JP4571666B2 - 無線マルチホップアドホックネットワークにおけるアドレス解決マッピングのための方法、通信デバイスおよびシステム - Google Patents

無線マルチホップアドホックネットワークにおけるアドレス解決マッピングのための方法、通信デバイスおよびシステム Download PDF

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Description

本発明は通信ネットワーク、特にアドホックネットワークにおけるコンピュータネットワークに関し、特にアドレス解決プロトコル(ARP)のメッセージタイプを追加して使用するパケットベースのルーティングスキームに関する。
移動ユーザ間の無線通信はデバイスおよび技術の発展と共にますます普及している。インフラストラクチャの展開が電気通信システムおよびデータネットワークシステム双方において広がりつつある。また今日、電気通信システムでは、パケット交換ネットワークを使用することが多くなり、傾向としては明らかにこのパケットベースのルーティングスキームの方向に向かっている。このシステムはデータネットワークでは多年にわたって使用されており、従ってこの目的のために多くの標準化されたルーティングプロトコルが存在する。しかしながらそのプロトコルは、例えばいわゆるアドホックネットワークのような急激に変化するネットワークトポロジに対する備えがない。
無線アドホックネットワークは、通常の有線ネットワークのインフラストラクチャと同じ静的性質を持たないことを特徴とし、アドホックベースのネットワークには中央制御はなく、ネットワークは自然発生的に構築されることが多い。アドホックベースのネットワークは分散化の概念による制御を維持している。標準的な固定ネットワークアーキテクチャと比較してノードを自由に接続または切断することができ、ノードは急激に発生、消滅し、ネットワークトポロジは動的に変化する。幾つかの場合では、そのようなアドホックネットワークは、インフラストラクチャの構成要素としてのユーザ/クライアントデバイス自体により形成される。その場合、ユーザがネットワークセルの内外に動き回るという意味においてこれらの構成要素にはまさしく移動性があり、したがってそれ故にインフラストラクチャは動き回り、動的に変化するであろう。これはインフラストラクチャを構築する上で刺激に富み、可能性に満ちた方法ではあるが、その方法はルーティングプロトコルに極めて大きな要求を課す。
無線環境におけるその他の問題は、ネットワークフローの性能および効率を劣化させる無線に固有の問題に起因する。インフラストラクチャノードの移動または無線環境における物体の移動によるフェーディングの問題が生じ得るし、領域内にある他の無線源からの妨害による問題もあり得る。
この種のネットワークの機構は軍事環境で使用されたが、今や民事領域にも移行してきつつある。今日例えば、住宅地域または商業地域における広帯域無線アクセスのために素早くインフラストラクチャエリアを構築するのに、無線システムが使用される。例えば非常時の状況で、災害地域で、または軍事目的の戦場で、一時的なインフラストラクチャの構築に無線システムが使用されることがある。また例えば、コンサート、会議、会合または季節的な旅行先などのようなイベントの中で一時的にアクセス提供エリアを構築するのに使用することもできる。この種の分野では、一年中アクセスを提供する必要はなく特定期間中のみであり、従ってこのような場合に固定インフラストラクチャを構築するのはあまりにも不経済といえる。
今日、幾つかのインターネットサービスプロバイダ(ISP)は、空港、レストラン、コーヒーショップおよびホテルなどの公共または準公共地域で固定無線インフラストラクチャシステムを使用して無線アクセスを提供している。これらのシステムはホットスポットと呼ばれることが多い。
ユーザからのアクセス取得要求が増加すると、提供領域および帯域幅を考慮して、無線提供領域または帯域幅を拡張する一つの方法はインフラストラクチャの構成要素をさらに多く設置することであるが、通常の固定無線の構成要素によりこれを実施すれば高くつく。そこで無線ルータを使用するネットワークの構築概念が浮上した。この場合設置手順の単純化のために、アドホックルーティングプロトコルが使用され得る。
アドホックネットワークを検討する場合、基本的に2種類のネットワークの使用法がある。第1の使用法は、外部ネットワーク、例えばインターネットへのアクセスを提供する外部ゲートウエイを持たないローカルエリアネットワークの構築である。このやり方は災害地域に関係する設置または戦場での軍事的設置に見られる。他のそして恐らくさらに一般的な使用法は1または幾つかのゲートウエイが、例えばIP(インターネットプロトコル)ベースの私設または公共ネットワーク、例えばインターネットへの外部接続を有するネットワークを提供する場合である。そのようなネットワーク構成では、例えばデータトラフィックのタイプ、混雑度、またはルーティングコストに応じて、データパケットは種々のルートをとったり、種々のゲートウエイを使用したりすることができる。
パケットベースのルーティングスキームはその通信ネットワークシステムを階層モデル、例えばOSI参照モデルに沿って構築することが多い。通信ソフトウエアまたはハードウエアは階層的に動作する幾つかの小さなサブユニット、レイヤに分割される。情報および通信制御パラメータは局所的に上下に、そして送受信端間の同じ層間でやり取りされる。そのような各層は通信命令の種々のタスクを担う。ルーティングに関しては、OSI参照モデルによる最初の3つの層が最も重要である。
レイヤ1はデータビットの物理的伝送を担う。物理的手段の例は、例えばイーサネットベースのネットワークの有線リンクまたは無線ローカルエリアネットワーク(WLAN)の無線リンクでありうる。
レイヤ2は多くの場合リンク層またはMAC層と呼ばれ、まとまりのあるデータ、誤り検出およびネットワークリソースの調整を担う。
レイヤ3は多くの場合ネットワーク層と呼ばれ、ネットワークにおける任意のノード対の間の通信を可能にすることを担う。例えば、この層はルーティング計算および幾つかの輻輳制御を行う。この目的のためにネットワークのタイプに応じて、種々のルーティングプロトコルが開発されている。
