CN101013967B - 无线自组网络拓扑结构可视化监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种Ad Hoc(无线自组)网络拓扑结构可视化监测调试方法，为Ad Hoc设备开发和质量检测提供一个方法和平台，可以实时检查Ad Hoc设备邻居表以及路由状态的正确性。本方法是通过与某一Ad Hoc设备相连的终端，收集Ad Hoc网络运行期间的网络信息，由终端对这些信息进行分析，获取任意一节点的运行状态，及任意两节点间实际的路由选择，根据这两个信息将Ad Hoc网络的拓扑结构直观、形象的展现在用户面前。本发明能更好地为用户提供网络信息，为用户制定、检验路由协议，调试设备提供方便。

Description

无线自组网络拓扑结构可视化监测方法

技术领域

本发明属于移动无线自组网络(MANET)技术领域，特别是一种实时可视化监测移动多跳自组网络拓扑结构变化的方法。

背景技术

由于无线自组(Ad Hoc)网络的移动性和多跳等特点，其网络拓扑结构和节点状态随时都在变化，需要一种技术根据实际网络情况及时的在终端通过直观的图和表来反应实际的网络变化、实际Ad Hoc设备间路由的选择，而不是假设一种环境，在PC机上的简单模拟整个网络情况，通过这个可视化的直观的网络图，可以检验用户制订的路由协议，调试网络，并发现路由的拥塞情况。如附图3中，本发明实施例中可以看出：网络中2号节点邻居节点最多，比较繁忙，为用户对整个网络的了解提供了直观帮助。而目前现有技术中尚没有这样一套专门用于MANET系统的网络拓扑结构可视化监测方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可视化监测Ad Hoc网络拓扑结构和节点运行状态的无线自组网络拓扑结构可视化监测方法，它可根据用户的不同要求绘画出相应的实时网络拓扑图，实现以直观的形式表示出当前Ad Hoc网络的状态。同时也为Ad Hoc设备制造厂商提供了质量检测的测试方法和平台，可以实时检查Ad Hoc设备邻居表以及路由状态的正确性。

为实现这个目的，本发明采用下述的技术方案：无线自组网络拓扑结构可视化监测方法，其特征在于首先，将PC机与网络中任一Ad Hoc设备相连，定义该Ad Hoc设备为Ad Hoc主机，由此Ad Hoc主机收集Ad Hoc网络信息。其次，Ad Hoc主机发送携带源节点和目的节点地址的数据包，以期获得这两点的路由情况。为收集网络信息，需要知道网络中任意两点设备间的路由，所以采取遍历的方式(但避免重复)收集任意两点的路由情况。然后，源节点到目的节点的路由获得后，随即目的节点返回一个数据包给Ad Hoc主机，Ad Hoc主机收到此返回数据包后，PC机将此数据包记录下来，对数据包进行分析，提取相应得路由参数。最后，这样遍历整个网络后，PC机就收集了整个网络的路由情况，根据这些路由信息即在视图区将网络拓扑结构实时显示出来。

上述的技术方案采用以下具体步骤来实现：

1.设计用户交互界面。用于用户输入不同的命令，如：获得单条路由，或获得整个网络拓扑图，或获得某个节点的邻居图等，收集不同的网络信息在视图区绘画网络结构。

2.制定Ad Hoc设备间的通信协议，包括以下几个部分：Ad Hoc主机发送命令的数据包格式；Ad Hoc设备返回数据包格式；串口、波特率，串口接收发送缓冲区的大小，读写数据方式等。

3.定义全局变量存贮由目的节点返回的数据包数据。此数据包包括源节点到目的节点路由信息，为数据收集完毕后画拓扑图作准备。

定义全局变量存贮点到点的跳数，分析返回的数据包可以方便的得到此信息。由点到点的路径和点到点的跳数这两个参数，很容易在视图区对Ad Hoc设备的虚拟形象进行定位，画路由。

4.根据不同命令，通过串口将用户命令转换成符合路由通信协议的数据包，发给AdHoc主机，此数据包包括两个节点的地址，目的是获得这两点的路径。由于有时采取遍历的方式，所以发送时必须设定定时器，收到相应的返回数据包即清除定时器，发送另一个数据包；如果没有收到，则重发三次，如果收到，则记下丢包率，如果仍没收到返回数据包，则认为该源节点到目的节点的路由不存在，清除定时器，发送下一个数据包或返回用户一个信息。

