CN107528721B

CN107528721B - 一种Android移动终端中利用MAC地址自动组网及数据转发方法

Info

Publication number: CN107528721B
Application number: CN201710536864.9A
Authority: CN
Inventors: 张全新; 宫含笑; 谭毓安; 李元章; 马忠梅
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2017-06-05
Filing date: 2017-07-04
Publication date: 2020-10-09
Anticipated expiration: 2037-07-04
Also published as: CN107528721A

Abstract

一种Android移动终端中利用MAC地址自动组网及数据转发方法，属于数据传输、网络组建以及MAC地址获取技术领域。包括如下步骤：步骤一、组网模块建立无线移动的局域网络；步骤二、新节点加入模块添加新节点；步骤三、节点删除模块删除节点；步骤四、建立发包环境模块建立发包环境；步骤五、数据转发模块进行数据转发。本发明不需要额外的算法以及开销来维护以及确保网络中的每一个移动设备的地址唯一性；避免了广播数据包不断地在环路中进行复制和转发而引发广播风暴；不用依靠高层的传输协议，使得传输的数据包结构更简单，使用的协议也更简单，减少了传输开销。

Description

一种Android移动终端中利用MAC地址自动组网及数据转发方法

技术领域

本发明涉及一种Android移动终端中利用MAC地址自动组网及数据转发方法，属于数据传输、网络组建以及MAC地址获取技术领域。

背景技术

随着移动通信的技术的飞速发展以及Android操作系统对于市场占有率的不断增加，Android操作系统移动设备的发展前景不可小觑。Android到目前已成为移动智能市场上特别重要并且占据市场份额最多的操作系统，下至几百的低端手机上至上万的奢侈手机，Android系统的身影都会存在。但是现有的数据传输技术的研究，几乎全部是建立在网络，通过IP地址来建立路由表将数据进行存储以及转发。或者是在应用层，通过域名来确认唯一主机的位置，但是在每一个移动设备的网卡中，本身存在一个唯一确定的地址，即MAC地址，现有技术都是将MAC地址与IP地址进行映射，并未直接利用MAC地址。这样做会导致必须进行地址分配的设计，以保证在一个网络中的每一个移动台设备的IP地址均不一样。这样就会产生额外开销。并且，若地址分配不正确，则会导致地址冲突，影响数据的存储转发。

但是MAC地址，是被固定设置完成的硬地址，因此可以作为一个节点中的标识符，用以将设备与其他设备进行区分，长度为六个字节，其中的前三个字节是IEEE自行分配给不同厂家，MAC地址对应的是网络模型中的第二层数据链路层，本发明选择将连接建立在数据链路层，在数据链路层中节点通过接收到数据中的MAC地址字段来进行数据的存储与转发。

专利号为：201510025418.2的专利“一种Android手机自组织网系统的建立方法”通过设计了局域网中手机利用L2MPM协议进行数据通信，但是文中的的技术在网络组建时需要分配IP地址，建立路由表，增加额外开销，采用网络层的协议，网络层协议相对更加复杂。然而本发明采用的协议不是网络层协议，而是数据链路层协议，传输建立在数据链路层中，目的地址利用的是移动设备固有的MAC地址，而非IP地址。

专利号为：201210251730.X的专利“基于Android手机的移动自组网系统及其构建方法”是利用WiFi自动IP地址管理器来进行自组网建立时的IP分配，需要额外处理以保证IP地址在网络中的唯一性，而本发明利用移动终端固有的具有全球唯一性的MAC地址，自然保证了地址唯一性。

专利号为：2013100100519.3的专利“一种基于蓝牙的Android移动设备自组网和通信方法”利用蓝牙进行网络的建立以及数据的传输，但是专利中未提及具体涉及的传输协议，以及发送相应数据的方法以及环境，而本发明中通过WiFi建立自组网络，并且设计了网络传输中的协议为802.11，并且利用SMTP协议的连接过程建立发包环境，发送数据。

上述的传输技术虽然具有建立自组网络进行数据传输的效果，然而，在建立数据传输方面，分配自组网络地址，建立传输层次以及传输使用协议的方式还存在很大的进步空间。本发明的目的是致力于解决上述建立自组网数据传输的技术缺陷，提出一种基于在数据链路层建立MAC地址转发表，并且通过MAC地址转发表进行数据传输的一种网络传输方式。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术无法实现基于数据链路层传输数据的技术现状，提出了一种Android移动终端中利用MAC地址自动组网及数据转发方法。

本发明一种Android移动终端中利用MAC地址自动组网及数据转发方法的核心思想是一种网络传输方式，具体是基于数据链路层建立MAC地址转发表，再通过MAC地址转发表进行数据传输。

