CN1564540A

CN1564540A - 移动自组网中基于按需路由的因特网接入方法

Info

Publication number: CN1564540A
Application number: CN 200410036822
Authority: CN
Inventors: 周继华; 石晶林
Original assignee: Institute of Computing Technology of CAS
Current assignee: Institute of Computing Technology of CAS
Priority date: 2004-04-19
Filing date: 2004-04-19
Publication date: 2005-01-12
Anticipated expiration: 2024-04-19
Also published as: CN100425029C

Abstract

本发明属于移动自组织网络MANET技术领域，提出了MANET中一种基于AODV路由的Internet接入方法。网关利用HELLO消息周期性地向其邻居宣告网关信息，邻居结点和任何获知网关信息的结点将这些信息缓存起来，代替网关应答请求报文。由于网关被均衡负载到了多个结点上，所以网关的处理负担得到了很大程度地减轻；同时由于中间结点直接应答网关信息请求，从而减少了源结点得到网关信息的时间。在RREP中添加标识位G，使G位置1的RREP作为路由生存期更新报文，在网关到源结点上建立一条生存期合理的路由，保证从Internet返回MANET的报文能够立即使用这条路由，在很大程度上解决了Internet延时带来的MANET路由过期问题。

Description

移动自组网中基于按需路由的因特网接入方法

技术领域

本发明属于移动自组织网络MANET(Mobile Ad Hoc Networks)技术领域，特别涉及MANET的全球连通性(global connectivity)，它是一种移动自组网中基于按需路由的因特网接入方法。

背景技术

移动自组织网络(简称移动自组网)是一种无基站的无线多跳网络，是一种结点任意移动、拓扑动态变化的自治系统[1]Ramanathan R，Redi J，“A Brief Overview of mobile Ad hoc Networks：Challenges and Directions”，IEEE Communications Magazine，50^th Anniversary Commemorative Issue[C]，2002。MANET自治系统可以通过网关(gateway)接入Internet，该网关既有与Internet相连接的接口，又有与MANET(Mobile Ad Hoc Networks)相连接的接口，如无线接入路由器。MANET内的结点只有知道了网关的信息(如网络前缀、服务生存期等)才能够为自己配置一个全球唯一的IP/IPv6地址Global_IP_addr，然后通过网关与Internet上的结点通信。所以网关信息的获取与分发方法非常重要。MANET结点要接入Internet，必须建立一条到网关的路由，因此网关信息的获取与分发可以借助路由建立与维护过程来完成。通过路由控制报文而不使用专门的报文来承载网关信息请求/应答消息，可以减少在网络上传输和处理专门的报文所带来的开销。AODV(Ad hoc On-demand Distance Vector)是MANET中的一种按需驱动路由协议[2]C.Perkins，“Ad hoc On-Demand Distance Vector(AODV)Routing”，RFC3561，July 2003；AODV6是一种扩展的AODV协议，用于使用IPv6的MANET中[3]Charles E.Perkins，“Ad hoc On-Demand Distance Vector(AODV)Routing for IP version 6”，draft-perkins-manet-aodv6-01.txt，November 2000；AODV和AODV6的差别主要是路由控制报文中的地址长度不同，为了叙述方便，在下文中AODV和AODV6被统称为AODV。有文献[4]Ryuji Wakikawa，“Global connectivity for IPv6Mobile Ad Hoc Networks”，draft-wakikawa-manet-globalv6-03.txt，October2003指出了一种基于AODV的Internet接入方式，但是它在实际系统中性能较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种移动自组网中基于按需路由的因特网接入方法。

本发明提出的Internet接入方法，可以使MANET结点通过网关及时与Internet结点通信，该方法同时适用于采用IPv4(使用AODV路由)或IPv6(使用AODV6路由)的网络。实现方法如下：

修改AODV中的RREQ(Route Request)作为网关信息请求消息Gw_Sol；修改RREP(Route Reply)作为网关信息应答消息Gw_Adv和路由生存期更新消息Gw_Upd。

修改后的RREQ消息格式：

0 1 2 3

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1

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| Type |J|R|G|D|U|I| Reserved | Hop Count |

