基于Android的BATMAN協(xié)議應(yīng)用框架的研究

劉旭東，何涇沙

（北京工業(yè)大學(xué) 軟件學(xué)院，北京 100124）

隨著移動互聯(lián)時代的來臨，越來越多的服務(wù)已經(jīng)向終端轉(zhuǎn)移。Android系統(tǒng)作為目前主流的移動設(shè)備操作系統(tǒng)，以其免費的特征，以及強大的功能，已經(jīng)受到越來越多的終端廠家的廣泛使用。如何利用Android系統(tǒng)實現(xiàn)更多的互聯(lián)功能成為一個重要的研究領(lǐng)域。移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)是目前比較熱門的研究領(lǐng)域，如何將移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)引入Android這種移動操作系統(tǒng)成為一個非常有意義的研究問題[1-2]。利用ad hoc網(wǎng)絡(luò)將裝載Android系統(tǒng)的移動設(shè)備連接起來，實現(xiàn)在沒有基礎(chǔ)設(shè)施的情況下的互聯(lián)互通，這將會在發(fā)生重大災(zāi)害的時候?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的組建，實現(xiàn)快速救援。在日常生活領(lǐng)域，越來越多的家電使用Android系統(tǒng)，如果能將家電自動組網(wǎng)連接，將會極大的提高生活的便利性。

在Android系統(tǒng)中構(gòu)建一套可以廣泛應(yīng)用的移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)連接框架，可以為應(yīng)用程序提供一種高效的連接方式，也可以節(jié)省目前移動網(wǎng)絡(luò)連接帶來的相關(guān)費用。在目前傳統(tǒng)使用ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議中，并沒有哪一種協(xié)議特別適合用于Android設(shè)備建立ad hoc網(wǎng)絡(luò)。BATMAN （The Better Approach To Mobile Adhoc Networking）協(xié)議作為最新為移動網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的路由協(xié)議，在多方面都適合Android使用。通過修改BATMAN協(xié)議的內(nèi)容，使得整個協(xié)議更好的適用于Android組成的ad hoc網(wǎng)絡(luò)，也將極大提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率。

1 相關(guān)工作

1.1 Android系統(tǒng)

Android是一種基于Linux的自由及開放源代碼的操作系統(tǒng)，主要使用于便攜設(shè)備，如智能手機和平板電腦。Android操作系統(tǒng)最初由Andy Rubin開發(fā)，主要支持手機。2005年由Google收購注資，并組建開發(fā)手機聯(lián)盟開發(fā)改良隨后，逐漸擴展到平板電腦及其他領(lǐng)域上。2008年10月第一部Android智能手機發(fā)布。目前Android的手機已經(jīng)占領(lǐng)了接近一半的手機市場。在Android的系統(tǒng)中，由于是開源系統(tǒng)，因此可以修改Android的內(nèi)核，已達到一些附加功能。

對于Android系統(tǒng)，系統(tǒng)本身并沒有提供ad hoc網(wǎng)絡(luò)連接的功能與相關(guān)機制，但是整個ad hoc的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對于現(xiàn)實應(yīng)用場景的使用是非常有意義的。由于Android具有開源的特性，一種方式是通過修改系統(tǒng)的內(nèi)核，并進行重新編譯達到ad hoc的網(wǎng)絡(luò)功能，但是這樣的做法需要系統(tǒng)重新安裝，對于目前使用的客戶極為不方便。因此，本文通過在Android系統(tǒng)的基礎(chǔ)上通過構(gòu)建一種應(yīng)用的框架實現(xiàn)ad hoc網(wǎng)絡(luò)連接的做法，更加符合當(dāng)前的要求。因此，本論文旨在通過了解Android的基本結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)一個網(wǎng)絡(luò)通信框架，通過這個框架，可以使得使用框架的應(yīng)用之間實現(xiàn)ad hoc網(wǎng)絡(luò)的通信功能。

