基于BATMAN_Adv路由協議的自組網系統(tǒng)研究與實現

鄭　昱　惠　子　陳　婷

(1.西安電子工程研究所　西安　710100;2.陜西應用物理化學研究所　西安　710061)

0　引言

移動自組網具有無中心抗毀性好、無需基礎設施支持、支持高速動態(tài)變化的網絡拓撲等優(yōu)點，使其非常適合應用于軍用戰(zhàn)術網絡和民用車載網絡[1]。自組網的核心是路由算法，如何使用一個性能優(yōu)越的路由算法是自組網系統(tǒng)設計的關鍵。本文對BATMAN_Adv路由協議進行了研究，并基于該協議在ARM嵌入式開發(fā)平臺上實現了一種自組網系統(tǒng)。

1　BATMAN_Adv路由協議研究

1.1　BATMAN_Adv簡介

BATMAN_Adv為移動Ad-Hoc網絡更優(yōu)方案高級版(Better Approach To Mobile Ad-Hoc Networking Advanced)的英文縮寫，其源自于對BATMAN(Better Approach To Mobile Ad-Hoc Networking)路由協議的增強和改進。BATMAN路由協議采用了一種先驗式的自組網路由算法[2]，它與OLSR等其他先驗式自組網路由算法不同，每個節(jié)點無需通過獲得全網的網絡拓撲來找尋到達目的節(jié)點的完整路由路徑，而只需要獲得通過哪些鄰居節(jié)點夠到達目的節(jié)點，并從中選擇到達目的節(jié)點的最佳鄰居節(jié)點作為數據的下一跳節(jié)點。這樣使得協議輕量化，能夠迅速適應快速變化的網絡拓撲，大大減輕了每個節(jié)點的處理數據量，從而解決了OLSR等之前的先驗式路由算法在網路規(guī)模擴大時對節(jié)點處理能力要求增加，處理時延增大的問題。

BATMAN_Adv路由協議是針對BATMAN路由協議的改進，其在保持BATMAN基本算法的基礎上，主要將路由協議由路由層實現改為MAC層實現，路由協議幀由UDP包改為以太網幀。這樣的改進首先使得BATMAN路由算法在軟件實現時可以從操作系統(tǒng)的用戶層實現轉為內核層實現，從而降低軟件處理的開銷；其次，形成一個虛擬的二層交換網絡，各節(jié)點如同在一個本地交換網絡中進行數據傳輸，它們無需了解全網拓撲情況；最后，由于在MAC層中運行，所以在其之上可以適配幾乎所有網絡協議，例如Ipv4、Ipv6、DHCP等，擴展性極強。雖然BATMAN_Adv在MAC層中運行，但是其并不依賴于特定的網絡硬件，可以支持任何采用以太網類型的底層網絡，例如Wifi、LAN、VPN等[3]。

下面根據BATMAN_Adv的最新實現協議對其各個關鍵技術方面進行研究分析。

1.2　BATMAN_Adv協議幀

BATMAN_Adv路由協議包含BATADV_IV_OGM，BATADV_BCAST， BATADV_CODED，BATADV_UNICAST，BATADV_UNICAST_FRAG，BATADV_UNICAST_4ADDR，BATADV_ICMP，BATADV_UNICAST_TVLV八種協議幀。其中，BATADV_IV_OGM協議幀主要用于節(jié)點發(fā)現、鏈路檢測等，BATADV_BCAST和BATADV_UNICAST主要用于承載上層廣播和單播的以太網幀。在這八種協議幀中，對于路由算法的正確運行來說最為關鍵的幀為BATADV_IV_OGM幀，下面就主要對OGM的幀結構進行相應的分析。

BATADV_IV_OGM除去協議名稱和版本號的前綴BATADV_IV后，一般稱其為OGM幀，OGM為Originator Message(源節(jié)點消息)的縮寫。其幀格式如圖1所示。

