一種面向會展中心的無線自組網(wǎng)MAC層協(xié)議的設(shè)計

郭夢霞

（陜西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 管理系，陜西 西安710000）

隨著商業(yè)往來、節(jié)假日出游等活動日益增多的背景下，進(jìn)行有效的會展中心企業(yè)經(jīng)營管理對于提高企業(yè)的利潤有很大幫助[1]。近年來，會展中心企業(yè)發(fā)展速度越來越快，企業(yè)每天的數(shù)據(jù)信息量也越來越大，會展活動也越來越頻繁。展覽會館是一個人員密集、流動性較大的地方。這種情況正適合于無線局域網(wǎng)的接入。

隨著市場需求的日益增長及電信市場競爭重心的轉(zhuǎn)移，寬帶無線網(wǎng)絡(luò)得到了迅速發(fā)展和廣泛部署，主要技術(shù)有WiFi和3G。目前，寬帶無線接入基本都是最后一跳采用無線組網(wǎng)方式，這在組網(wǎng)的靈活性、成本投入上不盡如人意，不適用于展會這樣空間大、人員流動性強(qiáng)、客流量多、臨時展館居多的復(fù)雜環(huán)境。

1 需求分析

當(dāng)一個大型展會召開時[2]，在場內(nèi)會有許多記者。正常情況下他們會用相機(jī)拍下現(xiàn)場實(shí)況，寫下文字，然后回去整理文字及沖洗照片，這樣的速度已不能適應(yīng)當(dāng)前信息的傳播速度?，F(xiàn)在的要求記者能現(xiàn)場采集所需的新聞，并在現(xiàn)場完成整理修改文字、照片稿件，并將成稿及時發(fā)往報社。因此許多記者為了加快圖片資料處理速度，都配備了筆記本和數(shù)字式攝相機(jī)，現(xiàn)場處理然后回到住地找電話線去發(fā)送這些稿件。

很多記者需要將現(xiàn)場的實(shí)況整理成文字或者在現(xiàn)場所拍的照片要即時的傳給自己的報社。如果采用其它方式可能慢了許多，因此在展館內(nèi)提供上網(wǎng)設(shè)備成了必然趨勢。其次，在展館中，記者流動性、移動性很大，很難有固定的位置。為了找一個好鏡頭，或是好的資料，常常在場地周圍來回移動，采用有線網(wǎng)絡(luò)方案的話是無論如何都不能滿足這種需求的，因此網(wǎng)絡(luò)方案必須用無線網(wǎng)絡(luò)方案來解決，而且要讓記者們的筆記本能實(shí)現(xiàn)漫游的功能[3]。

基于令牌的MAC層協(xié)議是一個更好的信道接入策略。其思想是通過得到令牌來獲得共享信道的接入機(jī)制，提供了一種公平利用信道的一種方法，節(jié)點(diǎn)只有獲得了令牌，才允許發(fā)送數(shù)據(jù)，并可持有令牌一段時間。傳輸完成后，節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個控制包，將令牌發(fā)給下一節(jié)點(diǎn)。若節(jié)點(diǎn)收到令牌，但沒有數(shù)據(jù)發(fā)送，則轉(zhuǎn)移令牌到下一節(jié)點(diǎn)。MAC層模塊的約束是，要兼顧公平和效率[4]。

2 模塊設(shè)計

2.1 概述

MAC層模塊使用無線令牌環(huán)協(xié)議機(jī)制，其思想是通過得到令牌來獲得共享信道的接入機(jī)制，提供了一種公平利用信道的一種方法，節(jié)點(diǎn)只有獲得了令牌，才允許發(fā)送數(shù)據(jù)，并可持有令牌一段時間。傳輸完成后，節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個控制包，將令牌發(fā)給下一節(jié)點(diǎn)。若節(jié)點(diǎn)收到令牌，但沒有數(shù)據(jù)發(fā)送，則轉(zhuǎn)移令牌到下一節(jié)點(diǎn)。WTRP協(xié)議分為令牌競爭（網(wǎng)絡(luò)初始化，令牌的形成）、令牌的獲取、數(shù)據(jù)幀的傳送、令牌維護(hù)等幾個部分。