1.2 ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

由于Android系統(tǒng)具有無線的網(wǎng)絡(luò)連接，通過WiFi連接，具備了構(gòu)建ad hoc網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，為了能夠建立移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)連接，Android設(shè)備通過Wifi與其他設(shè)備進行連接，雖然這樣可以建立兩個設(shè)備的連接，并不能夠?qū)崿F(xiàn)多跳的網(wǎng)絡(luò)。因此，為了實現(xiàn)多跳的網(wǎng)絡(luò)，必須采用一種路由協(xié)議。傳統(tǒng)的移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)多采用OLSR協(xié)議。OLSR是Optimized Link State Routing的簡稱，主要用于MANET網(wǎng)絡(luò)（Mobile Ad hoc network）路由協(xié)議。OLSR是根據(jù)MANET的要求，在傳統(tǒng)的LS（Link state）協(xié)議的基礎(chǔ)上優(yōu)化的。OLSR中的關(guān)鍵概念是多點轉(zhuǎn)播（MPRs），同傳統(tǒng)LS協(xié)議相比，在網(wǎng)絡(luò)中分布著部分鏈路狀態(tài)信息，尤其適合大而密集型的網(wǎng)絡(luò)。

但是，對于Android這種移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)節(jié)點不斷增加時，整個的網(wǎng)絡(luò)就變得異常的緩慢。BATMAN協(xié)議是一種非常好的替代方式，通過采用BATMAN協(xié)議，可以很好地進行移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)的連接[3]。本論文通過在Android上實現(xiàn)BATMAN協(xié)議，實現(xiàn)一種網(wǎng)絡(luò)框架。BATMAN框架是建立在TCP協(xié)議之上，通過無線網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)的多跳連接，并且在連接的基礎(chǔ)上進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)交換[4-5]。

BATMAN的原始實現(xiàn)是在Linux上完成的，雖然Android系統(tǒng)是在Linux的基礎(chǔ)之上實現(xiàn)的，但是BATMAN的代碼并不能夠在Android上順利運行。Android系統(tǒng)使用Java作為應(yīng)用開發(fā)的語言，BATMAN的C語言代碼如果想要在Android上運行，需要使用 JNI（Java Native Interface）技術(shù)將 BATMAN的路由協(xié)議生成鏈接庫。因此，為了能夠使BATMAN順利運行，需要重新修改BATMAN代碼，并進行重新的編譯。

2 BATMAN協(xié)議

BATMAN協(xié)議是一種用于移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議。它主要通過一種OMG包進行路由信息的傳播。每個網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點定期向其鄰居結(jié)點廣播發(fā)送OMG包，每個收到OMG包的鄰居結(jié)點通過OMG信息更新自己的路由信息，并且根據(jù)不同的情況選擇丟棄OMG包，或者繼續(xù)將信息廣播給相應(yīng)的鄰居結(jié)點。

每個收到OMG的結(jié)點，首先將會將OMG包存入相應(yīng)的緩存中，以便跟蹤相應(yīng)的路由信息。每個節(jié)點也會更新信息源上次的活躍時間，并且確保目前的路由信息是最新的路由信息。由于移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)具有移動的特點，因此，很多情況下原本可以連接的結(jié)點，很可能在某一段時間不能夠進行連接，為了能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)移動性的問題，每個節(jié)點都會有一個計時器，當(dāng)某個鄰居結(jié)點在一段時間沒無法連接時，將會對其路由條目。圖1展示了運行BATMAN協(xié)議的結(jié)點的運行方法。

圖1 結(jié)點i運行BATMAN協(xié)議流程圖Fig.1 Flow chart of running BATMAN protocol on node i

