CN103595640B

CN103595640B - 一种提取移动自组织网络mac层拓扑方法

Info

Publication number: CN103595640B
Application number: CN201310633623.8A
Authority: CN
Inventors: 阮宗利; 刘学通; 王海南; 彭晓燕; 廖红舒
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2033-11-29
Also published as: CN103595640A

Abstract

本发明属于移动自组织网络领域，具体涉及移动自组织网络所使用的MAC协议。首先对采集的数据进行过滤，然后提取所有剩下数据包MAC层中的MAC地址对，根据这些地址对，绘制出MAC层拓扑结构。搜集目标网络中通信的数据包，对这些数据包进行筛选，仅保留移动自组网中MAC帧是数据帧，提取出剩下数据包MAC层中MAC地址对，基于这些地址对能够提取出目标网络MAC层拓扑结构。

Description

一种提取移动自组织网络MAC层拓扑方法

技术领域

本发明属于移动自组织网络领域，具体涉及移动自组织网络所使用的MAC协议。

背景技术

移动自组织网络，是由若干可移动的通信节点构成的无固定设置的、可快速组建的多跳无线通信网络，它具有网络拓扑结构动态变化、自组织无中心节点、无线传输带宽有限等特点。通过观察网络拓扑结构，可以获知网络是否存在漏洞并对网络性能进行评估，也可以获知某区域节点是否密集。针对某区域的密集程度，可以选择适合的路由协议。在移动自组织网络中，当有节点出现故障，不能和其他节点通信的时候，网络管理员可以通过获取此时网络的拓扑结构，通过比较以前和现在的网络拓扑结构，找出可能出现故障的节点并及时的修复它。本专利是一种基于采集的数据提取出移动自组织网络的拓扑结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提取MAC层拓扑结构的方法。

本发明的目的通过如下步骤实现：

S1、对采集的数据包进行筛选，过滤掉非测试网络的数据包，保留MAC帧是Data类型或Data QoS类型、MAC地址（源和目的）是单播地址的数据包，其中，所述的采集的数据包为目标网络中所有数据包；

S2、提取S1筛选下来的数据包的MAC地址对，若目的MAC地址是广播地址，则抛弃该数据包，否则把这对地址作为一个元素存入链表MACList中；

S3、创建一个一维数组MACadd[]，用来存放所有的MAC地址，并记每个MAC地址在数组中的位置作为其索引号，记为Index，其中，有L个元素；

S4、根据S3所述的一维数组MACadd[]创建一个L*L的二维数组Adjac_MAC[][]，所述Adjac_MAC[][]的横坐标表示源MAC地址，纵坐标表示目的MAC地址，所有元素值初始化为0，所述Adjac_MAC[][]中元素值表示源和目的MAC地址之间的发包数，遍历链表MACList中所有元素，更新邻接矩阵；

S5、根据S4所述更新后的邻接矩阵，绘制测试网络的拓扑结构，包括：

S51、确定子图个数，子图中的任意节点和其他子图中的每个节点都不存在链路，初始化subgraph=1，记索引号为1的节点为参考节点；

S52、反向遍历S51所述参考节点对应的行元素，若有元素值不为零，则标记该值列坐标对应的节点为已读，并以最后一个元素值不为零时，该值列坐标对应的节点为参考节点，执行步骤S52；

S53、遍历所有节点，查找是否存在没有被标记的，若都标记为已读，则执行步骤S54，若有未被标记的，则停止查找，以该节点为参考节点，且subgraph++，执行步骤S52；

S54、把每个节点的标记清零，设显示区域宽为width，高为height，存在链路的节点之间距离为r=width/3/sqrt(subgraph)，根据subgraph，把显示区域划分为subgraph块，记索引号为1的节点为根节点，若subgraph为奇数，其坐标为X=width/2,Y=height/2，否则根节点的坐标为X=width*（subgraph+1）/（2*subgraph）,Y=height/2；

S55、确定与根节点存在链路的节点坐标。先统计与根节点存在链路节点的个数，记为adjacentnum，令Q=π/4，若adjacentnum==1，Q=π/2,否则，dQ=π/2/(adjacentnum-1)，与根节点存在链路的节点坐标为X'=X+r*cos(Q),Y'=Y+r*sin(Q),Q每次递增一个dQ，并标记每个节点为已读，令flag=1，dn=0；

