（通信与信息系统专业论文）相邻无线路由器（wr）链路感知设计.pdf

电子科技大学硕士学位论文：相邻积链路感知设计 摘要 无线移动自组织互联网( 以下简称无线互联网) 由无线路由器( w i r e l e s sr o u t e r ，以下简称w r ) 和无线用户主机( w i r e l e s sh o s t ，以下简称w h ) 组成。无线互联网具有自我组织能力，动态地掌握网络拓扑结构。 无线互联网与传统的有线互联网相比，其最显著的特征就是其移动性， 因此无线路由器( w r ) 需要及时感知网络拓扑结构的变化，并根据发生的变 化对动态路由进行调整，这要求能通过无线链路驱动进行相邻w r 加入与离开 的感知，主动及时地向路由模块通告无线链路通断等相关信息。同时，在无 线互联网中，动态路由发现过程可基于链路状态路由算法，采用无线链路质 量等参数作为路由度量值，这要求能对无线链路质量等链路状态信息进行监 测，这要求无线链路驱动能为路由模块提供无线链路质量等信息的服务，需 要能对无线链路驱动进行及时有效的读写控制操作。 本文分两部分，第一部分先从系统的角度介绍了无线互联网的通信特 点，讨论了数据链路层为路由模块提供服务的必要性，提出无线路由器w r 软件模块框架设计及相邻w r 链路感知模块的设计需求，研究了a d - h o c i 作模 式下数据链路层为动态路由模块提供的服务。第二部分讨论了分析了i e e e 8 0 2 1 1 i b s s 网络的关键技术和相邻w r 链路感知的原理，最后给出了相邻w r 链路感知模块的方案设计，讨论了该方案存在的问题和适用场合，并对测试 结果进行了分析。 相邻w r 链路感知模块的功能是感知网络拓扑的动态变化，及时通知动态 路由模块进行及时的动态路由更新与收敛，作为常规h e l l o 报文发现相邻w r 的补充，提高动态路由模块对拓扑动态变化的响应速度。 本文为8 6 3 “无线移动自组织互联网技术及实验系统研制”项目中其它 小组研究路由模块掌握相邻无线路由器之间相邻状态等信息，提供了链路支 持和有价值的参考。为无线互联网动态路由算法的研究提供数据链路层服 务，是本文研究的主要意义所在。 关键词：无线移动自组织互联网无线链路感知 电子科技大学硕士学位论文：相邻帆链路感知设计 a b s t t a c t t h ew i r e l e s sm o b i l es e l f o r g a n i z i n gn e t w o r k ( w m s n ) d e m o n s t r a t e san e wk i n do fn e t w o r ka r c h i t e c t u r et h a tc o m b i n e sw i t ht h es e l f o r g a n i z a t i o no fa dh o cn e t w o r k sa n dt h eu s e rm a n a g e m e n to fc e l l u l a rn e t w o r k s t h u s ，i tc a nb ee a s i l yd e p l o y e dw i t h o u tt h eu s eo f a n ye x i s t i n gn e t w o r ki n f r a s t r u c t u r ea n dm a k em o b i l eu s e r sm o r e c o n v e n i e n tt oa c c e s si t m o t i o ni sw m s n sm a i nc h a r a c t e r i s t i cw h i c hc a u s ed y n a m i cv a r i e t yo fn e t w o r kt o p o l o g y t h ew i r e l e s sd a t a l i n ks t a t u s i n f o r m a t i o n s e n s es c h e m ed e s i g ni n t r o d u c e di nt h i sp a p e ri sd e v e l o p e df o rt h i ss p e c i f i ce n v i r o n m e n t 1 tm a i n l yi n f o r m e sd y n a m i cr o u t i n gm o d u l e t ou p d a t ed y n a m i cr o u t i n gi n f o r m a t i o ni nt i m ea n di m p r o v ei t sr e s p o n s et i m et od y n a m i cv a r i e t yo fn e t w o r kt o p o l o g y t h es y s t e ms u m m a r i z a t i o no fw m s ni sf i r s t l yd e s c r