周錦陽 宋 廣

（92785部隊(duì) 葫蘆島 125200）

1 引言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)移動(dòng)通信的需求越來越強(qiáng)。傳統(tǒng)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)一般基于預(yù)設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)于某些特殊場(chǎng)合，預(yù)設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施不可能存在。比如，戰(zhàn)場(chǎng)上部隊(duì)快速展開和推進(jìn)、地震或水災(zāi)后的營(yíng)救、野外科學(xué)考察等［1]。這就需要一種能夠快速部署、無需基礎(chǔ)設(shè)施、組網(wǎng)便捷的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，即移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)。

移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)作為一種無中心、分布式和自組織的無線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，源自美國(guó)夏威夷大學(xué)于1968年構(gòu)建的無線自組織網(wǎng)絡(luò)—ALOHA系統(tǒng)［2]，其應(yīng)用領(lǐng)域包括傳感器網(wǎng)絡(luò)［3]、災(zāi)后緊急救援［4]、車輛通信和無線局域網(wǎng)等［5～6]。移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)的一種重要研究領(lǐng)域就是路由技術(shù)，為了適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)合，研究人員設(shè)計(jì)了許多路由協(xié)議［7]。其中AODV路由協(xié)議是IETF推薦的無線自組織路由協(xié)議之一，它簡(jiǎn)單實(shí)用且性能優(yōu)越［8]。

本文依托嵌入式平臺(tái)，提出了一種基于Linux系統(tǒng)的AODV路由協(xié)議實(shí)現(xiàn)方法，并將AODV路由協(xié)議應(yīng)用于移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)視頻通信中。通過路由協(xié)議測(cè)試，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)AODV路由協(xié)議通信的穩(wěn)定性和及時(shí)性，為進(jìn)一步探索和研究相關(guān)內(nèi)容提供有益參考，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

2 AODV路由協(xié)議

AODV路由協(xié)議作為按需路由協(xié)議［9]，該協(xié)議依據(jù)通信需求按需啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過程，其節(jié)點(diǎn)路由表和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)按需建立，所以節(jié)點(diǎn)路由表內(nèi)容可能僅為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一部分。相對(duì)于先應(yīng)式路由協(xié)議，按需路由協(xié)議具有路由開銷小、節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬資源等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)為傳播時(shí)延較大［10]。

AODV路由協(xié)議可分為路由建立和路由維護(hù)兩個(gè)過程［11]。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要與目的節(jié)點(diǎn)通信，但路由表無到目的節(jié)點(diǎn)路由時(shí)，源節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)路由建立過程。路由建立過程采用洪范方式，向全網(wǎng)廣播路由請(qǐng)求分組。當(dāng)發(fā)現(xiàn)通信鏈路中斷時(shí)，節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)路由維護(hù)過程。

3 AODV路由協(xié)議設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的AODV路由協(xié)議包括四種控制報(bào)文：路由請(qǐng)求（RREQ）報(bào)文、路由應(yīng)答（RREP）報(bào)文、HELLO報(bào)文和路由出錯(cuò)（RERR）報(bào)文。RREQ報(bào)文和RREP報(bào)文用于自組織網(wǎng)絡(luò)的路由建立，HELLO報(bào)文和RRER報(bào)文用于自組織網(wǎng)絡(luò)的路由維護(hù)。

3.1 控制報(bào)文設(shè)計(jì)

1）RREQ報(bào)文

RREQ報(bào)文格式如圖1所示，包括Type字段、跳數(shù)、目的節(jié)點(diǎn)IP地址、源節(jié)點(diǎn)IP地址、源節(jié)點(diǎn)序列號(hào)及保留字段，總共16個(gè)字節(jié)。

圖1 RREQ報(bào)文格式

2）RREP報(bào)文

RREP報(bào)文報(bào)文格式如圖2所示，包括Type字段、跳數(shù)、目的節(jié)點(diǎn)IP地址、源節(jié)點(diǎn)IP地址、目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)及保留字段，總共16個(gè)字節(jié)。

