以开始进行数据传送了。

实施例2：如图2所示。为简单起见，图中只画出了三个移动路由器MR。

图2中，NEMO网络由移动路由器MR1、MR2、MR3以及移动节点MNN1、MNN2构成。NEMO网络通过接入路由器AR接入互联网。HA是移动路由器的家乡代理，AR与HA之间通过双向隧道进行通信。CN是通信节点。现假设移动节点MNN2要和通信节点CN进行通信，则工作步骤如下：

步骤1、MR1、MR2、MR3都和HA互相发送Hello消息，保持相互连接；

步骤2、MNN2给MR1、MR2、MR3都发送连接请求，要求和CN通信；

步骤3、MR1、MR2、MR3接收MNN2发送过来的连接请求，并且都给HA发送LSA报文。在发送的LSA报文里，包含了各自对自己所处链路状态的认识，主要是链路l_i的容量(带宽)C_i，链路l_i的时延(包括传播时延和处理时延)d_i；

步骤4、HA检查接收到的LSA报文中的LS序号。若自己已经接收过相同LS序号的LSA报文，则HA丢弃该LSA报文。若没有接收过相同LS序号的LSA报文，则进入步骤5；

步骤5、HA检查接收到的LSA报文中的校验和，判断该LSA报文是否被破坏，如果该LSA报文已经被破坏，则丢弃该LSA报文。若该LSA报文保存完整，则进入步骤6；

步骤6、经过上述的步骤后，HA保证了接收到的该LSA报文是新的并且是完整的，则HA根据接收到的LSA计算每条链路的熵；

步骤7、HA计算完所有的熵后，选取熵最大的两条链路：熵最大的那条链路作为最佳路径，用来通信，另外一条链路作为备份路径，当最佳路径失效时，立即启动该备份路径。HA保存这两个最佳路径；

步骤8、假设选举出来的最佳路径是和MR1所对应的那条路径，则HA给MR1发送路径建立消息；

步骤9、MR1接收到HA发送过来的路径建立消息后，知道自己是最佳MR并且可以和HA进行通信，于是MR1给HA传送MNN2发送过来的消息；

步骤10、HA接收到消息后，把它转发给CN。于是MNN2和CN之间的通信就已经建立起来。

上述步骤就是MNN2和CN进行通信的完整过程。

Claims (4)

1. 一种移动网络中基于熵模型的移动路由器选择方法，其特征是：该方法含有构造熵模型的子方法和选择最佳MR的子方法，选择最佳MR的子方法含有以下步骤；

步骤1、所有与移动网络相关的MR都周期性的给HA发送Hello报文；

步骤2、HA接收到Hello报文后也给MR发送Hello报文；通过这种相互发送Hello报文的方式可以确保MR和HA之间的双向连接；

步骤3、移动网络中的节点给所有可达的MR发送连接请求，当接收到连接请求时，MR给HA发送链路状态通告报文LSA；

步骤4、HA接收到该LSA后，首先检查LSA的LS序号：若自己已经接收过相同LS序号的LSA，则HA丢弃该LSA；若没有接收过相同LS序号的LSA，则检查LSA的校验和，判断该LSA是否被破坏：如果该LSA已经被破坏，则丢弃该LSA；

步骤5、经过上述的检查，若该LSA是新的LSA，并且该LSA是完整的，则HA根据接收到的LSA，计算每条链路的熵；计算完所有的熵后，选取熵最大的两条链路：熵最大的那条链路作为最佳路径，用来通信；另外一条链路作为备份路径，当最佳路径失效时，立即启动该备份路径；

步骤6、选举出最佳路径后，HA给和该最佳路径相对应的MR发送路径建立消息；

步骤7、当MR接收到该路由建立消息后，知道自己是最佳MR，于是就可以开始进行数据传送了；

构造熵模型的子方法：在多MR的移动网络模型中，借助于物理学中熵的意义和形式，根据表征一条链路状态的因素——链路的容量以及链路的时延，来构造能够表征链路优劣的尺度——熵。

2. 根据权利要求1所述的一种移动网络中基于熵模型的移动路由器选择方法，其特征是：含有以下步骤；家乡代理保存这两个最佳路径；家乡代理接收到移动节点发送过来的消息后，把它转发给通信节点的步骤。

3. 根据权利要求1或2所述的一种移动网络中基于熵模型的移动路由器选择方法，其特征是：链路状态通告报文，包含了MR所获得的相关链路的状态信息：链路l_i的容量带宽C_i，链路l_i的时延包括传播时延和处理时延d_i。

4. 根据权利要求3所述的一种移动网络中基于熵模型的移动路由器选择方法，其特征是：链路状态通告报文中，

①源IP地址字段：表示的是MR的IP地址；

②目的IP地址字段：表示的是HA的IP地址；

③LS序号字段：用来标识这个报文的新旧程度，序号较大的LSA是新的；

④LS校验和字段：用于检测在传送过程中报文是否遭到破坏；

⑤流量字段：表示的是该链路所能传输的最大流量；

⑥带宽字段：表示的是链路l_i的容量带宽C_i；

⑦时延字段：表示的是链路l_i的时延包括传播时延和处理时延d_i。

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