IPベースのネットワークにおけるパケットルーティングプロトコルは距離ベクトルまたはリンク状態情報を使用するルーティングアルゴリズムを一般にベースとし、ネットワークにおける送信元と宛先の各対に対するルートを見つけ、維持する。原理的に距離ベクトルルーティングアルゴリズムでは、各ルータは全てのホストへの距離をその近隣ルータにブロードキャストし、その情報を受信する各ルータはネットワークにおける各ホストへの最短ルートを計算する。リンク状態ルーティングアルゴリズムでは、各ルータはその各隣接ネットワークリンクの状態情報をブロードキャストし、その情報を受信する各ルータはリンク状態情報からネットワークの全体像に関するデータベースを維持し、データベースのリンクコストに基づいて各ホストへの最短ルートを計算する。これらのルーティングアルゴリズムは比較的静的なネットワークに対して設計されており、従ってトポロジーが頻繁に変化するアドホックネットワークに対しては新しいルーティングアルゴリズムの設計が必要である。
アドホックネットワークに対して基本的に2つのカテゴリのルーティングプロトコルが存在する。これらは「プロアクティブ」(テーブル駆動)および「リアクティブ」(オンデマンド)ルーティングプロトコルである。これらのプロトコルを組み合わせたプロトコルも可能である。
プロアクティブルーティングプロトコルは、アドホックネットワークにおける全てのホストへのルートを、絶えず定期的に計算する。従ってパケットが特定の宛先ホストに送信される必要がある場合、ルートは常に利用可能である。結果は全てのノードのルーティングテーブルに保持される。
各ホストへのルートを維持するために、制御メッセージがルータ間で交換され、ネットワーク構成およびリンク状態の変化を通知する。距離ベクトルおよびリンク状態ルーティングプロトコルは共にプロアクティブプロトコルに区分される。当然のことながら制御メッセージはオーバヘッドとなり、ネットワークの効率を低減させることになる。また、ネットワークトポロジが頻繁に変化する場合、プロアクティブプロトコルは有効なルートを維持することが困難であることがある。
DSDV(宛先順序付け距離ベクトルルーティング)は、ルーティング情報プロトコル(RIP)をアドホックネットワークに適応させる距離ベクトルアルゴリズムに基づくプロアクティブルーティングプロトコルである。各ノードはルーティングテーブルを維持し、ルーティングテーブルに次のホップノードおよび到達可能な全ての宛先ホストのそれぞれへのホップ数を格納する。DSDVでは、定期的に、またはネットワークトポロジの変化を検出すると、各ノードはルーティングの更新をブロードキャスト、またはマルチキャストする。前回の更新以来の変化に関する情報のみを更新する変化分の更新も使用され、制御情報を削減する。
リアクティブプロトコルは制御メッセージの交換のみを行い、送信すべきデータパケットがあるとルートを見つけ、更新する。送信元ノードがデータパケットの送信を望むと、制御プロトコルを開始し、その近隣ノードにルート要求メッセージを送信してルートを見つける。この原理によると、伝送すべきパケットがない場合、ネットワークリソースが無駄にならないという点で、リアクティブ手法は優れている。しかしながら最初にルートを形成する必要がある場合、パケットの送信に時間を要する。AODVおよびDSRは代表的なリアクティブプロトコルである。
AODV(アドホックオンデマンド距離ベクトルルーティング)プロトコルはDSDVアルゴリズムを使用し、オンデマンドベースで、即ち送信元ノードがデータパケットの送信を望む場合にのみルートを構築し、あるいは更新する。これはルートを見つけるあるいは更新するのに必要なブロードキャストの回数の削減に繋がる。
AODVでは、各ノードは検出された近隣ノードのリストを維持する。近隣リストは次の3方法のうち1つにおいて更新される。(a)パケットが近隣ノードから受信される場合、(b)近隣ノードからローカルな通知、即ちハローメッセージを受信することによる、(c)リンクレイヤからのフィードバックによる。各ノードからその近隣ノードに自己の所在を知らせるために定期的にハローメッセージがブロードキャストされる。
AODVでは、各ノードは全ての宛先へのルーティングテーブルを維持し、各宛先と通信する、または他のノードのためにデータパケットを転送する。各宛先に対して、IPアドレス、宛先ノードのシーケンス番号、宛先へのホップ数、宛先への次ホップノードおよびルートの存続時間などの宛先に関する情報を含む入力がルーティングテーブルに存在する。
ノードが宛先ノードとの通信を望む、即ち宛先へのデータパケットの送信を望む場合、その場合送信元ノードはルート回復機構を開始し、検出された全ての近隣ノードにルート要求(RREQ)をブロードキャストする。近隣ノードがRREQメッセージを受信し、そのルーティングテーブルにその宛先への十分新しいルートの入力があれば、その場合近隣ノードは送信元ノードにルート応答(RREP)メッセージを返送する。近隣ノードにその宛先に対するルート入力が見あたらなければ、その場合近隣ノードは自体が検出した近隣ノードにRREQメッセージを転送する。宛先ノードがRREQを受信すると、RREPメッセージを送信元ノードに返送する。
RREQパケットの転送プロセスで、各中間ノードは、ブロードキャストされたRREQの第1のコピーを受信する近隣ノードのIPアドレスを記録し、近隣ノードのIPアドレスにより逆ルートが確立される。後に受信される同じRREQメッセージのコピーは全て廃棄される。中間ノードは宛先に対するそのルーティングテーブルに入力を加え、RREPを受信した近隣ノードがその宛先への次ホップノードとして記録される。宛先シーケンス番号およびルートの存続時間はRREPからコピーされ、入力に記録される。RREPメッセージが最終的に送信元ノードに返送されると、送信元から宛先への転送ルートが形成される。
ルートに付随するリンクの障害によりルートが利用不可能になっていることをノードが検出すると、ルートを使用する全ての近隣ノードにルートエラー(route error、RERR)メッセージを送信する。RERRメッセージは、送信元ノードに達するまでその近隣ノードに送信し続けられる。次いで、送信元ノードはデータパケットの送信を停止するか、または新規ルートの発見を開始するかを決めることができる。
