基于ARM的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

功能概述

　　由于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)無中心、動(dòng)態(tài)拓?fù)涞忍攸c(diǎn)，它需要各個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有路由轉(zhuǎn)發(fā)功能。本文開發(fā)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過在ARM平臺(tái)上移植路由協(xié)議而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)功能。
 

　　圖1 節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)

　　以圖1所示的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行功能示意，其中A、B、D是普通的移動(dòng)電腦終端，C是本文開發(fā)的ARM平臺(tái)。A和D是通信的端點(diǎn)，D不在A的一跳范圍之內(nèi)(A的覆蓋范圍如圖中虛線所示)。假設(shè)開始時(shí)B成為了A和D的中繼節(jié)點(diǎn)，完成A、D之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。當(dāng)B節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，C能自動(dòng)代替B成為新的中繼節(jié)點(diǎn)，維持A、D之間的通信。

　　該ARM平臺(tái)除了路由協(xié)議以外，同時(shí)完成了ftp、iptables等工具的移植，還可以繼續(xù)增添語音、視頻等服務(wù)。

　　硬件平臺(tái)

　　以處理器為核心，無線網(wǎng)卡收到數(shù)據(jù)包后交給上層處理，需要發(fā)出的數(shù)據(jù)包也由處理器控制無線網(wǎng)卡來發(fā)出。當(dāng)然SDRAM、閃存、電源這些模塊也是系統(tǒng)不可缺少的。

　　本文采用ARM920T為內(nèi)核的三星處理器S3C2410A。S3C2410A 是32位低功耗RISC處理器，同時(shí)支持Thumb 16位壓縮指令集，其工作頻率為203MHz。S3C2410A有292個(gè)管腳，集成了許多片上功能，例如以太網(wǎng)控制器、UART控制器、可編程I/O口及中斷控制器等。

　　考慮到接口體積，該平臺(tái)選用USB接口的華碩WL-167g無線網(wǎng)卡，提供無線通信功能。

　　硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　圖2 硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

　　在硬件調(diào)試中一個(gè)應(yīng)該注意的問題就是S3C2410A的nWait引腳在不使用時(shí)應(yīng)接上拉電阻，否則系統(tǒng)在啟動(dòng)模式時(shí)將不能正常啟動(dòng)。

　　軟件平臺(tái)

　　vivi是韓國(guó)MIZI公司開發(fā)的Bootloader，適用于ARM9處理器，其作用是初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境設(shè)置成一個(gè)合適的狀態(tài)，以便為運(yùn)行操作系統(tǒng)準(zhǔn)備正確的環(huán)境。引導(dǎo)程序執(zhí)行完后會(huì)將控制權(quán)交給內(nèi)核(zImage)，內(nèi)核是操作系統(tǒng)的核心，內(nèi)核需要的各種配置文件、數(shù)據(jù)及上層軟件都存放在根文件系統(tǒng)之中。整個(gè)軟件平臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　圖3 軟件平臺(tái)示意圖

　　內(nèi)核鏡像的生成

　　這里不贅述內(nèi)核生成方法，需要注意此過程容易遇到三類錯(cuò)誤：一是編譯出錯(cuò)，應(yīng)該檢查庫文件是否齊全，另外gcc版本太高也會(huì)導(dǎo)致編譯錯(cuò)誤，重新安裝低版本gcc后即可解決;二是內(nèi)核配置應(yīng)將Default kernel command string設(shè)置為noinitrd root=/dev/mtdblock3 console=ttySAC0,115200 init=/linuxrc，“console=ttySAC0，115200”使內(nèi)核啟動(dòng)期間的信息全部輸出到串口0上，波特率為115200，“mtdblock3”代表第4個(gè)Nand閃存分區(qū)，該分區(qū)為根文件系統(tǒng)，init是指定啟動(dòng)腳本，“init=/linuxrc”表示啟動(dòng)初始化文件位置;三是應(yīng)該在drivers/mtd/nand/s3c2410.c中，設(shè)置NAND_ECC_SOFT = NAND_ECC_NONE，這樣就關(guān)閉了ECC校驗(yàn)。因?yàn)閮?nèi)核是通過vivi寫到Nand閃存中的，vivi使用的軟件ECC算法與內(nèi)核中校驗(yàn)算法不同。無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)的移植

