無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò )測試平臺設計與實(shí)現

　　摘　要：設計并建立了一個(gè)無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò )測試平臺系統——TATbed(Tsinghua Ad hoc network Test bed)。通過(guò)開(kāi)發(fā)底層網(wǎng)卡驅動(dòng)、路由算法協(xié)議模塊，使得普通PC機成為獨立的自組織網(wǎng)絡(luò )終端；同時(shí)通過(guò)監測、統計多個(gè)終端之間的數據傳輸狀況獲得網(wǎng)絡(luò )的實(shí)測性能指標。目前平臺中已經(jīng)實(shí)現對多種路由算法協(xié)議的測試支持。 

　　多跳自組織網(wǎng)絡(luò )(Ad hoc network)由多個(gè)獨立的具有路由(交換)功能的用戶(hù)通信終端組成。網(wǎng)絡(luò )中的相鄰終端可直接建立端到端的通信鏈路；非相鄰終端則可動(dòng)態(tài)地搜索路由，數據包借助其他終端轉發(fā)，以多跳方式傳遞至最終的目的終端。在自組織網(wǎng)絡(luò )中，無(wú)線(xiàn)信道環(huán)境的快速變化及終端的移動(dòng)性造成了網(wǎng)絡(luò )拓撲結構不斷變化。因此，如何搜索、維護有效的路由成為自組織網(wǎng)絡(luò )研究中的難點(diǎn)問(wèn)題。近年來(lái)，研究者提出了多種路由協(xié)議草案，如DSR[1]、AODV[2]、SAR[3]等，其性能的評估數據基本上利用網(wǎng)絡(luò )模擬軟件如OPNet[4]、NS-2[5]、GloMoSim[6][[7]等仿真得到。由于仿真軟件中采用的無(wú)線(xiàn)信道、終端分布、終端運動(dòng)等模型與真實(shí)的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境相比均有一定的簡(jiǎn)化，所以在自組織網(wǎng)絡(luò )技術(shù)進(jìn)入實(shí)際商業(yè)應用之前，構建實(shí)際的Ad hoc網(wǎng)絡(luò )硬件測試平臺對其各層次的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議算法設計進(jìn)行性能測評是十分必要的。但現有的各種無(wú)線(xiàn)終端均不支持任何自組織路由協(xié)議。 
　　本文設計并實(shí)際建立了一個(gè)無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò )測試平臺系統TATbed。通過(guò)加載相應的底層驅動(dòng)及測試系統軟件，使得配有無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡的普通PC機成為獨立的自組織網(wǎng)絡(luò )的實(shí)際終端；測試平臺對各種路由算法協(xié)議提供了統一的模塊接口，設定相應的路由算法和測試參數后，即可通過(guò)檢測各個(gè)終端間的數據傳輸狀況，得到此路由算法的實(shí)際性能的統計結果。同時(shí)，測試平臺可兼容各種無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡標準，如IEEE802.11系列、HiperLan系列等。目前TATbed測試平臺已經(jīng)集成了多種Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )的專(zhuān)有路由算法協(xié)議，包括AODV、DSR、SAR、FSR、ZRP等，并可真實(shí)地再現Ad hoc網(wǎng)絡(luò )應用所處的實(shí)際環(huán)境(包括終端的移動(dòng)性與客觀(guān)信道的實(shí)際情況)，為研究Ad hoc網(wǎng)絡(luò )在多種環(huán)境下的性能與特點(diǎn)提供可操作平臺，對進(jìn)一步研究Ad hoc網(wǎng)絡(luò )的結構設計和其各層網(wǎng)絡(luò )協(xié)議算法設計的測試、評估、優(yōu)化更具參考價(jià)值。 
　　本文結構如下，第一節介紹測試平臺系統的總體結構，第二節介紹系統的關(guān)鍵模塊設計，第三節介紹其實(shí)際應用和總結。 
1 平臺結構 
　　TATbed無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò )測試平臺的設計目標是開(kāi)發(fā)支持多種Ad hoc網(wǎng)絡(luò )路由算法協(xié)議的測試終端以構建實(shí)際的Ad hoc測試網(wǎng)絡(luò )，并通過(guò)檢測各個(gè)終端間的數據傳輸過(guò)程對自組織網(wǎng)絡(luò )的各種實(shí)測性能指標進(jìn)行統計、評估。 
　　TATbed測試平臺由一定數量的獨立的自組織網(wǎng)絡(luò )終端構成。在實(shí)際平臺設計中，在配有無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡的PC機(筆記本電腦)基礎上開(kāi)發(fā)了支持多種路由算法協(xié)議的自組織網(wǎng)絡(luò )終端，每個(gè)終端可依據設定的路由算法協(xié)議自行組建Ad hoc網(wǎng)絡(luò )并進(jìn)行數據傳輸。圖1為T(mén)ATbed平臺的實(shí)際測試示意圖。 