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| RREQ ID |

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| Destination IP Address |

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| Destination Sequence Number |

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| Originator IP Address |

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| Originator Sequence Number |

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新增位I用于标识该RREQ是否为网关信息请求消息，I为置1的RREQ表示Gw_Sol。其它字段的意义与文献[2][3]中的定义一致。

修改后的RREP消息格式：

0 1 2 3

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1

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| Type |R|A|I|G| Reserved |Prefix Sz| Hop Count |

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| Destination IP address |

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| Destination Sequence Number |

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| Originator IP address |

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| Lifetime |

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新增位I用于标识该RREP是否为网关信息应答消息，I位置1的RREP表示Gw_Adv；新增位G用于标识该RREP是否为源结点S(发送过Gw_Sol)收到应答Gw_Adv后所发送的路由更新消息，G位置1的RREP表示Gw_Upd。其它字段的意义与文献[2][3]中的定义一致。

本发明提出的工作方法如下：

网关的无线接口地址Global_ip_addr是静态配置的，并且还配置了多播地址ALL_MANET_GW_MULTICAST。网关通过AODV的HELLO报文将网关信息宣告消息Gw_Adv_Hlo广播给自己的邻居结点。Gw_Adv_Hlo消息的格式与Gw_Adv消息格式相同。在Gw_Adv_Hlo中，I位被置1、G位被置0、Destination IP address为网关的Global_ip_addr、Prefix Sz的值为网关的Global_ip_addr的前缀长度、Lifetime为网关的服务生存期、Destination Sequence Number为网关当前的序号，序号的维护方法以及其它字段的取值与原AODV的定义一致。

收到Gw_Adv_Hlo消息的结点，首先置状态标识Gw_flag为“已有网关信息”，然后将必要信息保存在网关信息缓存Gw_info_Cache中，这些信息包括：网关的IP地址Gw_addr为Gw_Adv_Hlo中的Destination IPaddress、网关信息的序号Gw_sn为Destination Sequence Number、网络前缀长度Gw_plen为Prefix Sz、生存期Gw_ttl为Lifetime；并启动生存期计时器，其初值为Lifetime，当计时器超时，该网关信息被从缓存中删除，并且Gw_flag被置为“没有网关信息”状态。

MANET结点在接入Internet之前，通过地址自动配置方法配置可在MANET内路由的IP/IPv6地址Local_ip_addr。当AODV路由模块收到上层传下来的发往目的地为Internet_dest的数据包时，若路由表中没有到Internet_dest的路由条目，就检查Gw_info_Cache中是否缓存了网关信息，若没有就将该数据包保存在等待发送缓存W_send_Cache中，然后启动网关发现方法。

网关发现过程如下：

源结点S广播Gw_Sol，Destination IP address为ALL_MANET_GW_MULTICAST；收到Gw_Sol的结点N检查自己的Gw_info_Cache，若有网关信息并且路由表中存在到网关的有效路由，就向S发送Gw_Adv(并且丢弃该RREQ，即不再转发)，该Gw_Adv中：I位置1，G位置0，Prefix Sz为Gw_plen，Destination IP address为Gw_addr，Life_time为Gw_ttl；若N的Gw_info_Cache中没有网关信息或没有到网关的路由，就将Gw_Sol转发出去。需要特别注意的是，AODV中规定收到G位置1的RREQ的中间结点要向目的结点发送一个RREP，在本发明中，收到G位置1但I位也置1的RREQ的中间结点不必向目的结点发送RREP。

收到Gw_Adv的结点，在Gw_info_Cache中添加或更新网关信息。更新规则为：Gw_info_Cache中保存序号较大的信息；若序号相等，就保存生存期较大的信息。然后在路由表中添加一条默认路由，其下一跳为Gw_Adv的IP头中的源地址N_ip_addr(即发送该Gw_Adv的邻居结点的IP/IPv6地址)。结点根据收到的Gw_Adv和自己的Local_ip_addr生成Global_ip_addr。Global_ip_addr由Gw_info中Gw_addr的前Gw_plen位和Local_ip_addr的后(128-Gw_plen)位首尾相接而成。结点配置了Global_ip_addr后，将W_send_Cache中发往Internet的数据包(目的IP地址为Internet_dest)发送出去。然后在路由表中添加一条到Internet_dest的路由，其下一跳为N_ip_addr，以后发往该Internet结点的数据包将沿这条路由发送出去。

