基于Android的BATMAN协议应用框架的研究

刘旭东，何泾沙

（北京工业大学 软件学院，北京 100124）

随着移动互联时代的来临，越来越多的服务已经向终端转移。Android系统作为目前主流的移动设备操作系统，以其免费的特征，以及强大的功能，已经受到越来越多的终端厂家的广泛使用。如何利用Android系统实现更多的互联功能成为一个重要的研究领域。移动ad hoc网络是目前比较热门的研究领域，如何将移动ad hoc网络引入Android这种移动操作系统成为一个非常有意义的研究问题[1-2]。利用ad hoc网络将装载Android系统的移动设备连接起来，实现在没有基础设施的情况下的互联互通，这将会在发生重大灾害的时候实现网络的组建，实现快速救援。在日常生活领域，越来越多的家电使用Android系统，如果能将家电自动组网连接，将会极大的提高生活的便利性。

在Android系统中构建一套可以广泛应用的移动ad hoc网络连接框架，可以为应用程序提供一种高效的连接方式，也可以节省目前移动网络连接带来的相关费用。在目前传统使用ad hoc网络路由协议中，并没有哪一种协议特别适合用于Android设备建立ad hoc网络。BATMAN （The Better Approach To Mobile Adhoc Networking）协议作为最新为移动网络设计的路由协议，在多方面都适合Android使用。通过修改BATMAN协议的内容，使得整个协议更好的适用于Android组成的ad hoc网络，也将极大提高网络的传输效率。

1 相关工作

1.1 Android系统

Android是一种基于Linux的自由及开放源代码的操作系统，主要使用于便携设备，如智能手机和平板电脑。Android操作系统最初由Andy Rubin开发，主要支持手机。2005年由Google收购注资，并组建开发手机联盟开发改良随后，逐渐扩展到平板电脑及其他领域上。2008年10月第一部Android智能手机发布。目前Android的手机已经占领了接近一半的手机市场。在Android的系统中，由于是开源系统，因此可以修改Android的内核，已达到一些附加功能。

对于Android系统，系统本身并没有提供ad hoc网络连接的功能与相关机制，但是整个ad hoc的网络实现对于现实应用场景的使用是非常有意义的。由于Android具有开源的特性，一种方式是通过修改系统的内核，并进行重新编译达到ad hoc的网络功能，但是这样的做法需要系统重新安装，对于目前使用的客户极为不方便。因此，本文通过在Android系统的基础上通过构建一种应用的框架实现ad hoc网络连接的做法，更加符合当前的要求。因此，本论文旨在通过了解Android的基本结构，实现一个网络通信框架，通过这个框架，可以使得使用框架的应用之间实现ad hoc网络的通信功能。

1.2 ad hoc网络路由协议

由于Android系统具有无线的网络连接，通过WiFi连接，具备了构建ad hoc网络的基础，为了能够建立移动ad hoc网络连接，Android设备通过Wifi与其他设备进行连接，虽然这样可以建立两个设备的连接，并不能够实现多跳的网络。因此，为了实现多跳的网络，必须采用一种路由协议。传统的移动ad hoc网络多采用OLSR协议。OLSR是Optimized Link State Routing的简称，主要用于MANET网络（Mobile Ad hoc network）路由协议。OLSR是根据MANET的要求，在传统的LS（Link state）协议的基础上优化的。OLSR中的关键概念是多点转播（MPRs），同传统LS协议相比，在网络中分布着部分链路状态信息，尤其适合大而密集型的网络。

但是，对于Android这种移动ad hoc网络，当节点不断增加时，整个的网络就变得异常的缓慢。BATMAN协议是一种非常好的替代方式，通过采用BATMAN协议，可以很好地进行移动ad hoc网络的连接[3]。本论文通过在Android上实现BATMAN协议，实现一种网络框架。BATMAN框架是建立在TCP协议之上，通过无线网络连接，实现移动ad hoc网络的多跳连接，并且在连接的基础上进行相应的数据交换[4-5]。

BATMAN的原始实现是在Linux上完成的，虽然Android系统是在Linux的基础之上实现的，但是BATMAN的代码并不能够在Android上顺利运行。Android系统使用Java作为应用开发的语言，BATMAN的C语言代码如果想要在Android上运行，需要使用 JNI（Java Native Interface）技术将 BATMAN的路由协议生成链接库。因此，为了能够使BATMAN顺利运行，需要重新修改BATMAN代码，并进行重新的编译。

