基于嵌入式ARM-Linux平台的无线Mesh路由协议的研究与实现

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3.0 牛悦 2024-11-19 7 4 1.37MB 73 页 15积分

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摘要

无线 Mesh 网络作为一种新兴的无线组网方式，融合了 WLAN 和Ad Hoc 网

络优点，具有自组网、自修复、多跳级联等特点。近年来，相关技术的研究取得

了不错的进展，其中智能路由技术作为无线 Mesh 技术发展的关键技术之一引起

广泛关注和研究。如何在无线多跳网络中既能及时适应网络拓扑变化，又保证业

务的服务质量 QoS(Quality of Service)，是组织无线 Mesh 网络需重点考虑的因素，

更成为无线 Mesh 网络成败的关键。

本文首先对比参考了两种 Ad Hoc 路由协议，并讨论了与无线 Mesh 网络相关

的按需路由协议的具体实现方法。通过对无线 Mesh 网络的路由协议的特点及用

户对服务质量的需求分析，提出了一种基于稳定性优先级的按需路由 SPODV

(Stability-Preferential On-demand Distance Vector Routing ) 协议。通过对在 Linux

系统上实现路由协议相关的技术深入研究，给出了基于 Linux 平台的 SPODV 协

议实现方案，并详细阐述了 SPODV 协议框架中各个模块的具体功能。最后，通

过实验验证该协议解决方案的可行性及有效性，实验结果表明该路由协议满足无

线Mesh 网络的基本 QoS 性能要求。

论文主要研究工作包括：

(1) 在深入研究无线 Mesh 网络的相关技术的基础上，对与协议相关的按需路

由算法、内核路由表的结构、Linux 网络体系结构及报文处理流程等进行了详细

分析。

(2) 在考虑 Mesh 节点间的稳定性及带宽约束等条件的基础上，研究对路由选

择策略的改进方法，使提出的 SPODV 路由协议满足用户对 QoS 的基本需求。

(3) 探讨 Linux 系统路由处理中的包过滤机制及无线 Mesh 路由协议算法在用

户和内核空间的实现、交互机制。

(4) 在基于 Linux 操作系统的嵌入式 ARM 平台上，研究 SPODV 路由协议的

具体实现方法。

关键词：无线 Mesh 网络 SPODV QoS 路由协议 Netlink Netfilter

ABSTRACT

As an emerging wireless network, the Wireless Mesh Network (WMN) which

combines both the advantages of WLAN and Ad Hoc Networks has the outstanding

characters of autonomous, self-healing, multi-hop cascade, etc. Recently, the research

of related technology has got obvious improvement. As a key technology in WMN

development process, the intelligent routing protocol has aroused widespread concern

and research. How to organize the WMN and make it can immediately adapt to the

changing network topology, and ensure the Quality of Service (QoS) is the key factor

which impact the quailty of WMN. As the result of it, the protocol of Mesh Routing

becomes a hotspot nowadays.

Firstly, two Ad Hoc on-demand routing protocols and their realization methods

have been compared and discussed in this paper. Next, with the analysis of the

characteristics of the WMN and the Quality of Service (QoS) required by user, a

Stability-Preferential On-demand Distance Vector Routing (SPODV) protocol is

proposed. Then, through the deeply researching of the related technology of

implementing the routing protocol in Linux system, this paper mainly provides a

solution to design and realize the SPODV protocol in Linux platform, and describes in

detail of every functional sub-module of SPODV protocol framework. Finally, a

WLAN experimental environment is builded up for test and analysising the

performance of the network. The promoted wireless Mesh routing protocol SPODV is

verified feasible. And the experimental results show that the SPODV indeed can satisfy

the basic requirements of the QoS.

The main work of this paper includes:

(1) Base on the deeply understand the the related technology of the WMN. Make

a detailed analysis research on the related on-demand routing algorithm, the structure

of the routing table in kernel, Linux network architecture and the flow of Packet

processing.

(2) In order to meet the QoS required by Wireless Mesh Network users,

considering the characteristics of WMN and analyzing the Mesh network wireless

routing protocol and overall performance, the Stability-Preferential On-demand

Distance Vector Routing (SPODV) protocol is proposed. Comprehensively, taking the

stability of Mesh nodes and bandwidth constraints into account, the SPODV protocol

improved the routing strategy to meet the users’ basic requirements of quality of

service.

(3) The packet filtering mechanism during the routing processing and the methods

of the implementation of routing algorithms both of the user space and the kernel space

are also discussed.