i b e di nt h i s p a p e rs o t h a tw ec a nu n d e r s t a n dt h ee n v i r o n m e n tt h o r o u g h l ya n dd e m a n do fw i r e l e s sd a t a li n ks t a t u si n f o r m a t i o ns e n s e r e s e a r c h i n g s e r v i c ep r o v i d e db yw i r e l e s sd a t a l i n kd r i v e r ，a n a l y z i n gi e e e8 0 2 11i b s sk e yt e c h n i ca n dp r i n c i p l eo fw i r e l e s sd a t a l i n ks t a t u si n f o r m a t i o ns e n s eo fa d j a c e n c yw i r e l e s sr o u t e r n e x t ，t h ew i r e l e s s d a t a l i n ks t a t u si n f o r m a t i o ns e n s es c h e m ed e s i g ni si m p i e m e n t e d a n dt h es t r o n g p o i n ta n dw e a kp o i n to fi tw a ss u r v e y e di no r d e rt o f i n do u ti t sa p p l i c a b i l i t y 。f i n a l l y ，is u m m a r i z eb r i e f l yt h ew h o l ep a p e ra n dp u tf o r w a r dn e x tw o r kn e e d e dt od o t h i sp a p e rp r o v i d e sw i r e l e s sd a t a l i n ks u p p o r ta n dm e r i t o r i o u s c o n s u l t a t i o nf o rd e s i g no fd y n a m i cr o u t i n gm o d u l eo fw m s n k e y w o r d s ：w i r e l e s sm o b i l es e l f o r g a n i z i n gn e t w o r k ，w i r e l e s sd a t a 】i n ks t a t u sj n f o r m a t i o ns e n s e i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：杰生互查墨：日期：2 一弓年，月7 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：盘j 室盘导师签名：錾坐! 目 日期： 2 。务f 月7 日 电子科技大学硕士学位论文：相邻w r 链路感知设计 第一章绪论 1 1 无线移动自组织互联网研究背景 随着无线局域网技术的发展，便携式计算机采用无线上网( w i r e l e s s l a n ) 成为一种普遍接受的方式。人们希望可以随时随地得到及时可靠 的数据通信服务，移动设备能够动态连接到某个路由器设备上，以便能 在移动中上网，而不需要更改机器的i p 地址，它的位置对用户来说是透 明的。 为了满足这种通信的需要，i e t f 的m a n e t ( m o b i l ea dh o cn e t w o r k i n g ) 工作组所进行了a dh o c 网络的研究。在a dh o c 网络中，所有节点处 于平等地位，除了自身的数据通信之外，每个节点还承担着组网、为其 它节点中继的义务和责任。移动节点既是端系统又是中继系统，节点负 担重，并且由于移动节点需要具备特定的路由功能，a dh o c 网络中的每 台移动设备上需要进行t c p i p 协议栈的修改，接入固定i n t e r n e t 的普通 移动设备加入a dt i o c 网络中将无法通信，因此不具有通用性，这在很大 程度上限制了它的广泛应用。 而现有的蜂窝通信系统在传输语音的同时实现数据的无线传输，如 现在很流行的g s m g p r s 和c d m a 等系统。这种数字移动通信系统依赖中心 本地访问寄存器( h l r ) 和外地访问寄存器( v l r ) 实现用户的移动管理。 利用现成的基站等基础设施，在基站的覆盖范围内方便地实现数据的通 信。但移动用户在基站间切换时，有明显的延迟和数据丢失。并且移动 通信系统的传输速率较低，已经越来越不能满足人们对多媒体等高速率 业务的需求。同时受基站、移动交换中心( m s c ) 基础设施的限制，不能 快捷方便地建网，不能满足抢险救灾等应急场合的数据通信需要。 