S56、遍历所有节点，若所有节点均已被标记为已读，则结束，否则，执行flag*=-1，当其为-1时，表示与该节点存在链路的节点放在左边的子图，flag为1时，表示与该节点存在链路的节点放在右边的子图，并以该节点为根节点，若subgraph为奇数,根节点坐标为X=0.5*(subgraph+flag*dn)*width/subgraph,Y=height/2；否则，根节点的坐标为X=0.5*(subgraph+1+flag*dn)*width/subgraph,Y=height/2。flag==1时，dn+=2，表示左右子图都画完一次，执行步骤S55。

本发明的有益效果是：搜集目标网络中通信的数据包，对这些数据包进行筛选，仅保留移动自组网中MAC帧是数据帧，提取出剩下数据包MAC层中MAC地址对，基于这些地址对能够提取出目标网络MAC层拓扑结构。

附图说明

图1是提取MAC层拓扑结构流程图。

图2是一个基于AODV路由协议的移动自组网的拓扑图。每个圆代表一个节点，数字代表编号，每个边代表一条直达链路。

图3是802.11协议一般帧格式。

图4是802.11协议帧格式中Frame control字段具体格式。

具体实施方式

下面结合附图来说明本发明的具体实施方式：

创建一个移动移动自组织网络，基于AODV路由协议实验平台，MAC层采用802.11协议，通过互相发送ping命令产生数据。用Linux系统下Wireshark搜集数据，需开启混杂模式（mon0），这样才能收集覆盖范围内的所有数据包。在Windows下用Microsoft visual studio2008编写的程序对采集的数据进行分析，最后把程序整合到Wireshark下进行演示。

S1、如图2所示，构建一个移动自组织网络，由四个节点组成星形结构，采用基于AODV路由协议实验平台，MAC层采用802.11协议，帧格式如图3所示，互相发送ping命令产生数据。

S2、对收集的数据进行筛选。

S21、过滤掉非测试网络的数据包。采集数据的时候，是联入该网络进行采集的，即假设MAC层数据部分是未加密或已解密的，而其他网络大多数都是加密的。所以，若数据包MAC层数据部分加密了，则认为是非测试网络的数据包。在接收的PCAP文件中，若MAC层数据部分未加密或已解密，则数据包中逻辑链路控制字段8个字节都为“aa、aa、03、00、00、00、08、00”（十六进制表示），提取出每个数据包该字段的值，若有一个比特不相符，则认为该数据包不是目标网络产生的。

S22、只保留MAC帧是Data类型或Data QoS类型、MAC地址（源和目的）是单播地址的数据包。在MAC帧头部Frame control字段（见图4）中，有种类和子类两部分，种类有控制帧(01)，管理帧(00)，数据帧(10)。设一个数据包Frame control字段低8位的值赋给macFrameType，若（macFrameType&0x0C)==0x08，则保留，否则都抛弃。

S3、提取筛选下来的数据包的MAC地址对（SA表示源MAC地址、DA表示目的MAC地址），若目的MAC地址是广播地址，即255.255.255.255（十进制），则抛弃该数据包，否则把这对地址作为一个元素存入链表MACList中；

S4、动态创建一个一维数组MACadd[]，用来存放所有MAC地址。遍历链表MACList中每个元素，判断其中的MAC地址是否已在数组中。若数组MACadd[]中没有某MAC地址，则加入；若已存在，则不加。并记每个MAC地址在数组中的位置作为其索引号，记为Index。

S5、根据一维数组MACadd[]，元素个数记为L，创建一个L*L二维数组Adjac_MAC[][]，横坐标表示源MAC地址，纵坐标表示目的MAC地址，所有元素值初始化为0。数组中元素值表示源和目的MAC地址之间发包数。遍历链表MACList，链表中每个元素（MAC地址对）的源MAC地址记为SA、目的MAC地址记为DA，通过更新邻接矩阵中对应的元素，即Adjac_MAC[Index[SA]][Index[DA]]++。

