CN102256293B - 自组织融合网络按需路由网关及其驱动设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自组织融合网络按需路由网关及其驱动设计方法：在配置有多个无线网络适配器的Windows操作系统上，安装以WindowsNDIS中间层微端口驱动方式设计的WLAN-over-MANET融合网络按需路由驱动，选择一Wi-Fi802.11网络适配器用于连接本地WLAN，提供WLANAP服务，同时另选一无线网络适配器用于连接MANET，在WLAN-over-MANET融合网络按需路由驱动的支持下，所述系统可执行WLAN-over-MANET融合网络网关的数据报文路由与转发功能。通过该方法，可以在Windows操作系统内创建高效的融合网络按需路由驱动，并以此为基础构成融合网络关键设备MAR，从而为搭建WLAN-over-MANET融合网络实体测试与应用平台提供有益途径。

Description

自组织融合网络按需路由网关及其驱动设计方法

技术领域

本发明涉及一种支持WLAN跨越MANET通信（记为WLAN-over-MANET）的融合网络Windows按需路由网关及其驱动设计方法。

背景技术

移动Ad hoc网络（Mobile Ad hoc Network，MANET）是由一系列具有移动无线收发能力的节点组成的自治网络系统，具备自行组网、多跳（Multi-hop）通信等特殊能力。尽管存在拓扑变换频繁、无线信道不稳、链路带宽受限以及计算存储资源紧张等特点，但是由于MANET网络不依赖于任何固定基础设施即能正常工作，具有良好的移动性、自组性和抗毁性，且相对传统有线网络部署便利、成本低廉，在军事战场、灾难救援以及民生、商业等领域具有广阔的应用前景，由此成为近年来的研究热点。

既有MANET研究大多习惯采用成熟的Wi-Fi无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）技术，即采用IEEE 802.11 DCF（Distributed Coordination Function）协议作为底层无线通信工作协议。Wi-Fi 802.11通过DCF为相互在对方信号覆盖范围内的移动终端提供单跳（Single-hop）网络自组服务（该工作模式称为单跳Ad hoc模式，即Single Ad hoc Mode，通常又称为独立基本服务集模式，即Independent Basic Service Set Mode，IBSS Mode），MANET则在此基础之上，通过特定路由转发实现网络节点多跳（Multi-hop）移动自行组网；Wi-Fi 802.11更普遍的应用是在基础架构（Infrastructure）模式下通过PCF（Point Coordination Function）协议，为诸如笔记本电脑、手机、PDA等移动终端设备提供WLAN无线接入服务。

典型MANET应用场景通常具有以小组为单位进行机动的基本特征，这在军事战场、紧急救援等场景中表现尤为突出。此类成建制分组的MANET应用场景中，即时通信的需求量较大，且同一小组内部成员通信频繁，具有相同的机动特征，相互间通信距离总是保持在相对固定的较小范围之内。因此，每一组可抽象为MANET网络中的单一节点。若将组内部通信与组间通信区分开来，则必将有效减少MANET路由协议整体开销，提升网络整体性能。

针对此类实际应用场景，张翔等人于2010年11月向国家知识产权局提出了发明名称为“支持WLAN跨越MANET通信的融合网络体系架构及按需路由方法”的发明专利申请。有别于传统研究中将MANET和WLAN同作为终端网络形态接入Internet的做法，该方法以WLAN作为终端网络，而将MANET作为承载网络，实现WLAN跨越MANET实施融合通信的网络体系结构及其按需路由方法。融合网络简单示意图参见图1，该示意图中，融合网络由三个作为终端网络的WLAN与一个作为承载网络的MANET构成，且MANET由每个WLAN内部的网关节点组成（网关节点定义为MAR，即Mobile Ad hoc Router），即，每个MAR节点在作为WLAN AP（Access Pointer，访问点）为所辖WLAN提供接入服务的同时，亦作为MANET节点接入MANET，为本地WLAN与外界通信提供网关服务。

在此融合网络中，每个WLAN各配置有不同的SSID（Sevice Set Identifier，服务集标识），如果MANET也采用Wi-Fi 802.11技术，则MANET内各节点对应的MANET Wi-Fi适配器将全部设置工作于IBSS模式，且均配置有相同的SSID，属于同一子网。

