LINUX平台下AODV的实现分析

- 1 -LINUX平台下AODV的实现分析1 梁绍芳，武穆清 北京邮电大学信息与通信工程学院，北京 (100876) E-mail：sfliang@bupt.cn 摘 要：adhoc网络中节点既是终端又是路由器的特性，决定了路由协议的优劣在很大程度上影响着adhoc网络的性能。AODV路由协议是目前adhoc网络的主流路由协议之一。在LINUX平台上，AODV的实现分为内核态和用户态两部分。路由算法模块在用户空间完成。本文旨在分析实现AODV的三个主要模块：内核模块，路由算法模块，服务模块及其相互之间的调用关系。并总结了AODV协议实现中LINUX内核的基本操作流程。 关键词：LINUX；路由；AODV；模块化 中图分类号：TN393

1．引言 adhoc网络[1]是一种不需要基础设施的自组织和自管理的网络，每个节点既是主机又是路由器。两个节点之间要进行通信，而对方又不在自己的无线覆盖范围之内，就需要借助其它节点进行转发。adhoc网络具有很强的移动性和灵活性，适用于军事通信、临时性的会议、紧急服务和灾难恢复等。adhoc网络中节点既是终端又是路由器的特性，决定了路由选择的优劣，很大程度上影响着adhoc网络的性能[3]。AODV协议是adhoc网络的主流路由协议之

一。 AODV协议[5]工作的基本流程为：当源节点需要和目的节点进行通信而路由表中没有相

应的路由条目时，源节点发起RREQ路由请求，RREQ逐跳广播，直至目的节点。目的节点收到RREQ后回复RREP消息，RREP按照RREQ的反向路径返回源节点。AODV使用HELLO消息和RERR消息来维护链路的连通性。

2．LINUX内核路由功能 在LINUX系统[2]中，路由功能一般分成两个部分。一部分驻留在操作系统内核中，这部分的任务是基于表驱动的进程，根据路由表的信息，设定正确的地址，将数据分组发往对应的网络接口，我们将这部分称为“分组转发功能模块”。另一部分是实现路由协议的逻辑计算，根据与其它主机的交换信息，计算出到其它节点的正确路由，实现真正的寻找路由和维护路由的功能，我们称这部分为“分组寻路功能模块”。 分组转发功能模块在内核中基于一个内核路由表来工作，每次发送一个数据分组，都要向内核路由表查询，取得对应的下一跳邻居节点的地址和对应的网络接口。内核路由表一般由分组寻路功能模块来操作维护。 分组寻路功能模块负责寻路，它和其它节点交换信息，采用一定的路由协议算法来计算和维护内核路由表。分组寻路功能模块既可以在内核中实现，也可以在用户空间实现，Linux系统自带的分组寻路模块是在内核中实现的。 这样将分组转发功能和分组寻路功能分开以后，可以在分组转发功能模块保持不变的情况下，通过修改分组寻路功能模块，用其它路由协议来替代现有的路由协议。

1本课题得到国家863计划，新一代高可信网络，No. 2008AA01A322；国家自然基金，具有感知能力的自

适应可重配置Ad hoc网络，NO. 60772109资助。

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3．AODV实现方案 AODV路由协议的实现方案，尽可能的利用了Linux操作系统现有的路由机制。实现方案不改变Linux操作系统的分组转发功能模块，巧妙地用新的分组寻路功能模块来替换Linux操作系统现有的分组寻路功能模块。 路由协议的分组寻路功能模块既可以在内核中实现，也可以在用户空间实现。在用户空间寻找到正确的路由以后，再将路由传递到内核中，供分组转发功能模块使用。在内核中实现和在用户空间实现，各有优缺点。在内核中实现的优点在于能够以更快的速度工作，因为它不需要在内核态和用户态之间交换数据。同时，在内核中实现可以用更方便的方法操作数据分组的IP头部域，使得可以根据协议的内容方便地修改IP头部信息。然而，在内核实现的缺点也很明显，它增加了内核态的资源占用，降低了整个系统核心的性能。同时，在内核中实现调试相对困难，开发周期要长。如果程序存在bug，严重的时候将导致内核的不稳定甚至崩溃。同时，内核开发的程序，在移植性兼容性上不如在用户态开发的程序。综合考虑后，AODV在用户空间实现了分组寻路模块。