3）HELLO報(bào)文

HELLO報(bào)文格式如圖3所示，包括Type字段和保留字段，總共4個(gè)字節(jié)。

4）RERR報(bào)文

RERR報(bào)文格式如圖4所示，包括Type字段、失效IP個(gè)數(shù)及失效IP地址。

圖2 RREP報(bào)文格式

圖3 HELLO報(bào)文格式

圖4 RERR報(bào)文格式

3.2 報(bào)文處理策略設(shè)計(jì)

3.2.1 RREQ報(bào)文處理策略

RREQ報(bào)文用于建立從目的節(jié)點(diǎn)到源節(jié)點(diǎn)的反向路由，其處理策略包括報(bào)文發(fā)送策略和報(bào)文接收處理策略。

圖5 RREQ報(bào)文發(fā)送策略

1）RREQ報(bào)文發(fā)送策略

當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需與目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，但其路由表中沒有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由時(shí)，源節(jié)點(diǎn)會(huì)啟動(dòng)RREQ報(bào)文的發(fā)送策略。RREQ報(bào)文發(fā)送策略如圖5所示。如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)收到目的節(jié)點(diǎn)回復(fù)的RREP報(bào)文，則建立從目的節(jié)點(diǎn)到源節(jié)點(diǎn)的反向路由。

2）RREQ報(bào)文接收處理策略

當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到RREQ報(bào)文時(shí)，啟動(dòng)RREQ報(bào)文接收處理策略，建立到源節(jié)點(diǎn)的反向路由。RREQ報(bào)文接收處理策略如圖6所示。節(jié)點(diǎn)收到RREQ報(bào)文，則添加或更新到源節(jié)點(diǎn)的反向路由。如果本節(jié)點(diǎn)是RREQ報(bào)文的目的節(jié)點(diǎn)，則本節(jié)點(diǎn)向RREQ報(bào)文源節(jié)點(diǎn)單播回復(fù)RREP報(bào)文；如果本節(jié)點(diǎn)不是RREQ報(bào)文的目的節(jié)點(diǎn)，則廣播轉(zhuǎn)發(fā)該RREQ報(bào)文。

圖6 RREQ報(bào)文接收處理策略

3.2.2 RREP報(bào)文處理策略

RREP報(bào)文用于建立從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的正向路由。當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)收到有效RREQ報(bào)文時(shí)，則沿著新建立的反向路由單播回復(fù)RREP報(bào)文。收到RREP報(bào)文的節(jié)點(diǎn)，啟動(dòng)RREP報(bào)文處理策略，建立到目的節(jié)點(diǎn)的正向路由。RREP報(bào)文處理策略如圖7所示。節(jié)點(diǎn)收到RREP報(bào)文時(shí)，添加或更新到目的節(jié)點(diǎn)的正向路由，如果本節(jié)點(diǎn)不是RREP報(bào)文的目的節(jié)點(diǎn)，則單播轉(zhuǎn)發(fā)RREP報(bào)文。

3.2.3 HELLO報(bào)文處理策略

HELLO報(bào)文用于向鄰居節(jié)點(diǎn)通報(bào)自身節(jié)點(diǎn)的存在，每一個(gè)收到HELLO報(bào)文的鄰居節(jié)點(diǎn)，如果存在到此節(jié)點(diǎn)的路由，都會(huì)更新此路由條目的本地時(shí)間。如果路由條目的本地時(shí)間長(zhǎng)期不更新，路由表就認(rèn)為此路由條目為失效路由條目。當(dāng)節(jié)點(diǎn)路由表中有需要維護(hù)的路由條目時(shí)，節(jié)點(diǎn)周期性廣播HELLO報(bào)文，收到HELLO報(bào)文的鄰居節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)HELLO報(bào)文處理策略，進(jìn)行路由維護(hù)。HELLO報(bào)文處理策略如圖8所示。

圖7 RREP報(bào)文處理策略

圖8 HELLO報(bào)文處理流程

3.2.4 RERR報(bào)文處理策略

RERR報(bào)文用于向網(wǎng)絡(luò)通報(bào)已失效的路由條目，每一個(gè)收到RERR報(bào)文的下一跳節(jié)點(diǎn)，都會(huì)檢查本地路由表是否存在相關(guān)失效路由條目，如存在失效路由條目，則轉(zhuǎn)發(fā)此RERR報(bào)文。當(dāng)節(jié)點(diǎn)本地路由表發(fā)現(xiàn)超時(shí)路由條目（即認(rèn)為失效）時(shí)，節(jié)點(diǎn)會(huì)廣播發(fā)送RERR報(bào)文。接收到RERR報(bào)文的節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)RERR報(bào)文處理策略，進(jìn)行路由維護(hù)。RERR報(bào)文處理策略如圖9所示。