圖1　OGM幀結構

其中，各主要域的具體表示如下：

1)類型：用于區(qū)分BATMAN_Adv八種不同的幀；

2)版本：用于表示協議版本信息；

3)TTL：OGM生存期，即OGM的最大轉發(fā)次數；

4)FLAG:用于表示路由的相關標識；

5)序號：用于區(qū)分新舊OGM幀，是路由選擇的關鍵信息，長度為4字節(jié)，循環(huán)使用；

6)源地址：生成該OGM的源節(jié)點地址；

7)上一跳地址：表示上一跳節(jié)點的地址；

8)TQ：表示鏈路的傳輸質量。

1.3　BATMAN_Adv滑動窗口機制

BATMAN_Adv通過統(tǒng)計和分析接收到OGM幀的數量來判斷已檢測到鏈路的質量。由于自組網網絡鏈路的不確定性，OGM幀在傳輸過程中可能延遲或者丟失，所以節(jié)點可能收到較早的OGM幀，這種較早的OGM幀所攜帶的鏈路信息早已失效，應該將其丟棄。BATMAN_Adv通過滑動窗口機制來維護一組有效的OGM幀序號。如圖2所示，假設窗口大小為8，當前最新OGM序號為100，則有效的OGM序號為93到100。說明只要收到的OGM幀的序號在這8個序號之內就說明該OGM幀為有效OGM幀，應該將其統(tǒng)計并分析；如果收到的OGM幀的序號不在這8個序號之內，則應該判斷該序號在滑動窗口的左側還是右側，如果在左側，則說明該幀為過期失效的OGM幀，應該不做統(tǒng)計分析，直接丟棄，如果在右側，則說明該幀比當前最新OGM序號還更新，應該調整滑動窗口，將最新OGM序號設置為該幀的序號，滑動窗口相應右移，并對其進行統(tǒng)計分析。

圖2　滑動窗口機制

1.4　BATMAN_Adv 源節(jié)點表

BATMAN_Adv維護著一個源節(jié)點信息表，該表與傳統(tǒng)路由表的功能類似，用于存儲本節(jié)點所獲得的所有源節(jié)點的信息。

源節(jié)點信息表的基本單位為一個源節(jié)點信息單元，該單元存儲著本節(jié)點關于該源節(jié)點的所有信息，單元中的表項較多，不僅包含路由所需要的信息，還包含VLAN表、編碼表等子表項，以及維護源節(jié)點信息表的鏈表信息，所以下面只對其中最為核心的表項進行相應的分析。

1)orig：用于存儲該源節(jié)點的以太網MAC地址信息；

2)ifinfo_list：源節(jié)點硬件接口信息表，包含了router、last_real_seqno、last_ttl等子表項，其中router中包含了如何路由才能達到該源節(jié)點的信息，即到達該源節(jié)點的最優(yōu)下一跳節(jié)點信息，last_real_seqno是最后收到的來源于該源節(jié)點的OGM幀序號，即1.3節(jié)中所指的當前最新OGM序號，last_ttl是最新收到數據包的TTL信息，在一個穩(wěn)定的網絡拓撲中，兩節(jié)點之間傳輸的數據包的TTL不會有大的改變，所以通過該信息可以檢測目前網絡拓撲是否有變化；

3)last_seen：從該源節(jié)點收到的數據包的最新時間標識；

4)neigh_list：所有能夠到達該源節(jié)點的鄰居節(jié)點信息，能夠到達該源節(jié)點的鄰居節(jié)點可能有若干個，路由算法的核心功能就是從中選取一個最佳的鄰居節(jié)點作為到達該源節(jié)點的下一跳節(jié)點；

5)bcast_own_sum：用于統(tǒng)計本節(jié)點廣播發(fā)送的OGM包通過該源節(jié)點重新廣播后又發(fā)送回自己的數量，統(tǒng)計這個數量對于計算TQ值至關重要。

1.5　BATMAN_Adv路由算法

在BATMAN_Adv中每一個網絡節(jié)點都稱作一個源節(jié)點(Originator)，每一個Originator周期性的廣播OGM幀，在鄰居節(jié)點收到OGM幀后，鄰居節(jié)點根據以下的判斷對OGM幀進行處理：