(4) Research the realize method of the SPODV routing protocol on the embedded

ARM Linux platform, based on it, then a WLAN experimental environment is builded

up for test.

Key Word：Wireless Mesh Network, SPODV, Routing Protocol, QoS,

Netlink, Netfilter

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ...........................................................................................................1

§1.1 研究背景、意义 ......................................................................................1

§1.2 国内外研究现状及应用前景 ..................................................................2

§1.2.1 无线 Mesh 网络发展现状 ............................................................2

§1.2.2 无线 Mesh 网络的应用前景 ........................................................2

§1.3 本文的主要内容和组织结构 ...................................................................3

第二章无线 Mesh 路由协议 ..................................................................................5

§2.1 无线 Mesh 网络的结构及特点 ...............................................................5

§2.1.1 无线 Mesh 网络与其他网络结构比较 ........................................5

§2.1.2 无线 Mesh 网络与其他网络的对比及其特点 ............................7

§2.1.3 无线 Mesh 网络的应用及发展 ....................................................9

§2.2 无线 Mesh 网络的 QoS 机制 ..................................................................9

§2.3 无线 Mesh 路由协议研究及其现状分析 ..............................................10

§2.3.1 无线 Mesh 路由协议应有的特征 ..............................................10

§2.3.2 常见无线路由协议概论 .............................................................11

§2.3.3 DSR 协议算法 ............................................................................. 13

§2.4 AODV 路由算法 ................................................................................. 14

§2.4.1 路由建立过程 .............................................................................14

§2.4.2 路由表维护及恢复过程 .............................................................16

§2.4.3 AODV 与DSR 协议比较 ............................................................17

§2.5 基于 AODV 改进的 SPODV 路由协议 ................................................ 18

§2.5.1 业务流处理机制 ..........................................................................18

§2.5.2 带宽管理机制 ..............................................................................20

第三章无线 Mesh 路由协议栈分析与关键技术 ................................................22

§3.1 硬件平台选择 ........................................................................................22

§3.2 软件平台选择 ........................................................................................22

§3.2.1 Linux 操作系统的特性 .............................................................. 23

§3.2.2 Linux 文件系统 .......................................................................... 23

§3.2.3 Linux 操作系统结构 ................................................................... 24

§3.3 Linux 系统中与网络相关的操作 ....................................................... 26

§3.3.1 Linux 网络体系结构 ................................................................... 26

§3.3.2 socket 网络通信套接字 ...............................................................30

§3.3.3 Linux 网络协议的底层支持 ....................................................... 31

§3.3.4 Linux 系统的路由功能 ............................................................... 33

§3.4 与Linux 网络协议相关技术介绍 ........................................................ 34

§3.4.1 Linux 内核模块机制 LKM ......................................................... 34

§3.4.2 Netfilter 包过滤机制 ................................................................... 34

§3.4.3 Linux 路由表结构 ....................................................................... 38

第四章 SPODV 协议在 Linux 系统的实现 ......................................................... 44

§4.1 Netlink socket 机制 .................................................................................44

§4.1.1 用户空间需要做的操作 .............................................................45

§4.1.2 内核空间需要做的操作 ..............................................................50

§4.2 无线 Mesh 协议 SPODV 的具体实现方案 ...........................................54

§4.2.1 SPODV 的主要框架结构 ............................................................54

§4.2.2 SPODV 用户模块 ........................................................................55

§4.2.3 SPODV 内核模块 ........................................................................57

第五章 SPODV 协议实现测试及分析 .................................................................59

§5.1 无线 Mesh 网络协议 SPODV 的添加 ...................................................59

§5.1.1 策略路由的添加 .........................................................................59

§5.1.2 无线 Mesh 网络的配置 ...............................................................60

§5.1.3 实验拓扑 .....................................................................................61

§5.2 网络性能对比测试及结论 ....................................................................63

第六章工作总结与展望 .....................................................................................65

参考文献 .................................................................................................................66

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .....................................69

致谢 .....................................................................................................................70

