基于Android的BATMAN協議應用框架的研究

劉旭東，何涇沙

（北京工業大學 軟件學院，北京 100124）

隨著移動互聯時代的來臨，越來越多的服務已經向終端轉移。Android系統作為目前主流的移動設備操作系統，以其免費的特征，以及強大的功能，已經受到越來越多的終端廠家的廣泛使用。如何利用Android系統實現更多的互聯功能成為一個重要的研究領域。移動ad hoc網絡是目前比較熱門的研究領域，如何將移動ad hoc網絡引入Android這種移動操作系統成為一個非常有意義的研究問題[1-2]。利用ad hoc網絡將裝載Android系統的移動設備連接起來，實現在沒有基礎設施的情況下的互聯互通，這將會在發生重大災害的時候實現網絡的組建，實現快速救援。在日常生活領域，越來越多的家電使用Android系統，如果能將家電自動組網連接，將會極大的提高生活的便利性。

在Android系統中構建一套可以廣泛應用的移動ad hoc網絡連接框架，可以為應用程序提供一種高效的連接方式，也可以節省目前移動網絡連接帶來的相關費用。在目前傳統使用ad hoc網絡路由協議中，并沒有哪一種協議特別適合用于Android設備建立ad hoc網絡。BATMAN （The Better Approach To Mobile Adhoc Networking）協議作為最新為移動網絡設計的路由協議，在多方面都適合Android使用。通過修改BATMAN協議的內容，使得整個協議更好的適用于Android組成的ad hoc網絡，也將極大提高網絡的傳輸效率。

1 相關工作

1.1 Android系統

Android是一種基于Linux的自由及開放源代碼的操作系統，主要使用于便攜設備，如智能手機和平板電腦。Android操作系統最初由Andy Rubin開發，主要支持手機。2005年由Google收購注資，并組建開發手機聯盟開發改良隨后，逐漸擴展到平板電腦及其他領域上。2008年10月第一部Android智能手機發布。目前Android的手機已經占領了接近一半的手機市場。在Android的系統中，由于是開源系統，因此可以修改Android的內核，已達到一些附加功能。

對于Android系統，系統本身并沒有提供ad hoc網絡連接的功能與相關機制，但是整個ad hoc的網絡實現對于現實應用場景的使用是非常有意義的。由于Android具有開源的特性，一種方式是通過修改系統的內核，并進行重新編譯達到ad hoc的網絡功能，但是這樣的做法需要系統重新安裝，對于目前使用的客戶極為不方便。因此，本文通過在Android系統的基礎上通過構建一種應用的框架實現ad hoc網絡連接的做法，更加符合當前的要求。因此，本論文旨在通過了解Android的基本結構，實現一個網絡通信框架，通過這個框架，可以使得使用框架的應用之間實現ad hoc網絡的通信功能。

1.2 ad hoc網絡路由協議

由于Android系統具有無線的網絡連接，通過WiFi連接，具備了構建ad hoc網絡的基礎，為了能夠建立移動ad hoc網絡連接，Android設備通過Wifi與其他設備進行連接，雖然這樣可以建立兩個設備的連接，并不能夠實現多跳的網絡。因此，為了實現多跳的網絡，必須采用一種路由協議。傳統的移動ad hoc網絡多采用OLSR協議。OLSR是Optimized Link State Routing的簡稱，主要用于MANET網絡（Mobile Ad hoc network）路由協議。OLSR是根據MANET的要求，在傳統的LS（Link state）協議的基礎上優化的。OLSR中的關鍵概念是多點轉播（MPRs），同傳統LS協議相比，在網絡中分布著部分鏈路狀態信息，尤其適合大而密集型的網絡。

