李每虎，郭淵博，王洪玉

(解放軍信息工程大學(xué) 電子技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450004)

0 引言

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)[1]（WMN，Wireless Mesh Networks）是從移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)分離出來，并承襲了部分WLAN技術(shù)的新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有較高的可靠性、較大的伸縮性和較低的投資成本。無線 Mesh網(wǎng)絡(luò)的核心思想是讓網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點都發(fā)送和接收信號，網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點都具備自動路由功能，具有多跳特性，能夠很好地解決無線接入“最后一公里”瓶頸及WLAN中AP“單點故障”等問題。

作為一種高容量、高速率的新型分布式無線寬帶接入網(wǎng)絡(luò)，無線 Mesh網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)以及面臨的相關(guān)問題已經(jīng)成為無線通信發(fā)展演進(jìn)中的研究熱點之一，受到了國內(nèi)外業(yè)界的廣泛關(guān)注?；ヂ?lián)網(wǎng)的發(fā)展和多媒體業(yè)務(wù)的需求加速了無線通信向真正的寬帶系統(tǒng)過渡，其面臨的多種無線通信技術(shù)及異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)共存、融合的趨勢和要求，使得無線 Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛研究開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化成為當(dāng)前亟待解決的問題。而目前用于各種關(guān)鍵技術(shù)的具體實現(xiàn)、相關(guān)協(xié)議性能測試等研究的無線 Mesh網(wǎng)絡(luò)平臺不多，為了更好地將理論轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實應(yīng)用，提出了一種構(gòu)建實用、可擴(kuò)展性強(qiáng)、能夠靈活應(yīng)用的無線 Mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議測試平臺的方案，并進(jìn)行了原型系統(tǒng)實現(xiàn)和相關(guān)測試。方案基于Click軟件路由技術(shù)[2]，應(yīng)用動態(tài)源路由選擇協(xié)議（DSR，Dynamic Source Routing Protocol）[3]和相關(guān)軟硬件，在Linux操作系統(tǒng)上實現(xiàn)了無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點，為進(jìn)一步對無線Mesh網(wǎng)絡(luò)及其路由理論的研究與應(yīng)用開發(fā)提供了方法和思路。

1 Click軟件路由技術(shù)

軟件路由技術(shù)主要是采用通用的硬件平臺結(jié)合應(yīng)用程序軟件來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)路由。目前在軟件路由器研究領(lǐng)域中，基于Windows平臺的軟件路由器主要是用于商業(yè)化的，而開源的基于 Unix/Linux平臺的軟件路由技術(shù)更加適用于研究與開發(fā)，應(yīng)用比較廣泛的主要有Scout系統(tǒng)和Click路由系統(tǒng)。

Click路由系統(tǒng)是由美國MIT大學(xué)Eddie Kohler博士提出并由 MIT計算機(jī)技術(shù)系并行與分布式操作系統(tǒng)實驗室開發(fā)完成的基于Linux操作系統(tǒng)實現(xiàn)的一種新型模塊化軟件路由器，目前Click軟件已經(jīng)發(fā)布到了1.8.0版本。Click的最大特點就是面向?qū)ο蟮哪K化設(shè)計方式，使路由配置和管理更加靈活，用戶可以根據(jù)自己的需要選擇不同的模塊組合起來配置路由器，而且Click的模塊化設(shè)計方式也使得用戶可以方便地在原有路由器的基礎(chǔ)上增加新的功能。

2 基于Click的DSR路由協(xié)議

2.1 DSR協(xié)議介紹

DSR路由協(xié)議是一種反應(yīng)式多跳路由協(xié)議，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點根據(jù)自身需求發(fā)起動態(tài)路由請求，由于在數(shù)據(jù)報文中帶有完整的源路徑信息，DSR協(xié)議能夠保證該報文按照指定路徑行進(jìn)，可以有效地避免環(huán)路的產(chǎn)生，而且，它還能夠支持單向信道和非對稱路由，提供多條路由，是一種簡單而高效的按需實用路由協(xié)議。由于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)靈活，網(wǎng)絡(luò)兼容性好，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，選擇 DSR協(xié)議可以很好的實現(xiàn)與既有網(wǎng)絡(luò)(比如Internet)之間的無縫連接并能很好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)變化。

2.2 基于Click的DSR協(xié)議模塊化設(shè)計

方案在借鑒Click的軟件路由器體系結(jié)構(gòu)的同時，通過分析DSR路由協(xié)議的具體特點，對DSR協(xié)議模塊化結(jié)構(gòu)進(jìn)行了充分的設(shè)計。設(shè)計后的基于Click系統(tǒng)的DSR協(xié)議組件配置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在分析如圖1基于Click系統(tǒng)的DSR路由組件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，依據(jù)Click語法規(guī)則可編寫出基于文本的click配置文件dsr-userlevel.click。

3 WMN路由節(jié)點的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 路由節(jié)點的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

在無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)中，任何無線設(shè)備節(jié)點都可以同時作為AP 和路由器，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都可以發(fā)送和接收信號，每個節(jié)點都可以與一個或者多個對等節(jié)點進(jìn)行直接通信。因此所設(shè)計的基于主機(jī)的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點的基本體系結(jié)構(gòu)包括利用Click軟件路由技術(shù)構(gòu)建的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由模塊和用HostAp軟件[4]實現(xiàn)的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)接入模塊。其軟件硬件結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。

圖1 基于Click系統(tǒng)的DSR協(xié)議模塊化組件結(jié)構(gòu)

圖2 硬件結(jié)構(gòu)

圖3 軟件結(jié)構(gòu)

3.2 路由節(jié)點的原型實現(xiàn)