5.源节点到目的节点的路由发现后，即返回给Ad Hoc主机一个包含此路由信息的数据包。此数据包由源节点、中间节点和目的节点地址组成。

6.处理返回的数据包。PC机记录下每次Ad Hoc主机收到的返回数据包，并分析数据包，分析后得到的两个有用信息，即源节点到目的节点的路径和点到点跳数，分别存储在步骤3中的定义的两个相应全局变量中，为下一步画网络拓扑图作准备。

7.整个网络的信息收集完后，根据此信息在视图区把网络拓扑图可视化显示出来。

上述的在视图区显示网络拓扑图的步骤为：

1)Ad Hoc网络设备的虚拟形象在视图区的定位。对两个全局变量分析，根据不同的实际网络情况对虚拟设备进行定位。一跳邻居数多时应分布在Ad Hoc主机的四周，二跳节点应远离Ad Hoc主机并在一跳邻居周围，保证视图更直观。

首先，根据最小路径算法确定任意两点间的最小跳数，设每跳距离为R，则可以确定任意两点间在视图中的距离D；

其次，确定跳数最少的节点，根据其邻居数情况，将其定位在视图区中合适的位置；

然后，确定其邻居节点位置，根据邻居节点间的跳数情况和距离D，决定两个邻居节点的位置，将这三点作为第四个位置未知节点的信标点，可以决定三个方程，根据极大似然估计，求出此方程组的解，即为第四个点的位置；

最后，确定下一个未知节点位置，根据前面已知节点的坐标，及待定位节点与已定位节点间的距离，同样可以确定n个方程，根据极大似然估计，求出此方程组的解，即为此点的位置。依次类推，直到所有节点的位置均确定。

2)在虚拟设备旁边标示设备号。

3)画路由，根据丢包率选择不同颜色的画笔或线条的粗细将虚拟设备连接起来，表示不同信道质量的信道。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：本发明的方法创建了Ad Hoc网络监测平台，可根据用户的不同要求绘画出相应的实时网络拓扑图，以直观的形式表现出当前Ad Hoc网络的状态。从而为Ad Hoc设备开发和质量检测提供一个方法和平台，可以实时检查Ad Hoc设备邻居表以及路由状态的正确性。本发明能更好地为用户提供网络信息，为用户制定、检验路由协议、调试设备提供方便。

附图说明

附图1为本发明实施例框图；

附图2为本发明实施例收集整个网络信息的过程；

附图3为本实施例的整个网络拓扑图；中等灰度线段表示信道质量优，丢包率在1％以下，灰度最淡的线段表示中，丢包率在1％到40％之间，灰度最深的线段表示差，丢包率在40％到80％；

附图4为本实施例2号节点的邻居图。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例子结合附图详述如下：

本实施例是在改进的AODV路由协议的基础上的网络结构可视化，对网络进行检测，对此路由协议进行调试改进。

1.创建一个名为“Ad Hoc网络监测”的应用平台。

用户根据需要选择不同的命令。“开始”命令用于整个系统开始工作，对应命令号4，用CMD_4表示，并在右侧视图区画出主机(和电脑相连的Ad Hoc设备)；“关闭”命令用于关闭整个系统，并清除视图区所有显示；“显示所有网络”命令用于在视图区将整个网络的拓扑结构可视化显示出来，对应命令号1，用CMD_1表示，并且只有当选择“开始”命令后“显示所有网络”命令才是可选的；“点到点链路情况”命令用于在视图区显示某一节点到另一节点的路径，节点可以输入，对应命令号2，用CMD_2表示；“显示单节点邻居”命令用于将某一节点的邻居在视图区显示出来，对应命令号3，用CMD_3表示。

本发明的实施例整体思路见附图1中的框图。

2.制定发送和接收数据包的数据格式、大小等。格式如下：

首字节	中间字段	中间字段	末字节
				0xAA(识别码)	CMD(命令号)	DATA(地址包)	CHK(校验码)

识别码规定为0xAA，一个字节长度，表示其后续字节为命令及数据；CMD为命令号字节(0x01——0x05)，一个字节长度，代表五个不同的用户命令；DATA为节点的地址包，MAC地址，本实施例规定每个Ad Hoc设备地址为两个字节，可以根据具体情况有所不同，发送命令的数据包是要求获得某一节点到另一节点的路由，所以地址包就是两个设备的地址，一共4个字节，最后一个字节为校验位，校验方式采用校验和法，校验范围从CMD字节到最后一个DATA字节。为了通信编程的方便，采用发送固定长度数据包的模式(也可以用变长数据包)。所以，主机发送数据包规定为9个字节。