源结点S收到Gw_Adv，在生成Global_ip_addr并将等待发送的数据包发送出去后，向网关发送一个路由生存期更新消息Gw_Upd，其中I位和G位都被置1。Gw_Upd用于更新网关到S的路由的生存时间，Gw_Upd中的Lifetime为Internet_Route_Timeout，其值根据实际的网络环境而定，一般为：Internet_Route_Timeout＝5*ACTIVE_ROUTE_TIMEOUT，ACTIVE_ROUTE_TIMEOUT与AODV中定义的值一致。收到Gw_Upd的结点，建立或更新到S的路由。这样就建立了一条从网关到S的生存期为Internet_Route_Timeout的路由，从Internet上返回的数据包通过这条路由到达S。

在上述过程中，收到RREQ或RREP的结点都要建立或更新相应的逆向路由(reverse route)或前向路由(forward route)，其过程与原AODV中的定义一致。

通过上面的网关信息宣告和网关发现过程，结点在自己和网关之间建立了一条生存期合理的双向路由。需要访问Internet的结点S，通过这条路由将Internet请求报文发到网关，然后由网关转发到Internet结点；从Internet上返回的数据首先到达网关，然后通过网关到S的路由到达结点S。MANET结点通过这种方法就能够接入Internet。

发明技术方案

基于AODV路由协议的Internet接入方法：其特征在于将增加标识位I的RREQ作为网关信息请求报文Gw_Sol，将增加标识位I的RREP作为网关信息应答报文Gw_Adv，将增加标识位G的RREP作为路由生存期更新报文Gw_Upd；网关利用HELLO消息周期性地向其邻居宣告网关信息，邻居结点将所获得的信息保存在网关信息缓存里；任何获知网关信息的结点都将这些信息缓存起来，代替网关应答Gw_Sol；发送Gw_Sol的结点S收到Gw_Adv后，发送Gw_Upd更新网关到S的路由的生存期。

基于AODV路由协议的Internet接入方法，其步骤如下：

步骤S1：网关利用HELLO消息周期性地向其邻居结点广播网关信息宣告Gw_Adv_Hlo；

步骤S2：收到Gw_Adv_Hlo消息的结点，将网关信息保存在网关信息缓存Gw_info_Cache中；

步骤S3：结点S要向Internet发送数据时，首先判断自己是否具有可在Internet内路由的地址Global_ip_addr，若有就将数据发送出去；若没有就进入S4；

步骤S4：判断Gw_info_Cache的状态标识Gw_flag，若Gw_flag处于“没有网关信息”状态，首先将待发送的数据保存到等待发送缓存W_send_Cache，然后向MANET广播网关信息请求消息Gw_Sol，用于寻找网关信息；若Gw_flag处于“已有网关信息”状态，就根据Gw_info_Cache的信息生成Global_ip_addr，然后将数据发送出去；若Gw_flag处于“正在寻找网关”状态，就等待网关信息应答消息Gw_Adv的到来，而不做其它操作；

步骤S5：网络结点收到Gw_Sol，首先建立或更新到结点S的逆向路由，然后判断自己的Gw_flag标识，若处于“已有网关信息”状态，并且路由表中存在到网关的有效路由，就根据Gw_info_Cache的信息向S发送Gw_Adv；否则将Gw_Sol转发出去；

步骤S6：网络结点收到Gw_Adv，首先建立或更新到网关的前向路由；然后根据Gw_Adv携带的网关信息更新Gw_info_Cache，并置Gw_flag为“已有网关信息”状态；接着查找W_send_Cache，若其中存在发往Internet的数据，就生成Global_ip_addr并将这些数据发送出去；判断自己是否为Gw_Adv的目的结点，若是就向网关发送路由生存期更新消息Gw_Upd，否则就将Gw_Adv转发出去；