1)如果OGM幀的版本信息不對，則直接將其丟棄；

2)如果OGM幀中的上一跳地址與本節(jié)點地址一致，說明是本節(jié)點發(fā)送的OGM幀，則直接將其丟棄；

3)如果OGM幀中的源節(jié)點地址與本節(jié)點地址一致，說明是本節(jié)點發(fā)送的OGM幀經過鄰居節(jié)點又廣播回來的，可以推定本節(jié)點與該鄰居節(jié)點之間為雙向鏈路，標記與該鄰居節(jié)點為雙向鏈路，并丟棄該OGM幀；

4)如果OGM幀序號在滑動窗口范圍內，則依據1.3節(jié)所介紹的滑動窗口機制進行相應處理，且將該OGM重新廣播給其他節(jié)點。

為了防止OGM被無限制的廣播，所有節(jié)點在接收到OGM幀時如果發(fā)現該OGM幀已經被接收過或者該OGM幀的TTL為2時，都會將其丟棄，這樣保證了所有OGM幀只會在每個節(jié)點中轉發(fā)一次，這種選擇性的洪泛機制保證了全網不會因為OGM幀產生全網廣播風暴，從而保障數據的正常通信。

每個節(jié)點針對每一個鄰居節(jié)點維護一個本地TQ值，該值為回環(huán)鏈路狀態(tài)EQ與接收鏈路狀態(tài)RQ的比值，即

TQ = EQ / RQ

(1)

其中EQ是本節(jié)點發(fā)給該鄰居節(jié)點又由該鄰居節(jié)點轉發(fā)回本節(jié)點的OGM幀數，RQ是所有本節(jié)點收到由該鄰居節(jié)點發(fā)送的OGM幀數。

源節(jié)點在廣播OGM幀時將OGM幀中的TQ值初始化為255，OGM幀在廣播的過程中，任何接收到該OGM幀的節(jié)點將自己本地TQ值乘以收到OGM幀中的TQ值作為轉發(fā)的OGM幀的TQ值，這樣每個節(jié)點收到的該OGM幀的TQ值即是該節(jié)點到源節(jié)點整個鏈路的狀態(tài)質量。每個節(jié)點從各個鄰居節(jié)點中獲取到源節(jié)點鏈路的TQ值后，從中選擇TQ值最大的鄰居節(jié)點作為最佳下一跳鄰居節(jié)點，即是到達源節(jié)點的最佳下一跳路由節(jié)點。

如圖3所示，網絡拓撲中有A、B、C、D、E、F六個節(jié)點，假設兩鄰居節(jié)點之間相互的本地TQ值相等，鏈路中的數值為本地TQ值。下面介紹如何確定從A節(jié)點到F節(jié)點的最佳路由路徑。如前所述，全網各節(jié)點會周期性的發(fā)送OGM幀，F節(jié)點發(fā)送的OGM幀可以通過F-E-C-A和F-D-C-A兩條路徑到達A節(jié)點，該OGM幀的最初TQ值為255，經過C、D、E三個節(jié)點的廣播轉發(fā)后，其TQ值將乘以C、D、E三個節(jié)點的本地TQ值作為轉發(fā)OGM幀的TQ值，所以最后A節(jié)點通過兩條路徑收到的OGM幀中的TQ值分別為85和80，而由于A節(jié)點收到的兩個不同TQ值的OGM幀都由C節(jié)點轉發(fā)，即A節(jié)點到達F節(jié)點必須經過C節(jié)點，所以A節(jié)點到達F節(jié)點的最優(yōu)下一跳節(jié)點為C節(jié)點。同理遞推，C節(jié)點通過兩條路徑收到的OGM幀中的TQ值分別為122和114，所以可以判斷C節(jié)點到達F節(jié)點的最優(yōu)下一跳節(jié)點為E節(jié)點。最終得出A節(jié)點到F節(jié)點的最佳路由路徑為A-C-E-F。