一种Android移动终端中利用MAC地址自动组网及数据转发方法所基于的系统为N个Android设备组成的局域网络；

其中，N的范围为2个以上；每一个Android设备中又包括组网模块、新节点添加模块、节点删除模块、建立发包环境模块以及数据转发模块；

其中，组网模块、新节点添加模块、节点删除模块、建立发包环境模块以及数据转发模块均位于数据链路层；

Android设备又包括WiFi网卡；

其中，组网模块位于WiFi网卡数据链路层中；

各模块的连接关系如下：

组网模块与新节点添加模块、节点删除模块、建立发包环境模块以及数据转发模块相连；

各模块的功能如下：

组网模块的功能是将Android移动设备互相连接并建立适当的网络拓扑结构；新节点添加模块的功能是当有新的节点申请加入网络时，将新节点添加在网络适当位置并修改网络中每一个节点的MAC地址转发表；节点删除模块的功能是当有节点申请离开网络时将被删除节点从网络中剔除并修改网络中每一个节点的MAC地址转发表；建立发包环境模块的功能是在数据链路层营造发送数据包的环境，将数据包进行发送；数据转发模块的功能是当节点接收到其他节点发送的数据包时，对目的MAC地址进行判断，并且将数据包转发给合适的下一节点；

本发明一种Android移动终端中利用MAC地址自动组网及数据转发方法，包括如下步骤：

步骤一、组网模块建立无线移动的局域网络，具体包括如下子步骤：

步骤1.1：Android设备通过设置WiFi网卡启动其WiFi功能，并将实现WiFi功能的网卡模式设置为managed模式；

managed模式是WiFi功能的网卡模式，WiFi功能的网卡模式还有Ad hoc模式、Master模式、Monitor模式以及WDS模式；

步骤1.2：Android设备通过组网模块调用接口函数，获取自身节点的MAC地址；

其中，接口函数为getSystemService()、getConnectionInfo()以及getMacAddress()；

步骤1.3：新节点添加模块搜索Android设备周围可以连接的节点，与邻居节点交换信息，通过交换得到的信息建立MAC地址转发表；

其中，交换的信息是十二字节为单位的数组，每一个元素的前六个字节为信息发送方节点的MAC地址，后六字节为通过信息发送方节点可以到达的节点的MAC地址；

步骤1.4：组网模块选取最大连接数的节点作为根节点，生成原连通图拓扑结构的生成树；

步骤1.5：按照步骤1.4输出的生成树拓扑结构删除步骤1.3输出的MAC地址转发表中的多余表项；

步骤二、新节点添加模块添加新节点，具体又包括如下步骤：

步骤2.1：组网模块搜寻所有可以和新节点相连的邻居节点的MAC地址；

步骤2.2：新节点添加模块寻找所有步骤2.1搜寻到的邻居节点里MAC地址转发表中邻居节点最多的，并且根据搜索情况进行相应操作：

2.2A若搜寻到邻居节点最多的可连接节点，将新节点与搜寻到的邻居节点最多的节点相连，并且建立相应的MAC地址转发表；

2.2B若出现同时最多连接数量的邻居节点，则选择其中MAC地址更小的那一个，与之建立连接，并且建立相应的MAC地址转发表；

步骤2.3：各节点与邻居节点交换MAC地址转发表，每个节点更新自己的MAC地址转发表；

步骤三、节点删除模块删除节点，具体包括如下子步骤：

步骤3.1：组网模块查询需要被删除的节点的MAC地址转发表，判断是否为端节点，并根据判断结果进行相应操作，具体为：

3.1A假如此被删除的节点到达任意节点所需经过的转发节点唯一，则说明该节点为端节点，则节点删除模块直接删除端节点及端节点的表项；

3.1B假如经过判断之后，需要被删除的节点不为端节点，则查询需要被删除节点的MAC地址转发表，寻找在转发表中作为中转的节点；表项数量最多的节点保留作为端节点，删除需要删除的节点以及其他的通过它可以到达的节点，将被级联删除的节点作为新节点加入；