2 BATMAN协议

BATMAN协议是一种用于移动ad hoc网络的路由协议。它主要通过一种OMG包进行路由信息的传播。每个网络中的结点定期向其邻居结点广播发送OMG包，每个收到OMG包的邻居结点通过OMG信息更新自己的路由信息，并且根据不同的情况选择丢弃OMG包，或者继续将信息广播给相应的邻居结点。

每个收到OMG的结点，首先将会将OMG包存入相应的缓存中，以便跟踪相应的路由信息。每个节点也会更新信息源上次的活跃时间，并且确保目前的路由信息是最新的路由信息。由于移动ad hoc网络具有移动的特点，因此，很多情况下原本可以连接的结点，很可能在某一段时间不能够进行连接，为了能够适应网络移动性的问题，每个节点都会有一个计时器，当某个邻居结点在一段时间没无法连接时，将会对其路由条目。图1展示了运行BATMAN协议的结点的运行方法。

图1 结点i运行BATMAN协议流程图Fig.1 Flow chart of running BATMAN protocol on node i

在这个流程图中，描述了多跳的工作机制，当一个来自双向连接的结点OMG到达结点时，或者当一个结点已经成为孤立结点，无法继续连接时，将会进行更新路由表的操作。当某个应用想要发送信息时，首先需要调用GETNextHop（packet）从路由表中获取相应的邻居结点，如果存在达到终点的邻居结点，将会使用Send（packet）进行发送。当从其他结点获取到待发送的信息时，首先判断目标结点是不是当前结点，如果当前节点是目标结点，则收取信息，如果当前结点不是目的结点，判断终点的地址，选择转发或者丢弃。

3 Android系统中实现BATMAN框架

3.1 开启Android设备ad hoc网络连接

目前广泛使用的Android系统中，主要使用两种比较常见的无线连接方式，一种是蓝牙连接，另一种是WiFi（IEEE 802.11g）。当前Android系统中都有支持这两种连接的API[6]。3G网络目前也非常常见，但是由于3G连接依赖于基础网络设施，因此不适用于移动的ad hoc网络。蓝牙虽然是为ad hoc网络设计，但是其传输距离有限，为了实现大范围的ad hoc网络，这种方式并不适合[7]。WiFi提供了一种更远距离的连接，并且具有更大的带宽。因此，在WiFi的基础上建立ad hoc网络是可能的，而且能够给很多应用提供便利。

默认情况下，Android设备并不能够进行ad hoc网络连接，只能连接到固定的网络访问点。为了能够开启网络连接的ad hoc模式，必须了解整个网络的运行过程。Android设备中，使用wpa_supplicant工具操作网络，并且使用wpa_supplicant.conf作为其配置文件。为了能够实现连接，必需修改上述的两个文件，由于每个Android设备通过芯片的驱动程序完成对其设备的控制，能够进行ad hoc网络连接的芯片必须能够支持无线扩展API（Wireless Extension API），这样才能控制芯片完成ad hoc网络连接。因此，目前只有在能够应用无线扩展API的芯片上才能完成ad hoc网络连接。

为了能够使设备支持无线扩展API，可以通过交叉编译，为设备编译出可以应用到设备上的相关文件[10-11]。通过重新编译Android系统的相关部分的源代码，可以实现BCM4329和BCM4330无线芯片的ad hoc网络控制。三星公司在其官方网站上公布了以上两种芯片相关的源代码，因此使用这两种芯片的Android设备都可以实现ad hoc网络连接，表1中列出了使用这些芯片的设备。理论上通过这种方法，可以控制芯片的ad hoc模式连接方式，包括使用这种芯片的iPhone4s和NOKIA Lumia系列。

表1 部分Android设备的无线芯片列表Tab.1 Android device's wireless chip list

3.2 带有缓存机制的BATMAN协议

标准的BATMAN协议虽然应用于ad hoc网络，但是当数据终点无法到达时，标准协议的做法是丢弃这些无法到达的数据包。由于移动ad hoc网络与传统的ad hoc网络的最大不同点就在于其移动性。而且由Android构建的ad hoc网络中节点的移动性更加强烈，同时每个节点相遇的几率也更大，因此为了能够以最大效率的提高传输率，在每个Android设备中加入一个缓存，能够最大的效率实现网络通信。

经过改进后，原有的BATMAN协议结点将会按照如下步骤实现网络传输。

1）判断下一跳节点联通性，可以联通则立刻发送。无法连接，进入步骤2）。

2）将数据包存入临时缓存，进入步骤3）。

3）每个结点定时检查缓存，如果连接重新建立立刻传输，否则进入步骤4）。

4）检查每个节点包的存入时间，如果超时，立刻丢弃数据包。超时定义如下：

其中，WINDOWS_SIZE是整个节点的数据窗口大小，ORIGINATOR_INTERVAL是节点检查缓存的时间间隔。

在Android设备中加入缓存，并且定期检查每个暂存数据包的连通性会增加整个节点的负担，但是目前的Android设备具有较大的内存和较强的处理能力，对于增加的处理内容和存储要求并不会影响整个节点的正常工作，因此是一个比较理想的方案。