圖3　網絡拓撲演示

2　自組網系統(tǒng)設計與實現

2.1　總體設計

自組網設備通常是一種特殊的路由設備，由物理層、MAC層和路由層組成，而基于BATMAN_Adv的自組網設備由于路由協議運行在MAC層，不存在單獨的路由層劃分，所以可以歸類為一種特殊的交換設備，但是無論是路由設備還是交換設備，都需要物理層協議和MAC層協議的支持。

自組網與其他普通無線局域網最主要區(qū)別在于自組網分布式、無中心、支持多跳等特點。IEEE 802.11是目前無線局域網中被應用最廣的協議標準，其MAC層協議包含DCF模式[4]，能夠很好的支持分布式網絡，其物理層協議也能夠提供較大的數據速率。如前文所述，自組網的核心在于路由協議，而本系統(tǒng)的重點也在于BATMAN_Adv路由協議的應用，所以本自組網系統(tǒng)采用較為成熟的IEEE 802.11協議作為自組網設備的MAC層和物理層協議。

2.2　硬件選型

在硬件選型方面，本系統(tǒng)采用Raspberry Pi 3B開發(fā)板作為系統(tǒng)硬件，如圖4所示，其板載基于IEEE 802.11n的無線網卡，可以使用該無線網卡作為系統(tǒng)的物理層和MAC層實現。該開發(fā)板體積小，功耗和成本低，可支持運行嵌入式Linux操作系統(tǒng)，非常適合作為自組網開發(fā)的驗證樣機平臺。

圖4　Raspberry Pi 3B

2.3　Linux內核編譯

BATMAN_Adv在Linux系統(tǒng)中以內核驅動的方式運行，其實現方式有兩種：一種方式為使用BATMAN_Adv開源程序源代碼，在使用的Linux系統(tǒng)下進行編譯，形成內核模塊后載入操作系統(tǒng)中運行；另外一種方式為使用Linux內核自帶的BATMAN_Adv內核模塊，在Linux 2.6.38之后的所有內核版本中已經默認集成了BATMAN_Adv內核模塊，可以直接載入操作系統(tǒng)運行。

本系統(tǒng)使用的嵌入式Linux操作系統(tǒng)內核版本為Linux 3.0，包含BATMAN_Adv模塊，因此系統(tǒng)采用第二種方式實現BATMAN_Adv路由協議。雖然內核帶有BATMAN_Adv模塊，但是一般開發(fā)板廠商提供的內核鏡像都沒有將其編譯包含在內，所以需要自己對內核源碼進行編譯。編譯時可使用menuconfig工具來編輯.config內核配置文件[5]，將BATMAN_Adv內核模塊選中，最后保存配置文件進行內核編譯。

2.4　系統(tǒng)配置

Linux加載BATMAN_Adv內核模塊后，還需進行一定配置才能使得自組網設備正常運行起來。配置主要分為兩部分，第一部分是對無線網卡進行配置，使得無線網卡運行在AdHoc模式，第二部分是建立BATMAN_Adv虛擬網絡設備，將無線網卡綁定在該虛擬網絡設備上，并為該虛擬網絡設備設置IP地址。

以上配置成功后，各設備之間的自組網就已經建立起來了。

2.5　以太網橋接

自組網設備是一個路由或交換設備，其自身并沒有需要傳輸的業(yè)務，所以自組網設備需要有業(yè)務輸入功能。開發(fā)板上的有線以太網卡能夠作為業(yè)務輸入的接口，但是需要做有線網卡到BATMAN_Adv虛擬網絡設備的數據轉發(fā)。實現數據轉發(fā)有兩種方式：一種是有線網卡與虛擬網絡設備采用不同的網絡地址，然后使用NAT技術進行地址轉換；另外一種是在MAC層上將有線網卡與虛擬網絡設備進行橋接。如前文所述，基于BATMAN_Adv的自組網設備是一種特殊的二層交換設備，所以采用以太網橋接的方式更符合其自身特點。

在實現時使用Linux中的Brctl命令進行以太網橋接，設定一個橋接虛擬網卡，并將虛擬網絡設備和有線網卡都加入到虛擬網卡中，即完成了以太網橋接功能。任意業(yè)務設備插入開發(fā)板有線網卡接口后就能像使用本地交換機一樣與自組網系統(tǒng)中的其他業(yè)務設備進行通信。