如圖1所示，節(jié)點(diǎn)D在0時刻發(fā)送了序號為0的令牌，節(jié)點(diǎn)E在1時刻發(fā)送了序號為1的令牌，但是節(jié)點(diǎn)D在節(jié)點(diǎn)F和節(jié)點(diǎn)A的通信范圍之外，即節(jié)點(diǎn)D檢測不到F、A之間的令牌。但當(dāng)節(jié)點(diǎn)B發(fā)送令牌時，D檢測到令牌的序號增大到3，則說明E節(jié)點(diǎn)和B節(jié)點(diǎn)之間存在兩個節(jié)點(diǎn)。

圖1 數(shù)據(jù)解析模塊功能表Fig.1 The function of data analysis module table

將令牌應(yīng)用在無線局域網(wǎng)中，由于無線的傳播環(huán)境，對令牌的管理提出了新的要求：

1）擁有令牌的節(jié)點(diǎn)可能會與下一節(jié)點(diǎn)斷開連接，導(dǎo)致了令牌的丟失；

2）擁有令牌的節(jié)點(diǎn)會與整個網(wǎng)絡(luò)斷開連接，導(dǎo)致了整個網(wǎng)絡(luò)丟失了令；

3）網(wǎng)絡(luò)被重新劃分，則新產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)需要產(chǎn)生新的令牌；

4）節(jié)點(diǎn)只能和一個節(jié)點(diǎn)通信時，就不能構(gòu)成一個環(huán)形拓?fù)洌?/p>

5）當(dāng)兩個或多個使用同一信道的令牌環(huán)在通信范圍內(nèi)時，會導(dǎo)致沖突，除非使用令牌合并機(jī)制或更換信道；

6）令牌的合并和丟失令牌的恢復(fù)會導(dǎo)致一個令牌環(huán)里有多個令牌。

2.2 無線令牌環(huán)的管理

WTRP最大的亮點(diǎn)在于解決了部分鏈接問題。優(yōu)點(diǎn)在于：相對于單節(jié)點(diǎn)是非常健壯的，支持復(fù)雜的拓?fù)洵h(huán)境，所有的節(jié)點(diǎn)不需要全部連接構(gòu)成全通網(wǎng)，并可以支持QOS保證。節(jié)點(diǎn)加入令牌時，僅要求加入節(jié)點(diǎn)與前節(jié)點(diǎn)和下一跳節(jié)點(diǎn)連接，加入節(jié)點(diǎn)通過檢查連接表來獲得連通性信息。當(dāng)節(jié)點(diǎn)要離開令牌環(huán)時，離開節(jié)點(diǎn)的前一節(jié)點(diǎn)通過查找連接表來查找下一跳節(jié)點(diǎn)。（節(jié)點(diǎn)加入和刪除機(jī)制）。節(jié)點(diǎn)只能響應(yīng)優(yōu)先級更高的令牌，更好的支持QOS保證。并且，WTRP也有機(jī)制來保證令牌地址的唯一性，支持相近的多令牌環(huán)操作。令牌環(huán)中的節(jié)點(diǎn)輪流的發(fā)送數(shù)據(jù)，吞吐量的分配更加靈活和公平。

利用優(yōu)先級來解決多令牌環(huán)的問題，由generation sequence number和令牌環(huán)地址決定了令牌的優(yōu)先級。擁有更大代序號的令牌優(yōu)先級更高。當(dāng)節(jié)點(diǎn)認(rèn)為下一跳節(jié)點(diǎn)不可達(dá)時，令牌環(huán)恢復(fù)機(jī)制就被調(diào)用，節(jié)點(diǎn)會嘗試形成新的令牌環(huán)來恢復(fù)通信。

相對于802.11，WTRP通過減少了由于碰撞的重傳，從而提高了效率。令牌的管理策略：

1）所有的令牌環(huán)均有唯一的令牌環(huán)地址。

2）保證令牌環(huán)內(nèi)只有唯一的令牌。

3）保證令牌環(huán)是恰當(dāng)?shù)摹?/p>

4）管理令牌環(huán)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的加入和退出。

2.3 控制機(jī)制

在WTRP系統(tǒng)中，按照某種分群算法將網(wǎng)絡(luò)初始化為若干環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的子網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。WTRP協(xié)議分為令牌競爭（網(wǎng)絡(luò)初始化，令牌的形成）、令牌的獲取、數(shù)據(jù)幀的傳送、令牌維護(hù)等幾個部分[5]。