但是，對于Android這種移動ad hoc網絡，當節點不斷增加時，整個的網絡就變得異常的緩慢。BATMAN協議是一種非常好的替代方式，通過采用BATMAN協議，可以很好地進行移動ad hoc網絡的連接[3]。本論文通過在Android上實現BATMAN協議，實現一種網絡框架。BATMAN框架是建立在TCP協議之上，通過無線網絡連接，實現移動ad hoc網絡的多跳連接，并且在連接的基礎上進行相應的數據交換[4-5]。

BATMAN的原始實現是在Linux上完成的，雖然Android系統是在Linux的基礎之上實現的，但是BATMAN的代碼并不能夠在Android上順利運行。Android系統使用Java作為應用開發的語言，BATMAN的C語言代碼如果想要在Android上運行，需要使用 JNI（Java Native Interface）技術將 BATMAN的路由協議生成鏈接庫。因此，為了能夠使BATMAN順利運行，需要重新修改BATMAN代碼，并進行重新的編譯。

2 BATMAN協議

BATMAN協議是一種用于移動ad hoc網絡的路由協議。它主要通過一種OMG包進行路由信息的傳播。每個網絡中的結點定期向其鄰居結點廣播發送OMG包，每個收到OMG包的鄰居結點通過OMG信息更新自己的路由信息，并且根據不同的情況選擇丟棄OMG包，或者繼續將信息廣播給相應的鄰居結點。

每個收到OMG的結點，首先將會將OMG包存入相應的緩存中，以便跟蹤相應的路由信息。每個節點也會更新信息源上次的活躍時間，并且確保目前的路由信息是最新的路由信息。由于移動ad hoc網絡具有移動的特點，因此，很多情況下原本可以連接的結點，很可能在某一段時間不能夠進行連接，為了能夠適應網絡移動性的問題，每個節點都會有一個計時器，當某個鄰居結點在一段時間沒無法連接時，將會對其路由條目。圖1展示了運行BATMAN協議的結點的運行方法。

圖1 結點i運行BATMAN協議流程圖Fig.1 Flow chart of running BATMAN protocol on node i

在這個流程圖中，描述了多跳的工作機制，當一個來自雙向連接的結點OMG到達結點時，或者當一個結點已經成為孤立結點，無法繼續連接時，將會進行更新路由表的操作。當某個應用想要發送信息時，首先需要調用GETNextHop（packet）從路由表中獲取相應的鄰居結點，如果存在達到終點的鄰居結點，將會使用Send（packet）進行發送。當從其他結點獲取到待發送的信息時，首先判斷目標結點是不是當前結點，如果當前節點是目標結點，則收取信息，如果當前結點不是目的結點，判斷終點的地址，選擇轉發或者丟棄。

3 Android系統中實現BATMAN框架

3.1 開啟Android設備ad hoc網絡連接

目前廣泛使用的Android系統中，主要使用兩種比較常見的無線連接方式，一種是藍牙連接，另一種是WiFi（IEEE 802.11g）。當前Android系統中都有支持這兩種連接的API[6]。3G網絡目前也非常常見，但是由于3G連接依賴于基礎網絡設施，因此不適用于移動的ad hoc網絡。藍牙雖然是為ad hoc網絡設計，但是其傳輸距離有限，為了實現大范圍的ad hoc網絡，這種方式并不適合[7]。WiFi提供了一種更遠距離的連接，并且具有更大的帶寬。因此，在WiFi的基礎上建立ad hoc網絡是可能的，而且能夠給很多應用提供便利。

默認情況下，Android設備并不能夠進行ad hoc網絡連接，只能連接到固定的網絡訪問點。為了能夠開啟網絡連接的ad hoc模式，必須了解整個網絡的運行過程。Android設備中，使用wpa_supplicant工具操作網絡，并且使用wpa_supplicant.conf作為其配置文件。為了能夠實現連接，必需修改上述的兩個文件，由于每個Android設備通過芯片的驅動程序完成對其設備的控制，能夠進行ad hoc網絡連接的芯片必須能夠支持無線擴展API（Wireless Extension API），這樣才能控制芯片完成ad hoc網絡連接。因此，目前只有在能夠應用無線擴展API的芯片上才能完成ad hoc網絡連接。

