CN101453794A - 一种基于802.11b/g的移动Ad Hoc网络终端及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无线通信技术中的移动Ad Hoc网络领域，公开了一种基于802.11b/g的移动Ad Hoc网络终端及其实现方法。该移动Ad Hoc网络终端包括嵌入式ARM开发板，设置在嵌入式ARM开发板上的具有ARM内核的嵌入式微处理器，分别与嵌入式微处理器连接的存储器、FLASH和无线网卡；其实现方法包括以下步骤：首先，在所述嵌入式ARM开发板上，安装嵌入式Linux操作系统和无线网卡的驱动程序；其次，对嵌入式Linux操作系统的TCP/IP协议栈网络层进行功能扩展，建立移动Ad Hoc网络协议。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术中的移动Ad Hoc网络领域，特别涉及一种基于802.11b/g的移动Ad Hoc网络终端及其实现方法。
背景技术
20世纪90年代末期以来，在无线通信领域，一种新的网络技术正在迅速发展，并很快从军事通信渗透到相关的各个民用通信领域，这就是无线自组织多跳移动通信网络——移动Ad Hoc网络技术。移动Ad Hoc网络可以在没有基础设施支持的情况下提供灵活方便的通信，这种技术拓宽了移动通信的应用领域。在军事应用领域，或在发生了地震、水灾、火灾等重大灾难后固定的通信网络设施可能全部损毁或无法正常工作的地区，或当处于偏远或野外地区，无法依赖固定或预设的网络设施进行通信时，移动Ad Hoc网络技术具有的单独组网能力和自组织的特点，是上述这些场合通信的唯一或最佳选择。目前，关于移动Ad Hoc网络的标准化工作主要由IETF(The Internet Engineering TaskForce)下属的MANET(Mobile Ad hoc Network)工作组进行，目标是建立无线的Internet。此外，许多无线通信标准在制定过程中也都考虑对移动Ad Hoc网络的支持。
随着移动Ad Hoc网络研究的不断深入，研究人员提出了大量适用于移动Ad Hoc网络的技术和协议，研究了移动Ad Hoc网络在各种环境中的应用。为评估这些协议技术在移动Ad Hoc网络中的性能和运行效率，研究人员常常需要借助计算机对移动Ad Hoc网络进行仿真和性能评估。然而由于软件仿真所固有的缺陷以及移动Ad Hoc网络不同于任何传统通信网络的独特性，一些在某种仿真环境下看似有效的协议或技术，可能在实际应用中变得非常糟糕。基于以上原因，对于网络算法以及协议进行实际环境中的测试，需要搭建实际的移动AdHoc试验网。
由于移动Ad Hoc网络自身的特点：无中心控制节点，动态网络拓扑，自组织管理，使得整个移动Ad Hoc网络仅由一系列的终端节点构成即可，无需基站或者AP等固定设施。因此，网络搭建的关键在于设计与实现移动Ad Hoc网络终端。
发明内容
本发明的目的在于一种基于802.11b/g的移动Ad Hoc网络终端及其实现方法，它能够方便用户自行搭建实际的移动Ad Hoc网络。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
(1)一种基于802.11b/g的移动Ad Hoc网络终端，其特征在于，包括嵌入式ARM开发板，设置在嵌入式ARM开发板上的具有ARM内核的嵌入式微处理器，分别与嵌入式微处理器连接的存储器、FLASH和无线网卡。
上述基于802.11b/g的移动Ad Hoc网络终端还具有以下特点：
所述嵌入式微处理器选用S3C2410X芯片。
所述无线网卡选用USB无线网卡。
(2)上述基于802.11b/g的移动Ad Hoc网络终端的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先，在所述嵌入式ARM开发板上，安装嵌入式Linux操作系统和无线网卡的驱动程序；
其次，对嵌入式Linux操作系统的TCP/IP协议栈网络层进行功能扩展，建立移动Ad Hoc网络协议。
上述基于802.11b/g的移动Ad Hoc网络终端的实现方法还具有以下特点：
所述移动Ad Hoc网络协议采用DSR协议。
由于本发明的硬件系统是在嵌入式ARM开发板的基础上通过扩展USB无线网卡来实现，终端体积较小，便于移动。通过扩展TCP/IP协议栈网络层功能，对传统的IP数据包进行截获和处理，从而实现移动Ad Hoc网络功能。
附图说明
图1为本发明的一种移动Ad Hoc网络终端硬件结构图；
图2为TCP/IP协议栈扩展前后的对照图；
图3为扩展后的IP数据包结构示意图；
图4为DSR模块数据发送流程图；
图5为DSR模块数据接收流程图；
图6为Linux Netfilter框架图；
图7为利用本发明方法的一组网络终端的数据流向图；