4．模块概述

4.1内核模块 本模块主要由NETFILTER模块和NELINK模块和缓存队列模块组成。

NF_IP_LOCAL_IN

NF_LOCAL_

OUT

NF_IP_PRE_ROUTINGNF_IP_POST_ROUTING

NF_IP_FORWARDRouting DecisionRouting Decision

Local Process

Network InterfacesIncoming

Packets

Incoming PacketsOutgoing PacketsOutgoing Packets

Forward Packets

图1 NETFILTER的结构 Fig1 Structure of NETFILTER

为了在内核态实现对数据包的监控，AODV利用LINUX的NETFILTER功能，向其挂载点注册钩子函数，截获数据包，进行分析。在NF_IP_PRE_ROUTING，NF_IP_ LOCAL_OUT，NF_IP_POST_ROUTING三处注册钩子函数。其中前两个钩子函数截获数据包以判断内核路由表中是否有相应的路由表项。第三个钩子函数截获数据包获得路由表项的最后使用时间，通知用户态和内核态路由表进行及时地更新。 使用NETLINK来完成内核态和用户态的双向数据传输。内核态和用户态信息的交互主要包括以下几种：KAODVM_ADDROUTE（增加一条路由），KAODVM_DELROUTE（删

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除一条路由），KAODVM_NOROUTE（用户态守护进程没有找到路由），KAODVM_REPAIR（路由修复），KAODVM_TIMEOUT（启用内核模块中终止队列路由定时功能时，当终止队列中某路由超时时向用户态发送此消息）。KAODVM_ROUTE_UPDATE（更新路由表项的最后使用时间），KAODVM_SEND_RERR（向用户态发送错误消息）。 当NETFILTER检测到内核路由表中没有相应的路由表项时，便会通过缓存队列子模块将数据包缓存，当AODV路由算法程序查找到路由之后，通知缓存队列模块将缓存的数据包发送出去。

图2 内核，缓存，用户之间的交互 Fig2 Interaction of kernel, cache and user

4.2路由算法模块 本模块主要由接口模块和AODV控制帧消息模块组成。 AODV控制信息的发送和接收使用专用的UDP654接口。路由算法实现使用DAEMON进程，这样可以使路由算法模块不受控制台的影响在后台一直工作，完成分组寻路功能。守护进程的主循环体守护在UDP654端口和NETLINK接口上。 使用SOCKET来侦听654端口发送过来的AODV控制消息，并调用RREQ模块、RREP模块、RERR模块和HELLO模块的相应消息处理函数进行处理。NETLINK端口用来监听从内核发给用户态的消息，进行分类处理，或调用RREQ模块的路由发现函数发起路由发现，或调用RREQ模块的本地修复函数发起本地修复，或调用TIMEOUT模块将路由置为超时，或调用RERR模块发送RERR消息，或调用用户态路由表模块更新路由生存时间，或向内核发送消息要求内核对终止队列进行增加和删除，或告诉内核路由发现失败，或发送给内核配置信息。

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图3 SOCKET侦听消息流程 Fig3 Process of listening message by SOCKET

RREQ模块完成的主要功能是：如果节点确定它需要一条到目的节点的路由而路由表中没有该路由或是该路由是无效路由，则节点发送一个RREQ。RREP模块完成的主要功能是：如果节点收到一个到某个目的节点的路由请求，当节点具有一条足够新的路由来满足该路由请求，或者它本身就是目的节点，那么这个节点产生一个RREP，把RREP单播至通往RREQ源节点的下一跳。RERR模块完成的主要功能是：链路修复失败，节点向所有的邻节点广播路由错误消息RERR，通过路由错误消息RERR的广播，其他节点就知道链路断开了，并根据接收到的RERR包对断开的链路进行相应地处理。HELLO模块完成的主要功能是：确认邻居间的一跳连接性。

4.3服务模块 本模块主要由链表服务模块，操作内核路由表模块，DEBUG模块。用来为主要模块服务。 链表服务模块为其它所有模块提供所需的链表操作，包括：生成，添加，分离元素，遍历等等。操作内核路由表模块用来对内核路由表进行操作，包括修改，删除，查询等以及相关信息的查询。DEBUG模块完成AODV协议所需要的日志记录，错误，消息内容的打印输出等。

5．内核基本操作流程

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