DSR(Dynamic Source Routing、動的ソースルーティング)プロトコルはソースルーティング機構を使用し、ソースルーティング機構では送信元ノードはオンデマンドベースでルートに沿う完全な複数のノードのシーケンスを決定し、中間ノードのリストをパケットヘッダに設定し、ルートのノードシーケンスを示す。このようにして、各パケットはパケットのルーティングのためにオーバヘッドを運ばなければならない。一方、中間ノードはルートに関する情報をなんら維持する必要はなく、データパケットを配信するときは、ルートを探知することができる。
DSRでは、各ノードは探知したルートを格納(キャッシュ)する。送信元ノードがデータパケットの宛先ノードへの送信を望み、その宛先に対する入力がキャッシュにない場合、その場合そのリンクレイヤにおけるRREQメッセージのブロードキャストによりルート発見機構を起動する。RREQメッセージを受信する各ノードはRREQメッセージにそのIPアドレスを添付し、次いでそのメッセージをさらに転送する。宛先へのルートが見つけられる、または別のノードが宛先ノードへのルートを与えることができるまで、このプロセスが行われる。次いで、宛先ノードへのネットワークホップシーケンスを含むルート応答(RREP)メッセージが送信元ノードに返送される。
DSRでは、あるノードでリンク障害が検出される(即ちパケットが最大回数再送信される)と、そのノードはそのルートキャッシュから該当リンクを除去し、前に確認が受信されているので、該当リンクを使用した各ノードにルートエラー(RERR)メッセージを送信する。それらのノードは該当リンクを含むルートを除去しなければならない。次いで、送信元ノードからのデータパケットの再送信は転送制御プロトコル(TCP)などの上位レイヤにより取り扱われる。
TCP/IPプロトコルの1つの問題は、プロトコルがIPアドレスのみを使用し、イーサネットまたはトークンリングの例におけるデータリンクでは、ネットワーク構成要素がそれ自体のアドレス付与スキームを有し、このスキームに、データリンクを使用するいずれのネットワークレイヤも準拠しなければならないことである。例えばイーサネットでは、幾つかの異なるネットワークレイヤが同時に協力し、幾つかのネットワークアプリケーションが物理的に同じケーブルを使用することができる。イーサネットのフレーム、即ちパケットが1つの場所から別の場所へ送信されると、パケットの宛先と送信元を判断するのに48ビットのイーサネットアドレスが使用される。48ビットの固有のイーサネットアドレスは全てのイーサネットのネットワークを形成するハードウエアにおいて見られ、MAC(メディアアクセス制御)アドレスと呼ばれることが多い。この48ビットのアドレスはIPv4(インターネットプロトコルバージョン4)で使用される32ビットのIPアドレスと比較することができる。アドレス解決は2つの異なる形式のアドレス間のマッピングスキームを付与する。このマッピングはARP(アドレス解決プロトコル)により行われる。ARPはARPキャッシュと呼ばれる一時メモリ空間においてハードウエアのMACアドレスをIPアドレスに動的にマッピングする機構を提供する。換言すれば、ARPはIPアドレスをMACアドレスに翻訳する。
ARPの基本的動作は次の通りである。IPレイヤがネットワークの別のデバイスとの通信を望むと、ARPキャッシュを(イーサネットアドレスとの整合の有無を見るために)チェックする。ARPキャッシュに整合する入力がなければ、ARPブロードキャストデータグラムが送信され、基本的に「このIPアドレスを持つデバイスはそのイーサネットアドレスを応答せよ?」と伝える。(IPアドレスを持つ)受信ステーションはARPデータグラムにより応答して、「これは自分のIPアドレスであり、自分のイーサネットアドレスはこれである」と伝える。ARPキャッシュは更新され、元のIPレイヤ情報はMACレイヤに渡され、処理される。
このスキームは固定配線ネットワークに対しては良好に動作するが、無線アドホックおよびマルチホップネットワークでは、全てのネットワークユニットが互いに連絡が取れず、この場合標準ARPの解決では十分ではない。この目的に対しては、IPとMACアドレスをマッピングする、ある異なるレイヤ2.5のソリューションが開発されている。
レイヤ2と3の間の仲介をする主として2つの異なるルーティングプロトコル、所謂レイヤ2.5プロトコルが存在する。
1.軽量基礎ネットワーク(LUNAR)。純粋ARPを使用する代りに、ARPトラフィックは基礎翻訳ネットワーク(SelNet)により捕捉され、拡張解決プロトコル(XRP)に書き直される。XRPは標準ARPよりはるかにリッチな表現セットを可能にする。LUNARにおいてルートを維持するには、全てのルートが3秒ごとにクリアされ、経路発見手順が再駆動される。
2.レイヤ2DSR(最初のバージョン)。ルート発見プロセスでは、ルーティングに使用されるパケットはARPに類似するが、途中のノードの全てのアドレスが記録される。プロトコルがソースルーティングプロトコルであるので、全ルートもデータパケットの各ヘッダに加えられる。そのようなアドレスの数は制限され、それによりホップ数も制限される。ルートの維持は各送信データパケットの確認(ack)のホップバイホップの検出により動作している。確認が得られないと、リンクが障害と考えられ、別のルートが探されるまで、パケットは一定の回数、再送信される。
上記解決法における問題は以下のように要約することができる。
1.標準ARPは無線ネットワークにおけるローカルなピアツーピアにのみ使用可能である。
2.ネットワークのパケットはアドホックルーティングプロトコルでは標準的には再使用されない。
3.LUNARプロトコルは総計最大10から15ノードのネットワークセルに限られ、最大3ホップに限られる。更新されたマッピングテーブルを保持するために、LUNARプロトコルがネットワークに満ち溢れることが多く、これは制御トラフィックをさらに増加させることになる。また、マルチホップ機能を可能にするためにLUNARプロトコルは外部のプロトコルを追加して利用する。