融合网络中的节点通信需求可分为以下六类：

A. MAR节点之间的通信

B. WLAN内部不同WLAN节点之间的通信

C. 本地WLAN节点与本地MAR节点之间的通信

D. 本地WLAN节点发起的与非本地MAR节点间的通信

E. 本地MAR节点发起的与非本地WLAN节点间的通信

F. 本地WLAN节点发起的与非本地WLAN节点间的通信

WLAN跨越MANET通信的融合网络体系架构及按需路由方法可有效支撑以上六类通信，特别是有效支撑不同WLAN内部节点跨越MANET实施多跳融合通信（如示意图中A_2节点至C_2节点的通信），从而实现融合网络全网互联互通。其中，A类通信即纯MANET网内通信，由传统按需路由协议支撑；B、C类通信属于WLAN内部通信，由IEEE 802.11协议支撑；D、F类通信由WLAN内部节点发起，须由对应MAR节点代发RRQT；而E类通信虽由MAR节点发起，但目标为非本地WLAN节点，其RRQT处理流程与F类通信对于RRQT的处理流程相同。

然而，即有MANET相关协议的测试和评估，大多是通过基于离散事件驱动的计算机仿真研究开展。由于计算机仿真的可管理性、易维护性以及可伸缩性等特点，使得仿真模型可以根据研究需要进行复杂度与难度的灵活调整，这在协议研究的初始阶段非常适用。但是，随着研究的逐步深入，真实环境中的众多不确定因素使得仿真结果就显得不那么真实可信。毕竟，在仿真环境下无法有效检测出真实环境中可能存在于操作系统、硬件板卡以及无线信道等各种环节的具体问题以及这些问题对协议表现所造成的不同影响。

因此，基于实体平台的MANET路由协议测试就显得尤为重要，而该类测试的基础则是实体平台下的MANET路由协议驱动设计与实现。当前国内外在此领域的研究较少（基于实体操作系统创建内核级别的MANET网络驱动具有一定难度），而采用Window操作系统的则更少（国外未见相关研究，国内仅有少量涉足）。事实上，Windows系列操作系统应用广泛、普及度高，如果可以仅通过执行简单的驱动程序安装配置而无须变更硬件设备，即可使得系统获取无线多跳自行组网的能力，必将为推广扩展MANET实际应用提供有益途径。

Windows系列操作系统虽然并不开源，但是提供了统一的网络驱动编程框架NDIS（Network Driver Interface Specification，网络驱动接口规范），为WLAN-over-MANET融合网络按需路由网关及其驱动的设计提供了有利条件。NDIS在网络驱动的内部进行了层次化抽象，将负责操控网络硬件设备的底层微端口驱动（Miniport Driver，即网卡驱动）与上层传输驱动（Transport Driver，又称为协议驱动Protocol Driver，如Windows系统既有TCPIP协议栈tcpip.sys）分离开来，同时支持在微端口驱动与协议驱动之间插入中间层微端口驱动（Intermediate Miniport Driver，IM驱动），从而为系统的网络通信功能提供了广泛的硬件适用性和良好的协议可扩展性（参见图2）。本发明即采用在NDIS IM驱动层次设计WLAN-over-MANET融合网络按需路由驱动的方案。

综上所述，若要真正实现WLAN跨越MANET实施融合通信的网络体系架构，关键问题在于融合网络网关（MAR）的设计与实现，且WLAN与MANET均可基于Wi-Fi 802.11协议工作，Wi-Fi设备的普及应用也为创建WLAN-over-MANET融合网络提供了便利的硬件支撑。而当前尚未有针对WLAN-over-MANET实体网关及驱动的相关研究及设计方法。

发明内容

为了解决上述WLAN-over-MANET融合网络中的网关设备（MAR）在真实场景中的构建问题，本发明提出了一种基于Windows操作系统设计WLAN-over-MANET融合网络按需路由驱动，并以此构建融合网络网关（MAR）的方法。通过该方法，可以在Windows操作系统内创建高效的融合网络按需路由驱动，并以此为基础构成融合网络关键设备MAR，从而为搭建WLAN-over-MANET融合网络实体测试与应用平台提供有益途径。