4 AODV路由協(xié)議實(shí)現(xiàn)

AODV路由協(xié)議的實(shí)現(xiàn)基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)，利用Linux內(nèi)核netfilter框架的包過濾功能，在PRE_ROUTING及LOCAL_OUT兩個(gè)HOOK點(diǎn)設(shè)置鉤子函數(shù)，對(duì)流出（發(fā)送數(shù)據(jù)）和流入（接收數(shù)據(jù)）節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行抓包，針對(duì)數(shù)據(jù)包的不同類型，加載不同報(bào)文處理策略，實(shí)現(xiàn)AODV路由協(xié)議的路由建立、路由維護(hù)和數(shù)據(jù)傳輸功能。

圖9 RERR報(bào)文處理流程

4.1 netfilter框架

netfilter框架是Rusty Russell提出的新一代Linux防火墻，該框架基于Linux內(nèi)核2.4版本，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的過濾及處理、地址偽裝和網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換等功能［12]。為實(shí)現(xiàn)對(duì)流經(jīng)TCP/IP協(xié)議棧的數(shù)據(jù)包進(jìn)行檢測(cè)和控制處理，在數(shù)據(jù)包流經(jīng)協(xié)議棧的線路上，netfilter框架定義了五個(gè)鉤子點(diǎn)（即HOOK點(diǎn)），如圖10所示。在此五個(gè)HOOK點(diǎn)上，netfilter框架分別定義了五個(gè)鉤子函數(shù)，用戶可設(shè)置封裝好的鉤子函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的抓取和處理。

圖10 netfilter框架的HOOK點(diǎn)（IPv4）

針對(duì)流出平臺(tái)的發(fā)送數(shù)據(jù)，在LOCAL_OUT鉤子點(diǎn)設(shè)置鉤子函數(shù)，進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)的抓包和處理；針對(duì)流入平臺(tái)的接收數(shù)據(jù)，在PRE_ROUTING鉤子點(diǎn)設(shè)置鉤子函數(shù)，進(jìn)行接收數(shù)據(jù)的抓包和處理。

4.2 發(fā)送數(shù)據(jù)處理

發(fā)送數(shù)據(jù)作為平臺(tái)自身產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包，其處理流程如圖11所示。依據(jù)平臺(tái)節(jié)點(diǎn)是否存在目的路由，決定是否生成RREQ報(bào)文，并啟用RREQ發(fā)送策略。

圖11 發(fā)送數(shù)據(jù)處理流程

4.3 接收數(shù)據(jù)處理

接收數(shù)據(jù)作為外部節(jié)點(diǎn)流入平臺(tái)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，其處理流程如圖12所示。本文設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)包類型包括數(shù)據(jù)報(bào)文和控制報(bào)文兩種，其中控制報(bào)文包括RREQ報(bào)文、RREP報(bào)文、HELLO報(bào)文和RERR報(bào)文四種。依據(jù)數(shù)據(jù)包的不同類型，調(diào)用不同報(bào)文處理策略，從而實(shí)現(xiàn)AODV路由協(xié)議的路由建立、路由維護(hù)和數(shù)據(jù)傳輸功能。

5 AODV路由協(xié)議測(cè)試

5.1 靜態(tài)測(cè)試

在靜態(tài)多跳實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景下，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和丟包率兩方面進(jìn)行性能測(cè)試，驗(yàn)證AODV路由協(xié)議通信穩(wěn)定性。靜態(tài)測(cè)試如圖13所示，平臺(tái)S、M1和D均靜止。通過平臺(tái)S發(fā)送到平臺(tái)D的ping擴(kuò)展指令，記錄網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和丟包率。

