梁 潘

(阿壩師范高等?？茖W(xué)校 a.物理與電子科學(xué)系;b.應(yīng)用物理研究所，四川 汶川 623002)

基于Linux自組織網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)切換時(shí)延優(yōu)化與實(shí)現(xiàn)

梁 潘a,b

(阿壩師范高等?？茖W(xué)校 a.物理與電子科學(xué)系;b.應(yīng)用物理研究所，四川 汶川 623002)

文章給出了基于自組織網(wǎng)的Linux系統(tǒng)上MIPv6協(xié)議的執(zhí)行方案和關(guān)鍵技術(shù)的改進(jìn)方法，并設(shè)計(jì)出執(zhí)行MIPv6協(xié)議的框架，提出了協(xié)議執(zhí)行程序需采用的關(guān)鍵技術(shù)。并對移動(dòng)性的切換延時(shí)問題進(jìn)行了分析，得出延時(shí)有所降低的結(jié)論。最后，建立實(shí)驗(yàn)場景，對移動(dòng)切換的性能進(jìn)行了研究。通過對比延時(shí)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了改進(jìn)后的方案正確和可行。

自組織網(wǎng)；MIPv6；雙網(wǎng)卡技術(shù)；Linux

0 引言

自組織網(wǎng)是由一組可相互通訊的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成的一種自主系統(tǒng)。節(jié)點(diǎn)間的通訊不必依賴于固定的基礎(chǔ)架構(gòu)。當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)彼此無法直接通訊時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)經(jīng)過中間節(jié)點(diǎn)搭起的路徑進(jìn)行傳輸[1]。隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展和移動(dòng)范圍的不斷擴(kuò)大，人類對通信的要求越來越傾向于移動(dòng)性，將MIP添加到自組織網(wǎng)已經(jīng)是一種普遍趨勢。本文對地址資源豐富而確保通訊能從一端到另一端的MIPv6協(xié)議(移動(dòng)Ipv6協(xié)議)展開探討，其擴(kuò)展性能可帶來安全性和移動(dòng)性，全世界范圍內(nèi)MIPv6逐漸被用來取代IPv4作為下一代網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。MIPv6協(xié)議為IP路由提供一種機(jī)制，每個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)地址：靜態(tài)本地地址和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)交地址。如此一來，在不對上一層應(yīng)用層進(jìn)行調(diào)整的情況下，就便于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)連接到具有永久本地IP地址的任何鏈路上進(jìn)行切換。

標(biāo)準(zhǔn)的MIPv6協(xié)議只適合單跳接入，故對多跳自組織網(wǎng)不適用[2]。鑒于此，本文將MIPv6協(xié)議與自組織網(wǎng)相結(jié)合應(yīng)用在Linux系統(tǒng)上。為了實(shí)現(xiàn)多跳移動(dòng)切換，對切換延時(shí)也進(jìn)行了比較。同時(shí)，提出一種方案來降低延時(shí)，具體做法就是：配置雙網(wǎng)卡來降低因掃描數(shù)據(jù)包丟失情況所導(dǎo)致的延時(shí)。通過分析，發(fā)現(xiàn)因移動(dòng)性導(dǎo)致的延時(shí)得到有效降低。

切換是移動(dòng)通信的一個(gè)重要部分，是使移動(dòng)節(jié)點(diǎn)從一個(gè)接入路由器移動(dòng)到另一個(gè)同時(shí)又維持它的互連性。在切換過程中，切換延時(shí)、數(shù)據(jù)包丟失率及負(fù)荷是三個(gè)重要的性能指標(biāo)。切換延時(shí)是判斷通信質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)[3]，因此，降低切換延時(shí)是本文研究的目標(biāo)。移動(dòng)IPv6協(xié)議包括移動(dòng)檢測、IP地址配置和位置更新[4]，移動(dòng)檢測和路由收斂是最重要的兩個(gè)因素，使用鏈路層自動(dòng)掃描法來快速掃描接入點(diǎn)可使延時(shí)達(dá)到最佳。此外，還使用到雙網(wǎng)卡技術(shù)來減少因單網(wǎng)卡配置所致的數(shù)據(jù)包丟失問題。