本发明是通过采用下述技术方案实现的：

一种自组织融合网络按需路由网关及其驱动设计方法，其特征在于：在配置有多个无线网络适配器（其中至少一个为Wi-Fi 802.11网络适配器）的Windows操作系统上，安装以Windows NDIS IM驱动方式设计的WLAN-over-MANET融合网络按需路由驱动；其中，配置一Wi-Fi 802.11网络适配器用于连接本地WLAN，工作于基础架构模式，提供WLAN AP服务，同时另选一无线网络适配器用于连接MANET（如另选一Wi-Fi 802.11网络适配器，配置工作于IBSS模式，当然，根据MANET采用的底层通信技术不同，亦可采用其他技术类型的无线网络适配器）；在WLAN-over-MANET融合网络按需路由驱动的支持下，所述系统执行WLAN-over-MANET融合网络网关的数据报文路由与转发功能；具体工作时，网关在MANET中的唯一标识指定为连接MANET网络的无线网络适配器上所配置的唯一IP地址。

所述Windows NDIS IM驱动方式设计的WLAN-over-MANET融合网络按需路由驱动具体是：通过实现NDIS所定义的IM驱动接口回调函数，完成与NDIS上下层驱动的有效交互，并且在捕获上层协议驱动下发的本地数据报文以及下层网卡驱动上传的网络数据报文基础上，解析获取报文目的IP，通过一系列规则判定，最终给出报文的处理方式并执行，其中，若判定有按需寻路需求，路由驱动则会遵循WLAN-over-MANET融合网络按需路由方法，发起针对特定目的IP的按需寻路操作，并根据寻路结果进行路由判断，执行报文封装与下发。从而有效支持WLAN-over-MANET融合网络全网互联互通。

所述报文的处理方式为封装、解封装、上传、下发、缓存或者丢弃。

所述下发包括下发至连接本地WLAN的Wi-Fi 802.11网络适配器，或下发至连接MANET的无线网络适配器。

Windows WLAN-over-MANET融合网络按需路由驱动，作为NDIS IM驱动，工作于上层Windows系统既有TCP/IP协议栈与下层网卡驱动之间，对下分别绑定用于连接WLAN、MANET以及其他网络的多块网卡驱动，对上则表现为不同的虚拟网卡适配器，且自身工作方式对于上层驱动而言完全透明。

WLAN-over-MANET融合网络按需路由驱动通过使用NDIS封装的系统调用与上下层驱动通信，同时分别在自身上下层边缘注册实现NDIS定义的回调函数接口，以供上下层驱动通过NDIS调用。

所述WLAN-over-MANET融合网络按需路由驱动的具体功能则封装于不同的模块中，如ARP伪装模块、融合网络按需寻路与路由维护模块、报文路由与转发模块（含报文封装与解封装）以及由WLAN-over-MANET融合网络按需路由驱动自行创建的用于邻节点MAC地址查询的ARP模块。

以下将WLAN-over-MANET融合网络按需路由驱动记为WoM。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明采用“ 在配置有多个无线网络适配器（其中至少一个为Wi-Fi 802.11网络适配器）的Windows操作系统上，安装以Windows NDIS IM驱动方式设计的WLAN-over-MANET融合网络按需路由驱动；其中，配置一Wi-Fi 802.11网络适配器用于连接本地WLAN，工作于基础架构模式，提供WLAN AP服务，同时另选一无线网络适配器用于连接MANET（如另选一Wi-Fi 802.11网络适配器，配置工作于IBSS模式，当然，根据MANET采用的底层通信技术不同，亦可采用其他技术类型的无线网络适配器）；在WLAN-over-MANET融合网络按需路由驱动的支持下，所述系统执行WLAN-over-MANET融合网络网关的数据报文路由与转发功能；具体工作时，网关在MANET中的唯一标识指定为连接MANET网络的无线网络适配器上所配置的唯一IP地址”这样的技术方案，通过该方法，可以在Windows操作系统内创建高效的融合网络按需路由驱动，并以此为基础构成融合网络关键设备MAR，从而为搭建WLAN-over-MANET融合网络实体测试与应用平台提供有益途径。

2、本发明中，WoM针对不属于本地节点的目的IP执行路由查询操作，若有需要，WoM还会遵循WLAN-over-MANET融合网络按需路由方法启用针对特定目的IP的按需路由发现，以获取去往目的IP的路由信息，从而有效支持WLAN-over-MANET融合网络全网互联互通。