令牌競爭。令牌競爭過程也就是令牌環(huán)的形成過程。WTRP系統(tǒng)通過某種算法競爭出一個類似群首的節(jié)點(diǎn)g，g成為該令牌環(huán)的擁有者。g負(fù)責(zé)生成一個初始化令牌消息claim_token，全網(wǎng)廣播至其他節(jié)點(diǎn)，告知其他節(jié)點(diǎn)g為環(huán)首節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)i收到后，采用同樣的方式進(jìn)行標(biāo)記，并告知g節(jié)點(diǎn)i節(jié)點(diǎn)為后繼節(jié)點(diǎn)。若節(jié)點(diǎn)k的后繼節(jié)點(diǎn)是g，當(dāng)g節(jié)點(diǎn)收到鄰居節(jié)點(diǎn)k發(fā)送的后繼節(jié)點(diǎn)消息后，令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)形成，該令牌環(huán)的地址既是g的MAC地址。

令牌的獲取。獲取令牌實(shí)際上就是獲得信道的使用權(quán)，由令牌網(wǎng)絡(luò)的擁有者即群首首先獲得令牌，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。環(huán)上節(jié)點(diǎn)依照傳輸順序依次獲得令牌。當(dāng)某個節(jié)點(diǎn)如i的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)將令牌傳送給i節(jié)點(diǎn)后，i節(jié)點(diǎn)便獲得信道使用權(quán)，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，如果沒有服務(wù)需求，則將令牌繼續(xù)往下傳遞，轉(zhuǎn)交給i節(jié)點(diǎn)的后繼節(jié)點(diǎn)。

數(shù)據(jù)幀的傳送。當(dāng)節(jié)點(diǎn)i獲得令牌后即組織數(shù)據(jù)發(fā)送，然后將令牌再傳遞給其后繼節(jié)點(diǎn)，從而使環(huán)上每個節(jié)點(diǎn)都公平地獲得信道的使用權(quán)。

令牌維護(hù)。由于在會展中心的環(huán)境中，節(jié)點(diǎn)（記者使用的便攜網(wǎng)絡(luò)設(shè)備）的移動性，可能導(dǎo)致令牌的丟失或多個令牌的出現(xiàn)，令牌維護(hù)就是為了解決這個問題。首先確定，等待確認(rèn)的時間必須大于一個數(shù)據(jù)幀在環(huán)上行走一周的時間。如果令牌沒有丟失，該節(jié)點(diǎn)必然會第二次收到，從而避免產(chǎn)生新的令牌。如果超期沒有收到，則通過競爭產(chǎn)生新令牌。

MAC子層的接口模塊，接收從上層和底層傳過來的數(shù)據(jù)包，并從中提取數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)包的類型，分別處理，將數(shù)據(jù)包傳給數(shù)據(jù)處理模塊。在本模塊中，按照節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)劃分6個子模塊，用來識別7種令牌格式，各子模塊如表1所示。

3 無線令牌環(huán)狀態(tài)機(jī)

在WTRP協(xié)議中[6]，節(jié)點(diǎn)由于數(shù)據(jù)包的接收、數(shù)據(jù)包的發(fā)送、定時器的超時而改變狀態(tài)。Floating狀態(tài)和offline狀態(tài)下節(jié)點(diǎn)會監(jiān)聽信道，在此狀態(tài)下，該節(jié)點(diǎn)不屬于任何令牌環(huán)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)屬于一個令牌環(huán)時，節(jié)點(diǎn)在idle狀態(tài)下等待令牌，如果節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送則轉(zhuǎn)到have_token狀態(tài)。如果接點(diǎn)還有時間發(fā)送數(shù)據(jù)，則節(jié)點(diǎn)發(fā)送solicit_successor令牌來邀請其他節(jié)點(diǎn)加入令牌環(huán)。如果節(jié)點(diǎn)要加入令牌環(huán)，則節(jié)點(diǎn)響應(yīng)solicit_successor令牌，發(fā)送set_successor令牌，并跳到j(luò)oining狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)發(fā)送完數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)交令牌后，跳到monitoring狀態(tài)，等待確認(rèn)。若令牌環(huán)工作在未飽和條件下，即環(huán)內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)目未達(dá)到最大時，節(jié)點(diǎn)會在 idle、have_token、soliciting和 monitoring狀態(tài)下輪轉(zhuǎn)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)目達(dá)到最大時，節(jié)點(diǎn)工作在飽和狀態(tài)，只能在idle、have_token和monitoring狀態(tài)下輪轉(zhuǎn)。