S6、绘制测试网络的拓扑结构。绘制拓扑图的步骤如下：

A：确定有几个子图，子图中的任意节点和其他子图中的每个节点都不存在链路。初始化subgraph=1，记索引号为1的节点为参考节点。

B:反向遍历参考节点对应的行元素，若有元素值不为零，则标记该值列坐标对应的节点为已读，并以最后一个元素值不为零时，该值列坐标对应的节点为参考节点，执行步骤B。

C：遍历所有节点，查找是否存在没有被标记的，若都标记为已读，则执行步骤D，若有未被标记的，则停止查找，以该节点为参考节点，且subgraph++，执行步骤B。

D：把每个节点的标记清零，设显示区域宽为width，高为height，存在链路的节点之间距离为r=width/3/sqrt(subgraph)。根据subgraph，把显示区域划分为subgraph块。记索引号为1的节点为根节点，若subgraph为奇数，其坐标为X=width/2,Y=height/2；否则根节点的坐标为X=width*（subgraph+1）/（2*subgraph）,Y=height/2。

E：确定与根节点存在链路的节点坐标。先统计与根节点存在链路节点的个数，记为adjacentnum，令Q=π/4。若adjacentnum==1，Q=π/2,；否则，dQ=π/2/(adjacentnum-1)。与根节点存在链路的节点坐标为X'=X+r*cos(Q),Y'=Y+r*sin(Q),Q每次递增一个dQ，并标记每个节点为已读，令flag=1，dn=0。

F：遍历所有节点，若所有节点均已被标记为已读，则结束；否则，执行flag*=-1，当其为-1时，表示与该节点存在链路的节点放在左边的子图，flag为1时，表示与该节点存在链路的节点放在右边的子图，并以该节点为根节点，若subgraph为奇数,根节点坐标为X=0.5*(subgraph+flag*dn)*width/subgraph,Y=height/2；否则，根节点的坐标为X=0.5*(subgraph+1+flag*dn)*width/subgraph,Y=height/2。flag==1时，dn+=2，表示左右子图都画完一次。执行步骤E。

Claims

1.一种提取移动自组织网络MAC层拓扑方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、对采集的数据包进行筛选，过滤掉非测试网络的数据包，保留MAC帧是Data类型或Data QoS类型、MAC地址是单播地址的数据包，其中，所述的采集的数据包为目标网络中所有数据包；

S51、确定子图个数，子图中的任意节点和其他子图中的每个节点都不存在链路，初始化subgraph＝1，记索引号为1的节点为参考节点；

S54、把每个节点的标记清零，设显示区域宽为width，高为height，存在链路的节点之间距离为r＝width/3/sqrt(subgraph)，根据subgraph，把显示区域划分为subgraph块，记索引号为1的节点为根节点，若subgraph为奇数，其坐标为X＝width/2,Y＝height/2，否则根节点的坐标为X＝width*(subgraph+1)/(2*subgraph),Y＝height/2；

S55、确定与根节点存在链路的节点坐标，先统计与根节点存在链路节点的个数，记为adjacentnum，令Q＝π/4，若adjacentnum＝＝1，Q＝π/2,否则，dQ＝π/2/(adjacentnum-1)，与根节点存在链路的节点坐标为X'＝X+r*cos(Q),Y'＝Y+r*sin(Q),Q每次递增一个dQ，并标记每个节点为已读，令flag＝1，dn＝0，其中，所述Q表示旋转角度，dn表示已标记的节点个数；

S56、遍历所有节点，若所有节点均已被标记为已读，则结束，否则，执行flag*＝-1，当其为-1时，表示与该节点存在链路的节点放在左边的子图，flag为1时，表示与该节点存在链路的节点放在右边的子图，并以该节点为根节点，若subgraph为奇数,根节点坐标为X＝0.5*(subgraph+flag*dn)*width/subgraph,Y＝height/2；否则，根节点的坐标为X＝0.5*(subgraph+1+flag*dn)*width/subgraph,Y＝height/2，flag＝＝1时，dn+＝2，表示左右子图都画完一次，执行步骤S55。