自组织网络的新型头部压缩方案的设计与实现

这篇论文的主要内容是关于一种新型的多跳IP头压缩方案，该方案适用于无线自组织网络（ad hoc networks）。论文提出了一种基于Robust Header Compression (ROHC) 协议套件的实现方案，并在一个新颖的基于标识符（ID-based）的网络架构IDHOCNET上运行。以下是论文的详细内容概述：

标题和作者信息

• 标题: Design and Realization of a Novel Header Compression Scheme for Ad Hoc Networks
• 作者: Shahrukh Khalid, Athar Mahboob, Choudhry Fahad Azim, Aqeel Ur Rehman
• 期刊: ETRI Journal, Volume 38, Number 5, October 2016

摘要

• 论文讨论了IP头压缩方案在节约带宽方面的重要性，尤其是在多跳自组织无线网络中。
• 介绍了ROHC协议，并指出其在3GPP和3GPP2无线技术中的应用。
• 提出了IDHOCNET架构，解决了传统基于IP的自组织网络的一些问题，如IP地址自动配置服务、分布式命名和名称解析等。

第一部分：引言

• 强调了无线网络中带宽保护的重要性。
• 讨论了现有的压缩方案，如Van Jacobson头压缩、IP头压缩和压缩实时传输协议，并指出它们在处理高数据包丢失、高比特错误率和长往返时间方面不够健壮。
• 介绍了ROHC方案，它是为了解决无线通信的环境限制而开发的。

第二部分：自组织网络的IP基础问题

• 讨论了自组织网络中支持有效头压缩方案的瓶颈问题，包括IP地址自动配置、多跳网络中的ROHC协议操作和基于标识符和标签的路由。

第三部分：IDHOCNET的头压缩支持组件

• 描述了IDHOCNET使用的标识符、协议栈、帧结构、套接字接口、私有IP地址、网络表和压缩系统。

1. Identifiers of IDHOCNET（IDHOCNET的标识符）

• 目的: 用于节点识别和路由建立。
• 类型: 可以使用多种类型的标识符，包括48位MAC地址、64位MAC地址、IMEI、IMSI、移动订阅识别号、移动号码、电话号码或国家身份证号码。
• 优势: 使用全局唯一标识符可以避免运行IP地址自动配置服务，使得标识符比IP地址更易于使用和记忆。

2. Protocol Stack（协议栈）

• 结构: IDHOCNET使用身份层（Identity Layer）代替IP层。
• 身份层: 用于节点识别和数据包路由，使用4字节的伪802.11头部，以满足Wi-Fi驱动程序的要求。
• 应用层: 可以支持基于ID的应用程序和基于IP的应用程序（标准或压缩ROHC应用程序）。

3. Frame Structures（帧结构）

• 帧类型: IDHOCNET使用不同类型的帧来完成数据交换，包括路由请求（RREQ）帧、路由回复（RREP）帧和数据帧（类型A和B）。
• 结构: 帧首先包含radiotap头部，提供用户空间应用程序到Wi-Fi驱动程序的额外信息。然后是伪802.11头部、协议类型字段、基于身份的帧结构和数据字段。

4. Supporting Socket Interfaces（支持的套接字接口）

• 用途: IDHOCNET实现使用多种系统套接字接口来实现不同功能，包括Netlink套接字、原始IP套接字、数据包套接字和本地命名空间套接字。
• 多线程实现: 使用Pthreads库实现多线程，以高效处理来自各种套接字接口的数据。

5. Private IP Addresses, Netfilter, and Network Table（私有IP地址、Netfilter和网络表）

• 私有地址: 每个节点初始化一个软件定义的tap接口，使用私有IP地址作为所有出站IP数据包的源IP地址。
• Netfilter: 使用iptables防火墙应用程序实现Netfilter钩子机制，捕获每个私有IP地址的出站流量。
• 网络表: 一个内存结构，存储私有IP地址与远程节点标识符的映射。