第一章绪论

§1.1 研究背景及意义

随着 Internet 技术的广泛应用和局域网的迅猛发展，网络已渗入到教育、政

府、商业、医疗、科研等各个领域，成为了人们生活中不可缺少的一个重要组成

部分。但由于有线网络布线及改线工程量大，网中的节点难以移动，线路容易损

坏，使得人们对移动方便、接入灵活的无线设备的需求量及其技术的要求不断提

升，并促使了无线局域网技术不断发展。这一发展进程中，相继出现的基于

IEEE802.11 的无线局域网技术、基于 IEEE802.15 的无线个域网[1] 和基于

IEEE802.16 的固定宽带无线接入网就是发展中的典型例子。如何组织日益庞大的

无线网络，并解决好无线局域网与现存的有线主干网的“最后一英里”接入问题，

成为讨论的热点。从上个世纪末就开始受到各大研究机构关注的移动 Ad hoc 网络

(MANET) [2]，得到了不断的发展及应用。Ad hoc 是一种基于无线局限网技术的网

络，由于它的易部署、自管理、不依赖于基础设施等特性，使得它非常适用于灾

害现场、野战通信等应用需求，但是到目前为止，由于 Ad hoc 网络其成本太高及

性能的相对劣势至今没有在民用设施布网中被广泛采用。为改进 MANET 使其适

用于民用，在传统蜂窝通信技术以及 Ad hoc 技术的基础上改进发展起来的无线

Mesh 网络(Wireless Mesh Networks，WMN )[3]技术得到了快速发展，而且受到了

工业界与学术界越来越广泛的重视。

WMN 作为移动 Ad hoc 网络(MANET)的一种特殊形态，融合了 WLAN 和Ad

hoc 的网络优点,可以说是 Internet 的无线版本，具有自组织，自配置、自治愈、

频谱利用率高，覆盖范围大，可扩展性强、易于部署、可靠性强等特点，能自动

探嗅、组建、维护一个无线网络，并具有用户管理和跟踪机制，是一种多跳、高

容量、高传输率，低功耗，低成本的分布式无线宽带网络。作为为解决“最后一

英里”网络接入问题的而写入 IEEE 标准的网络技术，该技术已成为下一代无线

网络通信的热门技术之一。

目前大多数的计算机都联在某个网络上，通过“机器到机器”(M2M)联网，可

以让任何一台机器通过数个网络层与任一其它机器对话。目前比较热门的是将消

费电子、电气设备和通信产品的联网，即“物联网”。同时工业传感器与控制设备、

工作母机、其它过程控制和制造设备的联网工作正在进行中，总有一天，将所有

基于嵌入式 ARM-Linux 平台的无线 Mesh 路由协议的研究与实现

的设备网络化的一天终会到来。而无线 Mesh 联网技术的发展，可以使这一天的

到来比我们想象的还要快很多。借助无线 Mesh 联网技术，开发设计师们可以用

一个廉价的短距离无线芯片将任一设备与任何其它设备互连，从真正意义上为各

种类型的新应用打开了大门，而这在以前是完全没有可能的。有专家预言，无线

Mesh 网络、Ad hoc 网络、智能天线技术和超宽带技术，会成为未来无线通信领

域的中压倒其他一切的技术，它们可能使 3G 网络技术落伍，甚至 4G 的格局也会

被改变。这样的评价无疑说明了无线 Mesh 网络的重要性及发展前景[4]。

§1.2 国内外研究现状及应用前景

§1.2.1 无线 Mesh 网络发展现状

其实早在 20 世纪 90 年代中期，无线 Mesh 网络的概念就已经提出来了，但

人们真正开始关注它是在近几年。目前，思科、摩托罗拉等厂商均有相关的 Mesh

解决方案。国内的阿德利亚公司亦推出了无线 Mesh 路由器及相关智能核心软件，

该公司在清华大学和厦门大学搭建过无线 Mesh 的实验网络。 2004 年起，无线

Mesh 技术在包括新加坡、费城、旧金山、新奥尔良、中国台北等国家和地区开始

了规模较大的商用部署，并于 2006 年开始在我国城市中出现，如在北京市公共安

全覆盖、后海酒吧街地区的室外无线覆盖以及天津滨海开发区数字港口的建设等

方面都有了相关应用。无线 Mesh 网络进入了飞速发展的时期。

研究无线网络的主要标准化组织鉴于无线 Mesh 网络的迅速发展,也开始考虑

在各种相关标准中加入对 Mesh 组网方式的支持。

IEEE 802.16 标准组在宽带无线

城域网的 IEEE 802.16a 标准中添加了对 Mesh 拓扑结构的支持。与无线个域网相