為了能夠使設備支持無線擴展API，可以通過交叉編譯，為設備編譯出可以應用到設備上的相關文件[10-11]。通過重新編譯Android系統的相關部分的源代碼，可以實現BCM4329和BCM4330無線芯片的ad hoc網絡控制。三星公司在其官方網站上公布了以上兩種芯片相關的源代碼，因此使用這兩種芯片的Android設備都可以實現ad hoc網絡連接，表1中列出了使用這些芯片的設備。理論上通過這種方法，可以控制芯片的ad hoc模式連接方式，包括使用這種芯片的iPhone4s和NOKIA Lumia系列。

表1 部分Android設備的無線芯片列表Tab.1 Android device's wireless chip list

3.2 帶有緩存機制的BATMAN協議

標準的BATMAN協議雖然應用于ad hoc網絡，但是當數據終點無法到達時，標準協議的做法是丟棄這些無法到達的數據包。由于移動ad hoc網絡與傳統的ad hoc網絡的最大不同點就在于其移動性。而且由Android構建的ad hoc網絡中節點的移動性更加強烈，同時每個節點相遇的幾率也更大，因此為了能夠以最大效率的提高傳輸率，在每個Android設備中加入一個緩存，能夠最大的效率實現網絡通信。

經過改進后，原有的BATMAN協議結點將會按照如下步驟實現網絡傳輸。

1）判斷下一跳節點聯通性，可以聯通則立刻發送。無法連接，進入步驟2）。

2）將數據包存入臨時緩存，進入步驟3）。

3）每個結點定時檢查緩存，如果連接重新建立立刻傳輸，否則進入步驟4）。

4）檢查每個節點包的存入時間，如果超時，立刻丟棄數據包。超時定義如下：

其中，WINDOWS_SIZE是整個節點的數據窗口大小，ORIGINATOR_INTERVAL是節點檢查緩存的時間間隔。

在Android設備中加入緩存，并且定期檢查每個暫存數據包的連通性會增加整個節點的負擔，但是目前的Android設備具有較大的內存和較強的處理能力，對于增加的處理內容和存儲要求并不會影響整個節點的正常工作，因此是一個比較理想的方案。

3.3 Android應用框架架構

對于ad hoc的框架，使用TCP進行數據的傳輸是非常實用的，并且能夠保證數據包能夠到達鄰居結點。在TCP協議的基礎上，構建BATMAN協議層，在這個層次上實現BATMAN協議的相關機制。最后提供相應的網絡接口，應用程序可以通過調用這些接口建立ad hoc網絡，并且實現相應的功能。圖2展示了整個應用框架的基本結構。通過系統的分層實現，可以提升整個架構的可維護性，以及提升系統的復用性。

圖2 BATMAN框架的基本結構Fig.2 Architecture of BATMAN framework

在Android系統中，可以使用JNI進行C或者C++程序的開發，通過JNI編譯成為Android系統可識別的靜態類庫，因此整個系統采用C++作為開發語言，開發整個應用框架，并且最終編譯成為Android的類庫供應用開發者使用。整個框架的設計基于面向對象的開發方法，進行封裝，力圖開發出簡單實用的Android下的應用框架。圖3為整個框架的UML類圖。通過這個圖能夠很清晰的看出整個框架的設計方式。框架實現后，將會為應用程序提供多個實用的網絡連接接口。通過調用接口，可以實現采用同樣應用框架的應用間實現ad hoc網絡連接。

圖3 Android中BATMAN框架類圖Fig.3 BATMAN framework class diagram

Android中的應用和程序都是使用Java作為編程語言，并且將會編譯成為“.dex”文件用于執行。Android應用中，僅有Activity是用戶可見的部分。BATMAN的C語言代碼使用NDK（Native Development Kit）將 C代碼轉化為 Android可執行代碼。并通過JNI將應用框架載入到應用程序中，實現程序的開發。