表1 數(shù)據(jù)解析模塊功能表Tab.1 The function of data analysis module table

圖2 WTRP協(xié)議狀態(tài)機(jī)Fig.2 WTRP protocol state machine

3.1 Begining狀態(tài)

表示了協(xié)議的開始，直接跳到floating狀態(tài)。

3.2 Floating狀態(tài)

節(jié)點(diǎn)的初始化并等待加入令牌環(huán)狀態(tài)。

1)如果節(jié)點(diǎn)是自環(huán)并且處于idle狀態(tài)，當(dāng)期檢測到存在其它令牌環(huán)的令牌時，回到floating狀態(tài)，并啟動claim_token_timer定時器。

2)若節(jié)點(diǎn)在idle狀態(tài)下未獲得令牌且也不能加入其它令牌環(huán)，idle_timer定時器超時，回到floating狀態(tài)。

3)若節(jié)點(diǎn)在floating狀態(tài)下發(fā)現(xiàn)了其它令牌環(huán)的令牌，則等待其它令牌環(huán)節(jié)點(diǎn)的邀請，延遲發(fā)送數(shù)據(jù)，目的是不影響令牌環(huán)的正常操作。

4)若節(jié)點(diǎn)未檢測到任何令牌，claim_token_timer定時器超時，則跳的idle狀態(tài)，產(chǎn)生自環(huán)。

5)若節(jié)點(diǎn)收到了solicit_successor令牌，并且節(jié)點(diǎn)要加入令牌環(huán)，則節(jié)點(diǎn)發(fā)送set_successor令牌，并轉(zhuǎn)到j(luò)oining狀態(tài)。

3.3 Offline狀態(tài)

在任何狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)不是自環(huán)的條件下，檢測到另一個令牌環(huán)的令牌，或者不能轉(zhuǎn)發(fā)令牌到后繼節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)就會轉(zhuǎn)到offline狀態(tài)。

進(jìn)入該狀態(tài)后，重新初始化本節(jié)點(diǎn)，清空數(shù)據(jù)隊(duì)列，并啟動offline_timer定時器。該狀態(tài)只能在offline_timer定時器超時的情況下回到floating狀態(tài)。

因?yàn)閛ffline_timer定時器的超時時間是Max_Token_Rotation_Time定時器時間的兩倍，在offline狀態(tài)下的等待時間對于令牌環(huán)內(nèi)所有的節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)該節(jié)點(diǎn)離開令牌環(huán)的時間是足夠的，這是為了防止節(jié)點(diǎn)加入了已經(jīng)關(guān)閉了的令牌環(huán)。

在該狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)一直等待，不做任何事情，直到offline_timer定時器超時，回到floating狀態(tài)。

3.4 Joining狀態(tài)

初始化contention_timer定時器，只有floating狀態(tài)下才能回到Joining狀態(tài)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到solicit_sucessor并決定加入令牌環(huán)時，節(jié)點(diǎn)發(fā)送set_sucessor并回到floating狀態(tài)。

如果節(jié)點(diǎn)收到了set_predecessor令牌，表明連接成功，節(jié)點(diǎn)發(fā)出set_predecessor令牌確定后繼節(jié)點(diǎn)，并跳轉(zhuǎn)至monitoring狀態(tài)。若節(jié)點(diǎn)未收到set_predecessor令牌，且contention_timer定時器超時，表明連接失敗，回到floating狀態(tài)。

3.5 Soliciting狀態(tài)

發(fā)送完加入請求，等待其他節(jié)點(diǎn)加入狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)初始化solicit_wait_timer定時器，并設(shè)置節(jié)點(diǎn)數(shù)目來延遲發(fā)送；若節(jié)點(diǎn)在idle狀態(tài)下收到令牌，檢查自己的發(fā)送隊(duì)列，如果為空，則發(fā)送solicit_successor令牌，并跳轉(zhuǎn)至soliciting狀態(tài)；若節(jié)點(diǎn)是自環(huán)，則啟動solicit_wait_timer定時器，超時后發(fā)送solicit_successor令牌，狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到soliciting；若節(jié)點(diǎn)在soliciting狀態(tài)下收到了set_successor令牌，表明存在另外的節(jié)點(diǎn)響應(yīng)了該節(jié)點(diǎn)的加入邀請請求，節(jié)點(diǎn)發(fā)送set_predecessor來應(yīng)答該請求，并跳轉(zhuǎn)至monitoring狀態(tài)。