1 LINUX系統(tǒng)上MIPV6協(xié)議的框架

本文中MIPv6的執(zhí)行環(huán)境是Fedora-2.6.16系統(tǒng)，其基本流程框架如圖1所示。

圖1 MIPv6的基本過程框架

基本流程是從主功能開始，然后觸發(fā)流道、mh_listen、icmp6_listen和sigth這四個(gè)線程[5]。這些線程被阻塞后要等待一些條件，當(dāng)條件滿足后，調(diào)用恰當(dāng)?shù)睦虂磉M(jìn)行處理操作，處理完畢，返回到阻塞狀態(tài)。所有這些線程都是無限循環(huán)線程。

mh_listen負(fù)責(zé)處理MN與本地代理和對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的連接，包括連接控制信息以及返回路由的交互信息。

具體信息和處理功能如表1所示。MIPv6網(wǎng)絡(luò)層切換算法的執(zhí)行通過mh_listen與icmp6_listen之間的交互來實(shí)現(xiàn)。流道線程從tq_list中讀取列表，該表按年月日次序進(jìn)行排列。

表1 MH_LISTEN和處理功能

1.1 鏈路層切換

此前的實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)用“iwconfig”命令來執(zhí)行手動(dòng)切換。然而，當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，該方法使用起來十分不便。所以，通過“autolink”的自動(dòng)掃描程序?qū)Α癷wlist”源代碼做了調(diào)整。該代碼包含用來搜索無線網(wǎng)絡(luò)的“iwlist interface scan”命令?！癮utolink”程序可獲取到各個(gè)子網(wǎng)的質(zhì)量信息，這些子網(wǎng)通過將“l(fā)ink quality”加入到調(diào)研信息里而獲取到理想的通信質(zhì)量。

有一部分iwlist過程會(huì)發(fā)生變化，主要表現(xiàn)在以下兩方面：使用“while”循環(huán)程序?qū)ψ泳W(wǎng)進(jìn)行定期掃描；利用socket函數(shù)“select”機(jī)制來定期喚醒掃描程序。

增加鏈路質(zhì)量比較，確定當(dāng)前子網(wǎng)的“curessid”、最佳接入子網(wǎng)的“bestssid”、當(dāng)前鏈路質(zhì)量的“curqual”以及最佳鏈路質(zhì)量的“bestqual”。

當(dāng)被掃描到的鏈路質(zhì)量優(yōu)于最佳鏈路質(zhì)量時(shí)，“curqual”和“curessid”的值被替換成“bestqual”和“bestessid”。

1.2 網(wǎng)絡(luò)層切換

對比分析執(zhí)行數(shù)據(jù)，切換延時(shí)主要包括移動(dòng)檢測和路由收斂。要優(yōu)化切換延時(shí)就需要對這些參數(shù)進(jìn)行調(diào)整[6]。

1)移動(dòng)檢測：路由器定期發(fā)送路由器通告(RA)以告知其它節(jié)點(diǎn)有關(guān)該子網(wǎng)的信息，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收來自路由器的通告并通過對比子網(wǎng)前綴來確定該節(jié)點(diǎn)是否發(fā)生了網(wǎng)絡(luò)層的移動(dòng)。協(xié)議里的RA消息時(shí)段默認(rèn)為10 s，當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)切換到新子網(wǎng)上后，為了接收到發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信息的新路由器，將該時(shí)段縮短至5 s。

2)路由收斂：當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接入到新子網(wǎng)時(shí)，它無法立即進(jìn)行通訊，因?yàn)檫@個(gè)新子網(wǎng)尚未完成收斂。將“hello”消息和“tc”的默認(rèn)值分別從2 s和5 s調(diào)整到1 s和4 s以縮短收斂時(shí)間。

2 實(shí)驗(yàn)場景的構(gòu)建和應(yīng)用分析

2.1 測試配置

在測試過程中，采用的系統(tǒng)是Linux內(nèi)核版本和802.11b鏈路層協(xié)議的Fedora-2.6.16系統(tǒng)，最大傳輸速率為11 Mbps。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)呈分層形狀。無線網(wǎng)卡是TPLINK TL-WIN322+，傳輸范圍：室內(nèi)為100 m以內(nèi)，室外為300 m以內(nèi)，將網(wǎng)卡設(shè)為自組模式。