步骤S7：收到Gw_Upd的结点，根据其中的信息更新到S的路由的生存期，然后将Gw_Upd向网关转发。

附图说明

图1是本发明的网关信息宣告及其处理流程图。

图2是本发明的网关信息获取与Internet接入流程图。

具体实施方式

图1的网关信息宣告及其处理流程图。其中各事件的处理步骤如下：步骤S1.1：当路由系统启动时，网关利用AODV的HELLO消息向其邻居广播网关信息宣告消息Gw_Adv_Hlo。

步骤S1.2：启动网关信息宣告周期计时器Timer，准备发送下一个Gw_Adv_Hlo。

步骤S1.3：判断计时器Timer是否超时，若超时就转到S1.1，周期性地宣告Gw_Adv_Hlo；否则进入S1.4。

步骤S1.4：等待计时器Timer超时。

步骤S2.1：网关的邻居结点收到HELLO消息，首先判断它是否为网关信息宣告消息Gw_Adv_Hlo，若是就进入S2.2；否则转到S2.3。

步骤S2.2：根据Gw_Adv_Hlo的信息更新网关信息缓存Gw_info_Cache，并置状态标识Gw_flag为“已有网关信息”。

步骤S2.3：按照AODV定义的方法，根据HELLO信息维护结点与网关间的路由。

步骤S2.4：将收到的HELLO消息丢弃，因为HELLO消息不需要转发。

图2的网关信息获取与Internet接入流程图。其中各事件的处理步骤如下：

步骤S1：当收到应用程序传来的发往Internet的数据包时，结点首先判断自己是否具有一个可在Internet内路由的地址Global_ip_addr，若有就将数据发送出去；否则进入S2。

步骤S2：判断网关信息缓存Gw_info_Cache的状态标识Gw_flag，若Gw_flag处于“已有网关信息”状态，就根据Gw_info_Cache的信息生成Global_ip_addr，然后将数据发送出去；否则进入S3。

步骤S3：将发往Internet的数据保存在等待发送缓存W_send_Cache中，等待Global_ip_addr的生成。

步骤S4：判断Gw_flag的状态，若处于“正在寻找网关”状态，就进入S5；否则转到S6。

步骤S5：由于网关信息正在获取过程之中，只需等待网关信息应答Gw_Adv的到来，而不做其它操作。

步骤S6：初始化网关信息寻找计数器Counter，其初值为0。

步骤S7：广播网关信息请求消息Gw_Sol并置Gw_flag为“正在寻找网关”状态。

步骤S8：启动等待计时器T，将Counter的值加1，等待Gw_Adv的到来。

步骤S9：判断等待计时器T的状态，若超时就进入S10；若在T未超时的过程中收到Gw_Adv就转到S19。

步骤S10：判断寻找网关信息的次数是否超过2，若Counter＞2就向所有等待发送数据的应用程序返回“Internet不可达”消息；否则广播Gw_Sol重新请求网关信息。

步骤S11：当收到Internet接入控制报文Gw_Sol、Gw_Adv或Gw_Upd时，判断该报文是否为网关信息请求消息Gw_Sol，若是就进入S12；否则转到S16。

步骤S12：判断结点自己是否知道网关信息，即判断Gw_flag是否处于“已有网关信息”状态，若是就进入S13；否则转到S15。

步骤S13：在路由表里查找是否存在到网关的有效路由，若存在就进入S14；否则转到S15。

步骤S14：根据Gw_info_Cache的信息创建网关信息应答消息Gw_Adv，并向请求结点发送出去。

步骤S15：将收到的Gw_Sol转发出去。

步骤S16：判断收到的Internet接入控制报文是否为网关信息应答消息Gw_Adv，若是就转到S18；否则进入S17。

步骤S17：根据收到的路由生存期更新消息Gw_Upd更新网关到源结点路径的生存期，然后将Gw_Upd转发出去，直到网关收到该消息。

步骤S18：根据收到的Gw_Adv消息更新网关信息缓存Gw_info_Cache并置Gw_flag为“已有网关信息”状态。若W_send_Cache中有数据等待发送，就进入S19和S20；若无等待发送的数据，就直接进入S20。