在這個流程圖中，描述了多跳的工作機制，當(dāng)一個來自雙向連接的結(jié)點OMG到達結(jié)點時，或者當(dāng)一個結(jié)點已經(jīng)成為孤立結(jié)點，無法繼續(xù)連接時，將會進行更新路由表的操作。當(dāng)某個應(yīng)用想要發(fā)送信息時，首先需要調(diào)用GETNextHop（packet）從路由表中獲取相應(yīng)的鄰居結(jié)點，如果存在達到終點的鄰居結(jié)點，將會使用Send（packet）進行發(fā)送。當(dāng)從其他結(jié)點獲取到待發(fā)送的信息時，首先判斷目標(biāo)結(jié)點是不是當(dāng)前結(jié)點，如果當(dāng)前節(jié)點是目標(biāo)結(jié)點，則收取信息，如果當(dāng)前結(jié)點不是目的結(jié)點，判斷終點的地址，選擇轉(zhuǎn)發(fā)或者丟棄。

3 Android系統(tǒng)中實現(xiàn)BATMAN框架

3.1 開啟Android設(shè)備ad hoc網(wǎng)絡(luò)連接

目前廣泛使用的Android系統(tǒng)中，主要使用兩種比較常見的無線連接方式，一種是藍牙連接，另一種是WiFi（IEEE 802.11g）。當(dāng)前Android系統(tǒng)中都有支持這兩種連接的API[6]。3G網(wǎng)絡(luò)目前也非常常見，但是由于3G連接依賴于基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，因此不適用于移動的ad hoc網(wǎng)絡(luò)。藍牙雖然是為ad hoc網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，但是其傳輸距離有限，為了實現(xiàn)大范圍的ad hoc網(wǎng)絡(luò)，這種方式并不適合[7]。WiFi提供了一種更遠距離的連接，并且具有更大的帶寬。因此，在WiFi的基礎(chǔ)上建立ad hoc網(wǎng)絡(luò)是可能的，而且能夠給很多應(yīng)用提供便利。

默認(rèn)情況下，Android設(shè)備并不能夠進行ad hoc網(wǎng)絡(luò)連接，只能連接到固定的網(wǎng)絡(luò)訪問點。為了能夠開啟網(wǎng)絡(luò)連接的ad hoc模式，必須了解整個網(wǎng)絡(luò)的運行過程。Android設(shè)備中，使用wpa_supplicant工具操作網(wǎng)絡(luò)，并且使用wpa_supplicant.conf作為其配置文件。為了能夠?qū)崿F(xiàn)連接，必需修改上述的兩個文件，由于每個Android設(shè)備通過芯片的驅(qū)動程序完成對其設(shè)備的控制，能夠進行ad hoc網(wǎng)絡(luò)連接的芯片必須能夠支持無線擴展API（Wireless Extension API），這樣才能控制芯片完成ad hoc網(wǎng)絡(luò)連接。因此，目前只有在能夠應(yīng)用無線擴展API的芯片上才能完成ad hoc網(wǎng)絡(luò)連接。

為了能夠使設(shè)備支持無線擴展API，可以通過交叉編譯，為設(shè)備編譯出可以應(yīng)用到設(shè)備上的相關(guān)文件[10-11]。通過重新編譯Android系統(tǒng)的相關(guān)部分的源代碼，可以實現(xiàn)BCM4329和BCM4330無線芯片的ad hoc網(wǎng)絡(luò)控制。三星公司在其官方網(wǎng)站上公布了以上兩種芯片相關(guān)的源代碼，因此使用這兩種芯片的Android設(shè)備都可以實現(xiàn)ad hoc網(wǎng)絡(luò)連接，表1中列出了使用這些芯片的設(shè)備。理論上通過這種方法，可以控制芯片的ad hoc模式連接方式，包括使用這種芯片的iPhone4s和NOKIA Lumia系列。