为了弥补上述a dh o c 网络和数字移动通信系统的不足，有必要进行 无线移动自组织互联网的研究，使之具有g s m 网络的移动性、方便性和可 靠性，用户可随时随地的使用网络，同时网络又具有自我组网和动态路 由的功能，实现快捷方便地组网，满足人们移动宽带上网的需要。国家8 6 3 项目“无线移动自组织互联网技术及实验系统研制”课题也正是在这 一背景下设立的。 无线互联网由无线路由器w r 和无线移动用户w h 构成。w r 之间采用a d 电子科技大学硕士学位论文：相邻w r 链路感知设计 h o c 技术构成无线骨干网络，形成以w r ( 类似基站) 为中心的若干个类蜂 窝的覆盖区域，实现网络的拓扑构成、路由转发、接入控制和用户管理 等功能，为移动用户w h 提供互联网络上的通信服务；移动用户w h 不参与 网络的自组织和动态路由等，只使用网络提供的可移动的通信服务，对 移动用户的设备没有特殊要求，只需使用原有的软件系统就能通过网络 实现宽带无线接入和使用互联网业务。 1 2 本文的目的 无线路由器w r 专门负责网络的自组织与拓扑维护，路由发现过程可 基于链路状态路由算法。在链路状态算法中，无线链路的监测，链路质 量等链路状态信息的获得，这要求无线链路驱动能为路由模块提供无线 链路质量等信息的服务，需要能对无线链路驱动进行及时有效的读写控 制操作。 无线互联网中多个w r 的移动，使网络的拓扑结构动态发生变化。w r 应能通过无线信道相互感知，快速掌握它们之间的拓扑结构及变化情况， 根据拓扑结构动态变化的情况，自动调整和更新路由，为移动用户提供 持续的通信。这要求能通过无线链路驱动进行相邻w r 加入与离开的感知， 主动及时地向路由模块通告无线链路通断等相关信息。 因此，本文主要研究以下两部分内容： 研究a d - h o c 工作模式下数据链路层为动态路由模块提供链路状态信 息的方法；无线路由器w r 软件模块的框架设计，研究i e e e8 0 2 1 1 i b s s 网络的关键技术，重点研究框架中相邻w r 链路感知原理并进行方案设计。 为网络动态路由算法的研究提供数据链路层服务，是本文研究的主 要意义所在。 1 3 论文章节 第一部分由第一、二章和第三章构成： 第一章首先对无线互联网作了简要介绍，并阐述本文的研究目的。 第二章从系统的角度介绍了无线互联网的通信特点，提出无线移动 自组织互联网的无线路由器w r 软件模块框架设计，简要介绍t w r 相关模 块的功能，讨论了数据链路层为路由模块提供服务的必要性，提出了相 2 电子科技大学硕士学位论文：相邻豫链路感知设计 c g w r 链路感知模块的设计需求。 第三章主要详细分析研究无线链路驱动的具体控制方法，利用无线 链路驱动为动态路由模块提供链路状态信息服务。 第二部分包括第四章和第五章： 在第四章中针对无线互联网网络信道的链路层( 8 0 2 1 l a d h o c i 作 方式) 进行分析，讨论了分析了i e e e8 0 2 1 li b s s 网络的关键技术和相 邻w r 链路感知的原理，最后给出了相邻w r 链路感知的方案设计。 最后章节进行总结，进行了测试结果分析，讨论了该方案设计的局 限和适用场合，并提出进一步的工作。 3 电子科技大学硕士学位论文：相邻豫链路感知设计 第二章无线移动自组织互联网总体简介 2 1 无线移动自组织互联网的通信特点 无线移动自组织互联网( 以下简称无线互联网) 通信协议采用t c p i p 协议，w r 之间直接通信关系构成网络拓扑结构，w h 可看成是在网络拓扑结构 上的某个节点( w r ) 的接入，w h 不需修改原有的t c p i p 网络协议栈，就可以 自主接入某个w r 并在多个w r 之间自由移动切换。在移动切换过程中要保证系 统中w h 在多个w r 移动时通信的连续性，除了不能改变w h 自己的i p 地址外，也 不能改变它的缺省网关地址。这使无线互联网在网络体系、信道通信方式、 i p 编址等方面具有不同于传统有线互联网的通信特点，保证了在w r 、w h 动态 移动的情况下通信仍能正常进行。 2 1 1 网络体系 无线互联网由“无线路由器w r ”和“移动用户w h ”组成。网络在结构上 分为两层结构：骨干层和接入层。骨干层由“无线路由器w r ”之间通过无 线信道沟通形成骨干传输网络，无线路由器w r 提供蜂窝状的无线覆盖区域。 无线路由器豫具有网络动态拓扑发现和路由功能。接入层使移动用户在骨干 网络的覆盖区域内经无线信道接入无线路由器。 无线互联网以子网的方式接入i n t e r n e t ，通信协议采用t c p i p 协议。 这样网络中的w h 不需要作任何修改，只要配备有支持8 0 2 1 l 协议的无线网 卡，并且安装了t c p i p 协议簇，即可接入无线网络进行通信。为了使w h 之 间以及w h 与有线互联网之间能够互相访问，无线互联网内的w h 之间、w h 与外 部有线互联网之间按标准的i p 寻址方式使用全局地址实现寻址。 