經(jīng)測(cè)試及結(jié)果統(tǒng)計(jì)，靜態(tài)測(cè)試時(shí)延如圖14所示，靜態(tài)測(cè)試丟包率如圖15所示。依據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，對(duì)于2跳S-M1-D鏈路，當(dāng)發(fā)送1KB大小的數(shù)據(jù)包時(shí)，鏈路平均時(shí)延穩(wěn)定在61ms左右，上下波動(dòng)不超過3ms。隨著測(cè)試時(shí)間的增加，丟包率從1.6%逐步趨近于0。由此可見，針對(duì)節(jié)點(diǎn)靜止的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，鏈路時(shí)延穩(wěn)定性良好，數(shù)據(jù)包丟失僅出現(xiàn)在路由建立的初始階段，隨著測(cè)試時(shí)間的增長(zhǎng)，丟包率趨近于0，鏈路通信狀態(tài)良好。

圖12 接收數(shù)據(jù)處理流程

圖13 AODV路由協(xié)議靜態(tài)測(cè)試圖

圖14 靜態(tài)測(cè)試時(shí)延

圖15 靜態(tài)測(cè)試丟包率

5.2 動(dòng)態(tài)測(cè)試

在動(dòng)態(tài)多跳路由切換實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景下，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、丟包率和路由切換時(shí)間進(jìn)行性能測(cè)試，驗(yàn)證AODV路由協(xié)議通信穩(wěn)定性和及時(shí)性。動(dòng)態(tài)測(cè)試如圖16所示，平臺(tái)S、M1和M2均靜止，平臺(tái)D勻速往返運(yùn)動(dòng)。通過源節(jié)點(diǎn)S發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)D的ping擴(kuò)展指令，記錄網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、丟包率和路由切換時(shí)間。

圖16 AODV路由協(xié)議態(tài)測(cè)試圖

圖17 路由切換時(shí)延

經(jīng)測(cè)試及結(jié)果統(tǒng)計(jì)，路由切換時(shí)延如圖17所示，路由切換丟包率如圖18所示。依據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，對(duì)于多節(jié)點(diǎn)路由切換鏈路，當(dāng)發(fā)送1KB大小的數(shù)據(jù)包時(shí)，鏈路平均時(shí)延在61.5ms左右，上下波動(dòng)不超過2ms；丟包率穩(wěn)定在4.7%左右，最大不超過5%。由此可見，針對(duì)多節(jié)點(diǎn)自組織網(wǎng)絡(luò)的路由切換，鏈路時(shí)延穩(wěn)定性良好，數(shù)據(jù)丟包率較小。

圖18 路由切換丟包率

路由切換時(shí)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖19所示，其中“S-D→S-M1-D”表示路由切換由鏈路S-D切換到鏈路S-M1-D，其它路由切換采用相同的表示方式。依據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，路由切換平均時(shí)長(zhǎng)約2.9s，最大不超過3.1s。由此可見，針對(duì)多節(jié)點(diǎn)自組織網(wǎng)絡(luò)的路由切換，路由切換及時(shí)，上下波動(dòng)較小，鏈路通信狀態(tài)良好。

圖19 路由切換時(shí)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果

綜上所述，分析可知：鏈路平均時(shí)延與所經(jīng)跳數(shù)相關(guān)，跳數(shù)越多，時(shí)延越大；丟包率與路由切換頻率相關(guān)，路由切換越頻繁，丟包率越大；路由切換時(shí)間與自組織路由協(xié)議路由維護(hù)周期相關(guān)，維護(hù)周期越短，越容易發(fā)現(xiàn)失效路由，從而越早重新建立路由，縮短路由切換時(shí)間，但路由節(jié)點(diǎn)維護(hù)成本相應(yīng)增大。

6 結(jié)語

本文基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)，利用Linux內(nèi)核netfilter框架，通過對(duì)路由協(xié)議報(bào)文處理策略的加載，實(shí)現(xiàn)了AODV路由協(xié)議的自組織路由和數(shù)據(jù)傳輸功能。測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的AODV路由協(xié)議具有良好的通信的穩(wěn)定性和及時(shí)性。隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展和移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，未來還需要對(duì)自組織路由協(xié)議和工程應(yīng)用進(jìn)一步研究，使之更廣泛應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等方向。