3、相比较于既有仿真测试模型，本方案可以在真实环境中通过采用易于获取的Wi-Fi设备并基于Windows操作系统，快速高效地构建WLAN-over-MANET融合网络按需路由网关；而按需路由网关驱动WoM则具有易于安装、配置方便、执行高效且无需修改系统既有网络驱动（如系统既有TCPIP协议栈及Wi-Fi网路适配器驱动）等优点。

具体而言，WoM以Windows NDIS IM驱动形式创建，由于IM驱动在NDIS框架中位于上层TCP/IP协议栈与下层网卡驱动之间的层次，故WoM可以便利的截取本地系统与外界之间传递的所有报文，并在此基础之上执行WLAN-over-MANET融合网络按需路由方法所定义的寻路操作，而无需修改上下层既有网络驱动（事实上，由于Windows系统既有TCPIP协议栈以及厂商提供的网络适配器驱动并不开源，修改或重写此类驱动并非易事）。同时，Windows系统定义IM驱动以服务的形式安装卸载，故WoM具有安装卸载方便，配置操作简单的显著特点。加之WoM本身作为NDIS驱动设计工作于Windows系统内核态，故相对于用户态的实现方式而言，具有很高的执行效率。

附图说明

下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，其中：

图1为支持WLAN跨越MANET通信的融合网络体系架构及按需路由方法中，融合网络简单示意图

图2为Windows网络驱动编程框架示意图

图3（1）、图3（2）为网关及融合驱动体系构架示意图

图4为图1所示融合网络架构中A_1节点与C_1节点通信数据流示意图

图5为WoM处理网关TCPIP协议栈下发数据报文流程示意图

图6为WoM处理网关WLAN网卡上传数据的流程示意图

图7为WoM处理网关MANET网卡上传收数据的流程示意图

图8为WoM处理WomRteRqt的子流程示意图

图9为WoM处理WomRteRpl的子流程示意图

图10为WoM处理DataWthSrcRte的子流程示意图

图11为图1所示融合网络架构中A_2分别与C和C_2通信的TCP流量测试结果示意图

图12为图1所示融合网络架构中A_2与C通信且同时C_2与A_1通信的TCP流量测试示意图。

具体实施方式

实施例1

在至少配置有两块Wi-Fi 802.11网络适配器（Network Adapter，NA）的Windows操作系统上，安装以Windows NDIS IM驱动方式设计的WLAN-over-MANET融合网络按需路由驱动（记为WoM驱动）。通过简单配置，使得两块Wi-Fi 802.11网络适配器中，一块用于连接本地WLAN，工作于基础架构模式，提供WLAN AP服务（通过有线网络适配器连接到专用AP亦可达到相同效果）；另一块则用于连接MANET，工作于IBSS模式。在WoM驱动的支持下，该系统即可执行WLAN-over-MANET融合网络网关（MAR）的数据报文路由与转发功能。具体工作时，网关（MAR）在MANET中的唯一标识指定为MANET网络适配器上所配IP地址。

而以Windows NDIS 中间层微端口驱动形式设计的WLAN-over-MANET融合网络路由驱动WoM，通过实现NDIS所定义的IM驱动接口回调函数，可以完成与NDIS上下层驱动的有效交互，并且在捕获上层协议驱动下发的本地数据报文以及下层网卡驱动上传的网络数据报文基础上，解析获取报文目的IP，通过一系列规则判定，最终给出报文的处理方式并执行（报文处理方式包括封装、解封装、上传、下发、缓存或者丢弃，下发则又包括下发至连接本地WLAN的Wi-Fi 802.11网络适配器，或下发至连接MANET的无线网络适配器）。其中，若判定有按需寻路需求，路由驱动WoM则会遵循WLAN-over-MANET融合网络按需路由方法，发起针对特定目的IP的按需寻路操作，并根据寻路结果进行路由判断，执行报文封装与下发，从而有效支持WLAN-over-MANET融合网络全网互联互通。