3.6 Idle狀態(tài)

idle空閑狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)不發(fā)送數(shù)據(jù)，在此狀態(tài)下，如果節(jié)點(diǎn)不是自環(huán)，節(jié)點(diǎn)啟動idle_timer和inring_timer定時器，否則節(jié)點(diǎn)是自環(huán)，則只啟動solicit_successor_timer定時器。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)將令牌轉(zhuǎn)發(fā)給后繼節(jié)點(diǎn)時，節(jié)點(diǎn)從idle狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到monitoring狀態(tài)，等待implicit_ack數(shù)據(jù)包。收到后繼節(jié)點(diǎn)的確認(rèn)包后，節(jié)點(diǎn)回到idle狀態(tài)。

若節(jié)點(diǎn)收到了優(yōu)先級更高的令牌時，低優(yōu)先級令牌被刪除，并發(fā)送token_deleted令牌。若數(shù)據(jù)發(fā)送隊(duì)列為非空，有數(shù)據(jù)發(fā)送，則跳轉(zhuǎn)到have_token狀態(tài)。

如果數(shù)據(jù)發(fā)送隊(duì)列為空，無數(shù)據(jù)發(fā)送時，節(jié)點(diǎn)確定是否發(fā)送solicit_successor令牌來邀請其它節(jié)點(diǎn)加入。若是肯定的，則節(jié)點(diǎn)發(fā)送solicit_successor令牌，并跳到soliciting狀態(tài)。否則，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)令牌，回到monitoring狀態(tài)。

如果節(jié)點(diǎn)收到了set_successor令牌，表示網(wǎng)內(nèi)的其它節(jié)點(diǎn)要離開網(wǎng)絡(luò)，則該節(jié)點(diǎn)發(fā)送set_predecessor令牌并回到monitoring狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)要離開令牌環(huán)時，發(fā)送set_successor令牌并回到offline狀態(tài)。

3.7 Monitoring狀態(tài)

該狀態(tài)發(fā)送完成轉(zhuǎn)交令牌后，等待確認(rèn)的狀態(tài)，是為了監(jiān)控信道來保證令牌的傳遞是否成功。在該狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)重置num_token_pass_try參數(shù)，并啟動token_pass_timer定時器。

Implicit_ack令牌是用來確定令牌的轉(zhuǎn)發(fā)是否成功。如果存在同樣的令牌重傳，則節(jié)點(diǎn)發(fā)送token_deleted令牌。如果令牌轉(zhuǎn)發(fā)成功，即收到Implicit_ack令牌，則節(jié)點(diǎn)回到idle狀態(tài)。

3.8 Have Token狀態(tài)

節(jié)點(diǎn)進(jìn)入該狀態(tài)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，并初始化token_holding_timer定時器。節(jié)點(diǎn)只有在數(shù)據(jù)發(fā)送隊(duì)列不為空的時候才能從idle狀態(tài)轉(zhuǎn)移到have_token狀態(tài)。若數(shù)據(jù)發(fā)送隊(duì)列為空或者token_holding_timer定時器超時，則轉(zhuǎn)交令牌，并回到monitoring狀態(tài)，等待ack確認(rèn)。

4 結(jié)束語

文中詳細(xì)介紹了MAC的無線令牌環(huán)協(xié)議的狀態(tài)機(jī)和控制機(jī)制，并描述了MAC模型，僅對無線自組網(wǎng)的MAC層協(xié)議進(jìn)行了優(yōu)化，使得網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)能夠公平、高效率的使用網(wǎng)絡(luò)，并以此為基礎(chǔ)，優(yōu)化會展中心的無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，方便會展業(yè)務(wù)的順利開展和實(shí)施，并提高網(wǎng)絡(luò)的安全性，減少網(wǎng)絡(luò)的擁塞。

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