步骤3.2：各个节点与其邻居节点交换MAC地址转发表，以便更新每个节点的MAC地址转发表；

步骤四、建立发包环境模块建立发包环境，具体包括如下子步骤：

步骤4.1：从官网中下载Android手机内核源代码；

步骤4.2：修改代码中的dhd_linux.c文件中的dhd_start_xmit函数，向其中加入修改目的MAC地址以及嵌入数据的代码；

步骤4.3：将修改后的内核源代码打包成img文件，替换原来手机中的img文件，重启手机；

步骤五、数据转发模块进行数据转发，具体包括如下子步骤：

步骤5.1：对数据包进行拆解，在其数据包头部位置找到源MAC地址以及目的设备的MAC地址；

步骤5.2：判断获取的目的设备的MAC地址并根据判断结果进行相应操作，具体为：

5.2A：假如地址为ffffffffffff，则说明该数据是需要进行广播的数据包，那么则向转发表中的除了数据来源的表项都进行数据的转发；

5.2B：若地址不为广播地址，则在MAC地址转发表中查询，相应的目的节点对应的下一转发节点的MAC地址，之后向该节点发送数据包；

至此，经过步骤一到步骤五，完成了一种Android移动终端中利用MAC地址自动组网及数据转发方法。

有益效果

本发明一种Android移动终端中利用MAC地址自动组网及数据转发方法，与现有自组网建立技术或数据转发方法相比，具有如下有益效果：

1.本发明所提方法与现有的自组组网以及数据转发方法相比，采用了MAC地址作为建立网络中的唯一地址标识，由于MAC地址的全球唯一性，因此不需要额外的算法以及开销来维护以及确保网络中的每一个移动设备的地址唯一性；

2.本发明所述方法所依托的网络，其拓扑结构采用了将原连通图改为生成树的形式，并去除结构中的环路，从而避免了广播数据包不断地在环路中进行复制和转发而引发广播风暴；

3.本发明所述方法中的数据转发模块位于数据链路层，不是建立在网络层，数据链路层已经提供了数据在节点之间的可靠传输，不用依靠高层的传输协议，使得传输的数据包结构更简单，使用的协议也更简单，减少了传输开销。

附图说明

图1是本发明一种Android移动终端中利用MAC地址自动组网及数据转发方法实施例中的MAC地址转发表结构图；

图2是本发明一种Android移动终端中利用MAC地址自动组网及数据转发方法实施实例中的自组网建立流程图；

图3是本发明一种Android移动终端中利用MAC地址自动组网及数据转发方法实施实例中的未改变为树形结构的网络连接状态图；

图4是本发明一种Android移动终端中利用MAC地址自动组网及数据转发方法实施实例中的改变为树形结构网络状态图；

图5是本发明一种Android移动终端中利用MAC地址自动组网及数据转发方法实施实例中的添加新节点11时网络状态图；

图6是本发明一种Android移动终端中利用MAC地址自动组网及数据转发方法实施实例中的删除端节点1时网络状态图；

图7是本发明一种Android移动终端中利用MAC地址自动组网及数据转发方法实施例中的删除中间节点9时网络状态图；

图8是一种Android移动终端中利用MAC地址自动组网及数据转发方法实施实例中的数据传输过程流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明和详细描述。

实施例1

本实施例详细阐述了本发明基于Android移动终端利用MAC地址进行组网及数据转发方法的工作过程。

1.组网过程，其过程如图2所示的自组组网流程图所示：

1)移动设备开启WiFi，并且将WiFi模式设置为managed模式；

2)通过Android系统提供的函数调用接口，获取自身节点的MAC地址。通过Android系统中提供的context.getSystemService(Context.WIFI_SERVICE)函数将新建一个WiFi对象。通过对象中的getConnectionInfo()函数新建一个WiFi信息的对象通过WiFi信息对象中的getMacAddress()函数，得到本地的字符串形式的MAC地址；

3)与邻居节点建立连接，交换MAC地址信息按照图1中的结构建立MAC地址转发表，建立如图3所示的网络拓扑结构，图中节点之间的实线表示两个节点之间可以直接通信；

4)将邻居节点数量最多的6号节点作为根节点，将3,5,7,9号节点依次放入队列，并将其flag置位，接下来将3号节点的邻居节点加入队列，即2,8，将5号的邻居节点加入队列，由于2号已经加入队列，则5号转发表中的关于2号的表项进行删除，保留关于4号节点的表项，依次类推直至遍历所有节点，此时网络结构的拓扑图则由图4所示，图中的实线表示两节点可以进行直接通信，而虚线则表示通过删除MAC地址转发表中的表项使得两节点之间不再具有直接通信能力。

2.建立发包环境，发送数据包过程：

1)由于在数据链路层不具有独立发送数据包的能力，想要发送数据包需要先建立发包环境；

2)在这里，利用无线传输协议SMTP协议中的帧发送时的发送环境，下载Android内核源代码，修改代码中的的dhd_linux.c文件中的dhd_start_xmit函数，向其中加入修改目的MAC地址以及嵌入数据的代码。以便修改其中的建立连接时发送的数据帧的目的地址，使其将预计发送给服务器的数据帧发送给目的MAC地址。在建立网络时嵌入的数据为MAC地址转发表，以便将地址信息相互交换。在组网完毕之后，嵌入的数据为需要进行数据通信的数据；