实施例2

本发明的最佳实施方式为：

WLAN-over-MANET融合网络Windows按需路由网关（MAR）及WoM驱动系统架构示意图如图3所示，其中图3-(2)框架采用具有AP功能的Wi-Fi网络适配器接入WLAN，图3-(1)则是采用有线网络适配器连接专用AP而接入WLAN。作为NDIS IM驱动，WoM工作在上层Windows系统既有TCP/IP协议栈与下层网卡驱动之间，对下分别绑定用于连接WLAN、MANET以及其他网络的多块网卡驱动，对上则表现为不同的虚拟网卡适配器，且自身工作方式对于上层驱动而言完全透明。WoM通过使用NDIS封装的系统调用（以NdisXXX形式命名，如NdisSend，XXX为具体函数名通配符） 与上下层驱动通信，同时分别在自身上下层边缘注册实现NDIS定义的回调函数接口（WoM上层注册实现以MiniportXXX形式命名的回调函数接口，下层则注册实现以ProtocolXXX形式命名的回调函数接口），以供上下层驱动通过NDIS调用。WoM的具体功能则封装于不同的模块中，如ARP伪装模块、融合网络按需寻路与路由维护模块、报文路由与转发模块（含报文封装与解封装）以及WoM自行创建的用于邻节点MAC地址查询的ARP模块等。

需要说明的是，由于WoM驱动位于Windows系统既有TCPIP协议栈的下方，因此当网关节点应用层有数据下发时，系统既有TCPIP协议栈将按照传统以太网工作方式运行，即启用ARP机制查询目的IP（若本地节点与目的节点位于同一子网）或所在子网网关IP对应的MAC地址，用以将数据封装成帧并下发。然而，由于MANET网络中ARP不再适用（仅适合一跳问讯，不适合多跳通信网络），所以，为保证Windows系统既有TCPIP协议栈可以正常下发数据，需要对TCPIP协议栈下发ARP报文进行拦截而不实际下发，若确认存在去往ARP请求目的主机的路由信息，则直接伪装ARP回复并上传至TCPIP协议栈，随后TCPIP协议栈即可创建对应ARP表项，去往该目的IP的数据报文亦可正常下发。而对于下发报文的具体路由与转发判断，则实际交由WoM驱动完成。此前有关在Windows中间层驱动层次设计MANET路由驱动的研究均采用了该设计思想。

以图1所示WLAN-over-MANET融合网络简单示意图为例，且网关MAR采用图3-(2)所示结构，若WLAN_A内部节点A_1 与WLAN_C的内部节点C_1通信，在完成融合网络按需路由方法所描述的路由发现过程之后，从A_1至C_1的普通IP数据流示意图参见图4。A_1应用层下发的数据经过MANET网关设备A、B、C的中转，最终到达位于不同WLAN的目的主机C_1。事实上，如果网关MAR采用图3-(2)所示结构，此数据流图依然适用，此时仅需把LAN NA与AP看作一个整体替代WLAN NA即可。这是因为底层适配器驱动对于WoM这样的NDIS IM驱动而言是完全透明的，无论下层绑定的是WLAN NA还是LAN NA，WoM通过NDIS从它们那里接收到的都是无差别的以太网帧（Ethernet Frame）。因此，本文描述WoM工作流程时，为方便理解，均采用WLAN NA作为网关连接WLAN的基本构件，后文不再赘述。

根据WLAN-over-MANET融合网络按需路由方法定义，融合网络中的数据报文可以归类为：

Ÿ WoM路由请求报文（记为WomRteRqt）

Ÿ WoM路由回复报文（记为WomRteRpl）

Ÿ 一般IP数据报文（记为Data）

Ÿ 携带WoM源路由信息的一般IP数据报文（记为DataWthSrcRte）

Ÿ ARP请求报文（记为ArpRqt）

Ÿ ARP回复报文（记为ArpRpl）

图5-10展示了WoM驱动对于以上报文的处理流程。其中，图5为WoM处理网关（MAR）TCPIP协议栈下发数据报文的流程示意图，图6为WoM处理网关WLAN网卡上传数据的流程示意图，图7-图10则是WoM处理网关MANET网卡上传数据的流程示意图（图8-图10为图6所示三个子流程的详细示意图）。