1)性能測試工具

Ping6：在IPv6環(huán)境下運(yùn)行“ping6”命令來檢測網(wǎng)絡(luò)的連接性。使用“ping6”來收集切換和數(shù)據(jù)包丟失的延時(shí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

2)手動(dòng)切換多跳網(wǎng)絡(luò)

實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，建立了一個(gè)分層的自組織網(wǎng)，配置有三個(gè)子網(wǎng)，如圖2所示，有一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)、一個(gè)本地代理、兩個(gè)接入路由器、兩個(gè)次要節(jié)點(diǎn)和一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)。當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在三個(gè)子網(wǎng)內(nèi)部進(jìn)行切換時(shí)，它通過一條二跳路徑維持與AR的通信。相關(guān)信息必須從直接節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)播給路由器。有關(guān)配置如表2所示。

圖2 多跳網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

節(jié)點(diǎn)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)本地代理接入路由器ESSIDssubnet1subnet1backbonesubnet2backboneFrequency2.412G2.412G,2.442G2.422G,2.442GIPv6address2001:db8:1::42001:db8:1::2001:db8:1::2001:db8:2::12001:db8::2Accessrouter2CorrespondednodeSecondarynodeASecondarynodeBSubnet3,backbonesubnet2subnet1subnet32.432G,2.442G2.422G2.412G2.432G2001:db8:3::12001:db8::32001:db8:2::52001:db8:1::102001:db8:3::6

3)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的測試

由圖2可知移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位于本地代理的一跳范圍外，當(dāng)發(fā)生切換時(shí)它可以接入到外部網(wǎng)絡(luò)。借助于次要節(jié)點(diǎn)，它可以與接入路由器和對應(yīng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊。

4)數(shù)據(jù)測試

對RA時(shí)段和OLSR路由數(shù)據(jù)包的時(shí)段進(jìn)行調(diào)整有助于縮短切換延時(shí)。由上述測試實(shí)驗(yàn)可知，進(jìn)行時(shí)段調(diào)整后，當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)從子網(wǎng)1移動(dòng)到子網(wǎng)2時(shí)，切換延時(shí)是18 s；當(dāng)從子網(wǎng)2移動(dòng)到子網(wǎng)3時(shí)，延時(shí)是19 s；當(dāng)返回至子網(wǎng)2時(shí)，延時(shí)是20 s；當(dāng)移向本地子網(wǎng)時(shí)，延時(shí)是19 s。這組延時(shí)較之前的要稍短一點(diǎn)。在對時(shí)段參數(shù)調(diào)整之前，平均切換延時(shí)約是20 s。調(diào)整這些參數(shù)并沒有明顯縮短切換延時(shí)。

2.2 添加多跳切換的autolink掃描程序

無線網(wǎng)卡的實(shí)際傳輸范圍是室內(nèi)約100 m，室外約300 m。使用“ip6tables”數(shù)據(jù)包過濾工具來斷開與多跳拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的直接連接。

測試實(shí)驗(yàn)在室外進(jìn)行，建立了帶二跳分層自組織網(wǎng)的兩個(gè)子網(wǎng)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，其中包括了一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)、一個(gè)本地代理、一個(gè)接入路由器和兩個(gè)次要節(jié)點(diǎn)。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和各個(gè)子網(wǎng)節(jié)點(diǎn)無法直接通訊，而需要有次要節(jié)點(diǎn)的協(xié)助。在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)切換過程中，本地代理與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間可以保持通訊狀態(tài)。表3給出了各節(jié)點(diǎn)的配置情況。

圖3 兩跳網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)切換

節(jié)點(diǎn)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)本地代理ESSIDsubnet1subnet1,backboneFrequence2.412G2.412G2.442GIPv6address2001:db8:1::42001:db8:1::12001:db8::1節(jié)點(diǎn)接入路由器SecondaryASecondaryBESSIDsubnet2,backbonesubnet1Subnet2Frequence2.422G,2.442G2.412G2.422GIPv6address2001:db8:2::12001:db8::22001:db8:1::102001:db8:2::5