根据无线互联网的移动特性，在组网方式上引入管理域和虚拟路由器( v r ) 概念，将无线互联网中所有无线路由器w r 的接入信道接口映射到一个虚 拟路由器( v r ) 接口上。整个网络呈现这样一个整体效果，所有的w h 如同接 在一台路由器的同一个网络接口上，不管接入哪个w r ，都用同样的方式与其 它w h ( 本网内或本网外) 实现基于t c p i p 的通信。w h 将自己的缺省网关i p 地址设置成虚拟路由器( v r ) 接口的i p 地址。所有w r 的接入信道接口地址对 w h 呈现为一个i p 地址，但w r 之间仍然使用网络信道接口的内部地址以标识和 区分不同的w r 。 4 电子科技大学硕士学位论文：相邻豫链路感知设计 2 1 2 信道通信方式 w r 包含两个无线接口来提供两个无线信道：网络信道和接入信道。 网络信道用于相邻w r 之问的通信，w r 在网络信道上的工作模式为8 0 2 1 l 的a dh o c 方式，以点到点的方式与多个邻近w r 之间通信，网络信道一 般选择为信道7 。 接入信道用于移动用户的接入，在接入信道上，每个w r 可以同时接 纳多个w h 。在接入信道上的工作模式为8 0 2 1 l 的a pm a s t e r ，为接入信道上 的w h 提供接入，同时为方便w h 在移动过程中完成越区切换，8 0 2 1 1 协议规定 w r 的e s s i d 设置要相同。 因此，w r 的无线网络接口使用两块支持i e e e s 0 2 i i 协议的无线网卡，分 别工作在不同的信道上，一块工作在a pm a s t e r 模式下，负责用户的接入， 另一块工作在a dh o c 模式下，负责w r 之间的通信。w r 分别在两个信道( 网络 信道和接入信道) 上采用竞争方式实现通信，一个是与其它w r 竞争网络信道， 另一个是与接入的w h 共同竞争接入信道。 所有的w h 工作在接入信道上，通过接入信道接入w r ，接入信道上的w r 为接入的w h 提供通信转发服务。w h 之间的通信不能直接进行，即便通信的源 和目的1 】| h 都位于同一个w r 下，也必须经由w r 在第三层( i p 层) 根据目的i p 地址转发分组。在同一个w r 接入的多个w h 共享一个接入信道，采用竞争方式 使用信道。w h 的无线网卡均设置为8 0 2 1 l 的a pc l i e n t 模式，工作在接入信 道，一般选择为信道3 。 2 1 3 无线互联网的i p 编址 基于t c p i p 协议体系的无线移动自组织互联网对外部呈现为一个i p 子 网，从这个角度来说无线路由器w r 不是一个标准意义上的路由器。这样设计 的优势在于，当一个无线主机w h 一个无线路由器w r 移动接入到另一个无线路 由器w r 下时，不需要改变i p 地址或采用地址转换技术，即用户在网络内移动 通信时i p 地址保持不变，从而在网络层保证了用户移动中通信的持续性和平 等性。因为用户在通信过程中一旦改变自己的i p 地址，按照i p 协议的定义， 其通信过程必然中断；而采用地址转换技术虽然不会中断用户的通信，但却 隐藏了用户的真实i p 地址，限制了用户的通信能力，如别人不能主动与该用 户通信等。 无线互联网的体系结构中包括两神i p 地址的编址方式：种地址是互联 网中合法的i p 地址( 简称“全局地址”) ，另一种是内部使用的i p 地址( 简称 5 电子科技大学硕士学位论文：相邻w r 链路感知设计 “内部地址”) 。 根据无线互联网设计的要求，移动用户w h 之间以及移动用户w h 与有线互 联网之间必须能够互相访问，因此无线主机w h 使用互联网的全局地址来标识 。移动互联网内的无线主机w h 之间、无线主机w h 与外部互联网之间的寻址方 式按标准互联网的i p 寻址方式来实现。 无线路由器陬具有至少两种无线网络接口：连接其他无线路由器的网络 信道接口和连接移动用户的接入信道接口。下面就无线路由器w r 的各个接口 分别说明其i p 的编址设计。 网络信道接口的i p 编址 无线路由器w r 的网络信道接口连接其它无线路由器，仅与无线互联网内 的无线路由器互相通信，提供组网、路由等功能，因此无线路由器的网络信 道接口使用互联网的私有i p 地址内部地址进行编址。无线路由器之间按 标准的i p 寻址方式实现寻址。 接入信道接口的i p 编址 无线路由器w r 通过接入信道接口与无线主机w h 相互通信，使用与1 l i 相同 的全局地址进行编址。在一个无线互联网中有多个积，它们同处在一个i p 子网中，因此将无线互联网中所有w r 的接入信道接口映射到一个虚拟路由器 ( v r ) 接口上。虚拟路由器接口的虚拟i p 地址作为无线互联网中所有w h 的缺 省网关地址，参与不同i p 子网络主机间的t c p i p 通信，与w h 进行全局地址的 统一编址。 在t c p i p 网络体系中，每个主机上都需要设置一个网络缺省网关的i p 地址。当主机与本子网内的主机通信时采用直接交付，即分组直接递交给目 的主机；当主机与本子网之外的主机通信时，分组先递交给缺省网关，由缺 省网关负责寻径并转发至目的主机。