4.全てのネットワークアドレスが全てのパケットに格納される(データおよび制御トラフィックパケット双方とも)ので、レイヤ2のDSRは一定数のホップに限られる。この解決法は追加リソースを必要とし、新規ARPのようなプロトコルが導入される。
従って、上記解決法は標準IPベースのネットワークではトランスペアレントではなく、利用可能なネットワークリソースと関連するルーティングの構成要素の計算能力から余計なリソースを奪う。
従って、上記の問題および欠点の少なくとも幾つかを軽減することが本発明の好ましい実施形態の1つの目的である。
これは、ARPメッセージの構成を変えることなくARPメッセージに新しい特徴を導入することにより行われる。このように、標準ARPの機能性を使用するネットワークの構成要素はこの新規ARPメッセージ構成により影響されることはない。一方本発明によるARPのソリューションを使用するネットワークコンポーネントは効率的なARPのマッピングを使用することができる。
本発明の1つの好ましい実施形態では、無線マルチホップデータ通信ネットワークの「アドレス解決マッピング」のための方法が提供され、本方法は第1のノードから第2のノードまたは複数のノードにアドレス解決プロトコル(ARP)要求をブロードキャストするステップと、第2のノードがARP要求を受信して、ARPメッセージの宛先を判断するステップと、ARP要求が第3のノードに向けられると判断されれば、ARP要求を送信するステップと、および宛先ネットワークノードから第1のネットワークノードに中間ネットワークノードまたは複数のノードを介してARP応答を転送するステップを含む。
さらに本方法はノードにおいて格納され、検出された以前のARP要求およびARP転送の保留リストを含む。
さらに本方法は、格納された以前のARP要求またはARP転送の保留リストにおける格納時間を制限し、ノードが特定の宛先へ送信を許されるARP転送の割合を制限し、ノード間のリンク品質を測定し、ARPメッセージ手順の中でノードにリンク品質情報を配信し、ARPテーブルが更新されるべき時間を判断するためにリンク品質情報を使用し、更新がなされるべきであるかの判断のためにリンク品質情報を閾値と比較し、ARP要求の再ブロードキャストまたは転送の前にARP要求を変更する、各ステップを含む。
本方法によれば、あるノードがあるノードと通信することができないときに、ARPエラーメッセージが生成され、ネットワークの受信中のノードに配信されることができる。
本発明の別の実施形態では、通信デバイスが提示され、本デバイスはマルチホップ無線ネットワークにおけるルーティング手段を有し、命令セットメモリ、少なくとも1つのトランシーバ、命令セットメモリにアドレス解決プロトコル(ARP)命令を付与する手段および命令セットメモリにARPメッセージの転送および再ブロードキャスト命令を付与する手段を含む。
本デバイスにおいて、ARPの転送およびブロードキャストの手段はARPメッセージの宛先を判断する手段を含むことができる。
本デバイスは、ラップトップ、パーソナルコンピュータ(PC)、パーソナルディジタルアシスタント(PDA)、移動電話機、または組み込みコンピュータなどのクライアントシステムであってよいが、これらに制限されることはなく、またWLAN(無線ローカルエリアネットワーク)インフラストラクチャデバイス、および移動電話機インフラストラクチャデバイスなどのインフラストラクチャシステムであってよいが、これらに制限されることはない。
ARPの転送または再ブロードキャスト命令はメッセージを変更して、ARPメッセージがメッセージを変更するデバイスから発生するように見えるようにすることができる。
本発明のさらに別の実施形態では、マルチホップ無線データ通信のためのシステムが提示され、本システムは複数の通信デバイスを含み、本通信デバイスは、命令セットメモリ、少なくとも1つの無線トランシーバ、命令セットメモリにアドレス解決プロトコル(ARP)命令を付与する手段、命令セットメモリにARPの転送および再ブロードキャスト命令を付与する手段、および通信デバイスによって構築された通信ネットワークを含む。
データ通信システムにおける通信デバイスはARPメッセージの宛先を判断する手段をさらに含む。
通信デバイスはクライアントシステム、インフラストラクチャシステム、またはこれら2つのタイプのデバイスの組み合わせであってよい。クライアントシステムの例はラップトップ、パーソナルコンピュータ(PC)、パーソナルディジタルアシスタント(PDA)、移動電話機、または組み込みコンピュータであってよいが、これらに制限されることはない。インフラストラクチャシステムの例はWLAN(無線ローカルエリアネットワーク)インフラストラクチャデバイス、および移動電話機インフラストラクチャデバイスであってよいが、これらに制限されることはない。
システムは、インターネットまたは私設IPネットワークなどの外部ネットワークに接続された少なくとも1つのゲートウエイをさらに含むことができる。
本発明は、無線マルチホップデータ通信ネットワークにおける「アドレス解決マッピング」のための命令セットにも関係し、本命令セットは、第1のネットワークノードから第2のノードにアドレス解決プロトコル(ARP)要求をブロードキャストする第1の命令セット、ARP要求を受信し、ARPメッセージの宛先を判断するための第2のノードにおける第2の命令セット、ARP要求が第3のノードに向けられると判断されれば、ARP要求を送信する第3の命令セット、および第3のノードから第1のネットワークノードに第2のノードを介してARP応答を転送する第4の命令セットを含む。
以下では、本発明を非制限的方法において、包含する図面に示される例示的実施形態を参照してより詳細に記載する。
本発明は移動アドホックネットワークの概念に関する。その概念においては、移動ノードにより自律的に組織する無線ネットワークは、いわゆるマルチホップルーティングシステムを使用して、互いに通信する。ノードはホストまたはクライアントシステムおよびルータ、即ちインフラストラクチャデバイスの両方として動作する。トラフィックはノードを介してルーティングされ、必要であれば、外部IPネットワーク、例えばインターネットへのアクセスを有する外部ゲートウエイにルーティングされる。