4 框架執行效率

基于BATMAN協議的ad hoc網絡框架在日常的應用中具有應用價值，其執行效率也是一個框架性能的重要指標。通過在Android上建立應用框架能夠有效的提高實用性。通過在不同的應用場景中進行測試，可以得到此應用框架的最終執行效率。框架執行效率的測試場景為北京工業大學的教學樓內，使用10部已經加載了BATMAN的Android手機進行相應的測試工作，測試人員使用Android手機在同一樓層中隨機移動，最后從系統中獲取相應的日志對相關的數據進行統計，得到執行效率的相關數據。

測試的第一個指標是數據包送達率，由于測試過程中是節點是隨機移動的，使用本文的應用框架進行數據傳輸，在可以連接的范圍內主要的數據送達率可以達到80%以上，基本能夠滿足日常的簡單數據傳輸功能。圖4給出了在900 s內的數據送達率的情況。

圖4 BATMAN應用框架數據包送達率Fig.4 Packets delivery ratio

另一個比較重要的數據是數據包的延遲，通過一系列的測試，本框架的數據包延遲可以控制在50 ms內，這樣的數據包延遲在日常的應用中是可以接受的。圖5給出了發送0到6萬個包的平均包延遲。

圖5 BATMAN應用框架包延遲Fig.5 Packets delay

通過以上的測試，能夠全面的了解基于Android的BATMAN協議應用框架的相應執行效率，為應用層的使用提供了全面的參考。

5 框架應用

經過測試，整個應用框架效率較高。在實際的應用場景中，通過采用此框架構建一個用于網絡傳輸的Android應用程序。使用3臺Android手機作為測試手機構建一個簡單的ad hoc網絡，在網絡中進行數據傳輸。具體的應用截屏如圖6所示。在這個應用程序中，程序自動發現采用同樣使用此框架開發的應用程序，并且列出其在網絡中的IP地址。

圖6 使用ad hoc應用框架程序截圖Fig.6 Ad hoc application framework program screenshot

6 結 論

Android系統作為目前主流智能設備的操作系統，雖然提供了強大的網絡功能，但是并沒有完全支持ad hoc網絡，通過對BATMAN協議的理解，以及Android開發的整體認識，在Android系統上開發出一個支持BATMAN協議的網絡框架，不但可以方便的使得使用Android系統的設備完成自組網連接，而且可以應用到智能家電、災難救援等領域，具有極強的研究和使用價值。

[1]JHE-YI H，CHIEN-CHENG S，WEI-HSIANG L，et al.Android-based Mobile payment service protected by 3-factor authentication and virtual private ad hoc networking[C].Hong Kong， China，2012:111-116.

[2]HANNO W，TOBIAS H，BACKHAUS R，et al.Establishing Mobile ad-hoc networks in 802.11 infrastructure mode[C]//Las Vegas， NV， United states，2011:49-51.

[3]LAURENTD，NADJM-TEHRANIS.Batmanstore-andforward:The best of the two worlds[C].Department of Computer and Information Science， Linkoping University，SE-581 83 Linkoping， Sweden，2012:721-727.

[4]ELIS K，HIYAMA M，MAKOTO I，et al.Performance comparison of OLSR and Batman routing protocols by a MANET testbed in stairs environment[C]//Graduate School of Engineering， Fukuoka Institute of Technology （FIT）， 3-30-1 Wajiro-Higashi， Higash， 2012:339-349.

[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.

[6]WOOK S，KIYOMOTO S，KAZUHIDE F，et al.A formal model to analyze the permission authorization and enforcement in the Android framework[C]//KDDI R and D Laboratories，Inc.， Saitama 356-8502， Japan，2010:944-951.

[7]WANG Jie，YU Xue，ZENG Yu，et al.The design and realization of campus information release platform based on android framework [C]//SchoolofManagement， Capital Normal University， Beijing 100089， China，2013:121-128.