步骤S19：根据Gw_info_Cache中的信息生成Global_ip_addr，并将W_send_Cache中的发往Internet的数据发送出去。

步骤S20：判断自己是否为请求Gw_Adv的结点，若是就进入S21；否则转到S22。

步骤S21：向网关发送路由生存期更新消息Gw_Upd，以更新从网关到结点的路由的生存期。

步骤S22：将收到的Gw_Adv转发出去。比较一般的Internet接入方法和本发明所提出的方法，可以看出本发明具有以下优点：

(1)将网关信息均衡负载在多个结点上，减轻了网关的处理负担。网关通过HELLO消息周期性地向其邻居发布网关信息，邻居结点缓存这些信息，并代替网关应答网关信息请求。另外，中间结点也缓存网关信息，代替网关应答。这样网关就不必应答所有的请求，这既减轻了网关的处理负担，又缩短了请求/应答时间。

(2)RREP中G位的使用，为从Internet上传回MANET的数据包建立了生存期合理的路由。Internet上的结点D传到MANET内的结点S的数据包的传输延迟包括从D到网关的时间T1和从网关到S的时间T2。一般说来，由于在Internet上数据包会经过更多的结点(如路由器)和更长的传输距离，所以T1比T2大得多。从网关到S的路由如果仍使用原来较短的生存期，就容易导致返回的数据包到达网关时，网关到S的路由已失效。网关就必须缓存所有返回的数据包，然后启动路由发现方法建立一条到S的路由，这既增大了网关的存储负担，又延长了S收到数据包的时间。使用本发明提出的更新生存期技术，可以在很大程度上解决Internet延时带来的路由过期问题。

本发明属于移动自组织网络MANET技术领域，提出了MANET中一种基于AODV路由的Internet接入方法。修改AODV的路由控制报文RREQ和RREP，使它们能够承载网关信息请求与应答消息。充分利用已有的控制报文能够减少新增报文所带来的复杂性。网关利用HELLO消息周期性地向其邻居宣告网关信息，邻居结点和任何获知网关信息的结点将这些信息缓存起来，代替网关应答请求报文。由于网关信息被均衡负载到了多个结点上，所以网关的处理负担得到了很大程度地减轻；同时由于中间结点直接应答网关信息请求，从而减少了源结点得到网关信息的时间。在RREP中添加标识位G，使G位置1的RREP作为路由生存期更新报文，在网关到源结点上建立一条生存期合理的路由，保证从Internet返回MANET的报文能够立即使用这条路由，在很大程度上解决了Internet延时带来的MANET路由过期问题。

本发明已经用在中科院计算所IPv6 MANET测试床系统的设计中。(属内部实验，尚未公开。)

Claims

1.一种基于AODV路由协议的Internet接入方法：其特征在于将增加标识位I的RREQ作为网关信息请求报文Gw_Sol，将增加标识位I的RREP作为网关信息应答报文Gw_Adv，将增加标识位G的RREP作为路由生存期更新报文Gw_Upd；网关利用HELLO消息周期性地向其邻居宣告网关信息，邻居结点将所获得的信息保存在网关信息缓存里；任何获知网关信息的结点都将这些信息缓存起来，代替网关应答Gw_Sol；发送Gw_Sol的结点S收到Gw_Adv后，发送Gw_Upd更新网关到S的路由的生存期。

2.根据权利要求1的基于AODV路由协议的Internet接入方法，其步骤如下：

步骤S6：网络结点收到Gw_Adv，首先建立或更新到网关的前向路由；然后根据Gw_Adv携带的网关信息更新Gw_info_Cache，并置Gw_flag为“已有网关信息”状态；接着查找W_send_Cache，若其中存在发往Internet的数据，就生成Global_ip_addr并将这些数据送出去；判断自己是否为Gw_Adv的目的结点，若是就向网关发送路由生存期更新消息Gw_Upd，否则就将Gw_Adv转发出去；