图8为网络测试环境拓扑图；
图9为图8的测试结果图。
具体实施方式
下面结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
参照图1，在嵌入式ARM开发板上，互联具有ARM内核的嵌入式微处理器、存储器、FLASH和无线网卡，并安装嵌入式Linux操作系统和无线网卡的驱动程序。本实施例具体包括以下硬件：
(1)具有ARM内核的嵌入式微处理器：选用S3C2410X芯片，该芯片为基于ARM920T内核的16/32位RISC嵌入式微处理器，为手持设备以及高性价比、低功耗微控制器而设计。
(2)存储器：采用SDRAM，用来运行操作系统和存储程序运行过程中所需要的数据，容量为64MB。
(3)FLASH选用NAND FLASH，用于存放启动程序、操作系统、TCP/IP协议栈、无线网卡驱动程序和其他相关应用程序。
(4)无线网卡选用USB无线网卡，基于802.11b/g标准，与开发板上的S3C2410X芯片通过USB Host接口互连，实现无线收发功能。
(5)RS232接口：通过RS232串口连接Windows下的超级终端或者Linux下的minicom，执行对ARM开发板的操作。
(6)GPIO接口：用于扩展显示设备，如LCD。
随着移动Ad Hoc网络的研究的一步步深入，涌现出越来越多的路由算法和协议，如DSR，DSDV等等。本实施例选择了简单，高效，能够支持网络节点数较多的DSR协议来实现。
参照图2，DSR协议的实现是通过对嵌入式Linux操作系统内核的TCP/IP协议栈的网络层进行功能扩展实现的。扩展后的TCP/IP协议栈增加了新功能DSR模块，该模块对于通过网络协议栈的数据进行截获和再处理(包括丢弃，交付上层，添加控制信息以及转发等)，从而实现DSR协议的两个基本机制：路由发现机制和路由维护机制。
参照图3，为了实现DSR协议，本发明对传统的IP数据包进行了扩展。传统的IP数据包由IP头，TCP头，以及数据部分构成。对于扩展后的IP数据包，在IP头和TCP头之间添加了DSR头(DSR Header)，DSR Header中包括有DSR控制选项(DSR option)，对于DSR控制选项主要有：路由请求选项，路由回复选项，源路由选项，路由错误选项，请求确认选项以及确认选项，分别组成路由请求包，路由回复包，源路由包，路由错误包，请求确认包以及确认包。各个包结构的具体格式及功能参照IETF所提出的DSR草案RFC4728。
路由发现过程：对于源节点需要发送的数据包，首先查找路由缓存表，当路由缓存表中没有到达目的节点路由路径时，源节点将该数据包放入发送队列，开始广播路由请求包。当下一个节点(非目的节点)接收到路由请求包时，将自己的地址加入路由请求选项中，然后继续重新广播该路由请求包，直到目的节点收到为止。目的节点收到路由请求包后，按照已经建立起来的原路径返回到源节点，从而建立起一条源节点和目的节点间的双向通信路径。
路由维护过程：采用逐跳的确认机制，在传送过程中，发送节点要确认下一节点是否正确接收包。同时，当网络中出现异常，发送节点没有接收到下一节点的确认信息时，经过一段等待时间和重传次数后，判定链路出错，然后向前面的节点依次发送路由错误包。收到路由错误包的中间节点，通过更新路由缓存表，删除表相应条目来避免下一次的无效传输。对于源节点，则需要重新寻找新的路由，可以通过路由缓存表中的另一条路径，也可以通过重新发起新的路由请求过程来建立新的路由路径。
DSR模块的软件编制，具体参照图4的DSR模块数据发送流程图和图5的DSR模块数据接收流程图。
参照图6，对于数据包截获，本发明在Linux操作系统的Linux Netfilter框架下，通过挂载钩子函数来实现对数据包的加工处理。具体为：通过在IP层数据流向过程中的LOCAL_OUT处挂载函数，对由本机发出的数据包进行加工和处理；通过在PRE_ROUTE处挂载函数，对本机收到的数据包进行加工和处理。在LOCAL_OUT处挂接的函数中，我们对本机发出的传统IP数据包进行了加工处理，添加了DSR源路由选项组成源路由包；同时在该函数中，在无法从路由缓存表中找到路由请求的条件下，发起路由请求机制，寻找和建立路由路径。在PRE_ROUTE函数中，我们对本机接收到的数据包进行加工和处理，针对不同种类的数据包转向不同的操作：对于路由请求包，判断是否为本机地址，若为本机地址，则生成路由回复包并发送给源节点，若非本机地址，则再广播该路由请求包；对于源路由包，判断是否为本机地址，若是，则交付上层处理，如不是本机地址，则根据路由路径继续向下一跳节点转发；对于路由错误包，判断是否为本机地址，若是，则删除相应路由路径，搜索新路径或重新发起路由请求过程，若不是，则转发路由错误包，查找路由缓存表删除对应链路；对于路由回复包，判断是否为本机地址，若是，则按照建立的路由路径发送源路由包；若不是，则按照路径继续转发。
