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 4 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

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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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