3、根据权利要求2的基于AODV路由协议的Internet接入方法，其中，网关信息宣告及其处理流程过程，各事件的处理步骤如下：

步骤S1.1：当路由系统启动时，网关利用AODV的HELLO消息向其邻居广播网关信息宣告消息Gw_Adv_Hlo；

步骤S1.2：启动网关信息宣告周期计时器Timer，准备发送下一个Gw_Adv_Hlo；

步骤S1.3：判断计时器Timer是否超时，若超时就转到S1.1，周期性地宣告Gw_Adv_Hlo；否则进入S1.4；

步骤S1.4：等待计时器Timer超时；

步骤S2.1：网关的邻居结点收到HELLO消息，首先判断它是否为网关信息宣告消息Gw_Adv_Hlo，若是就进入S2.2；否则转到S2.3；

步骤S2.2：根据Gw_Adv_Hlo的信息更新网关信息缓存Gw_info_Cache，并置状态标识Gw_flag为“已有网关信息”；

步骤S2.3：按照AODV定义的方法，根据HELLO信息维护结点与网关间的路由；

4、根据权利要求2的基于AODV路由协议的Internet接入方法，其中，网关信息获取与Internet接入流程过程，各事件的处理步骤如下：

步骤S1：当收到应用程序传来的发往Internet的数据包时，结点首先判断自己是否具有一个可在Internet内路由的地址Global_ip_addr，若有就将数据发送出去；否则进入S2；

步骤S2：判断网关信息缓存Gw_info_Cache的状态标识Gw_flag，若Gw_flag处于“已有网关信息”状态，就根据Gw_info_Cache的信息生成Global_ip_addr，然后将数据发送出去；否则进入S3；

步骤S3：将发往Internet的数据保存在等待发送缓存W_send_Cache中，等待Global_ip_addr的生成；

步骤S4：判断Gw_flag的状态，若处于“正在寻找网关”状态，就进入S5；否则转到S6；

步骤S5：由于网关信息正在获取过程之中，只需等待网关信息应答Gw_Adv的到来，而不做其它操作；

步骤S6：初始化网关信息寻找计数器Counter，其初值为0；

步骤S7：广播网关信息请求消息Gw_Sol并置Gw_flag为“正在寻找网关”状态；

步骤S8：启动等待计时器T，将Counter的值加1，等待Gw_Adv的到来；

步骤S9：判断等待计时器T的状态，若超时就进入S10；若在T未超时的过程中收到Gw_Adv就转到S19；

步骤S10：判断寻找网关信息的次数是否超过2，若Counter＞2就向所有等待发送数据的应用程序返回“Internet不可达”消息；否则广播Gw_Sol重新请求网关信息；

步骤S11.：当收到Internet接入控制报文Gw_So1、Gw_Adv或Gw_Upd时，判断该报文是否为网关信息请求消息Gw_Sol，若是就进入S12；否则转到S16；

步骤S12：判断结点自己是否知道网关信息，即判断Gw_flag是否处于“已有网关信息”状态，若是就进入S13；否则转到S15；

步骤S13：在路由表里查找是否存在到网关的有效路由，若存在就进入S14；否则转到S15；

步骤S14：根据Gw_info_Cache的信息创建网关信息应答消息Gw_Adv，并向请求结点发送出去；

步骤S15：将收到的Gw_Sol转发出去；

步骤S16：判断收到的Internet接入控制报文是否为网关信息应答消息Gw_Adv，若是就转到S18；否则进入S17；

步骤S17：根据收到的路由生存期更新消息Gw_Upd更新网关到源结点路径的生存期，然后将Gw_Upd转发出去，直到网关收到该消息；

步骤S18：根据收到的Gw_Adv消息更新网关信息缓存Gw_info_Cache并置Gw_flag为“已有网关信息”状态，若W_send_Cache中有数据等待发送，就进入S19和S20；若无等待发送的数据，就直接进入S20；

步骤S19：根据Gw_info_Cache中的信息生成Global_ip_addr，并将W_send_Cache中的发往Internet的数据发送出去；

步骤S20：判断自己是否为请求Gw_Adv的结点，若是就进入S21；否则转到S22；

步骤S21：向网关发送路由生存期更新消息Gw_Upd，以更新从网关到结点的路由的生存期；

步骤S22：将收到的Gw_Adv转发出去。