参照图7，为利用本发明方法的一组网络终端的数据流向图。MT1、MT2、MT3、MT4分别为网络中的四个终端，MT1发送数据给MT4，由于直接链路不畅通，需要经过中间节点MT2和MT3的转发。对于MT1传输层发出的数据经过DSR模块后，形成源路由包，根据源路由包中所含的路由路径，下一跳指向MT2，因此MT1通过底层的传输将数据包发送给MT2，MT2接到该数据包后，判断自己并非该数据包的目的地址，继续向下一跳(MT3)转发，同理，MT3发送给目的地址MT4。MT4收到该数据包后，经过DSR模块后重新恢复传统IP数据包交付上层。
参照图8，搭建Ad Hoc网络运行环境。该网络由6台终端组成，其中4台是PC机，2台是本发明设计的移动Ad Hoc终端，每台终端分配一个固定IP地址，每相邻两节点链路通畅，非相邻节点链路不可达。
对于传统的未装载DSR模块的无线网络：PC1向PC4发送ICMP请求包，显示目的地址不可达，即链路不通，无法通信。
对于装载DSR模块之后的无线网络，PC1向PC4发送ICMP请求包，结果如图9所示，具体数据参见表1。
表1
| icmp_seq | time | icmp_seq | time |
| 1 | 169ms | 9 | 18.9ms |
| 2 | 19.1ms | 10 | 19.7ms |
| 3 | 19.9ms | 11 | 19.8ms |
| 4 | 19.8ms | 12 | 19.5ms |
| 5 | 21.6ms | 13 | 19.4ms |
| 6 | 19.5ms | 14 | 19.2ms |
| 7 | 19.3ms | 15 | 19.0ms |
| 8 | 19.2ms | 16 | 20.1ms |
由图9和表1可见，PC1与PC4成功建立起连接，并且PC1发送第一个ICMP包的往返时间为169ms，因为这一段时间是路由发现的过程，其它包的往返时间为20ms左右，为正常通信阶段。同时，发明人还分别做了三跳，两跳，一跳和直接传输的试验，发现每多引入一跳，会增加约5ms的往返传输延时。对于节点移动性不高的情况下，无丢包现象，当节点移动时，会出现一定程度的丢包现象。
针对上述网络拓扑结构，发明人还进行了4跳的ftp文件传输，telnet和远程桌面等应用传输服务的测试，结果发现，网络能够很好的支持这些传输服务，达到较好的效果，说明本发明能够多支持种传输服务。对于嵌入式ARM开发板，只需要通过相应的简单配置，即可实现移动Ad Hoc网络的构建，简单地装载上利用本发明的DSR模块，即可实现普通终端到移动Ad Hoc网络终端的一个转变。利用多跳，对于传统的无线局域网络，网络覆盖范围将大大增加。
Claims (5)
1、一种基于802.11b/g的移动Ad Hoc网络终端，其特征在于，包括嵌入式ARM开发板，设置在嵌入式ARM开发板上的具有ARM内核的嵌入式微处理器，分别与嵌入式微处理器连接的存储器、FLASH和无线网卡。
2、根据权利要求1所述的一种基于802.11b/g的移动Ad Hoc网络终端，其特征在于，所述嵌入式微处理器选用S3C2410X芯片。
3、根据权利要求1所述的一种基于802.11b/g的移动Ad Hoc网络终端，其特征在于，所述无线网卡选用USB无线网卡。
4、根据权利要求1所述的一种基于802.11b/g的移动Ad Hoc网络终端的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先，在所述嵌入式ARM开发板上，安装嵌入式Linux操作系统和无线网卡的驱动程序；
其次，对嵌入式Linux操作系统的TCP/IP协议栈网络层进行功能扩展，建立移动Ad Hoc网络协议。
5、根据权利要求4所述的一种基于802.11b/g的移动Ad Hoc网络终端的实现方法，其特征在于，所述移动Ad Hoc网络协议采用DSR协议。
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| CNA2008102323628A Pending CN101453794A (zh) | 2008-11-21 | 2008-11-21 | 一种基于802.11b/g的移动Ad Hoc网络终端及其实现方法 |
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| CN107071813A (zh) * | 2017-04-21 | 2017-08-18 | 桂林电子科技大学 | 基于BeagleBone‑Black的Ad‑Hoc路由协议验证系统 |
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2008
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