TATbed無線自組織網絡測試平臺設計與實現(xiàn)

　　多跳自組織網絡(Ad hoc network)由多個獨立的具有路由(交換)功能的用戶通信終端組成。網絡中的相鄰終端可直接建立端到端的通信鏈路;非相鄰終端則可動態(tài)地搜索路由,數(shù)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。在自組織網絡中,無線信道環(huán)境的快速變化及終端的移動性造成了網絡拓撲結構不斷變化。因此,如何搜索、維護有效的路由成為自組織網絡研究中的難點問題。近年來,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(shù)據基本上利用網絡模擬軟件如OPNet[4]、NS-2[5]、GloMoSim[6][7]等仿真得到。由于仿真軟件中采用的無線信道、終端分布、終端運動等模型與真實的網絡環(huán)境相比均有一定的簡化,所以在自組織網絡技術進入實際商業(yè)應用之前,構建實際的Ad hoc網絡硬件測試平臺對其各層次的網絡協(xié)議算法設計進行性能測評是十分必要的。但現(xiàn)有的各種無線終端均不支持任何自組織路由協(xié)議。

　　本文設計并實際建立了一個無線自組織網絡測試平臺系統(tǒng)TATbed。通過加載相應的底層驅動及測試系統(tǒng)軟件,使得配有無線網卡的普通PC機成為獨立的自組織網絡的實際終端;測試平臺對各種路由算法協(xié)議提供了統(tǒng)一的模塊接口,設定相應的路由算法和測試參數(shù)后,即可通過檢測各個終端間的數(shù)據傳輸狀況,得到此路由算法的實際性能的統(tǒng)計結果。同時,測試平臺可兼容各種無線網卡標準,如IEEE802.11系列、HiperLan系列等。目前TATbed測試平臺已經集成了多種Ad Hoc網絡的專有路由算法協(xié)議,包括AODV、DSR、SAR、FSR、ZRP等,并可真實地再現(xiàn)Ad hoc網絡應用所處的實際環(huán)境(包括終端的移動性與客觀信道的實際情況),為研究Ad hoc網絡在多種環(huán)境下的性能與特點提供可操作平臺,對進一步研究Ad hoc網絡的結構設計和其各層網絡協(xié)議算法設計的測試、評估、優(yōu)化更具參考價值。

　　本文結構如下,第一節(jié)介紹測試平臺系統(tǒng)的總體結構,第二節(jié)介紹系統(tǒng)的關鍵模塊設計,第三節(jié)介紹其實際應用和總結。

　　1 平臺結構

　　TATbed無線自組織網絡測試平臺的設計目標是開發(fā)支持多種Ad hoc網絡路由算法協(xié)議的測試終端以構建實際的Ad hoc測試網絡,并通過檢測各個終端間的數(shù)據傳輸過程對自組織網絡的各種實測性能指標進行統(tǒng)計、評估。

　　TATbed測試平臺由一定數(shù)量的獨立的自組織網絡終端構成。在實際平臺設計中,在配有無線網卡的PC機(筆記本電腦)基礎上開發(fā)了支持多種路由算法協(xié)議的自組織網絡終端,每個終端可依據設定的路由算法協(xié)議自行組建Ad hoc網絡并進行數(shù)據傳輸。圖1為TATbed平臺的實際測試示意圖。

　　TATbed測試平臺的軟件系統(tǒng)包括傳輸任務生成器、終端處理器和數(shù)據統(tǒng)計器三部分。

　　在測試開始前,傳輸任務生成器將根據設置的測試參數(shù),生成每個終端的起始傳輸任務列表,以精確地控制測試過程中網絡的傳輸負荷。在傳輸任務列表中定義了整個測試過程中每組數(shù)據包的源發(fā)出節(jié)點、最終目的節(jié)點、數(shù)據包數(shù)量、發(fā)出時間。

　　測試開始后,每個終端上的終端處理器將讀取其對應的傳輸任務列表,在規(guī)定的時間進入發(fā)數(shù)據包流程,處理需要發(fā)出的數(shù)據包,同時監(jiān)聽無線網卡接收到的數(shù)據包并進行相應的處理。在測試過程中,終端軟件模塊記錄下本節(jié)點收到和發(fā)出的每個包的信息,包括收(發(fā))時間、包頭信息、包長度等。