3　系統(tǒng)測試

最終包含三個節(jié)點的自組網系統(tǒng)實現如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)實現圖

為了驗證自組網系統(tǒng)的基本性能，進行如下測試：

1)點到點無線性能測試

主要對自組網系統(tǒng)點到點單跳情況下的吞吐量、丟包率、時延進行測試，使用Send/Recv測試軟件進行測試吞吐量，使用Ping命令進行測試時延。

吞吐量測試的結果如圖6所示：

圖6　吞吐量測試結果

丟包率測試的結果如圖7所示：

圖7　丟包率測試結果

時延測試的結果如圖8所示：

圖8　時延測試結果

根據測試結果可得該自組網系統(tǒng)的點到點平均吞吐量為45Mbps左右，在速率為36Mbps情況下丟包率為0，平均時延為7ms。

2)端到端無線性能和功能測試

通過降低各節(jié)點發(fā)射功率形成如圖9所示的鏈狀拓撲，對自組網系統(tǒng)端到端兩跳情況下的中繼功能和性能進行測試。

圖9　測試拓撲圖

中繼功能測試結果為當節(jié)點A與節(jié)點C無法直接通信，當節(jié)點B開啟后作為中繼節(jié)點，節(jié)點A就能夠通過節(jié)點B中繼后與節(jié)點C通信，當節(jié)點B關閉后，節(jié)點A又無法與節(jié)點C通信。

節(jié)點A到節(jié)點C的端到端吞吐量測試的結果如圖10所示：

圖10　吞吐量測試結果

節(jié)點A到節(jié)點C的端到端丟包率測試的結果如圖11所示：

圖11　丟包率測試結果

節(jié)點A到節(jié)點C的端到端時延測試的結果如圖12所示：

圖12　時延測試結果

根據測試結果可得該自組網系統(tǒng)兩跳情況下平均吞吐量為35Mbps左右，在速率為20Mbps情況下丟包率約等于0，平均時延為13ms。

通過以上測試可以得出BATMAN_Adv具有良好的系統(tǒng)性能，在多跳情況下，網絡性能并沒有大幅度的下降。

4　結束語

BATMAN_Adv是一種高效的輕量級自組網路由算法。它具有路由收斂快，協議開銷低，魯棒性強等優(yōu)點。并且它作為開源協議，已有現成開源實現代碼，可根據應用需求進行進一步改進，大大降低自組網路由開發(fā)的難度。因此,本文提出了一種基于BATMAN_Adv路由協議的無線自組網系統(tǒng)設計與實現，并在最后進行了相應的測試。該系統(tǒng)無論在軍事領域還是在民用領域都具有很好的應用前景。

《火控雷達技術》征稿簡則

《火控雷達技術》是國家科委批準的，由西安電子工程研究所主辦的國內外公開發(fā)行的科技類刊物。先后被《中國期刊全文數據庫》、中國核心期刊(遴選)數據庫、《中文科技期刊數據庫》、《中國學術期刊綜合評價數據庫》等收錄。本刊以理論與實踐相結合為指導方針，側重于工程應用。主要報導國內外同行在雷達、通訊等電子領域內的研究成果、技術發(fā)展動態(tài)及有關的新理論、新概念、新技術、新方法。為了把刊物辦得更好，進一步明確投稿要求，特制定本簡則。

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5)文中的圖(JPG格式)、表要有圖釋和表題。坐標圖中，橫、縱坐標須標明標示、量和單位。

2 中英文摘要及參考文獻要求

2.1 摘要

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2.2 參考文獻

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1)期刊文獻 作者.題目[J].刊名，出版年，卷(期)：起止頁碼.

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3)論文集 作者. 論文題目[C].//編者.論文集名.出版地：出版者，出版年：起止頁碼.

4)學位論文 作者.題目[D].保存城市名：保存單位(寫到二級單位)，出版年.

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