WoM处理网关TCPIP协议栈下发数据报文工作流程：

如图5所示，首先判断该报文是否为ArpRqt。如果报文是ArpRqt，则提取请求目的IP，记为ArpTgtIp，随后检查ArpTgtIp是否为网关IP。若是ArpTgtIp为网关IP，则ArpRqt属于用于向外通告本机MAC地址的免费ARP（Gratuitious ARP），因此忽略该报文（实验证明回复该报文将造成Windows系统崩溃），否则检查ArpTgtIp是否属于网关所辖WLAN。若ArpTgtIp属于网关所辖WLAN，则直接从WLAN网络适配器将ArpRqt发送出去；否则进一步检查网关是否存有去往ArpRqtIp的路由信息。若确有去往ArpRqtIp的有效路由，则WoM会针对该ArpRqt，使用指定的MAC地址（如采用01-01-01-01-01-01）作为ArpRqtIp对应的MAC地址，伪造ARP回复（ArpRpl）并上传至TCPIP协议栈，TCPIP协议栈随后将创建ArpRqtIp对应的ARP表项，并将去往该目的IP的数据报文下发至WoM。如果没有去往ArpRqtIp的有效路由，则WoM将发起去往ArpRqtIp的路由请求。

如果网关TCPIP协议栈下发报文为ArpRpl，根据融合网络设计，理论上只会由网关所辖WLAN内部节点发送的ArpRqt触发产生，故示意图中显示直接下传至WLAN网络适配器发送，具体设计实现时则应采用更加严格的检查。

如果网关TCPIP协议栈下发报文为普通IP报文Data，则WoM会首先提取Data目的IP，记为DataTgtIp，随后检查DataTgtIp是否属于网关所辖WLAN。若DataTgtIp属于网关所辖WLAN，则直接将Data下传至WLAN网络适配器发送即可；否则，检查网关是否存有去往DataTgtIp的路由信息。若确有去往DataTgtIp的有效路由，则WoM即刻采用该路由信息封装Data为DataWthSrcRte，并根据路由指示的下一跳IP地址查找对应的MAC地址，从而最终将DataWthSrcRte封装成目的MAC为下一跳节点的以太帧且下传至MANET网络适配器发送，由下一跳节点进一步判断如何转发处理该报文；否则，WoM将缓存Data，同时发起去往DataTgtIp的路由请求。

WoM路由请求工作流程：

WoM发送去往指定目的IP（记为TgtIp）的WomRteRqt后，检查是否在指定时间内受到了期待的WomRteRpl：若是，则根据WomRteRpl携带源路由信息更新本地路由缓存，同时伪造针对TgtIp的ArpRpl并上传至TCPIP协议栈，以保证TCPIP协议栈可以正常下发数据；否则，等待指定时间后执行WomRteRqt重发，若重发指定次数之后依然未能在指定时限收到WomRteRpl，则WoM认为路由请求失败，清除缓存Data，终止路由请求过程（参见图5、图6）。

WoM处理网关WLAN网卡上传数据工作流程：

如图6所示，对于从网关WLAN驱动上传的数据报文，WoM处理流程如下：首先提取报文目的IP，记为TgtIp，随后检查报文是否为ARP报文：若是，则直接上传；否则，检查TgtIp是否为网关IP。若TgtIp为为网关IP，则报文目的地为网关，故直接上传；否则进一步检查网关是否存在去往TgtIp的路由信息。若网关确有去往TgtIp的有效路由，则WoM按照处理网关TCPIP协议栈下发数据一样封装下发Data；否则，WoM将缓存Data，同时发起去往DataTgtIp的路由请求。WoM路由请求过程参见WoM路由请求工作流程。

需要说明的是，在WoM针对网关TCPIP下发数据以及网关WLAN网卡上传数据发起路由请求时，WomRteRqt所携带信息有所差异，主要表现在初始源路由信息中是否包含WLAN内部节点IP标识，详细内容请参考《支持WLAN跨越MANET通信的融合网络体系结构及按需路由方法》中的定义描述。

WoM处理网关MANET网卡上传数据工作流程：

如图7所示，对于网关MANET驱动上传的数据报文，需要根据报文类型分别进行处理，主要分为三类，即针对WomRteRqt、WomRteRpl以及一般IP数据Data分别进行处理。

若网关MANET驱动上传WomRteRqt，首先提取WomRteRqt目的IP，记为TgtIp，同时检查TgtIp是否为网关IP：若是，则将网关MANET网络适配器IP地址（MANET_IP）插入到WomRteRqt所携带源路由末端，构成新的完整源路由，以此创建WomRteRpl并下传至MANET网络适配器发送；否则，检查TgtIp是否属于网关所辖WLAN。若TgtIp属于网关所辖WLAN，则WoM启用自建的ARP机制确认位于本地WLAN的TgtIp是否可达：若可达，则依照融合网络按需路由方法，将网关MANET_IP及TgtIp先后插入到WomRteRqt所携带源路由末端，并基于完整的源路由信息创建WomRteRpl并下传至MANET网络适配器发送；否则简单丢弃WomRteRqt即可。若TgtIp不属于网关所辖WLAN，则需检查网关是否已经转发过该WomRteRqt：若已转发，则简单丢弃WomRteRqt即可；否则，将网关MANET_IP插入到WomRteRqt所携带源路由末端后通过MANET网络适配器继续转发WomRteRqt。

