基于MANET網絡的服務協議

李 博， 張 麗， 張 辰

（北京工業大學 軟件學院，北京 100124）

隨著科學技術的發展，無線移動設備很快的走入了我們的生活，無線網絡無處不在。蜂窩式網絡、藍牙技術、Wi-Fi技術相繼出現，這些技術的出現方便了我們的生活，這些技術的同時也又繼續促進了無線通信技術的發展。 MANET（Mobile Ad_hoc Network）又名 Ad_hoc 網絡[1]，是一種特殊的無線通信方式，網絡無需提前布置，不需要依賴其他網絡設備。節點通過分層協議和分布式算法協調各自的行為自動調節，節點可以快速自動的加入到網絡中。現有的服務發布發現協議大多是基于固定網絡設計的，由于固網的網絡拓撲穩定，設備通常不會突然的加入或離開網絡，而且固網的帶寬充裕請求響應速度快，網絡中設有中服務管理實體，也無需考慮報文開銷和能源的消耗問題。在MANET網絡中卻沒有以上特點，由于對移動終端性能和能量問的考慮，需要盡可能減小報文的轉發次數，控制移動終端的開銷。如何解決這些問題是MANET網絡的服務協議解決的重要問題。

目前Wi-Fi應經是移動終端必不可少的組成部分，MANET網絡的優點在于，網絡無需提前布置，不需要依賴其他網絡設備。節點通過分層協議和分布式算法協調各自的行為自動調節，節點開機后可以快速自動的加入到網絡中。將來對MANET網絡的應用需求也會越來越多。

1 MANET網絡的服務發布發現協議

現有的服務發布發現協議大多是基于固定網絡設計的，由于固網的網絡拓撲穩定，設備通常不會突然的加入或離開網絡，而且固網的帶寬充裕請求響應速度快，網絡中設有中心服務管理實體[2]。

在MANET網絡中卻沒有以上特點，新節點加入到一個網絡中，節點對網絡中提供的服務一無所知，節點需要通過服務發現獲取網絡中的相關服務信息。MANET網絡的特點是節點間移動頻繁，節點通常會快速加入或者離開網絡，這就造成了服務的可靠性差，而且沒有穩定的中心服務器來管理和維護網絡中的服務目錄。

MANET網絡中的服務協議依據結構的不同，主要可分為基于服務協調器的服務協議和基于分布式的服務協議[4]兩類。

基于協調器的服務協議是在網絡中存在能力較強的設備，不會突然加入或者離開網絡，這些設備類似于固網中的中心服務管理實體，有更高的支配能力，選擇這些設備做為ad_hoc網絡的服務協調器，為服務提供者提供注冊并管理這些服務信息，服務的使用者可以通過服務協調器來發現服務。服務協調器在網絡中的位置和功能與固網的中心服務管理實體相似。由于無線網絡的特性，可以向其覆蓋范圍內的所有設備進行廣播通知，網絡協調器負責向網絡中的其他設備告知其存在的位置，如圖1所示服務協調器可以向節點A、B、C通告其存在的位置信息，而不在服務協調器覆蓋范圍內的節點則通知不到。服務的提供者節點A收到服務協調器發來的通知消息后，如果節點A有可提供服務，節點A會向服務協調器注冊服務地址以及服務描述等信息。其中一個客戶節點C接到服務協調器的通知消息后，若有查找服務需求時，會向服務協調器發出服務請求，服務協調器接到請求會將服務提供者節點A的信息通知節點C，節點C與節點A建立連接，獲取所需要的服務。

圖1 基于協調器的服務模型Fig.1 Coordinator-based service model

基于分布式的服務協議，適用于在MANET網絡中沒有適合擔任協調服務器的終端，網絡間各個設備是對等的，每個設備即是客戶又是服務管理器，這種服務模式優點在于網絡之間設備更加靈活的加入和離開網絡，網絡的抗毀能力更強。如圖2所示當網絡中出現多個服務時，節點A、節點B、節點C同時都是服務的提供者，同時向網絡中廣播服務消息，只要是在覆蓋外圍內的節點都會收到服務消息。分布式服務協議的特點是服務提供者發出廣播消息后，所有節點都會響應，由于這個原因，分布式服務協議關鍵問題在于如何管理好網絡之間的服務消息，防止服務消息發布重復，以及如何更好的利用有限網絡帶寬資源以及寶貴的能量。

圖2 分布式的服務模型Fig.2 Distributed-based services model

基于服務協調器的服務發現模式，優點在于在MANET網絡中存在集中服務，便于服務目錄的管理。缺點是由于服務協調器的存在使得MANET網絡的自組織性降低，網絡的抗毀性能差。而基于分布式的服務協議網絡的健壯性強，不需要專門的協調器處理服務信息，但是當隨著網絡規模的擴大，在網絡中消息泛洪會增加，造成網絡阻塞，服務發現延遲將會跟顯著。所以如何權衡這兩種服務模式的優缺點是MANET網絡下服務協議的重要課題。

2 OLSR協議分析

OLSR（Optimized Link State Routing）即最優化鏈路狀態協議，對鏈路狀態算法進行了很大的優化，每個節點使用本地信息為分組選擇輸出路由，使用MPR（MultiPoint Relay）節點是OLSR協議最主要的特點，為了減少網絡中消息報文的開銷，每個節點都在自己的鄰居節點中選擇一部分來做自己的MPR節點，MPR節點將TC（Topology Conctrol）控制消息從一個節點泛洪到整網絡上，在消息泛洪的過程中，只有被選舉為MPR的節點才能夠轉發接收到的消息，這個算法減少了區域內將一條消息消息泛洪到整個網絡所有節點所需要的轉發次數[6]。