表1 部分Android設(shè)備的無線芯片列表Tab.1 Android device's wireless chip list

3.2 帶有緩存機制的BATMAN協(xié)議

標(biāo)準(zhǔn)的BATMAN協(xié)議雖然應(yīng)用于ad hoc網(wǎng)絡(luò)，但是當(dāng)數(shù)據(jù)終點無法到達時，標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的做法是丟棄這些無法到達的數(shù)據(jù)包。由于移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的ad hoc網(wǎng)絡(luò)的最大不同點就在于其移動性。而且由Android構(gòu)建的ad hoc網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的移動性更加強烈，同時每個節(jié)點相遇的幾率也更大，因此為了能夠以最大效率的提高傳輸率，在每個Android設(shè)備中加入一個緩存，能夠最大的效率實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。

經(jīng)過改進后，原有的BATMAN協(xié)議結(jié)點將會按照如下步驟實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸。

1）判斷下一跳節(jié)點聯(lián)通性，可以聯(lián)通則立刻發(fā)送。無法連接，進入步驟2）。

2）將數(shù)據(jù)包存入臨時緩存，進入步驟3）。

3）每個結(jié)點定時檢查緩存，如果連接重新建立立刻傳輸，否則進入步驟4）。

4）檢查每個節(jié)點包的存入時間，如果超時，立刻丟棄數(shù)據(jù)包。超時定義如下：

其中，WINDOWS_SIZE是整個節(jié)點的數(shù)據(jù)窗口大小，ORIGINATOR_INTERVAL是節(jié)點檢查緩存的時間間隔。

在Android設(shè)備中加入緩存，并且定期檢查每個暫存數(shù)據(jù)包的連通性會增加整個節(jié)點的負(fù)擔(dān)，但是目前的Android設(shè)備具有較大的內(nèi)存和較強的處理能力，對于增加的處理內(nèi)容和存儲要求并不會影響整個節(jié)點的正常工作，因此是一個比較理想的方案。

3.3 Android應(yīng)用框架架構(gòu)

對于ad hoc的框架，使用TCP進行數(shù)據(jù)的傳輸是非常實用的，并且能夠保證數(shù)據(jù)包能夠到達鄰居結(jié)點。在TCP協(xié)議的基礎(chǔ)上，構(gòu)建BATMAN協(xié)議層，在這個層次上實現(xiàn)BATMAN協(xié)議的相關(guān)機制。最后提供相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口，應(yīng)用程序可以通過調(diào)用這些接口建立ad hoc網(wǎng)絡(luò)，并且實現(xiàn)相應(yīng)的功能。圖2展示了整個應(yīng)用框架的基本結(jié)構(gòu)。通過系統(tǒng)的分層實現(xiàn)，可以提升整個架構(gòu)的可維護性，以及提升系統(tǒng)的復(fù)用性。

圖2 BATMAN框架的基本結(jié)構(gòu)Fig.2 Architecture of BATMAN framework

在Android系統(tǒng)中，可以使用JNI進行C或者C++程序的開發(fā)，通過JNI編譯成為Android系統(tǒng)可識別的靜態(tài)類庫，因此整個系統(tǒng)采用C++作為開發(fā)語言，開發(fā)整個應(yīng)用框架，并且最終編譯成為Android的類庫供應(yīng)用開發(fā)者使用。整個框架的設(shè)計基于面向?qū)ο蟮拈_發(fā)方法，進行封裝，力圖開發(fā)出簡單實用的Android下的應(yīng)用框架。圖3為整個框架的UML類圖。通過這個圖能夠很清晰的看出整個框架的設(shè)計方式?？蚣軐崿F(xiàn)后，將會為應(yīng)用程序提供多個實用的網(wǎng)絡(luò)連接接口。通過調(diào)用接口，可以實現(xiàn)采用同樣應(yīng)用框架的應(yīng)用間實現(xiàn)ad hoc網(wǎng)絡(luò)連接。

