基于ARM的Ad Hoc网络平台的实现

功能概述

　　由于Ad Hoc网络无中心、动态拓扑等特点，它需要各个节点都具有路由转发功能。本文开发的Ad Hoc网络节点通过在ARM平台上移植路由协议而实现了数据包转发功能。
 

　　图1 节点转发

　　以图1所示的网络进行功能示意，其中A、B、D是普通的移动电脑终端，C是本文开发的ARM平台。A和D是通信的端点，D不在A的一跳范围之内(A的覆盖范围如图中虚线所示)。假设开始时B成为了A和D的中继节点，完成A、D之间的数据转发功能。当B节点出现故障时，C能自动代替B成为新的中继节点，维持A、D之间的通信。

　　该ARM平台除了路由协议以外，同时完成了ftp、iptables等工具的移植，还可以继续增添语音、视频等服务。

　　硬件平台

　　以处理器为核心，无线网卡收到数据包后交给上层处理，需要发出的数据包也由处理器控制无线网卡来发出。当然SDRAM、闪存、电源这些模块也是系统不可缺少的。

　　本文采用ARM920T为内核的三星处理器S3C2410A。S3C2410A 是32位低功耗RISC处理器，同时支持Thumb 16位压缩指令集，其工作频率为203MHz。S3C2410A有292个管脚，集成了许多片上功能，例如以太网控制器、UART控制器、可编程I/O口及中断控制器等。

　　考虑到接口体积，该平台选用USB接口的华硕WL-167g无线网卡，提供无线通信功能。

　　硬件平台设计结构如图2所示。

　　图2 硬件平台结构图

　　在硬件调试中一个应该注意的问题就是S3C2410A的nWait引脚在不使用时应接上拉电阻，否则系统在启动模式时将不能正常启动。

　　软件平台

　　vivi是韩国MIZI公司开发的Bootloader，适用于ARM9处理器，其作用是初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境设置成一个合适的状态，以便为运行操作系统准备正确的环境。引导程序执行完后会将控制权交给内核(zImage)，内核是操作系统的核心，内核需要的各种配置文件、数据及上层软件都存放在根文件系统之中。整个软件平台的结构如图3所示。

　　图3 软件平台示意图

　　内核镜像的生成

　　这里不赘述内核生成方法，需要注意此过程容易遇到三类错误：一是编译出错，应该检查库文件是否齐全，另外gcc版本太高也会导致编译错误，重新安装低版本gcc后即可解决;二是内核配置应将Default kernel command string设置为noinitrd root=/dev/mtdblock3 console=ttySAC0,115200 init=/linuxrc，“console=ttySAC0，115200”使内核启动期间的信息全部输出到串口0上，波特率为115200，“mtdblock3”代表第4个Nand闪存分区，该分区为根文件系统，init是指定启动脚本，“init=/linuxrc”表示启动初始化文件位置;三是应该在drivers/mtd/nand/s3c2410.c中，设置NAND_ECC_SOFT = NAND_ECC_NONE，这样就关闭了ECC校验。因为内核是通过vivi写到Nand闪存中的，vivi使用的软件ECC算法与内核中校验算法不同。无线网卡驱动的移植

　　本文使用华硕USB无线网卡WL-167g，其网卡驱动是rt73。

　　移植步骤如下：

　　a、下载RT73_Linux_STA_Drv1.0.4.0.tar.gz，解压后生成Module和WPA_Supplicant两个目录，将目录Module中的所有文件都拷贝到内核源码包drivers/usb/net/rt73下，修改Makefile如下编译选项：

　　KDIR := path/linux-2.6.18

　　path为内核源码包所在路径。

　　b、由于要在内核源码包里进行交叉编译，所以修改linux-2.6.18 /drivers/usb/net/Kconfig，加入以下内容：

　　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的编译项：

　　obj-$(CONFIG_RT73)+= rt73

　　d、对内核重新进行配置，

　　将配置界面中新增的“support for rt73 wireless usb device”选为模块。

　　e、make modules

　　在drivers/usb/net/rt73目录下生成rt73.ko驱动文件，将rt73.ko放到根文件系统中，再烧写到ARM板上无线网卡即可正常工作。

　　f、无线网卡的配置

　　无线网卡有managed、Ad-hoc两种模式。managed模式称为基础设施模式，又称接入点模式;Ad-hoc模式称为点对点模式或无中心模式，用来在无线网卡之间进行一跳通信。Ad Hoc网络就是在Ad-hoc模式基础上通过网络协议使得该网络支持多跳通信，因此该模式的使用和性能对Ad Hoc网络的影响至关重要，以下是Ad-hoc模式配置方法，rausb0表示无线网卡：