若网关MANET驱动上传WomRteRpl，首先提取WomRteRpl目的IP，记为TgtIp，同时检查TgtIp是否为网关IP或属于网关所辖WLAN：若是，则1）根据WomRteRpl所携带源路由更新网关路由缓存，2）随后提取先前缓存的去往WomRteRpl源路由最后一跳（即WomRteRpl对应WomRteRqt的请求目的节点）的数据报文集Data，逐一封装Data为DataWthSrcRte，并根据源路由指示的下一跳IP地址查找对应的MAC地址，从而最终将DataWthSrcRte封装成目的MAC为下一跳节点的以太帧且下传至MANET网络适配器发送，3）同时，伪造针对TgtIp的ArpRpl并上传至TCPIP协议栈，以保证TCPIP协议栈可以正常下发数据；否则，检查网关是否属于WomRteRpl所携带源路由指定的下一跳。若网关确为WomRteRpl回传路径上的指定下一跳，则继续查询源路由中网关之后的下一跳节点MAC地址，并根据该地址封装数据报文且下传至MANET网络适配器发送；否则，认为源路由信息有误，丢弃WomRteRpl。

若网关MANET驱动上传DataWthSrcRte，首先提取DataWthSrcRte目的IP，记为TgtIp，同时检查TgtIp是否为网关IP：若是，则解封装DataWthSrcRte为Data后上传至TCPIP协议栈；否则检查TgtIp是否属于网关所辖WLAN。若TgtIp属于网关所辖WLAN，即Data目的地为本地WLAN内部节点，则WoM启用自建的ARP机制确认位于本地WLAN的TgtIp是否可达：若可达，则解封装DataWthSrcRte为Data后，根据先前ARP查询到的MAC地址封装Data且下传至WLAN网络适配器发送；否则放弃进一步处理Data，具体实施时可以考虑回传ICMP消息以通告源主机目的地不可达。若TgtIp不属于网关所辖WLAN，则需检查网关是否属于源路由指定的下一跳：若是，则继续查询源路由中网关之后的下一跳节点MAC地址，并根据该地址封装DataWthSrcRte且下传至MANET网络适配器发送；否则，认为源路由信息有误，丢弃DataWthSrcRte。

实验验证结果：

针对图1所示融合网络简单示意图执行真实环境测试。为保证节点信号强度，避免信道质量变化对WLAN-over-MANET融合网关及其驱动WoM的基本功能验证产生不确定性影响，遂实施室内验证。由于室内各节点均在相互Wi-Fi信号覆盖范围内，实际通信一跳可达，故具体测试时，配置WoM驱动实施2跳MANET强制转发（例如，从A节点发起去往WLAN_C中任意节点的RteRqt必须经过网关节点B转发至C，即经过MANET 2跳转发后，WLAN_C的网关节点C方可接收处理该请求； C若直接收到来自A的RteRqt，则不会予以回复，直接丢弃；同理，B节点发起的去往WLAN_C的RteRqt必须经A转发，满足2跳MANET转发的条件方能被C处理）。

具体测试时，采用802.11b协议，设定所有网络适配器发送速率为11Mbps，以WLAN_C网关节点C及其所辖WLAN节点C_2及WLAN_A节点A_2作为测试服务提供端，其余节点均设置为客户端，并在服务端与客户端之间随机选择通信对，采用专业网络性能测试工具Iperf执行TCP网络吞吐量测试。

实验结果证明，Wi-Fi环境下的WLAN-over-MANET融合网络Windows网关及其按需路由驱动WoM设计方法切实有效，安装配置WoM驱动的Windows系统网关设备完全支持融合网络全网互联互通。

图11展示了A_2节点经过2跳MANET转发分别与C和C_2节点的之间通信的TCP带宽测量值。图12则展示了A_2节点发起去往C节点通信的同时，C_2节点亦发起去往A_1节点通信的TCP带宽测试值。