返回数据包格式和发送数据包格式差不多，只是比发送数据包长，因为不只包括源节点和目的节点地址，还有中间节点地址。命令号后面的字段是源节点地址，其后是从源节点到目的节点的中间节点地址，然后是目的节点地址，包长度可以是变长的，校验码的计算方法同发送数据包。最极端的情况是整个网络只有一跳路径，那么数据包要包括所有节点的地址，数据包也最大。此实施例是8个节点，所以最大数据包是16个字节加上识别码、命令号和校验码。

3.本实施例定义全局变量OneHop[8][8]，串口接收到的数据包转化而来的整型二维数组，用于存放整型变量，即设备号，全部初始化为零；本实施例用的是我们自己开发的8个Ad Hoc设备；串口发送和接收的数据均是设备的MAC地址，需要将MAC地址转化为设备号存放在其中。下标1表示源节点号，下标2表示目的节点号，其值表示源节点到目的节点的一跳邻居设备号，如OneHop[1][2]＝3表示源节点1号设备到目的节点2的一跳邻居是3号设备。如果接收到数据包转化为设备号后依次是{1，2，3，4，5，0，0，0}，表示1号设备到5号设备的路由，即1->2->3->4->5路由，通常第一个表示源节点，最后一个非零数据表示目的节点，则OneHop[1][5]＝2，OneHop[2][5]＝3，OneHop[3][5]＝4，OneHop[4][5]＝5；

定义全局变量PtoP[8][8]，整型，表示某一节点到另一节点的跳数，初始化为零，下标1表示源节点，下标2表示目的节点，如PtoP[1][2]＝3，表示1号节点到2号节点的跳数为3跳；

定义全局变量CMD1Flag，CMD2Flag，CMD3Flag，CMD4Flag，整型，标识符1到4，分别代表发送数据包的4个命令的标识符，用于标明在规定的时间内是否收到相应命令的返回数据包，0表示收到，1表示没有收到，如果收到相应命令的返回数据包，置标识符等于0，则清除定时器；如果等于1，则表示该节点不可到达，即不在整个网络；

定义全局变量DrawFlag，整型，画图标示符，其值表示响应不同的命令而画不同的网络图；

定义全局变量ValidArray[8]，整型，设备有效性数组，0表示该设备无效或不在整个网络中，1表示该设备在整个网络中；

定义全局变量SourceID和DestID，整型，分别表示发送数据包中源节点号和目的节点号，初始化SourceID＝1，DestID＝1，放在命令号CMD之后，期望获得这两点的路径，发送数据包的格式见7.1；

4.准备工作做好后，通过RS-232串口发送用户命令。

串口发送的字节型数据必须转化为Variant型才能被MSComm所接受。采用已经封装好的高级类，如_variant_t类，COleVariant类等来进行简单转换。

(1)首先，用户选择“开始”命令时发送命令号4的数据包，数据包中数据字段为空，返回数据包中有本机地址，即主机地址。

(2)其次，用户选择“显示所有网络”命令，期望获得整个网络的拓扑结构，发送命令号1，采用遍历的方式收集整个网络的信息，遍历的过程如下：

a).发送数据包中源节点为主机，目的节点为1号设备，如果主机就是1号设备，则目的节点相应加一，期望获得主机到1号节点的路由，同时也得到1号节点的有效性，填写有效性数组ValidArray[0]，源节点SourceID为主机MasterID，目的节点为DestID＝1，在规定的定时器时间内，用全局变量CMD1Flag是否为零来判断是否收到返回数据包，如果收到返回数据包，则CMD1Flag＝0，随即清除定时器，如果没有收到即CMD1Flag＝1，则重发三次，收到则令有效性数组ValidArray[0]＝1，否则ValidArray[0]＝0；然后SourceID不变，DestID++，即2号节点发给2号，同时保证SourceID和DestID不同，避免重复发送同一数据包，处理方式同1号节点。以此类推，直到发送了7次，获得8个节点的有效性，同时得到主机到其它7个节点的路由，有效性数组填写完毕；