要保证本系统中w h 在多+ w i n 移动时通信 的连续性，除了不能改变w h 自己的i p 地址外，也不能改变它的缺省网关地址。 虚拟路由器接口的虚拟i p 地址的引入，保证了无线主机w h 在多个w r 间移 动切换时它的缺省网关地址不改变，保证了本系统中w h 移动时通信的连续 性。 2 2 无线路由器( w r ) 软件功能模块简介 通过上面对无线互联网的通信特点的研究可知，w r 是构成网络的关键设 备。w r 的软件功能模块实现了无线互联网的通信及管理，以下将针对w r 的软 件平台进行探讨。 6 电子科技大学硕士学位论文：相邻w r 链路感知设计 2 2 1i i n u x 操作系统 操作系统是整个w r 的核心，应该具有多任务调度、支持t c p i p 协议栈、 内核代码短小精干的特点。根据本课题对w r 的功能实现要求和硬件平台限 制，我们选择内核为2 4 1 8 - 3 的r e d h a tl i n u x 7 3 系统。 l i n u x 是一套以u n i x 为基础发展而成的操作系统，它兼容p o s i x1 0 0 3 1 标准，包含了u n i xs y s t e mv 与b s d4 3 的大部分特征，这样u n i x 系统中的软 件就可以十分方便地移植至l j l i n u x 系统中了。l i n u x 系统采用了宏内核( m o n o l i t h i ck e r n e l ) 结构， t c p i p 协议栈在内核中实现，协议栈各层之间进 行直接的函数调用通过指针传递的方式完成协议数据单元( p d u ) 的交互， 代码执行效率高。 自1 9 9 1 年诞生至今，l i n u x 在很多方面已经赶上甚至超过了很多商用的u n i x 系统。它实现了真正的多任务、多用户环境。并且该系统开放源代码， 可裁减( 至l j 3 2 m b y t e 以下) 。在嵌入式的应用中，选择l i n u x 系统的案例越来 越多，已成为一种趋势。 2 2 2g r 软件功能模块简介 w r 的软件功能模块主要由无线链路驱动模块、w h 接入感知模块、相邻w r 感知模块、路由模块、认证模块等功能模块组成。其中路由模块是w r 软件 系统的核心模块。 由路由模块研究小组提出的路由模块，根据其所在地址空间的不同，有 两种实现方法：在内核中实现和在用户进程中实现。相应地，相邻w r 感知模 块在具体实现中也有两种实现方法，本文在第四章会对相邻w r 感知模块的两 种实现方法进行详细分析。 针对路由模块的不同具体实现方法，本文提出了两种w r 软件功能模块框 架的方案设计，如图2 1 、2 - 2 所示： 7 电子科技大学硕士学位论文t 相邻哝链路感知设计 8 电子科技大学硕士学位论文：相邻_ i i c 链路感知设计 路由模块 w r 的移动，会产生网络拓扑结构的变化，w r 需要及时感知网络拓扑结构 的变化，并根据发生的变化对路由进行调整，称之为动态路由。而用户移动 发生接入点切换时，不会造成拓扑结构的变化，但仍会引起到该w h 的路由变 化，也需要对路由进行调整，称之为移动路由。 移动路由的产生和维护会受到动态路由的影响，它建立在动态路由的基 9 电子科技大学硕士学位论文：相邻骶链路感知设计 础上。一旦动态路由变化，即组成网络拓扑的w r 一旦发生移动，h 接入的w r 也会发生改变。但是移动路由并不能影响动态路由，w h 的移动切换只是导 致移动路由的更新，网络拓扑不受影响。 路由采用按需自组织路由算法，包括动态路由和移动路由两部分。动态 路由负责w r 之间的路由发现和路由维护，移动路由则负责w h 的位置登记和维 护，当一个源w h ( 归属于源w r ) 想向某个目的w h ( 归属于目的w r ) 发起通信 的时候，先通过动态路由算法找到一条从源w r n 达目的w r 的路径，再由目的 w r 将数据报文通过移动路由算法转发给目的w h 。 w h 认证( m a c ) 模块 w r 只对经过认证的合法用户提供接入功能，因此w r 必须对所接收的数据 包进行过滤，过滤的判断根据必须能表明用户身份。站点的m a c 地址和i p 地 址都可以提供这种标志。 w h 认证( m a c ) 模块保存有己通过认证的m a c 地址表。w h 的封装了i p 数据 包的数据帧通过链路驱动模块送到w h 认证( m a c ) 模块，首先判断该数据帧 是否是请求认证数据帧，若是直接送到i p 层进行处理。否则提取出该数据帧 源m a c 地址，查找该m a c 地址是否在己通过认证的l l l a c 地址表中，从而判断该w h 是否通过认证，若己认证则直接送到i p 层进行处理。否则，送到用户管理 模块缓存。 用户管理模块 用户管理模块将源m a c 地址通过虚拟设备驱动接口送到用户认证模块， 等待认证结果。若通过认证，则将缓存的数据包送到i p 层进行处理，并将已 通过认证的消息通知给w h 认证( m a c ) 模块，将该m a c 地址加入已通过认证的 m a c 地址表；否则将缓存的数据包丢弃。 