由圖4和表4的測試數(shù)據(jù)，可知通過對協(xié)議中的默認(rèn)值進(jìn)行調(diào)整，切換延時(shí)得到縮短。但是，這并不說明它就符合要求。執(zhí)行過程中，如果控制信息的時(shí)段太短，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷會(huì)增加，如此一來，不僅沒法降低切換延時(shí)，而且容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁堵。通過對比二跳切換延時(shí)的手動(dòng)切換和自動(dòng)切換，可得知自動(dòng)切換延時(shí)比手動(dòng)切換的要長，原因在于在自動(dòng)切換過程中，無線網(wǎng)卡必須定期掃描網(wǎng)絡(luò)。掃描時(shí)，接收到的數(shù)據(jù)包被丟棄，當(dāng)掃描時(shí)段拉長，數(shù)據(jù)包丟失率就降低，但切換延時(shí)會(huì)延長；另一方面，如果掃描時(shí)段縮短，切換延時(shí)也跟著縮短但數(shù)據(jù)包丟失率會(huì)提高。這就要求在切換延時(shí)與通信質(zhì)量之間達(dá)到平衡。故本文提出采用雙網(wǎng)卡機(jī)制來改善這方面的性能。

子網(wǎng)A-子網(wǎng)B圖4 修改參數(shù)的測試結(jié)果

周期范圍OLSR路由周期HELLO_INTERVAL2sTC_INTERVAL5sREFRESH_INTERVAL3sRA周期MaxRtrAdvInterval10sMinRtrAdvInterval1sMinDelayBetweenRAs1s自動(dòng)連接掃描周期Scanningperiod5s

3 采用雙網(wǎng)卡機(jī)制來改善多跳切換延時(shí)

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間通過相同的網(wǎng)卡來進(jìn)行通訊和掃描，這是影響通信質(zhì)量的關(guān)鍵所在。因此，可以給移動(dòng)節(jié)點(diǎn)配置兩個(gè)網(wǎng)卡，一個(gè)用于正常通訊，一個(gè)用于掃描網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，然后將結(jié)果反饋給網(wǎng)卡，通過這些反饋信息網(wǎng)卡可以作出判斷并進(jìn)行切換。接著，在未受干預(yù)的情況下，將掃描和通訊任務(wù)分配給兩個(gè)相對獨(dú)立的網(wǎng)卡。通過縮短其它網(wǎng)卡的掃描時(shí)段，從而在保證通信質(zhì)量的同時(shí)降低了切換延時(shí)。

3.1 配置

對已有網(wǎng)卡配置增加新的網(wǎng)卡工作模式(IP地址、工作頻率)，用新網(wǎng)卡識(shí)別程序替換“autolink”配置文件里的掃描網(wǎng)卡識(shí)別程序，對“autolink”程序進(jìn)行編譯后就可以運(yùn)行網(wǎng)卡。

3.2 測試結(jié)果

相關(guān)配置和參數(shù)與前面測試用到的相同，測試結(jié)果如圖5所示。顯而易見，在添加了雙網(wǎng)卡機(jī)制后，性能得到顯著提高，說明該方案是正確和可行的。

圖5 加入雙網(wǎng)卡機(jī)制的測試結(jié)果

4 結(jié)語

本文在Linux系統(tǒng)上對MIPv6協(xié)議進(jìn)行了執(zhí)行研究實(shí)驗(yàn)，通過不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)驗(yàn)證和測試了實(shí)驗(yàn)的可行性和有效性，提高了影響切換延時(shí)的分塊性能。通過構(gòu)建測試環(huán)境得到延時(shí)數(shù)據(jù)，并對延時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可知通過調(diào)整參數(shù)有助于縮短切換延時(shí)而使協(xié)議達(dá)到優(yōu)化。最后對于因單網(wǎng)卡導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失問題，提出采用雙網(wǎng)卡機(jī)制來改變網(wǎng)卡的工作模式，該機(jī)制被證明能有效地解決切換延時(shí)問題。

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[責(zé)任編輯：寸曉非]

2014-09-20

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61373163)；四川省教育廳項(xiàng)目(13ZB0038)；阿壩師范高等?？茖W(xué)校規(guī)劃項(xiàng)目(ASB11-05)

梁潘(1978-),男，四川廣漢人，阿壩師范高等?？茖W(xué)校副教授，碩士。

TP301.6

A

1008-4657(2014)06-0059-06