b).取第一个有效的节点，作为源节点SourceID，目的节点DestID为下一个有效的节点，(认为源节点到目的节点的路由与目的节点到源节点的路由相同)，且源节点不能是主机，这样做的好处是为获得整个网络路由节省了时间，实时性更好。发送携带SourceID和DestID的MAC地址的数据包，用标记CMD1Flag是否等于0来判断是否收到包含这两点路由信息的返回数据包。在规定的时间内及发送次数内，记录返回的数据包中的信息，然后，DestID依次为下一个有效设备，直到循环到最后一个AdHoc设备；

c).然后，SourceID为下一个有效设备，DestID为此时SourceID的下一个有效设备，再依次循环，这样就能收集到网络中任意两点的路由情况。

附图2为“显示所有网络”时收集整个网络信息的过程。其中，SourceID、DestID分别为源和目的节点号，sendcommand()是发送相应命令的函数，ValidArray[8]是设备有效性函数，Repeat是重发同一命令的次数。

(2)用户选择“点到点链路情况”命令时发送命令号2的数据包，数据包携带用户输入的源节点和目的节点序号转换而成的MAC地址，以期获得此两点之间路由情况。在命令1收集到的数据的基础上，动态的在网络图中将这条路径展现出来，如果没有此路径，则出现提示不可到达信息。

(3)用户选择“显示单节点邻居”命令时发送命令号3的数据包，数据包携带用户输入的单节点序号转换而成的MAC地址，以期获得此单节点的邻居表。在命令1收集到的数据的基础上，动态的将此节点到网络中其他节点的路径展现出来。

5.源节点到目的节点的路由发现后，即返回给主机一个包含此路由信息的数据包。同时将定时器清除，用KillTimer命令，PC机就从Ad Hoc主机中读出此数据包，根据不同的命令，主机选择是否继续发送不同的命令，见步骤4中的说明。

6.处理返回的数据包。PC机对返回的数据包进行分析，得到OneHop[8][8]和PtoP[8][8]两个二维数组。

(1)首先通过variant_inp＝m_MSComm.GetInput()将缓冲区的数据读出，然后进行数据类型的转换，定义BYTE rxdata[20]存放这20个字节，接着对收到的数据包进行分析，通过识别码rxdata[0]和校验位rxdata[19]来判断收到的是否是正确的数据包，如果不是则丢弃，如果是则提取里面的有用信息。

(2)其次将收到正确的数据包20个字节从rxdata[2]到rxdata[17]每两个字节开始两两组合一个WORD，存放在WORD型变量数组m_wordData[8]中。

(3)m_wordData[8]即从源到目的节点的MAC地址，根据此数组填写两个全局变量数组OneHop[9][9]和PtoP[9][9]。方法是获得m_wordData[0]及最后一个非零m_wordData[]，调用函数GetID()得到源节点和目的节点的设备号，填写PtoP[][]的两个下标，然后计算从m_wordData[1]开始到最后一个非空的m_wordData[]的个数，即PtoP[SourceID][DestID]的值；然后先填写OneHop[SourceID][DestID]，其值是GetID(m_wordData[1])，令中间变量a＝GetID(m_wordData)，然后填写OneHop[a][Dest ID]＝

GetID(m_wordData[2])，一直到中间变量a的值与DestID相等，见步骤3中的例子，这样，数组就保存了完整的路由信息，及PtoP[SourceID][DestID]保存用户输入的节点到其他节点的跳数。

7.所有需要的数据都收集完后，在视图区将网络拓扑结构画出来。使用MFC中的GDI进行图像显示模块的编程。

为了使用户对网络状态的观察更直观，网络中的所有Ad Hoc设备将使用实拍的图像来表示，见附图3，图像格式为位图。首先要将虚拟设备的位图文件导入软件的资源列表，然后创建它的对象，并直接构造CBitmap对象调用它即可。例如：“CBitmapbmpDraw；bmpDraw.LoadBitmap(IDB DEVICE)；”。

7.1图像的定位。根据不同的网络情况及命令要求来定位。

(1)选择命令CMD_4，只显示主机，则在视图区中画出设备。

(2)选择命令CMD_1，显示整个网络，分析主机一跳的邻居数，即PtoP[MasterID][]＝＝1的点，获得主机一跳邻居及个数，如果主机的一跳邻居有7个，即其余节点均是输入点的一跳邻居，则节点分布在输入点的四周；如果一跳邻居有6个，二跳1个，则6个点分布在输入点四周，1个点远离输入点；依次类推，当一跳邻居有2个时，分布在输入点右上和右下，二跳点坐标往右移，三跳再往右移。见附图3整个网络图。