　　本文使用華碩USB無線網(wǎng)卡WL-167g，其網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)是rt73。

　　移植步驟如下：

　　a、下載RT73_Linux_STA_Drv1.0.4.0.tar.gz，解壓后生成Module和WPA_Supplicant兩個(gè)目錄，將目錄Module中的所有文件都拷貝到內(nèi)核源碼包drivers/usb/net/rt73下，修改Makefile如下編譯選項(xiàng)：

　　KDIR := path/linux-2.6.18

　　path為內(nèi)核源碼包所在路徑。

　　b、由于要在內(nèi)核源碼包里進(jìn)行交叉編譯，所以修改linux-2.6.18 /drivers/usb/net/Kconfig，加入以下內(nèi)容：

　　config RT73

　　tristate“support for rt73 wireless usb device”

　　depends on USB && NET && USB_USBNET

　　c、修改drivers/usb/net/Makefile，加入rt73的編譯項(xiàng)：

　　obj-$(CONFIG_RT73)+= rt73

　　d、對(duì)內(nèi)核重新進(jìn)行配置，

　　將配置界面中新增的“support for rt73 wireless usb device”選為模塊。

　　e、make modules

　　在drivers/usb/net/rt73目錄下生成rt73.ko驅(qū)動(dòng)文件，將rt73.ko放到根文件系統(tǒng)中，再燒寫到ARM板上無線網(wǎng)卡即可正常工作。

　　f、無線網(wǎng)卡的配置

　　無線網(wǎng)卡有managed、Ad-hoc兩種模式。managed模式稱為基礎(chǔ)設(shè)施模式，又稱接入點(diǎn)模式;Ad-hoc模式稱為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式或無中心模式，用來在無線網(wǎng)卡之間進(jìn)行一跳通信。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)就是在Ad-hoc模式基礎(chǔ)上通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議使得該網(wǎng)絡(luò)支持多跳通信，因此該模式的使用和性能對(duì)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的影響至關(guān)重要，以下是Ad-hoc模式配置方法，rausb0表示無線網(wǎng)卡：

　　1)、ifconfig rausb0 10.0.1.1 up

　　設(shè)置節(jié)點(diǎn)IP為10.0.1.1。

　　2)、iwpriv rausb0 set AdhocOfdm=2

　　設(shè)置rausb0為11g only模式，即54M速率模式，這是802.11g所能支持的最高速率。

　　3)、iwconfig rausb0 channel 3

　　設(shè)置信道為3。

　　4)、iwconfig rausb0 mode ad-hoc essid bcnl

　　設(shè)置網(wǎng)卡模式為ad-hoc，essid為“bcnl”。

　　上述配置過程中使用的“iw”開頭的命令都是無線工具集中的命令，其源碼包是wireless_tools.29.tar.gz，經(jīng)過交叉編譯后即可使用。

　　AODV路由協(xié)議的移植

　　本文使用的代碼是aodv-uu-0.9.5.tar.gz。AODV分為兩個(gè)部分，一個(gè)是內(nèi)核態(tài)模塊kaodv.ko，一個(gè)是用戶態(tài)模塊aodvd。AODV主要部分工作在用戶態(tài)，用于維護(hù)內(nèi)核路由表。

　　AODV需要內(nèi)核支持，在內(nèi)核配置時(shí)要選上netfilter選項(xiàng)。先編譯內(nèi)核態(tài)模塊kaodv.ko，步驟如下：

　　a、將aodv-uu-0.9.5/lnx目錄的內(nèi)容拷到內(nèi)核源碼包linux-2.6.18/net/ipv4/kaodv目錄下，修改linux-2.6.18/net/ipv4/Kconfig，添加如下內(nèi)容：

　　config KAODV_UU

　　tristate "support for aodv-uu adhoc routing protocol"