　　TATbed測試平臺的軟件系統包括傳輸任務(wù)生成器、終端處理器和數據統計器三部分。 
　　在測試開(kāi)始前，傳輸任務(wù)生成器將根據設置的測試參數，生成每個(gè)終端的起始傳輸任務(wù)列表，以精確地控制測試過(guò)程中網(wǎng)絡(luò )的傳輸負荷。在傳輸任務(wù)列表中定義了整個(gè)測試過(guò)程中每組數據包的源發(fā)出節點(diǎn)、最終目的節點(diǎn)、數據包數量、發(fā)出時(shí)間。 
　　測試開(kāi)始后，每個(gè)終端上的終端處理器將讀取其對應的傳輸任務(wù)列表，在規定的時(shí)間進(jìn)入發(fā)數據包流程，處理需要發(fā)出的數據包，同時(shí)監聽(tīng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡接收到的數據包并進(jìn)行相應的處理。在測試過(guò)程中，終端軟件模塊記錄下本節點(diǎn)收到和發(fā)出的每個(gè)包的信息，包括收(發(fā))時(shí)間、包頭信息、包長(cháng)度等。 
　　測試結束后，根據本次測試的整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的起始傳輸任務(wù)列表和每個(gè)終端在測試過(guò)程中保存的收發(fā)包記錄，數據統計器統計分析、計算出相應的測試指標，包括網(wǎng)絡(luò )容限、節點(diǎn)平均吞吐量、數據包成功傳輸率、數據包平均傳輸延時(shí)、延時(shí)抖動(dòng)、數據包傳輸路徑平均跳數、系統路由開(kāi)銷(xiāo)等。 
2 自組織網(wǎng)絡(luò )測試終端設計 
　　由于現有的各種通信終端設備均不支持任何自組織網(wǎng)絡(luò )路由算法協(xié)議，因此開(kāi)發(fā)自組織網(wǎng)絡(luò )測試終端成為整個(gè)測試平臺構建的關(guān)鍵。在TATbed測試平臺中，通過(guò)在裝備了無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡的PC機上安裝終端處理器，使其支持多種自組織網(wǎng)絡(luò )的路由算法協(xié)議，成為實(shí)際的自組織網(wǎng)絡(luò )中的終端。 
　　在現有的標準PC機系統下，網(wǎng)絡(luò )層采用IP協(xié)議，終端之間的連接根據IP地址的標識來(lái)判別，應用層的傳輸任務(wù)經(jīng)過(guò)數據打包處理后直接交無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡發(fā)送，并且只有當數據包的源節點(diǎn)和目的節點(diǎn)處于相互無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡信號覆蓋范圍內時(shí)，才能成功發(fā)送IP數據包，終端本身并不支持任何路由功能。在TATbed測試平臺系統中，終端的MAC層和網(wǎng)絡(luò )層之間加載了自行開(kāi)發(fā)的驅動(dòng)模塊，以支持無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò )中的多跳傳輸，形成一個(gè)虛擬的傳輸鏈路層，為普通數據包的發(fā)送提供傳輸路由，如圖2所示。 



　　終端處理器在Windows操作系統提供的NDIS(Network Driver Interface Specification，網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序接口規范)[8]層基礎上開(kāi)發(fā)，包括底層接口驅動(dòng)、路由算法模塊和數據包的監聽(tīng)記錄三部分。其結構如圖3所示。 