(4)选择命令CMD_2时，需要画出用户输入的两点路由，在OneHop[8][8]和PtoP[8][8]表中找到这两点，如果有这两点的路由，则动态的将这两点的路径画出来，以表明在整个网络中，此两点的路由是这一条。例如附图3中，看不出4号节点到6号和8号节点的路由，因此选择此命令，将动态的表示4->2->3->6这条路由，与4->5->3->8这条路由，整个网络更清晰。

(5)选择命令CMD 3时，基本上和(4)相同，见附图4“2号节点的邻居图”。

7.2设备定位后在设备旁写设备号，用TextOut(x，y，str)输出，str为字符串str.Format(″No.％d″，i)。

7.3画路由，根据不同的信道质量，可以选择不同的画笔。虚拟设备都定位后，根据OneHop[8][8]中的值，依次连接设备。然后选择某两点，可以动态的表示出该路由。如附图3中，1到2号节点信道质量差，线段灰度最深；1到7号节点信道质量中，线段灰度最淡；2号节点到6号和8号节点信道质量好，线段灰度中等。

Claims (3)

1.一种无线自组网络拓扑结构可视化监测方法，具体特征在于将PC机与网络中任一Ad Hoc设备相连，定义该Ad Hoc设备为Ad Hoc主机；由该Ad Hoc主机发送携带源节点和目的节点地址的数据包，以期获得这两点的路由情况；采取遍历的方式，收集任意两点的路由情况；在源节点到目的节点的路由获得后，随即目的节点返回一个数据包给Ad Hoc主机，Ad Hoc主机收到此返回数据包后，PC机将此数据包记录下来，对数据包进行分析，提取相应的路由参数；再由Ad Hoc主机发送携带下一个源节点和目的节点地址的数据包，重复上述过程，即由Ad Hoc主机发送携带源节点和目的节点地址的数据包，以期获得这两点的路由情况；这样遍历整个网络后，PC机就收集了整个网络的路由情况，根据这些路由信息，在其视图区将网络拓扑结构以图和表的形式实时地显示出来。

2.根据权利要求1所述的无线自组网络拓扑结构可视化监测方法，其特征在于实现的具体步骤为：

1).设计用户交互界面，用于用户输入不同的命令；

2).制定Ad Hoc设备间的通信协议；

3).定义全局变量存贮由目的节点返回的数据包数据，此数据包包括源节点到目的节点路由信息；定义全局变量存贮点到点的跳数；

4).根据不同命令，通过串口将用户命令转换成符合路由通信协议的数据包，发给Ad Hoc主机，此数据包包括两个节点的地址，采取遍历的方式，发送时必须设定定时器，收到相应的返回数据包即清除定时器，发送另一个数据包；如果没有收到，则重发三次，如果收到，则记下丢包率，如果仍没收到返回数据包，则认为该源节点到目的节点的路由不存在，清除定时器，发送下一个数据包或返回用户一个信息；

5).源节点到目的节点的路由发现后，即返回给Ad Hoc主机一个包含此路由信息的数据包，此数据包由源节点、中间节点和目的节点地址组成；

6).由PC机处理返回的数据包：记录下每次Ad Hoc主机收到的返回数据包，并分析数据包，得到源节点到目的节点的路径和点到点跳数，分别存储在步骤3中定义的两个相应全局变量中；

7).整个网络的信息收集完后，根据此信息在视图区把网络拓扑图可视化显示出来。

3.根据权利要求2所述的无线自组网络拓扑结构可视化监测方法，其特征在于所述的在视图区显示网络拓扑图的步骤为：

1)Ad Hoc网络设备的虚拟形象在视图区的定位，对所述的两个全局变量分析，根据不同的实际网络情况对虚拟设备进行定位，一跳邻居数多时应分布在Ad Hoc主机的四周，二跳节点应远离Ad Hoc主机并在一跳邻居周围，保证视图更直观；

2)在虚拟设备旁边标示设备号；

3)画路由，根据丢包率选择不同颜色的画笔或线条的粗细将虚拟设备连接起来，表示不同信道质量的信道。

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