3.2.1 節(jié)點實現(xiàn)所需軟硬件

節(jié)點構(gòu)建所選擇硬件包括：帶有以太網(wǎng)卡的Linux系統(tǒng)主機(jī)，Atheros AR5212A miniPCI無線網(wǎng)卡（可轉(zhuǎn)換成PCI），D-Link DWL-G122 USB無線網(wǎng)卡；所需的軟件主要是Click軟件包和HostAp軟件包等。

3.2.2 路由模塊的安裝與配置

在裝有Linux操作系統(tǒng)主機(jī)上安裝libgtk/libglib等基本庫文件和gcc/g++/gdb/make 等基本編程工具。

對網(wǎng)卡驅(qū)動程序進(jìn)行安裝與配置，對于Atheros AR5213無線網(wǎng)卡，由于系統(tǒng)系統(tǒng)默認(rèn)自動加載的ath5k驅(qū)動不支持MeshAP模式，因此需要從網(wǎng)站下載Madiwifi驅(qū)動并進(jìn)行安裝加載，并將網(wǎng)卡模式設(shè)為ad hoc模式以支持Mesh路由。

下載最新的 click軟件包并進(jìn)行用戶模式安裝（即userlevel模式），并將上述已編寫好的路由配置文件dsr-userlevel.click復(fù)制到相應(yīng)的目錄下（一般為../click/userlevel/conf/）。

3.2.3 接入模塊的安裝配置

加載網(wǎng)卡驅(qū)動程序，由于系統(tǒng)內(nèi)核自帶rt73驅(qū)動，可以直接通過命令行對D-Link DWL-G122 USB無線網(wǎng)卡進(jìn)行驅(qū)動加載，并將網(wǎng)卡模式配置為支持AP模式即Master模式。

安裝openssl-0.9.8與hostapd-0.5.7軟件，并根據(jù)實驗需要更改hostapd.conf配置文件。

編寫HostAP啟動腳本StartHostAP.sh，該腳本主要是通過啟用HostAP軟件，利用無線網(wǎng)卡與以太網(wǎng)卡進(jìn)行橋接的方式實現(xiàn)無線接入功能。

3.3 節(jié)點平臺的搭建與測試

利用基于Click的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點搭建一個無線Mesh網(wǎng)絡(luò)測試平臺并設(shè)置相應(yīng)IP地址和頻段，每臺主機(jī)代表一個節(jié)點，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 測試平臺網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

首先，在每個節(jié)點中啟動HostAP接入模塊以啟動接入功能，可在終端輸入命令行：

./StartHostAP.sh

其次，在每個節(jié)點中啟動基于Click的DSR路由模塊以啟動路由功能，進(jìn)入/userlevel目錄，可在終端輸入命令行：

./conf/dsr-userlevel.click

這樣網(wǎng)絡(luò)中的每臺Linux主機(jī)都可以當(dāng)作無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點正常運行，并且節(jié)點之間能夠正常通信。在 IP地址為192.200.1.21的主機(jī)上使用route命令可以查看到路由表如圖5示。

3.4 節(jié)點平臺應(yīng)用分析

所搭建的無線 Mesh網(wǎng)絡(luò)節(jié)點平臺在完成正常的無線Mesh接入和路由功能上，可以進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，增加網(wǎng)絡(luò)的帶寬，提升網(wǎng)絡(luò)的速度，擴(kuò)大無線網(wǎng)狀網(wǎng)的應(yīng)用范圍，最終實現(xiàn)一個安全可管可控實用的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。該方案所設(shè)計實現(xiàn)的節(jié)點平臺還可以方便地在主機(jī)上安裝iperf和jrtplib等相關(guān)工具，實現(xiàn)對無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的吞吐量、丟包率、網(wǎng)絡(luò)時延等數(shù)據(jù)的測試。

圖5 節(jié)點路由表

4 結(jié)語

這里提出了一種在Linux操作系統(tǒng)上實現(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的方法，并進(jìn)行了原型系統(tǒng)實現(xiàn)。首先，由于Linux的開源特性，該節(jié)點可以通過對不同協(xié)議的編譯與配置來分析和比較不同協(xié)議的性能，并能夠在此基礎(chǔ)上靈活的加各種入功能模塊如Web和Ftp服務(wù)、防火墻等，實現(xiàn)一機(jī)多用加大投資效益。其次，研究人員能夠借鑒該方法在不更換硬件的條件下根據(jù)個人需求方便地搭建各種Mesh網(wǎng)絡(luò)平臺并進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)與協(xié)議研究。為了更好地將實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的具體應(yīng)用，下一步的主要研究方向是在更換硬件設(shè)備和接口的基礎(chǔ)上，通過交叉編譯等方式，在開源嵌入式操作系統(tǒng)OpenWRT上，將在Linux主機(jī)上實現(xiàn)的開源無線Mesh節(jié)點平臺應(yīng)用于嵌入式開發(fā)平臺，構(gòu)建基于嵌入式的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)節(jié)點平臺。

[1] IAN F A, WANG Xudong, WANG Weilin.Wireless Mesh Networks: a Survey[J].Computer Networks, 2005, 47(04):446-487.

[2] KOHLER E.The Click Modular Router[D].USA: MIT, 2001.

[3] JOHNSON D B, MALTZ D A, HU Y.The Dynamic Source Routing Protocol for Mobile Ad Hoc Networks[EB/OL].(2007-07-23)[2011-01-13].http://www.ietf.org/internetdrafts/draft-ieftmanet-dsr-11.txt.

[4] IEEE.Host AP Linux driver for wireless LAN cards and WPA Supplicant [EB/OL].(2008-11-01)[2011-01-13].http://hostap.epitest.fi/.