在此必须说明的是，由于是室内测时，各节点均在相互信号覆盖范围内，故实施多跳通信时，一条路径上各对相邻节点间的通信必然发生冲突，所以实际测得的通信终端间吞吐量在忽略主机处理延迟的情况下，理论上应为一跳通信吞吐量除以路径跳数。如假设A_2节点发起与C_2节点的通信，路径为4跳，忽略主机处理延迟的情况下，A_2与C_2的测试吞吐量理论上应为A_2与C_2直接一跳通信时吞吐量的1/4。

因此，图11展示的结果中，由于A_2去往C_2节点的路径相比去往C节点的路径多一跳，故A_2与C_2间TCP带宽较A_2与C间TCP带宽有所降低。而图12展示的结果中，A_2先于C_2六秒发起通信，故前六秒A_2与C之间TCP吞吐量实测值在1800Kbps附近，随后由于C_2发起了去往A_1的通信，冲突增加，故A_2与C之间TCP吞吐量降至870Kbps左右，而C_2与A_1之间的TCP吞吐量则先是保持在830Kbps左右，且在A_2与C之间的测试结束后恢复至1680Kbps左右。

Claims (6)

1.一种自组织融合网络按需路由网关的驱动设计方法，其特征在于：在配置有多个无线网络适配器的Windows操作系统上，安装以Windows NDIS IM驱动方式设计的WLAN-over-MANET融合网络按需路由驱动；其中，配置一Wi-Fi 802.11网络适配器用于连接本地WLAN，工作于基础架构模式，提供WLAN AP服务，同时另选一无线网络适配器用于连接MANET；在WLAN-over-MANET融合网络按需路由驱动的支持下，自组织融合网络按需路由网关组成的系统执行WLAN-over-MANET融合网络网关的数据报文路由与转发功能；具体工作时，网关在MANET中的唯一标识指定为连接MANET网络的无线网络适配器上所配置的唯一IP地址，所述多个无线网络适配器中，其中至少一个为Wi-Fi 802.11网络适配器；

所述Windows NDIS IM驱动方式设计的WLAN-over-MANET融合网络按需路由驱动具体是：通过实现NDIS所定义的IM驱动接口回调函数，完成与NDIS上下层驱动的有效交互，并且在捕获上层协议驱动下发的本地数据报文以及下层网卡驱动上传的网络数据报文基础上，解析获取报文目的IP，给出报文的处理方式并执行。

2.根据权利要求1所述的自组织融合网络按需路由网关的驱动设计方法，其特征在于：在判断对于报文的处理方式时，针对不属于本地节点的目的IP执行路由查询操作或者启用融合网络按需路由发现，以获取去往目的IP的路由信息。

3.根据权利要求1所述的自组织融合网络按需路由网关的驱动设计方法，其特征在于：所述报文的处理方式为封装、解封装、上传、下发、缓存或者丢弃，所述下发包括下发至连接本地WLAN的Wi-Fi 802.11网络适配器，或下发至连接MANET的无线网络适配器。

4.根据权利要求1所述的自组织融合网络按需路由网关的驱动设计方法，其特征在于：Windows WLAN-over-MANET融合网络按需路由驱动，作为NDIS IM驱动，工作于上层Windows系统既有TCP/IP协议栈与下层网卡驱动之间，对下分别绑定用于连接WLAN、MANET以及其他网络的多块网卡驱动，对上则表现为不同的虚拟网卡适配器，且自身工作方式对于上层驱动而言完全透明。

5.根据权利要求4所述的自组织融合网络按需路由网关的驱动设计方法，其特征在于：WLAN-over-MANET融合网络按需路由驱动通过使用NDIS封装的系统调用与上下层驱动通信，同时分别在自身上下层边缘注册实现NDIS定义的回调函数接口，以供上下层驱动通过NDIS调用。

6.根据权利要求5所述的自组织融合网络按需路由网关的驱动设计方法，其特征在于：所述WLAN-over-MANET融合网络按需路由驱动的具体功能则封装于ARP伪装模块、融合网络按需寻路与路由维护模块、报文路由与转发模块以及由WLAN-over-MANET融合网络按需路由驱动自行创建的用于邻节点MAC地址查询的ARP模块。