本発明では、ARP(アドレス解決プロトコル)に対する新しい解決法が提示される。その解決法では、ARPメッセージはARP要求ノードとARPメッセージの最終受信者との間の経路に位置する中間ノードを使用して、受信ノードに転送される。
図1には、マルチホップ無線ネットワークの幾つかのネットワークノード101、102、103、および104が示されている。ノード101、102、103、および104は互いに通信するが、全てのノードが互いに接点を有するわけではない。これはある状況では、幾つかのノードはメッセージを中継し、ルーティングエレメントとして動作することを意味する。例えば、ノード101がノード104との通信を望めば、ノード101および104はこの状況では直接互いに「聞く」、即ち互いに直接通信することはできないので、ノード102またはノード102および103はパケットの処理に絡む必要がある。
メッセージが1つのノードから別のノードへ送信される場合、ノードのネットワークアドレスを解決する必要がある。本発明では、新しいARP手順が提案されており、その提案では、新規ARPメッセージが加えられ、ARPを転送または再ブロードキャストするようにARPメッセージ構成の変更を可能にする。これは、ARP要求が探し当てる宛先に到達するまで、互いのネットワークアドレスを知る必要のある2つのノードの間にあるノードがそのようなARP要求を転送することを意味する。
図1によりノード101がノード104との通信を望むものとしてステップごとの概要手順によりこのことを説明する。
1.ノード101はノード104へのデータの送信を希望する。
2.ノード101はARP要求「104が誰かを101に告げよ?」を自動的にブロードキャストする。
3.このメッセージは隣接ノード102により受信され、ノード102は要求「104が誰かを102に告げよ?」を直ちに再ブロードキャストする。
4.この要求は隣接ノード103により受信され、ノード103は要求「104が誰かを103に告げよ?」を再ブロードキャストする。しかしながらこの特定の場合には、要求はノード104によっても受信され、ノード104は「ノード102よ、私が104である」の送信により応答する。
5.ノード103によって送信された要求はノード104によって受信され、ノード104は「ノード103よ、私が104である」の送信により応答する。
6.ノード104からノード102への応答はノード102によって受信される。
7.ノード102は要求元(ノード101)にARP転送「ノード101よ、ノード104へのゲートウエイとしてノード102を使用せよ」の送信により応答する。
8.ノード104からノード103への応答はノード103により受信される。ノード103は「ノード102よ、ノード104へのゲートウエイとしてノード103を使用せよ」の送信によりノード102に応答する。
図2に示されるように別の例では、3つのノード(201、202、203)が小さなネットワークにおいて接続されている。ノード201はノード203との通信を望むが、直接そうすることはできない。一方ノード202は、ノード201とノード203との間のメッセージを中継することができるように位置している。図2で、ノード201は、一般にpingと呼ばれるICMP(インターネット制御メッセージプロトコル)のエコー要求のノード203への送信を希望する。図2のメッセージボックス205、207、211、および213は、本発明によるノード間で通信される新規メッセージタイプを示している。
1.ノード201がその通信手順を開始すると、まず通信を望むIP番号の位置を尋ねるARPメッセージを送信する。
2.このARP要求はノード202により受信される。ノード202は、メッセージが自分とは別のノード宛であると判断する。メッセージはノード202から来るように見えるように変更され、ボックス205に示すようにノード202により再ブロードキャストされる。
3.メッセージはノード203により受信され、ARP応答がノード202に送信され(ボックス206)、ノード202はノード201へARP応答を転送する(ボックス207)。
4.次いで、ノード201はノード203の座標位置を有し、ICMP要求をノード203に送信し(ボックス208)、ICMP要求はノード202により中継される(ボックス209)。
5.ノード203はICMP要求を受信し、次いでICMP応答の送信を望む。しかしながら応答を送信するためには、ノード203はノード201のMACアドレスを知る必要があり、それ故ノード201に対するARP要求を送信する。これはボックス210に示されている。
6.このメッセージはノード202により受信される。ノード202は、メッセージが自分とは別のノード宛であると判断する。メッセージはノード202から来るように見えるように変更され、ボックス211に示すようにノード202により再ブロードキャストされる。
7.メッセージはノード201により受信され、ARP応答がノード202に送信され(ボックス212)、ノード202はノード203へ応答を転送する(ボックス213)。
8.次いで、ノード203はノード201の座標位置を有し、ICMP応答を送信し(ボックス214)、ICMP応答はノード201へノード202により中継され(ボックス215)、ICMP通信手順は終了する。
上記の通信方法はICMPエコー要求により示されたが、本発明の範囲では任意のタイプの通信手順、プロトコル、またはスキームを使用することができることは当業者により当然ながら理解されるはずである。4以上のノードが通信ネットワークおよびトラフィックの処理に含まれることができることも当業者は当然ながら理解するはずである。