　　測試結束后,根據本次測試的整個網絡的起始傳輸任務列表和每個終端在測試過程中保存的收發(fā)包記錄,數(shù)據統(tǒng)計器統(tǒng)計分析、計算出相應的測試指標,包括網絡容限、節(jié)點平均吞吐量、數(shù)據包成功傳輸率、數(shù)據包平均傳輸延時、延時抖動、數(shù)據包傳輸路徑平均跳數(shù)、系統(tǒng)路由開銷等。

　　2 自組織網絡測試終端設計

　　由于現(xiàn)有的各種通信終端設備均不支持任何自組織網絡路由算法協(xié)議,因此開發(fā)自組織網絡測試終端成為整個測試平臺構建的關鍵。在TATbed測試平臺中,通過在裝備了無線網卡的PC機上安裝終端處理器,使其支持多種自組織網絡的路由算法協(xié)議,成為實際的自組織網絡中的終端。

　　在現(xiàn)有的標準PC機系統(tǒng)下,網絡層采用IP協(xié)議,終端之間的連接根據IP地址的標識來判別,應用層的傳輸任務經過數(shù)據打包處理后直接交無線網卡發(fā)送,并且只有當數(shù)據包的源節(jié)點和目的節(jié)點處于相互無線網卡信號覆蓋范圍內時,才能成功發(fā)送IP數(shù)據包,終端本身并不支持任何路由功能。在TATbed測試平臺系統(tǒng)中,終端的MAC層和網絡層之間加載了自行開發(fā)的驅動模塊,以支持無線自組織網絡中的多跳傳輸,形成一個虛擬的傳輸鏈路層,為普通數(shù)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(tǒng)提供的NDIS(Network Driver InteRFaceSpecification,網絡驅動程序接口規(guī)范)[8]層基礎上開發(fā),包括底層接口驅動、路由算法模塊和數(shù)據包的監(jiān)聽記錄三部分。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設計為一個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(tǒng)網絡層完成的其他功能,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相應的子模塊即可。目前,TATbed測試平臺系統(tǒng)可支持AODV、DSR、SAR、WRP、Fisheye、CBRP、ZRP等多種自組織網絡路由算法的測試、評估。同時,由于終端處理器的接口驅動加載在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線網卡。目前系統(tǒng)中選用了基于IEEE802.11b標準的網卡進行測試。

　　為支持多跳的數(shù)據傳輸,測試系統(tǒng)中所傳遞的數(shù)據包的包頭在標準的Ethernet-MAC包頭基礎上進行了擴展,加入了路由算法協(xié)議中規(guī)定的類型信息和路徑信息,如圖4所示。

　　包頭的第0～13字節(jié)為標準的Ethernet-MAC包頭格式,第14～27字節(jié)為擴展的“路由信息”域,之后是實際的用戶數(shù)據。對于來自高層(網絡層)的數(shù)據包,終端從其IPv4標準包頭中讀出此數(shù)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(jié)點IP地址”項內;同時調用路由算法模塊,根據其最終目的地址獲取其對應的多跳路由信息,并將實際的下一跳的接收節(jié)點的地址寫入第7～12字節(jié)處的“下一跳接收節(jié)點MAC地址”項內,然后將此數(shù)據包交下一層(MAC&物理層)無線網卡處理發(fā)出。對于來自底層無線網卡接收到的數(shù)據包,終端讀取“路由信息”域的“最終目的節(jié)點地址”,如果此地址與其自身地址相符,則交上層網絡層繼續(xù)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(jié)點地址,然后交無線網卡處理發(fā)出。對于路由算法協(xié)議中規(guī)定的其他非數(shù)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“包類型”域中標示區(qū)別,由無線網卡收發(fā)后直接調用相應的路由算法模塊處理。

　　3 系統(tǒng)應用

　　TATbed無線自組織網絡測試平臺在普通PC機上開發(fā)了支持多種自組織網絡路由算法協(xié)議的實際無線終端,以構建一個實際的無線自組織網絡測試系統(tǒng)。筆者利用此平臺已經成功地對AODV、SAR路由算法在多種實際網絡環(huán)境參數(shù)下進行了性能的實測比較分析。測試結果可應用于實際的自組織網絡路由算法的性能評估、設計優(yōu)化等方面。同時,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,在無線自組織網絡的實際網絡系統(tǒng)性能測量、網絡規(guī)劃優(yōu)化設計、網絡各層次算法協(xié)議性能評估等諸多方面均有其獨特的應用優(yōu)勢。