圖3 Android中BATMAN框架類圖Fig.3 BATMAN framework class diagram

Android中的應(yīng)用和程序都是使用Java作為編程語言，并且將會編譯成為“.dex”文件用于執(zhí)行。Android應(yīng)用中，僅有Activity是用戶可見的部分。BATMAN的C語言代碼使用NDK（Native Development Kit）將 C代碼轉(zhuǎn)化為 Android可執(zhí)行代碼。并通過JNI將應(yīng)用框架載入到應(yīng)用程序中，實現(xiàn)程序的開發(fā)。

4 框架執(zhí)行效率

基于BATMAN協(xié)議的ad hoc網(wǎng)絡(luò)框架在日常的應(yīng)用中具有應(yīng)用價值，其執(zhí)行效率也是一個框架性能的重要指標(biāo)。通過在Android上建立應(yīng)用框架能夠有效的提高實用性。通過在不同的應(yīng)用場景中進行測試，可以得到此應(yīng)用框架的最終執(zhí)行效率。框架執(zhí)行效率的測試場景為北京工業(yè)大學(xué)的教學(xué)樓內(nèi)，使用10部已經(jīng)加載了BATMAN的Android手機進行相應(yīng)的測試工作，測試人員使用Android手機在同一樓層中隨機移動，最后從系統(tǒng)中獲取相應(yīng)的日志對相關(guān)的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，得到執(zhí)行效率的相關(guān)數(shù)據(jù)。

測試的第一個指標(biāo)是數(shù)據(jù)包送達率，由于測試過程中是節(jié)點是隨機移動的，使用本文的應(yīng)用框架進行數(shù)據(jù)傳輸，在可以連接的范圍內(nèi)主要的數(shù)據(jù)送達率可以達到80%以上，基本能夠滿足日常的簡單數(shù)據(jù)傳輸功能。圖4給出了在900 s內(nèi)的數(shù)據(jù)送達率的情況。

圖4 BATMAN應(yīng)用框架數(shù)據(jù)包送達率Fig.4 Packets delivery ratio

另一個比較重要的數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)包的延遲，通過一系列的測試，本框架的數(shù)據(jù)包延遲可以控制在50 ms內(nèi)，這樣的數(shù)據(jù)包延遲在日常的應(yīng)用中是可以接受的。圖5給出了發(fā)送0到6萬個包的平均包延遲。

圖5 BATMAN應(yīng)用框架包延遲Fig.5 Packets delay

通過以上的測試，能夠全面的了解基于Android的BATMAN協(xié)議應(yīng)用框架的相應(yīng)執(zhí)行效率，為應(yīng)用層的使用提供了全面的參考。

5 框架應(yīng)用

經(jīng)過測試，整個應(yīng)用框架效率較高。在實際的應(yīng)用場景中，通過采用此框架構(gòu)建一個用于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)腁ndroid應(yīng)用程序。使用3臺Android手機作為測試手機構(gòu)建一個簡單的ad hoc網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)中進行數(shù)據(jù)傳輸。具體的應(yīng)用截屏如圖6所示。在這個應(yīng)用程序中，程序自動發(fā)現(xiàn)采用同樣使用此框架開發(fā)的應(yīng)用程序，并且列出其在網(wǎng)絡(luò)中的IP地址。

圖6 使用ad hoc應(yīng)用框架程序截圖Fig.6 Ad hoc application framework program screenshot

6 結(jié) 論

Android系統(tǒng)作為目前主流智能設(shè)備的操作系統(tǒng)，雖然提供了強大的網(wǎng)絡(luò)功能，但是并沒有完全支持ad hoc網(wǎng)絡(luò)，通過對BATMAN協(xié)議的理解，以及Android開發(fā)的整體認(rèn)識，在Android系統(tǒng)上開發(fā)出一個支持BATMAN協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)框架，不但可以方便的使得使用Android系統(tǒng)的設(shè)備完成自組網(wǎng)連接，而且可以應(yīng)用到智能家電、災(zāi)難救援等領(lǐng)域，具有極強的研究和使用價值。

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