上記のメッセージは全ての部分が標準ARP手順ではない。しかしながら動作コード(op)フィールドを使用することにより、非標準メッセージであっても標準メッセージに組み込むことができる。このようにして標準ARP要求に準拠するルーティングエレメントは本発明の新規ARP転送スキームを使用するルーティングエレメントにより作成されたARP要求を取り扱うことができる。標準ルーティングエレメントはそのような新規ARPメッセージタイプのみを無視する。本発明の新規ARP転送スキームを取り扱うことができる変更されたルーティングエレメントは、opフィールドに含まれる新規コードを使用することができる。opフィールドは、送信または受信するメッセージタイプを規定する。それ故ARP転送スキームを実装するために、ARP標準を変更する必要はない。アドレス解決プロトコルのopフィールドにおいて使用される正規メッセージタイプは、ARP要求、ARP応答、RARP要求、およびRARP応答を含む。本発明の提案する新規メッセージタイプは、ARP転送、ARPエラー、およびARPリンク品質を含む。例として以下の表1に、イーサネットメッセージシステムにおける3つの異なるARPメッセージタイプとそのそれぞれの内容および伝送ヘッダを示す。表1Aは標準ARP要求メッセージを示し、表1Bは本発明によるARP応答メッセージを示し、表1Cは本発明によるARP転送メッセージを示す。メッセージに含まれる実際の情報は表1Aから表1Cの表の右側に示され、タイプ、ハードウエアタイプ、プロトコルタイプ、および動作コードフィールドには記述用語および実際に送信される16進コード(カッコ内に)の両者が示される。
Figure 0004571666
Figure 0004571666
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新規タイプのARPメッセージタイプについて次に説明する。
ARP転送:このタイプがARPメッセージのopフィールドに含まれれば、本発明による実装に伴ういずれのルーティングデバイスも、このメッセージがARP転送メッセージであることが分かり、これをARP応答としてメッセージの扱いにある相違を持って取り扱う。この扱いが本発明に導入されるARP転送スキームの実装における機能でもある。この機能により複数のルートを複数のノードに中継する。メッセージは最終宛先および最終宛先への直近のホップを含む。
ノードが或るノードと通信することができないことがわかると、ARPエラーが生成される。これは、ノードが探し求めるノードへの代替ルートを見出すことができない場合に生成される。ARPエラーメッセージは(隣接ノード、即ち単一ホップの隣へ)ブロードキャストされ、エラーメッセージを生成したノードおよび到達しえないノードに関する情報を含む。ARPエラーを起こすノードはエラーを起こすノードを含むルートおよびエラーを起こすノードがゲートウエイとして動作する全てのルートへの入力を全て除去する。ブロードキャストされたARPエラーメッセージの受信者はエラーを起こすノードを含む全てのアクティブルートを除去する。受信ノードに代替ルートがなければ、ARPエラーメッセージが生成され、ブロードキャストされる。
ARPリンク品質メッセージは2つのノード間のリンク品質に関する情報を含む。
中間ノードにより再ブロードキャストされたメッセージが連鎖して、通信する以前のノードにより受信されることもまた考慮されるべきである。図2の例でノード202がARP要求を再ブロードキャストすると、ノード201は同じメッセージを受信する。制御トラフィック量を削減するために、各ノードは各要求を記憶し、各ノードにおいて保留リストをローカルに格納することにより応答する。ARP要求の転送の前に最近の要求および応答に関するこのリストを見ることにより、ノードはネットワークインフラストラクチャにブロードキャストされる制御トラフィック量を削減することができる。受信メッセージが既に保留リストに設定されたノードに関するものであると判断されれば、そのメッセージは廃棄される。応答が受信され、応答が別のノードに転送されていれば、この保留リストにはどのノードがどのノードを探しているか、いつその要求がなされたかに関する情報が格納される。
この解決法では、ノードが特定ノード宛ての要求をどれだけ速く再ブロードキャストできるかに関する時間制限を導入することも可能である。ある要求が2以上の異なる経路を通り、あるノードで受信されると、その要求は2回以上転送されない。これは、時間制限以内でしかノードが特定ノードへの要求の転送を認めないことにより解決される。逆に、再ブロードキャストが送信されたことがないかぎり、ARP応答または転送は一度だけそれぞれの発生もとへの送信が認められる。
本発明はARP標準を変更しないので、特別なARP開始ルーティンは必要ではない。一方本発明の別の実施形態では、リンク品質監視システムが上記のARPソリューションと共に導入され、制御トラフィック量をさらに削減し、トラフィック速度を増大させることができる。ノード間のリンク品質、例えば無線品質、確認情報、ビットエラー率、または(例えば伝送制御プロトコル(TCP)からの)データ速度のスループットを測定することにより、検出したリンク品質の低下に基づいて、積極的なARPのリスティングの更新が可能である。そのようなスキームはデータパケットのロス量を削減することができ、インフラストラクチャの制御トラフィック量を削減する。(参照により本明細書に組み込まれる)PCT/SE03/002074では、アドホックネットワークにおけるリンク品質調査のための類似のスキームが導入され、参照により本明細書に組み込まれている。同じシステムがARPテーブルの更新時期の決定に使用されることができる。
本発明によるARPの実装における制御可能なパラメータはノードのARP要求送信可能回数、保留リストにおける入力の有効時間およびARPルーティングテーブルに格納されたルーティング入力が使用されることなくARPルーティングテーブルに残存を許される時間長を含むが、これに制限されることはない。
応答が他のノードから受信されれば、受信ノードは要求ノードへ応答を送信することができるように、要求は受信ノードに格納される。
ノードは任意の計算デバイスであってよく、ラップトップ、パーソナルディジタルアシスタント(PDA)、組み込みコンピュータ、または移動電話機を含むが、これに制限されることはない。そのようなデバイスは少なくとも1つの無線トランシーバおよびアドレス解決プロトコル命令およびアドレス解決プロトコルの転送および再ブロードキャスト命令を取り扱うプログラミングコードを有する命令セットメモリを含む。デバイスは命令セットメモリに本発明によるメッセージの最終宛先を判断する手段およびARPメッセージを変更する手段も含む。