　　1)、ifconfig rausb0 10.0.1.1 up

　　设置节点IP为10.0.1.1。

　　2)、iwpriv rausb0 set AdhocOfdm=2

　　设置rausb0为11g only模式，即54M速率模式，这是802.11g所能支持的最高速率。

　　3)、iwconfig rausb0 channel 3

　　设置信道为3。

　　4)、iwconfig rausb0 mode ad-hoc essid bcnl

　　设置网卡模式为ad-hoc，essid为“bcnl”。

　　上述配置过程中使用的“iw”开头的命令都是无线工具集中的命令，其源码包是wireless_tools.29.tar.gz，经过交叉编译后即可使用。

　　AODV路由协议的移植

　　本文使用的代码是aodv-uu-0.9.5.tar.gz。AODV分为两个部分，一个是内核态模块kaodv.ko，一个是用户态模块aodvd。AODV主要部分工作在用户态，用于维护内核路由表。

　　AODV需要内核支持，在内核配置时要选上netfilter选项。先编译内核态模块kaodv.ko，步骤如下：

　　a、将aodv-uu-0.9.5/lnx目录的内容拷到内核源码包linux-2.6.18/net/ipv4/kaodv目录下，修改linux-2.6.18/net/ipv4/Kconfig，添加如下内容：

　　config KAODV_UU

　　tristate "support for aodv-uu adhoc routing protocol"

　　b、在linux-2.6.18/net/ipv4/Makefile末尾添加如下的编译选项：

　　obj-$(CONFIG_KAODV_UU) += kaodv/

　　c、make menuconfig，找到如下的目录项：

　　Networking --->

　　[*] Networking support Networking options --->

　　support for aodv-uu adhoc routing protocol选为模块编译。

　　d、make modules将生成kaodv.ko。以下介绍用户态aodvd编译：

　　将aodv-uu-0.9.5/Makefile做适当修改，使其在交叉编译的环境下只编译用户态部分。

　　将得到的kaodv.ko和aodvd拷贝到根文件系统中，再烧写到ARM板上。

　　insmod kaodv.ko

　　./ aodvd

　　这样aodv协议就运行起来了。在协议移植中有两点需要注意：一是Makefile中ARM_CCFLAGS=-mbig-endian应该注释掉，否则运行时会产生大小端混乱的问题;二是将kaodv.ko和aodvd分开编译，因为同时编译时总是提示编译器缺少文件，甚至用其他交叉编译器依然不能解决问题，而这些错误大多是编译内核模块产生的。测试和结论

　　为简单起见，本测试使用两个笔记本和一个ARM平台组建成Ad Hoc网络，如图4所示，A节点IP为10.0.1.1，B节点IP为10.0.1.2，C节点IP为10.0.1.3(经测试将ARM平台做通信端，A或C做中继，网络同样可以正常运行)。

　　图4 测试拓扑示意图

　　为了简单地实现C节点不在A节点一跳范围内，可以使用iptables实现过滤。

　　在A节点执行：

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

　　在C节点执行：

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

　　以上的C.mac、A.mac是C和A的实际mac地址，这样A节点拒绝C发给它的数据包，C节点也拒绝A发给它的数据包，保证二者一跳不可达。

　　在C节点ping -R 10.0.1.1，链路不通，说明过滤成功，B没有进行数据包转发。

　　在各节点上运行AODV后，在C节点ping -R 10.0.1.1，结果如图5所示。

　　图5 测试结果

　　可见，B正确地进行了数据包转发，AODV协议正常运行，ARM平台成功运行。

　　在A节点执行lftp 10.0.1.3，并下载普通文件。这样数据包由中间的ARM平台B转发，下载完成后，查看C节点的日志文件/var/log/vsftpd.log，发现上传和下载的速率基本相同，有将近700kBps的速率，达到5.4Mbps的速率。粗略估算聚合物电池供电能使ARM平台稳定运行8小时。

　　通过以上测试，搭建一个Ad Hoc网络的ARM平台的目标已经达到。通过对有多个ARM平台的Ad Hoc网络进行测试，发现当某节点感知无线信号很弱时，无线网卡的essid存在自动变化的情况。