一種多跳無線網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)拓?fù)淠M器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙 寧，倪 明，米志超

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所，江蘇南京 210007；2.陸軍工程大學(xué)，江蘇南京 210007）

0 引言

Ad Hoc移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)不需要架設(shè)固定中心的基站等設(shè)備，節(jié)點(diǎn)間通過交互信息，相互合作而形成多跳的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)形式更加靈活，有著廣泛的應(yīng)用前景。如何評(píng)估多跳無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)性能指標(biāo)是當(dāng)前Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)研究的一個(gè)重要內(nèi)容［1］。針對(duì)不同拓?fù)洵h(huán)境的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真，對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議具有極大的意義。

計(jì)算機(jī)仿真和建立實(shí)驗(yàn)床是目前研究Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)常見的方法［2］。但純軟件仿真需要將測(cè)試實(shí)物上的軟件重新在仿真平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，增加了工作量。而實(shí)驗(yàn)床仿真測(cè)試一般規(guī)模較小，很難在有限空間內(nèi)仿真出各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種支持多跳無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠M器系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠支持帶有無線信道的設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能仿真，支持多跳無線環(huán)境的模擬，使得對(duì)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的研究更方便和全面。

1 設(shè)計(jì)思路

iptables［3］是Linux平臺(tái)下的數(shù)據(jù)包過濾防火墻工具。數(shù)據(jù)包過濾是iptables功能的核心，它能夠通過向列表中插入或刪除相應(yīng)的規(guī)則參數(shù)來禁止一個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包進(jìn)入本節(jié)點(diǎn)，也可以禁止本節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包發(fā)送到另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)，以此來實(shí)現(xiàn)過濾特定數(shù)據(jù)包的功能。當(dāng)數(shù)據(jù)包被發(fā)送到防火墻后，防火墻首先將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給檢查模塊進(jìn)行處理。檢查模塊則通過過濾規(guī)則的對(duì)比，來決定轉(zhuǎn)發(fā)或丟棄該數(shù)據(jù)包。本文借助iptables模擬網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間鏈路的建立或斷開，在有限的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淠M控制。下面本文分別從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)測(cè)試等方面進(jìn)行描述。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

拓?fù)淠M器系統(tǒng)模型如圖1所示。其中，圖1（b）描述了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠M控制系統(tǒng)的組成，它主要由一臺(tái)具備無線通信功能的計(jì)算機(jī)以及若干個(gè)無線終端設(shè)備構(gòu)成。其中計(jì)算機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的拓?fù)淠M控制中心，它通過一系列的控制消息來控制無線終端設(shè)備自動(dòng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建和更新。無線終端設(shè)備既是控制中心的受控節(jié)點(diǎn)，同時(shí)也是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臉?gòu)建和更新工作由所有無線終端設(shè)備共同實(shí)現(xiàn)。

拓?fù)淠M控制中心通過UDP協(xié)議與每個(gè)無線終端設(shè)備進(jìn)行通信并以此來檢測(cè)無線終端信息。整體設(shè)計(jì)思想如下：首先，如圖1（a）中所示的原始的拓?fù)渲?，由于所有的無線終端均處于彼此一跳的通信范圍內(nèi)，因此所有無線終端都可以直接進(jìn)行通信。當(dāng)希望構(gòu)建一個(gè)預(yù)期的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌ㄈ鐖D1（c）所示）時(shí)，則在拓?fù)淠M控制中心的應(yīng)用界面中對(duì)預(yù)期的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行描述，然后控制中心的生成算法為每個(gè)無線終端設(shè)備生成對(duì)應(yīng)的MAC地址屏蔽消息。接著該地址屏蔽消息將被發(fā)送給對(duì)應(yīng)的無線終端設(shè)備，而每個(gè)無線終端設(shè)備在接收到各自的地址屏蔽消息后，自動(dòng)調(diào)用其iptables工具并執(zhí)行相應(yīng)參數(shù)規(guī)則來過濾特定的MAC地址無線終端發(fā)來的數(shù)據(jù)包，構(gòu)造如圖1（c）所示的預(yù)期網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

圖1 系統(tǒng)模型

這樣通過無線終端MAC地址屏蔽關(guān)系的自動(dòng)生成、iptables參數(shù)規(guī)則的自動(dòng)設(shè)置以及拓?fù)浠謴?fù)及再構(gòu)建，拓?fù)淠M控制系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臉?gòu)建和更新。

2.2 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

拓?fù)淠M控制中心和無線終端間的通信是整個(gè)拓?fù)淠M控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。首先，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的設(shè)備具有不同的身份，設(shè)備間需要識(shí)別網(wǎng)絡(luò)中其他設(shè)備的身份，而控制中心和無線終端也需要獲取彼此的相關(guān)信息。此外，當(dāng)進(jìn)行拓?fù)錁?gòu)建時(shí)，控制中心需要將MAC地址屏蔽消息發(fā)送給每個(gè)無線終端，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫枰聲r(shí)，控制中心也需要通知所有無線終端。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)拓?fù)淠M控制中心和無線終端間的通信協(xié)議，以解決兩者間的通信和控制需求。通信協(xié)議建立在UDPSOCKET基礎(chǔ)上，在通信協(xié)議中每個(gè)消息的傳輸方向、消息內(nèi)容和傳輸類型描述如下。

（1）地址請(qǐng)求（ARS）消息。在網(wǎng)絡(luò)的最初始狀態(tài)，拓?fù)淠M控制中心就是通過向系統(tǒng)內(nèi)的無線終端設(shè)備廣播地址請(qǐng)求消息來通告其身份，并同時(shí)請(qǐng)求所有的無線終端回饋它們的IP和MAC地址。