本発明は、例えば災害エリアのネットワーク設定または戦場における軍事ネットワークの設定におけるなど、外部接続が提供されない独立ネットワーク、および共に接続された無線構成要素群であって、該群に少なくとも1つの外部ネットワーク(例えばインターネットまたは独立IPネットワーク)への接続がある場合の両方に使用することができる。後者の実施形態を図4に示す。複数の無線構成要素602、...、60n(nは整数)は外部ネットワーク、例えばインターネットへの接続を有するゲートウエイ607に接続される。外部接続600は任意のタイプであってよく、固定有線接続(例えばイーサネット、光ファイバ、または同類のもの)、または固定無線(例えばLMDS)を含むがこれに制限されることはない。
通信スキームは使用する無線コーディングスキームに独立であり、任意の無線タイプを使用することができる。タイプとしては例えば、IEEE802.11シリーズ(例えばIEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11gなど)IEEE802.15、IEEE802.16、ハイパーLAN、ホームRF、ブルトゥース、IR(赤外線)、UWB(超広帯域)、JTRS(共同戦術無線システム)、3G(第3世代移動通信)、GPRS(汎用パケット無線サービス)、EDGE(グローバル拡張版向けの高速データレート)のような無線規格がある。しかしながら、可能な無線規格は上記のものに限られない。100khzから100pHzの周波数帯域内で動作する任意の適する電磁的放射ベースの伝送スキームであってよく、これは無線周波数、マイクロ波周波数、および赤外、可視および紫外領域の周波数を含む。
本発明によるARPの方法は多くの異なるアプリケーション領域で使用することができる。領域としては例えば一般的に警察または特別なイベント中、災害または事故における救助隊、戦場または訓練における軍隊、または住宅および商用ネットワークアクセスの両方のための通信目的の無線アクセス領域の構築などがある。例えば、他の広帯域アクセス技術が殆ど無い、または接続するには高価でありすぎる住宅領域において、これらのアドホックネットワークを使用してショートレンジ、低コスト、無線装置を使用する広帯域アクセスを構築することができる。本方法は商業地域において、企業または小さな会社に広帯域アクセスを提供するために、または所謂ホットスポットにおける無線接続に使用することもできる。ホットスポットは、一定のエリア、例えば空港のラウンジまたはホテルにおいてビジネスモデルに応じて有料の顧客にまたは無料で通信アクセスを提供することを特徴とする。
以上の例では3または4つのノードが本発明を示すために使用されたが、このようなネットワークの設置にはノードの数はより多くも少なくも使用することができることは当然のことながら当業者により理解される。含まれるノードの数には特別な制限は無い。
本発明は説明のために詳細に記載されたが、このような詳細さはただ説明のためであって、添付の特許請求の範囲によって制限されうる場合を除いて、本発明の精神と範囲を逸脱することなく変形が本明細書で当業者によりなされうることは理解される。
小さなマルチホップネットワークの概要を示す図である。 小さなマルチホップネットワークを介する種々の通信メッセージのフロー図である。 ARPメッセージのメッセージ構成の概要を示す図である。 固定ネットワークと接続される大きなマルチホップ無線ネットワークの概要を示す図である。

Claims (26)

  1. 無線マルチホップデータ通信ネットワークにおけるアドレス解決マッピングのための方法であって
    第1のネットワークノード第2のノードにアドレス解決プロトコル(ARP)要求をブロードキャストするステップであって、前記ARP要求はARPメッセージであり、該ARPメッセージ内の動作コードフィールドが、該ARPメッセージは前記ARP要求であることを示すところのステップと、
    前記第2のノードが、前記ARP要求を受信し、前記ARP要求の宛先を判断するステップと、
    前記第2のノードが、前記ARP要求は第3のノードに向けられていると判断された場合には、前記ARP要求を送信するステップと、
    前記第2のノードが前記第3のノードからARP応答を受信するステップであって、前記ARP応答はARPメッセージであり、該ARPメッセージ内の動作コードフィールドが、該ARPメッセージは前記ARP応答であることを示すところのステップと、
    前記第2のノードが、前記ARP応答の前記動作コードフィールドを変更して前記変更後のARP応答がARP転送であることを示すようにするステップと、
    前記第2のノードが、前記第1のネットワークノードに前記ARP転送するステップと
    を備える方法。
  2. 前記第2のノードは複数のノードを含む請求項1に記載の方法。
  3. 前記ノードにおいて格納され、検出された以前のARP要求およびARP転送の保留リストをさらに備える請求項1に記載の方法。
  4. 格納された前記以前のARP要求またはARP転送の前記保留リストの格納時間に対する制限時間をセットするステップをさらに備える請求項3に記載の方法。
  5. RP転送の合の制限を設定するステップをさらに備え、前記割合の制限は、ノードに、所定の制限時間内でしか特定ノードへのARP要求の転送を許さないことにより、ノード特定の宛先への送信を許ことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  6. ノード間のリンク品質を測定するステップと、
    ARPメッセージ手順の途中でノードにリンク品質情報を配信するステップとをさらに備える請求項1に記載の方法。
  7. 前記リンク品質情報が、確認情報および無線リンク品質、データ速度のスループット、ビットエラー率のうちの少なくとも1つを備える請求項に記載の方法。
  8. ARPテーブルが更新されるべき時間を判断するために前記リンク品質情報の低下を使用するステップをさらに備える請求項に記載の方法。