3.3 Android应用框架架构

对于ad hoc的框架，使用TCP进行数据的传输是非常实用的，并且能够保证数据包能够到达邻居结点。在TCP协议的基础上，构建BATMAN协议层，在这个层次上实现BATMAN协议的相关机制。最后提供相应的网络接口，应用程序可以通过调用这些接口建立ad hoc网络，并且实现相应的功能。图2展示了整个应用框架的基本结构。通过系统的分层实现，可以提升整个架构的可维护性，以及提升系统的复用性。

图2 BATMAN框架的基本结构Fig.2 Architecture of BATMAN framework

在Android系统中，可以使用JNI进行C或者C++程序的开发，通过JNI编译成为Android系统可识别的静态类库，因此整个系统采用C++作为开发语言，开发整个应用框架，并且最终编译成为Android的类库供应用开发者使用。整个框架的设计基于面向对象的开发方法，进行封装，力图开发出简单实用的Android下的应用框架。图3为整个框架的UML类图。通过这个图能够很清晰的看出整个框架的设计方式。框架实现后，将会为应用程序提供多个实用的网络连接接口。通过调用接口，可以实现采用同样应用框架的应用间实现ad hoc网络连接。

图3 Android中BATMAN框架类图Fig.3 BATMAN framework class diagram

Android中的应用和程序都是使用Java作为编程语言，并且将会编译成为“.dex”文件用于执行。Android应用中，仅有Activity是用户可见的部分。BATMAN的C语言代码使用NDK（Native Development Kit）将 C代码转化为 Android可执行代码。并通过JNI将应用框架载入到应用程序中，实现程序的开发。

4 框架执行效率

基于BATMAN协议的ad hoc网络框架在日常的应用中具有应用价值，其执行效率也是一个框架性能的重要指标。通过在Android上建立应用框架能够有效的提高实用性。通过在不同的应用场景中进行测试，可以得到此应用框架的最终执行效率。框架执行效率的测试场景为北京工业大学的教学楼内，使用10部已经加载了BATMAN的Android手机进行相应的测试工作，测试人员使用Android手机在同一楼层中随机移动，最后从系统中获取相应的日志对相关的数据进行统计，得到执行效率的相关数据。

测试的第一个指标是数据包送达率，由于测试过程中是节点是随机移动的，使用本文的应用框架进行数据传输，在可以连接的范围内主要的数据送达率可以达到80%以上，基本能够满足日常的简单数据传输功能。图4给出了在900 s内的数据送达率的情况。

图4 BATMAN应用框架数据包送达率Fig.4 Packets delivery ratio

另一个比较重要的数据是数据包的延迟，通过一系列的测试，本框架的数据包延迟可以控制在50 ms内，这样的数据包延迟在日常的应用中是可以接受的。图5给出了发送0到6万个包的平均包延迟。

图5 BATMAN应用框架包延迟Fig.5 Packets delay

通过以上的测试，能够全面的了解基于Android的BATMAN协议应用框架的相应执行效率，为应用层的使用提供了全面的参考。

5 框架应用

经过测试，整个应用框架效率较高。在实际的应用场景中，通过采用此框架构建一个用于网络传输的Android应用程序。使用3台Android手机作为测试手机构建一个简单的ad hoc网络，在网络中进行数据传输。具体的应用截屏如图6所示。在这个应用程序中，程序自动发现采用同样使用此框架开发的应用程序，并且列出其在网络中的IP地址。

图6 使用ad hoc应用框架程序截图Fig.6 Ad hoc application framework program screenshot

6 结 论

Android系统作为目前主流智能设备的操作系统，虽然提供了强大的网络功能，但是并没有完全支持ad hoc网络，通过对BATMAN协议的理解，以及Android开发的整体认识，在Android系统上开发出一个支持BATMAN协议的网络框架，不但可以方便的使得使用Android系统的设备完成自组网连接，而且可以应用到智能家电、灾难救援等领域，具有极强的研究和使用价值。

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[5]JOSH T，JEFF R，NICK M.Off grid communications with android meshing the Mobile world [C]//Accuvant LABS Research Consulting Group， Bedford， MA， United States，2012:401-405.

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