关的 IEEE 802.15 标准工作组也成立了 TG5 小组，来研究通过 Mesh 的组网方式

利用短距离、低成本设备来覆盖一个如医院、校园这样的较大的范围。无线局域

网的 IEEE 802.11 系列工作组中的 802.11s 小组，就是主要为研究实现无线局域网

的多个接入点设备（AP）之间通过自动配置拓扑的方式组网的无线分布系统的协

议而成立的，而这些技术又可以直接用在无线 Mesh 网络之中。无线 Mesh 网络标

准的渐渐发展及完善，会进一步推动无线 Mesh 网络技术的研究、应用和推广[4]。

§1.2.2 无线 Mesh 网络的应用前景

无线 Mesh 网络可以应用于许多方面，应用方式主要有无线接入、无线传输

和简单组网。它的用户既可以是家庭用户，实现以家庭为单位无线上网，也可以

第一章绪论

是商务用户、企业、学校，甚至一个城市都可以构建无线 Mesh 网络，实现内部

联网或无线访问因特网。由此可见，无线 Mesh 网络的市场潜力是巨大的。当然，

在实际商用的时候还有一些问题需要解决，比如查找网络的故障点、购买大量 AP

的花费等等，目前，相对应的解决策略也正是业界积极攻关的课题。从国内外

Mesh 网络的商用案例可以看出，Mesh 网络目前的目标市场主要集中在市政、公

共安全及由政府赞助的私有网络等领域，而鲜有专门针对企业市场的解决方案。

尽管并非所有的企业市场都有基于 Mesh 等无线宽带服务的需求，但由于 Mesh

网络具有迅速按需形成固定或移动拓扑结构的能力，并且再加上其具有多跳传输

机制，也能保证 Mesh 在不方便采用传统光纤等有线方式布网或有线布网成本过

高的场合得以低成本地应用，从而使得 Mesh 网络，对于诸如采用光纤为传输手

段的有室内和室外覆盖需求的能源、会展等企业来说，具有相当的吸引力。

WMN 正在不断发展，促热了相关的技术的研究，由于无线 Mesh 网络节点

间的多跳互联是由路由协议来支撑的，使得体系尚未成熟的无线 Mesh 路由协议

成为研究热点。如何在无线多跳网络中既能及时适应网络拓扑变化，又保证业务

的QoS，是组织无线 Mesh 网络需重点考虑的因素，更成为 WMN 成败的关键。

本课题着眼于此研究热点,重点研究 WMN 路由协议，并将其实现在基于

ARM-Linux 的嵌入式开发平台上，为以后的基于嵌入式硬件平台的无线 Mesh 网

络应用提供了理论的支持以及实践的参考。

§1.3 本文的主要内容和组织结构

本课题是基于嵌入式 Linux 操作系统开发的一个研究及探索实现，其目的是

在该嵌入式平台上实现下一代新型的无线 Mesh 路由协议。本文将针对其目前业

界讨论热点问题研究相关的路由协议，并在此基础上提出一种具有 QoS 保障的多

径路由协议。着重于研究无线 Mesh 网路由协议在嵌入式 Linux 系统中的实现，

并针对相应的关键技术进行对比论述及研究。

本课题的主要研究内容：

1. 研究目前无线 Mesh 网络的发展情况、背景、研究热点及其在国内外的部

署应用，讨论该技术在发展应用中将会碰到的挑战并提出相应解决策略。

2. 针对无线 Mesh 网络的研究热点，对比当下比较流行几种无线路由协议及

相关热点技术，重点分析研究现有的基于 AODV 路由协议的实现过程及其特性，

并提出一种优化的具有 QoS 保障的多径 Mesh 路由协议。

3. 选定欲实现的软硬件环境，重点研究了在 Linux 系统中有关于路由协议实

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摘要：

摘要无线Mesh网络作为一种新兴的无线组网方式，融合了WLAN和AdHoc网络优点，具有自组网、自修复、多跳级联等特点。近年来，相关技术的研究取得了不错的进展，其中智能路由技术作为无线Mesh技术发展的关键技术之一引起广泛关注和研究。如何在无线多跳网络中既能及时适应网络拓扑变化，又保证业务的服务质量QoS(QualityofService)，是组织无线Mesh网络需重点考虑的因素，更成为无线Mesh网络成败的关键。本文首先对比参考了两种AdHoc路由协议，并讨论了与无线Mesh网络相关的按需路由协议的具体实现方法。通过对无线Mesh网络的路由协议的特点及用户对服务质量的需求分析，提出了一种基于...

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