MPR的選擇是一種選舉出MPR節點集合的計算方法，通過被選舉出來的MPR節點集合，能夠使得源節點通過MPR節點集合，將消息廣播到所有對稱嚴格二跳鄰居節點（strict 2-hop Neighbor），在MPR選舉的算法中盡可能少的選舉MPR節點，這樣能做到最大優化消息的泛洪機制，如圖3所示。

圖3 MPR節點選擇Fig.3 The MPR nod select

3 基于OLSR的服務發布發現協議設計

根據OSLR路由協議中MPR節點的特性，在MANET網絡中存在若干MPR節點，這些MPR節點能夠形成一個從給定節點到達網絡中任何節點的路由，OLSR路由協議使用MPR算法優化了消息在網絡中的泛洪，尤其隨著網絡規模的增大優化的效果越明顯[5]。MPR節點的選擇算法中，避免單項鏈路，實現雙向通信。MPR節點負責轉發TC消息，普通節點只接受TC消息，但是并不轉發TC消息。

基于OLSR的服務發布發現協議利用網絡中只有MPR節點轉發TC消息的特點，將服務描述消息在網絡中節點之間廣播，如圖4所示。服務發布和發現方式被分為主動和被動兩種模式。主動模式下，當MANET網絡中其中一個節點作為服務提供者向網絡中地址組播服務消息，在消息在網絡廣播時，普通節點接收服務消息，將服務消息存入本地數據庫，服務發現模塊展現數據庫中服務信息，在這個過程中普通節點僅接收并將消息存儲到本地數據空中，并不繼續轉發消息。當MANET網絡中MPR節點接收到服務消息后，首先會同樣接收并將消息存儲到數據庫中，然后MPR節點還負責將接收到的服務消息向下一跳節點轉發。在被動模式下，當網絡中節點需要某種類型服務時，其會向網絡廣播服務請求消息，與主動模式類似，普通節點只負責接收請求消息并在查詢服務響應服務請求，若有匹配服務時MPR節點除了接收服務消息并查詢服務相應服務請求，還繼續向下一跳鄰近節點廣播服務請求消息。

圖4 服務消息發送Fig.4 Send service messages

4 節點模型設計

網絡中的每個節點都具有服務發布模塊、服務發現模塊、服務管理器、服務注冊庫以及服務信息廣播、服務信息接收模塊，如圖5所示。無論是服務的提供者還是服務的使用者都維護著本地服務注冊庫，數據庫存放節點本身的服務信息，同時也存放其他節點發布的服務信息。服務注冊庫內的服務信息由服務管理器負責管理和維護。所有在注冊庫中的服務都有一個有效時間TTL（Time to live），有效時間為一個服務的生存時間，TTL值為整數由服務提供者在發布消息時設定初始數值。服務管理器定期刷新 TTL數值，將TTL數值減一，并將TTL=0的服務刪除，在生命期有效期間，再一次接收到這條服務信息TTL數值刷新。

圖5 節點模型結構圖Fig.5 The structure of node's model

服務消息描和服務傳輸述引入Web服務的設計理念[3]，服務描述信息基于XML，以SOAP作為消息的傳送協議，利用HTTP協議交換SOAP消息。服務提供者將XML消息封裝到SOAP信封，SOAP信封作為HTTP消息的本體，HTTP消息作為TCP數據流，與服務的使用者建立連接。服務的使用者開啟一個監聽線程，HTTP監聽程將監聽到的HTTP消息發送給SOAP處理模塊，并處理接收到的消息信息。

5 可靠性分析

基于OLSR的服務發布發現采用完全分布式的服務模型，路由協議采用主動式路由協議繼承了鏈路狀態算法的穩定性，為表格驅動，主動式路由協議能夠在拓撲網絡中與其他拓撲節點交換信息，所以OLSR路由協議在需要路由連接的時候能夠快速的得到路由，從而獲得網絡中服務消息。因此網絡中服務的有較高的可靠性，不會因為其他節點的突然離開而丟失服務信息。服務發布過程中，服務發布者會把服務的信息注冊到所有可接受消息范圍內的節點上，節點與節點之間會存在相同的服務信息，產生較高的冗余。基于OLSR的服務發布發現協議的數據庫分為兩部分一部分是本地注冊信息，存儲本地注冊的服務信息，服務管理器不會對數據庫中的TTL值刷新，用于產生服務消息廣播到網絡。另一部分為全局數據庫，存儲和維護其他服務提供者發布的服務消息，服務管理器會對數據的TTL值刷新，將TTL值為零的消息刪除。

6 結束語

文中基于ORSL路由協議設計了一種MANET網絡的服務發布發現協議，該協議利用了OLSR協議中MPR節點的這一特性，將服務消息廣播到MANET網絡中其他節點，有效的減少了網絡中消息的泛洪。

基于ORSL的MANET網絡的服務發布發現協議是完全分布式的服務模型中沒有專門的服務協調器管理服務，具有更強網絡的抗毀能力的優點，但是基于完全分布式的服務模型的網絡安全問題也突顯出來，如何保證信息的安全以及其他節點的安全是需要進一步研究的重要課題。

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