6. Compression System（压缩系统）

• 实现: 压缩器作为一个C++对象实现，使用ROHC库函数进行数据包压缩。
• 生命周期: 包括实例化压缩对象、激活所需配置文件、捕获IP数据包并通过压缩器系统传输数据包。
• 状态机: 压缩器可以被视为一个有限状态机，转换于初始化和刷新（IR）、一阶（FO）和二阶（SO）状态。

7. Decompression System（解压缩系统）

• 实现: 解压缩器也作为一个C++对象实现，使用ROHC库函数进行数据包解压缩。
• 状态机: 解压缩器也是一个有限状态机，开始于无上下文（NO）状态，并根据接收到的数据包转换到不同的状态。

这一部分的描述涵盖了IDHOCNET架构中用于支持头压缩的各种组件和机制，旨在提高自组织网络中的效率和性能。

 

第四部分：节点间通信建立

• 讨论了在节点间建立路径或路由的必要性，并描述了基于反应性方法的IDHOCNET路径建立过程。

1. 路径建立的必要性

• 在任何信息流动之前，必须在节点之间建立路径或路由。
• 论文提出的设计支持反应性（on-demand）和主动性（proactive）两种方法来建立节点间的路径。

2. 基于ID的路径建立方法

• 当前方法基于反应性方法学，当需要向已知ID的节点发送应用数据时，由IDHOCNET核心发起路由请求（RREQ）。
• 举例说明了节点A（标识符为123）向节点D（标识符为126）发送数据的过程。

3. RREQ的传播和反向路径初始化

• 节点A发起RREQ寻找到节点D的路径。
• RREQ包到达节点B时，为节点A初始化了反向路径，并在网络表中记录。
• 节点B继续转发RREQ，当到达节点C时，同样为节点A初始化了反向路径。

4. 目的地节点的响应

• RREQ包最终到达目标节点D。
• 节点D进行一系列操作，包括为节点A初始化私有IP地址（A(D)），在协议栈中添加iptables规则以引导流量到IDHOCNET框架，更新主机配置文件中的私有IP和ID映射，并初始化ROHC压缩器和解压缩器。

5. RREP的生成和传输

• 节点D生成路由回复（RREP）包，并向节点A传输。
• RREP包在回传过程中，在网络表中初始化了到达节点D的路径条目。

6. RREP到达源节点后的操作

• 当RREP包最终到达节点A时，节点A执行以下操作：
  • 为节点D初始化私有IP地址（D(A)）。
  • 添加iptables规则到协议栈，以引导流量到IDHOCNET。
  • 在主机配置文件中添加IP与ID的映射。
  • 初始化节点A和节点D之间的基于IP的流的ROHC压缩器和解压缩器。

7. 通信准备完成

• 完成上述步骤后，节点A和节点D准备好交换基于头部压缩的流，该流由建立它们之间路径的标识符指导。

8. 通信建立过程流程图

• 论文中提供了流程图来说明通信建立过程，包括RREQ和RREP的生成、传输以及在各个节点上的处理步骤。

第五部分：压缩系统流程

• 描述了在节点间建立路径后，如何交换基于IP的应用程序数据，例如VoIP。

第六部分：实验和评估

• 展示了使用Wireshark工具测量不同方案下转发IP数据包的开销。
• 验证了多跳场景下ROHC压缩方案的性能，并与其他几种基于IP的方案进行了比较。

第七部分：结论

• 总结了所提出的多跳ROHC解决方案，并讨论了其在IDHOCNET框架中的实现。
• 对比了现有基于IP的自组织网络方案和所提出的方案，并强调了其优势。

参考文献

• 列出了与论文主题相关的参考文献。

作者信息

• 提供了作者的背景信息和研究方向。

整体而言，这篇论文提出了一种新的多跳IP头压缩方案，适用于自组织网络，并通过IDHOCNET架构来解决现有网络中的一些问题，提高了网络性能和效率。