用户认证模块 在认证报文中，包含用户的i p 地址和m a c 地址，通过认证后，w r 就将用 户的i p 地址和m a c 地址进行绑定。在用户还接入在本w r 的通信过程中，w r 一 直使用这对地址绑定。用户认证模块根据接收到的源m a c 地址到r a d i u s 服务 器查询，该w h 是否通过认证，并将结果通过虚拟设备驱动接口通知用户管理 模块。 w h 接入感知模块 无线链路驱动主动及时地向移动路由模块报告w r 下w h 的接入情况，可大 大提高移动路由模块对w h 在w r 间移动切换的响应速度，为快速准确地生成移 动路由表提供很大便利。 相邻w r 链路感知模块 i 0 电子科技大学硕士学位论文：相邻w r 链路感知设计 无线链路驱动主动及时地向动态路由模块报告相邻w r 间链路通断状态 信息( 我们把这个过程称为链路驱动感知) ，可大大提高路由模块对网络拓 扑动态变化的响应速度，为快速准确地生成动态路由表提供很大便利。在具 体实现中，需要研究i e e e8 0 2 1 1i b s s 网络的关键技术、a d h o c i 作模式下 的无线链路驱动模块以及相邻w r 链路感知的原理，这在后续章节将进行详细 分析。 a r p 模块 w r 的a r p 模块要要实现如下三种功能： 1 ) 免费a r p ：w h ( w i n d o w s 系统) k w r # b 进入时，w h ( i p 地址为w u i p ) 要发a r p 包：i p 为w h - i p 的主机的m a c 是什么? 告诉我! 免费a r p 查询r a d i u s ，看是否有另外的w h 与该w h 的i p 地址冲突。 2 ) 委托a r p ： 在t c p i p 网络体系中，每个主机上都需要设置一个网络缺省网关的i p 地址。当主机与本子网内的主机通信时采用直接交付，即分组直接递交给目 的主机；当主机与本子网之外的主机通信时，分组先递交给缺省网关，由缺 省网关负责寻径并转发至目的主机。 按照前面分析的i p 编址方案，一个移动互联网对外呈现出一个i p 子网， 即移动互联网内的所有w h 都同属于同一个子网。但按照两层的网络结构，w h 之间并不能直接通信，而必须经过一个或多个w r 的转发。 因此，若移动互联网内w h l 要与属于同一个子网w h 2 通信时，按照i p 协议， w h l 通过a r p 获得w h 2 的m a c 地址，将分组直接递交给目的主机w h 2 ，实际上w h 之间分组并不能直接投递，而必须经过一个或多个w r 的转发。因此，w r 采用 委托a r p 的方式，在w h l 需要获得w h 2 的m a c 地址而发起a r p 请求时，w r 代替w h 2 响应w h l 的a r p 请求，将虚拟路由器v r 的虚拟m a c 地址( v m a c ) 返回给w h l ， 经过一个或多个w r 的转发给w h 2 。这样，不用修改w h 的a r p 协议。 同样w h l 要与子网外的某个主机通信时，w r 也把v m a c 返回给w h l ，由虚拟 路由器v r 转发给子网外的目的主机。 3 ) 一般a r p 如上所述，当分组到达w h 2 所属w r 时，w r 通过一般a r p 获得w h 2 的m a c 地址， 将分组直接投递给w h 2 ，实现w h l 到w h 2 的通信。 2 3 后续章节的研究任务 路由模块是w r 软件系统的核心模块。 电子科技大学硕士学位论文：相邻陬链路感知设计 在无线互联网中，动态路由可基于链路状态路由算法，利用无线链路质 量等参数形成本地链路状态信息，作为路由度量值。这要求能对无线链路质 量等链路状态信息进行监测，需要无线链路驱动能为路由模块提供无线链路 质量等信息的服务，能对无线链路驱动进行及时有效的读写控制操作。 路由模块需要及时感知网络拓扑结构的变化，以便及时对动态路由进行 调整，为此路由模块需要及时准确地获知相邻路由器无线链路的通断等信 息。这要求能通过无线链路驱动进行相c g w g 加入与离开的感知，主动及时地 向路由模块通告无线链路通断等相关信息。 根据路由模块要求链路层提供的服务，本文后面主要研究a d h o e _ t _ 作模 式下的无线链路驱动模块为动态路由模块提供的服务及相邻w r 链路感知的 方案设计，因此在后续章节主要研究以下关键技术： 分析a d - h o c f _ 作模式下数据链路层为动态路由模块提供的服务； 研究i e e e8 0 2 1 li b s s 网络的关键技术和检测路由器链路连通性的常 用方法，讨论相邻w r 链路感知的原理，给出相邻w r 链路感知的方案设计，并 进行测试。 1 2 电子科技大学硕士学位论文：相邻w r 链路感知设计 第三章无线网卡驱动提供的服务 在无线互联网中，路由发现过程可基于链路状态路由算法，测量与邻居 间的无线链路质量，形成本地链路状态信息。因此路由模块可能需要用链路 质量作为路由计算与选择的度量值，无线链路的质量主要考虑带宽、延时、 丢包率、链路负载、信号能量等因素。