  9. リンク品質低下の検出に基づいてARPテーブルの更新がなされるべきの判断のために前記リンク品質情報を閾値と比較するステップをさらに備える請求項に記載の方法。
  10. あるノードがあるノードと通信することができないときに、ARPエラーメッセージが生成され、前記ネットワークの受信中のノードに配信される請求項1に記載の方法。
  11. 前記第2のノードが、前記ARP要求の再ブロードキャストまたは転送の前に前記ARP要求を変更するステップをさらに備える請求項1に記載の方法。
  12. マルチホップ無線ネットワークにおけるルーティング手段を有する通信デバイスであって、前記デバイスは、
    命令セットメモリと、
    少なくとも1つの無線トランシーバと、
    前記命令セットメモリにアドレス解決プロトコル(ARP)命令を付与する手段と、
    ARPメッセージの動作コードフィールド部を変更する手段と、
    前記命令セットメモリ内のARPメッセージの動作コードフィールド内の前記ARPメッセージの転送を示すメッセージタイプコードを用いて、前記ARPメッセージ転送および再ブロードキャスト命令を付与する手段と
    を備え
    前記ARPメッセージの前記動作コードフィールドが前記ARPメッセージはARP応答であることを示す場合には、前記変更する手段は、前記ARPメッセージの前記動作コードフィールドを変更して前記変更後のARPメッセージはARP転送であることを示すようにし、前記ARPメッセージ転送を付与する手段は、前記変更後のARPメッセージを転送することを特徴とするデバイス。
  13. ARPの転送およびブロードキャストのための前記手段は前記ARPメッセージの前記宛先を判断する手段を含む請求項12に記載のデバイス。
  14. 前記通信デバイスはクライアントシステムである請求項12に記載のデバイス。
  15. 前記クライアントシステムは、1または幾つかのラップトップコンピュータ、またはパーソナルコンピュータ(PC)、またはパーソナルディジタルアシスタント(PDA)、または移動電話機、または組み込みコンピュータである請求項14に記載のデバイス。
  16. 前記通信デバイスはインフラストラクチャシステムである請求項12に記載のデバイス。
  17. 前記インフラストラクチャシステムは、少なくとものWLAN(無線ローカルエリアネットワーク)インフラストラクチャデバイス、および移動電話機インフラストラクチャデバイスを含む請求項16に記載のデバイス。
  18. 前記ARPの転送または再ブロードキャスト命令を付与する手段は、前記ARPメッセージを変更して前記デバイスが送信元であるように見せかける請求項12に記載のデバイス。
  19. マルチホップ無線データ通信のためのシステムであって、前記システムは通信ネットワークを構築するよう構成された複数の通信デバイスを含み、
    前記通信デバイスの各々は、
    命令セットメモリと、
    少なくとも1つの無線トランシーバと、
    前記命令セットメモリにアドレスリゾリューションプロトコル(ARP)命令を付与する手段と、
    ARPメッセージの動作コードフィールド部を変更する手段と、
    前記命令セットメモリ中のARPメッセージの動作コードフィールド内のARPメッセージの転送を示すメッセージタイプコードを用いてARPの転送および再ブロードキャスト命令を付与する手段と
    を備え
    ARPメッセージの前記動作コードフィールドが前記ARPメッセージはARP応答であることを示している場合、前記変更する手段が、前記ARPメッセージの前記動作コードフィールドを変更して変更後の前記ARPメッセージはARP転送であることを示す様にし、前記ARPの転送を付与する手段が変更後の前記ARPメッセージを転送するシステム。
  20. 前記通信デバイスはARPメッセージの宛先を判断する手段をさらに含む請求項19に記載のシステム。
  21. 前記通信デバイスはクライアントシステムである請求項19に記載のシステム。
  22. 前記クライアントシステムは、1または幾つかのラップトップ、またはパーソナルコンピュータ(PC)、またはパーソナルディジタルアシスタント(PDA)、または移動電話機、または組み込みコンピュータである請求項21に記載のシステム。
  23. 前記通信デバイスはインフラストラクチャシステムの一部である請求項19に記載のシステム。
  24. 前記インフラストラクチャシステムは、1または幾つかのWLAN(無線ローカルエリアネットワーク)インフラストラクチャデバイス、および移動電話機インフラストラクチャデバイスを含む請求項23に記載のシステム。
  25. 外部ネットワークに接続された少なくとも1つのゲートウエイをさらに含む請求項19に記載のシステム。
  26. 少なくとも一つの無線ノードデバイスにより読み出し可能な命令セットを格納している、無線マルチホップデータ通信ネットワークにおけるアドレス解決マッピングのための命令セットメモリであって、該命令セットは前記少なくとも一つの無線ノードデバイスに
    第1のネットワークノードに、アドレス解決プロトコル(ARP)メッセージの動作コードフィールドが前記ARPメッセージはARP要求であることを示しているARPメッセージであるところのARP要求を第2のノードへブロードキャストさせ
    前記第2のノードに、前記ARP要求を受信させ、ARP要求の宛先を判断させ
    前記第2のノードに、前記ARP要求が第3のノードに向けられると判断される場合、前記ARP要求を送信させ
    前記第2のノードに、前記第3のノードからの、ARPメッセージの動作コードフィールドが前記ARPメッセージはARP応答であることを示しているARPメッセージであるところのARP応答を受信させ、
    前記第2のノードに、前記ARP応答の動作コードフィールドを変更させて変更後の前記ARP応答はARP転送であることを示すようにし、
    前記第2のノードに、前記第1のネットワークノードへ前記ARP応答を転送させる命令セットメモリ
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