　　b、在linux-2.6.18/net/ipv4/Makefile末尾添加如下的編譯選項(xiàng)：

　　obj-$(CONFIG_KAODV_UU) += kaodv/

　　c、make menuconfig，找到如下的目錄項(xiàng)：

　　Networking --->

　　[*] Networking support Networking options --->

　　support for aodv-uu adhoc routing protocol選為模塊編譯。

　　d、make modules將生成kaodv.ko。以下介紹用戶態(tài)aodvd編譯：

　　將aodv-uu-0.9.5/Makefile做適當(dāng)修改，使其在交叉編譯的環(huán)境下只編譯用戶態(tài)部分。

　　將得到的kaodv.ko和aodvd拷貝到根文件系統(tǒng)中，再燒寫到ARM板上。

　　insmod kaodv.ko

　　./ aodvd

　　這樣aodv協(xié)議就運(yùn)行起來了。在協(xié)議移植中有兩點(diǎn)需要注意：一是Makefile中ARM_CCFLAGS=-mbig-endian應(yīng)該注釋掉，否則運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大小端混亂的問題;二是將kaodv.ko和aodvd分開編譯，因?yàn)橥瑫r(shí)編譯時(shí)總是提示編譯器缺少文件，甚至用其他交叉編譯器依然不能解決問題，而這些錯(cuò)誤大多是編譯內(nèi)核模塊產(chǎn)生的。測(cè)試和結(jié)論

　　為簡(jiǎn)單起見，本測(cè)試使用兩個(gè)筆記本和一個(gè)ARM平臺(tái)組建成Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示，A節(jié)點(diǎn)IP為10.0.1.1，B節(jié)點(diǎn)IP為10.0.1.2，C節(jié)點(diǎn)IP為10.0.1.3(經(jīng)測(cè)試將ARM平臺(tái)做通信端，A或C做中繼，網(wǎng)絡(luò)同樣可以正常運(yùn)行)。

　　圖4 測(cè)試拓?fù)涫疽鈭D

　　為了簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)C節(jié)點(diǎn)不在A節(jié)點(diǎn)一跳范圍內(nèi)，可以使用iptables實(shí)現(xiàn)過濾。

　　在A節(jié)點(diǎn)執(zhí)行：

　　iptables –A INPUT –p ALL –m mac –mac-source C.mac –j DROP

　　在C節(jié)點(diǎn)執(zhí)行：

　　iptables –A INPUT –p ALL –m mac –mac-source A.mac –j DROP

　　以上的C.mac、A.mac是C和A的實(shí)際mac地址，這樣A節(jié)點(diǎn)拒絕C發(fā)給它的數(shù)據(jù)包，C節(jié)點(diǎn)也拒絕A發(fā)給它的數(shù)據(jù)包，保證二者一跳不可達(dá)。

　　在C節(jié)點(diǎn)ping -R 10.0.1.1，鏈路不通，說明過濾成功，B沒有進(jìn)行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。

　　在各節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行AODV后，在C節(jié)點(diǎn)ping -R 10.0.1.1，結(jié)果如圖5所示。

　　圖5 測(cè)試結(jié)果

　　可見，B正確地進(jìn)行了數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)，AODV協(xié)議正常運(yùn)行，ARM平臺(tái)成功運(yùn)行。

　　在A節(jié)點(diǎn)執(zhí)行l(wèi)ftp 10.0.1.3，并下載普通文件。這樣數(shù)據(jù)包由中間的ARM平臺(tái)B轉(zhuǎn)發(fā)，下載完成后，查看C節(jié)點(diǎn)的日志文件/var/log/vsftpd.log，發(fā)現(xiàn)上傳和下載的速率基本相同，有將近700kBps的速率，達(dá)到5.4Mbps的速率。粗略估算聚合物電池供電能使ARM平臺(tái)穩(wěn)定運(yùn)行8小時(shí)。

　　通過以上測(cè)試，搭建一個(gè)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的ARM平臺(tái)的目標(biāo)已經(jīng)達(dá)到。通過對(duì)有多個(gè)ARM平臺(tái)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)某節(jié)點(diǎn)感知無線信號(hào)很弱時(shí)，無線網(wǎng)卡的essid存在自動(dòng)變化的情況。