这要求无线链路驱动能为路由模块提 供无线链路质量等信息的服务，而在无线网卡驱动中通过i o c t l 方法提供了 这种服务，路由模块等上层软件通过系统调用i o c t l0 就可获得这种服务。 无线网卡的固件( f i r m w a r e ) 实现了数据链路层m a c 子层功能，无线网卡驱 动程序完成了数据链路层m a c 子层与l l c 子层之间的接口功能。 可以看出，对无线网卡设备进行控制操作具有重要的意义。在本节中采 用的p r i s m 2 2 5 无线网卡，使用i n t e r s i l 公司开发的p r i s m 2 2 5 芯片组，p r i s m 2 2 5 芯片组支持m o n i t o r 工作模式，别的芯片组( 女n l u c e n t 的o r i n o c 无线网卡采用的芯片组) 就不支持这种模式。在这种工作模式下，固件可将 监听到的帧上传给无线网卡驱动程序h o s t a p a s 。该驱动功能完善，性能稳 定，且完全公开源代码，所以本节以h o s t a p c s 驱动为例，针对p r i s m 2 2 5 无线网卡，介绍无线网卡驱动提供的i o c t l 的调用参数和操作方法，分析无 线网卡驱动为上层软件模块提供的服务。 3 1 i o c t i 简介 在l i n u x 系统中，i o c t l 首先是一个文件管理的概念，它通常包括两类功 能函数，一类是v f s 管理过程中需要对不同文件系统进行的i o c t l 操作；另一 类是在设备的管理过程中对设备进行的i o c t l 操作。由于设备都被映射为特 殊的文件，所以总的来说，i o c t l 都是同l i n u x 中的文件节点相关的。本文只 讨论与网络设备相关的部分。 设备的种类很多，所以l i n u x 采用了层次结构，将一般性的操作放在高 层函数里完成，跟设备有关或比较特殊的操作则由底层函数完成。处于最高 层的操作是s y s i o c t l0 ，所有的i o c t l 系统调用都从函数s y s i o c t l0 开始， 处理了最一般的操作，然后根据文件系统或设备类型来调用下一层函数。这 种分层结构的i o c t 处理过程可以减少每个i o c t l 函数中的s w i t c h - c a s e 语句 的负担，增加源代码的可读性，同时有利于引进新的设备，具有较好的扩展 1 3 电子科技大学硕士学位论文：相邻帆链路感知设计 性。 用户空间对套接口调用i o c t l 函数原型如下： i n ti o c t l ( i n tf d ，i n tc m d ，s t r u e ti f r e q $ r q ) f d 为套接口描述字，c m d 为i o c t l 命令，r q 指向用户空间的一个地址，存 放i f r e q 结构的拷贝，在调用i o c t l 底层函数p r i s m 2 一i o c t l 时，这个结构被拷 贝到内核空间。这些设备相关的i o c t l 命令从用户空间接收第三个参数，即 结构i f r e q $ r q 。 对于网卡设备接口的i o c t l 操作，有以下标准i o c t l 命令c m d ： s i o c g i f c o n f获取所有接口的列表 s i o c s i f h w a d d r 设置接口m a c 地址 s i o c g i f h w a d d r 获取接口m a c 地址 s i o c s i f f l a g s 设置接口i f l u p i f f _ d o w n i f f _ p r o m i s c 等状态 s i o c g i f f l a g s获取接口标志 s 1 0 c s i f d s t a d d r设置点到点地址 s i o c g i f d s t a d d r获取点到点地址 s i o c s i f b r d a d d r 设置广播地址 s i o c g i f b r d a d d r获取广播地址 s i o c s i f n e t m a s k 设置子网掩码 s i o c g i f n e t m a s k获取子网掩码 3 2 无线网卡i o c t l 相关数据结构 在i o c t l 调用时，数据结构i w r e q 作为输入输出的参数，在获取链路质量 等信息时，i 盯r e q u d a t a p o i n t e r 指针指向数据结构i w _ r a n g e ，通过i w _ r a n g e 结构将链路质量等信息输出。 