　　為測評各種不同路由算法協(xié)議的性能，終端處理器中的接口驅動(dòng)設計為一個(gè)自定義的標準路由算法接口。該接口將各種路由算法協(xié)議完成的尋找路由、確定路由等功能與系統網(wǎng)絡(luò )層完成的其他功能，包括與上下層之間的傳遞、包頭內容的填寫(xiě)等工作分離，使得路由算法協(xié)議成為需要嵌入的單獨子模塊。不同的路由算法協(xié)議只需要遵循接口定義編寫(xiě)相應的子模塊即可。目前，TATbed測試平臺系統可支持AODV、DSR、SAR、WRP、Fisheye、CBRP、ZRP等多種自組織網(wǎng)絡(luò )路由算法的測試、評估。同時(shí)，由于終端處理器的接口驅動(dòng)加載在NDIS層上，使得測試平臺對MAC層協(xié)議透明，因此測試平臺可根據測試需要選用各種基于不同傳輸標準的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡。目前系統中選用了基于IEEE802.11b標準的網(wǎng)卡進(jìn)行測試。 
　　為支持多跳的數據傳輸，測試系統中所傳遞的數據包的包頭在標準的Ethernet-MAC包頭基礎上進(jìn)行了擴展，加入了路由算法協(xié)議中規定的類(lèi)型信息和路徑信息，如圖4所示。 



　　包頭的第0～13字節為標準的Ethernet-MAC包頭格式，第14～27字節為擴展的“路由信息”域，之后是實(shí)際的用戶(hù)數據。對于來(lái)自高層(網(wǎng)絡(luò )層)的數據包，終端從其IPv4標準包頭中讀出此數據包最終發(fā)送的目的地址并將這一“最終目的地址”保存在“路由信息”域的“最終目的節點(diǎn)IP地址”項內；同時(shí)調用路由算法模塊，根據其最終目的地址獲取其對應的多跳路由信息，并將實(shí)際的下一跳的接收節點(diǎn)的地址寫(xiě)入第7～12字節處的“下一跳接收節點(diǎn)MAC地址”項內，然后將此數據包交下一層(MAC&物理層)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡處理發(fā)出。對于來(lái)自底層無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡接收到的數據包，終端讀取“路由信息”域的“最終目的節點(diǎn)地址”，如果此地址與其自身地址相符，則交上層網(wǎng)絡(luò )層繼續處理；如果不相符，則調用路由算法模塊，得到其對應的多跳路由中下一跳的接收節點(diǎn)地址，然后交無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡處理發(fā)出。對于路由算法協(xié)議中規定的其他非數據包，如路由搜索包、路由應答包、路由失敗包、周期性握手信息包等，則在“包類(lèi)型”域中標示區別，由無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡收發(fā)后直接調用相應的路由算法模塊處理。 
3 系統應用 
　　TATbed無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò )測試平臺在普通PC機上開(kāi)發(fā)了支持多種自組織網(wǎng)絡(luò )路由算法協(xié)議的實(shí)際無(wú)線(xiàn)終端，以構建一個(gè)實(shí)際的無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò )測試系統。筆者利用此平臺已經(jīng)成功地對AODV、SAR路由算法在多種實(shí)際網(wǎng)絡(luò )環(huán)境參數下進(jìn)行了性能的實(shí)測比較分析。測試結果可應用于實(shí)際的自組織網(wǎng)絡(luò )路由算法的性能評估、設計優(yōu)化等方面。同時(shí)，TATbed終端軟件模塊的設計使其可應用于任何基于Windows內核的硬件設備上，具有高度的通用性、靈活性和可擴展性，在無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò )的實(shí)際網(wǎng)絡(luò )系統性能測量、網(wǎng)絡(luò )規劃優(yōu)化設計、網(wǎng)絡(luò )各層次算法協(xié)議性能評估等諸多方面均有其獨特的應用優(yōu)勢。 
參考文獻
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2 Ad hoc On-Demand Distance Vector (AODV) Routing.http://www.ietf.org/internet-drafts/draft-ietf-manet-aodv-10.txt, Jan. 19, 2002
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