（2）準(zhǔn)備就緒（RA）消息。系統(tǒng)內(nèi)的無線終端通過開機(jī)后即廣播準(zhǔn)備就緒消息向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其他設(shè)備通告其身份。

（3）拓?fù)涓拢═U）消息。拓?fù)淠M控制中心將廣播拓?fù)涓孪⑾蛳到y(tǒng)內(nèi)的無線終端通告系統(tǒng)準(zhǔn)備更新網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

（4）IP地址通告（IA）消息?？刂浦行耐ㄟ^廣播IP地址通告消息來讓系統(tǒng)內(nèi)的無線終端獲取其IP地址。

（5）地址響應(yīng)（ARP）消息。無線終端通過向拓?fù)淠M控制中心單播地址響應(yīng)消息來回饋其IP和MAC地址。

（6）MAC地址屏蔽（MAF）消息。MAC地址屏蔽消息由拓?fù)淠M控制中心送給每個(gè)無線終端。無線終端在收到MAC地址屏蔽消息后會(huì)自動(dòng)觸發(fā)內(nèi)置的iptables工具并根據(jù)MAC地址屏蔽消息設(shè)置相應(yīng)的iptables參數(shù)規(guī)則。

2.3 工作流程

拓?fù)淠M控制中心首先廣播地址請(qǐng)求消息來通告身份并請(qǐng)求所有的無線終端回饋IP和MAC地址。無線終端啟動(dòng)程序后則開始廣播準(zhǔn)備就緒消息來表明身份。這樣系統(tǒng)內(nèi)所有的設(shè)備均可獲知其他設(shè)備的身份。

拓?fù)淠M控制中心發(fā)送IP地址，無線終端設(shè)備一旦收到地址請(qǐng)求消息則響應(yīng)它們的IP和MAC地址。在拓?fù)淠M控制中心成功獲取所有終端的信息后，需要在拓?fù)淠M控制中心上完成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涿枋鲆蕴峁┧薪K端間的連接關(guān)系。拓?fù)淠M控制中心根據(jù)拓?fù)涿枋鰹槊總€(gè)終端生產(chǎn)MAC地址屏蔽消息。然后拓?fù)淠M控制中心開啟定時(shí)器并將MAC地址屏蔽消息分別發(fā)送給每個(gè)無線終端。所有終端在收到MAC地址屏蔽消息后都需要向拓?fù)淠M控制中心發(fā)送確認(rèn)并自動(dòng)配置iptables過濾規(guī)則。如果拓?fù)淠M控制中心在計(jì)時(shí)器的有效周期內(nèi)未收到確認(rèn)，則重復(fù)MAC地址屏蔽消息發(fā)送過程。當(dāng)所有終端都設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)規(guī)則后，數(shù)據(jù)包將按照預(yù)期的路徑進(jìn)行收發(fā)。

如果期望更新網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，則拓?fù)淠M控制中心重新廣播新的拓?fù)涓孪硗ㄖ械臒o線終端系統(tǒng)準(zhǔn)備更新網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

拓?fù)淠M控制器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由1臺(tái)筆記本電腦（完成拓?fù)淠M控制中心）和5臺(tái)無線樹莓派設(shè)備組成。研究人員將所有的樹莓派設(shè)備按照1至5依次編號(hào)。

網(wǎng)絡(luò)的原始拓?fù)渑c圖1（a）相同。實(shí)驗(yàn)中，研究人員希望構(gòu)建如圖1（c）所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。拓?fù)錁?gòu)建實(shí)現(xiàn)過程操作如下：首先，讓所有無線終端與拓?fù)淠M控制中心建立連接。然后拓?fù)淠M控制中心獲取IP和MAC地址，描述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹＝又負(fù)淠M控制中心將產(chǎn)生并發(fā)送MAC地址屏蔽消息。最后，無線終端調(diào)用并設(shè)置iptables規(guī)則，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

實(shí)驗(yàn)采用ping的方法來檢驗(yàn)拓?fù)錁?gòu)建實(shí)驗(yàn)的有效性［4］。讓節(jié)點(diǎn)1來ping節(jié)點(diǎn)2，在初始的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲校?jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2彼此具備連接關(guān)系，因此從節(jié)點(diǎn)1發(fā)出的數(shù)據(jù)包可以直接到達(dá)節(jié)點(diǎn)2而無須其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。但是當(dāng)拓?fù)錁?gòu)建過程完成后，節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2在邏輯上彼此不再具備直接的連接關(guān)系，因此從節(jié)點(diǎn)1發(fā)出的數(shù)據(jù)包需要經(jīng)過其他節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)才能到達(dá)節(jié)點(diǎn)2。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明節(jié)點(diǎn)1發(fā)出的ICMP數(shù)據(jù)包是經(jīng)過節(jié)點(diǎn)4轉(zhuǎn)發(fā)后到達(dá)節(jié)點(diǎn)2，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化，符合預(yù)期的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓虼司W(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建成功。

4 結(jié)語

本文為了降低多跳無線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠M控制實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度、提高可靠性、解決傳統(tǒng)方法中無法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)拓?fù)涞娜毕?，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種多跳無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠M器。該模擬器的拓?fù)淠M控制中心根據(jù)用戶描述的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖蒑AC地址屏蔽消息，而無線終端則根據(jù)控制消息自動(dòng)設(shè)置iptables規(guī)則來過濾指定的數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建，并能夠根據(jù)具體要求實(shí)現(xiàn)拓?fù)涓隆?/p>