s t r u c t i w _ s t a t i s t i c s _ u 1 6 s t a t u s ： s t r u c ti w _ q u a l i t y q u a l ：链路质量 s t r u c ti w _ d i s c a r d e dd i s c a r d ；分组丢失统计 、 jl s t r u c t i w _ q u a li t y ( u 8q u a l ：术链路信噪比 u 8 l e v e l ：木信号电平值 一u 8 n o i s e ；序噪声电平值 1 4 电子科技大学硕士学位论文：相邻w r 链路感知设计 一u 8 u p d a t e d ：胁链路质量更新标志 ) ： s t r u c t i w _ r a n g e ( f 卑n w i d ( o rd o m a i ni d ) 卑f u 3 2m i n _ n w i d ：序m i n i m a ln w i dw ea r ea b l et os e t 一u 3 2 m a x _ n w i d ：序m a x i m a ln w i dw ea r ea b l et os e t $ f 雄f r e q u e n c y f u 1 6n u mc h a n n e l s ：序n u m b e ro fc h a n n e l s 0 ：h u m 一1 一u 8 n u mf r e q u e n c y ； 胁n u m b e ro fe n t r yi nt h el i s t s t r u c ti w _ f r e q f r e q i 碍蛳j r e q u e n c i e s l ：f 卑l i s t 卑 一u 3 2 s e n s i t i v i t y ：木信号电平灵敏度门限 s t r u c t i w _ q u a l i t ym a x _ q u a l ：居链路质量和信噪比 ) ： s t r u c t i w r e q ( u n i o n ( c h a ri f r n _ n a m e i f n a m s i z ：木接口名如”e t h 0 ” ) i f r _ i f r n ： 木数据部分 u n i o n( c h a r n 2 m l e i f n a m s i z ： 协议名称 s t r u c ti wp o i n t e s s i d ：胁e s s 网络名称 s t r u c ti w a 。a r a m n w i d ；半b s s d 、区网络i d * s t r u c ti w _ f r e q f r e q ： f r e q u e n c yo rc h a n n e l ： 0 - 1 0 0 0 = c h a n n e l ：| c 1 0 0 0 = f r e q u e n c yi n h z s t r u c ti w _ p a r a m s e n s ： s t r u c ti w _ p a r a m b i t r a t e ； s t r u c t i w _ p a r a mr t s ： s t r u c ti w _ p a r a m f r a g ： u 3 2m o d e ：ao p e r s t r u c ti w _ p o i n t e n c o d i n g ： s t r u e ti w _ p a r a m p o w e r ： s t r u c ts o c k a d d r a p a d d r ： s t r u c ti wp o i n t d a t a ； )u ： s i g n a ll e v e lt h r e s h o l d | 卑d e f a u l tb i tr a t e 母| 木r t st h r e s h o l dt h r e s h o l d | 母f r a g m e n t a t i o nt h r e s h o l d i o nm o d e e n c o d i n gs t u f f ：t o k e n s p md u r a t i o n t i m e o u t 木 a c c e s sp o i n ta d d r e s s 篙| o t h e rl a r g ep a r a m e t e r s | 电子科技大学硕士学位论文：相邻w r 链路感知设计 3 3 无线网卡i o o t i 操作 除了标准的i o c t l 命令c m d ，w i r e l e s se x t e n s i o n sf o rl i n u x 针对无线 网卡接口定义了2 5 6 个命令：从s i o c i w f i r s t ( o x s b 0 0 ) 到s i o c l w l a s t ( o x 8 b f f ) ；w i r e l e s se x t e n s i o n s 为所有无线网卡提供了统一的i o c t l 接口。 另外，无线网卡驱动定义了1 6 个私有命令：s i o c d e v p r i v a t e ( o x 8 9 f o ) 到s 1 0 c d e v p r i v a t e + 1 6 ( o x 8 9 f f ) 。私有i o c t l 是针对具体的网卡驱动实现的， 不同的网卡驱动有不同的私有i o c t l 实现。 如果用户调用i o c t l 时，命令类型在这2 5 6 个命令或1 6