3)将修改后的内核源代码打包成img文件，替换原来手机中的img文件，重启手机。

3.加入节点过程：

1)加入新节点11，首先搜寻节点11的所有邻居节点，发现是8,9,10号节点；

2)在这些节点中找出邻居节点数量最多的节点，为9号节点，则将11号节点与9号节点相连接，形成的网络结构如图5所示。

4.删除节点过程：

1)若删除的节点如图5中的1号节点，则节点为端节点，则将节点直接删除，将转发表中的相关表项删除，交换转发表，更新每个节点信息，直到每一个表都不再改变为止。网络结构如图6所示；

2)若删除的节点为中间节点，假设删除9号节点，首先比较9号节点的连接节点，即6,10,11号节点的连接节点数目最多，发现6号节点最多则将相连的10,11号节点删除，再作为新节点添加入网络。交换转发表，更新每个节点信息，直到每一个表都不再改变为止。网络结构如图7所示。

5.数据传输过程，其过程如图8数据传输过程流程图所示流程,：

1)在这里假设网络结构如图5所示，接收据包，首先对其进行拆解，在其数据包头部位置找到源MAC地址以及目的设备的MAC地址。在802.11协议的数据包中，目的地址为从偏移量22开始的一共六个字节，而源地址在于从偏移量34开始的一共六个字节；

2)在获取到目的设备的MAC地址之时，首先进行判断。若目的地址即为本身节点的MAC地址，说明自己即为数据的目的地址设备，则将数据进行存储，不再转发数据包；

3)若自身不为数据包中指明的MAC地址，则进行地址内容的判断，假如地址为ffffffffffff，则说明该数据是需要进行广播的数据包，那么则向转发表中的除了数据来源的表项都进行数据的转发。假如在图5所示的结构中1号节点发送了广播数据，则3号节点在收到数据包时会向所有连接节点(除了1号节点以外)即6和4号节点发送该数据，而6号节点接收到该广播数据包时，会向除了3号节点以外的所有节点即5,7,9号节点转发数据，依次类推，广播数据包会传播遍整个网络。如果不是广播包则会按照查表结果进行转发。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims

1.一种Android移动终端中利用MAC地址自动组网及数据转发方法，其特征在于：核心思想是一种网络传输方式，具体是基于数据链路层建立MAC地址转发表，再通过MAC地址转发表进行数据传输；

Android设备又包括WiFi网卡；

其中，组网模块位于WiFi网卡数据链路层中；

各模块的连接关系如下：

各模块的功能如下：

组网模块的功能是将Android移动设备互相连接并建立适当的网络拓扑结构；新节点添加模块的功能是当有新的节点申请加入网络时，将新节点加入在网络适当位置并修改网络中每一个节点的MAC地址转发表；节点删除模块的功能是当有节点申请离开网络时将被删除节点从网络中剔除并修改网络中每一个节点的MAC地址转发表；建立发包环境模块的功能是在数据链路层营造发送数据包的环境，将数据包进行发送；数据转发模块的功能是当节点接收到其他节点发送的数据包时，对目的MAC地址进行判断，并且将数据包转发给合适的下一节点；

所述数据转发方法，包括如下步骤：

步骤一、组网模块建立无线移动的局域网络，具体为：

其中，managed模式是WiFi功能的网卡模式，WiFi功能的网卡模式还有Adhoc模式、Master模式、Monitor模式以及WDS模式；

步骤二、新节点添加模块添加新节点，具体为：

步骤2.3：各节点与邻居节点交换MAC地址转发表，每个节点更新自己的MAC地址转发表；步骤三、节点删除模块删除节点，具体为：

3.1.A假如此被删除的节点到达任意节点所需经过的转发节点唯一，则说明该节点为端节点，则节点删除模块直接删除端节点及端节点的表项；

3.1.B假如经过判断之后，需要被删除的节点不为端节点，则查询需要被删除节点的MAC地址转发表，寻找在转发表中作为中转的节点；表项数量最多的节点保留作为端节点，删除需要删除的节点以及其他的通过它可以到达的节点，将被级联删除的节点作为新节点加入；

步骤四、建立发包环境模块建立发包环境，具体为：

步骤4.1：从官网中下载Android手机内核源代码；

步骤五、数据转发模块进行数据转发，具体为：

5.2B：若地址不为广播地址，则在MAC地址转发表中查询，相应的目的节点对应的下一转发节点的MAC地址，之后向该节点发送数据包。