一種應(yīng)用于會展中心的MAC層協(xié)議的控制機制

郭夢霞

(陜西職業(yè)技術(shù)學院 管理系,陜西 西安710000)

一種應(yīng)用于會展中心的MAC層協(xié)議的控制機制

郭夢霞

(陜西職業(yè)技術(shù)學院 管理系,陜西 西安710000)

基于優(yōu)化會展企業(yè)中心無線自組織網(wǎng)絡(luò)的目的,采用WTRP協(xié)議,將MAC層的WTRP協(xié)議應(yīng)用于無線自組網(wǎng)中的方法,通過無線令牌環(huán)協(xié)議研究,重點介紹了WTRP協(xié)議的控制機制和流程,描述了節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)和令牌的傳遞機制,得出模型中的節(jié)點通過令牌獲得網(wǎng)絡(luò)的使用權(quán),而令牌在節(jié)點之間傳遞,并以公平和效率為原則。網(wǎng)絡(luò)僅需要對令牌進行管理和維護,而不需要對網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行管理,使得數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中進行透明的傳輸,增加了網(wǎng)絡(luò)的保密性和魯棒性。

會展中心；令牌環(huán)WTRP；令牌重構(gòu)；QOS

隨著近年來商業(yè)活動的發(fā)展,在商業(yè)展覽、節(jié)假日出游等活動日益增多的背景下,進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］。近來,會展中心企業(yè)的發(fā)展速度越來越快,企業(yè)每天所需要的數(shù)據(jù)信息量也越來越大,會展活動頻率也越來越頻繁［2］。展覽商業(yè)會議中心是一個人員雜亂密集、人口流動性較大的地方,這種情況下正適合于小型無線局域網(wǎng)的搭建和使用。伴隨著市場需求,以及日益增長的無線業(yè)務(wù)和電信市場競爭重心的轉(zhuǎn)移,寬帶無線網(wǎng)絡(luò)得到了迅猛的發(fā)展和廣泛的部署和使用,主要無線通信技術(shù)有3G和WiFi。目前,寬帶無線接入技術(shù)基本上都采用最后一跳是無線組網(wǎng)方式,但其在成本投入、組網(wǎng)的靈活性上不盡如人意,不適用于會展中心這樣人員流動性強、空間大、臨時展館居多、客流量大的復雜環(huán)境。

1 需求分析

當一個大型展會活動召開時［3］,在展覽會場內(nèi)會有許多記者。正常情況下他們會在現(xiàn)場使用相機拍下現(xiàn)場實況場景,并寫下文字記錄,回去后再整理文字及沖洗照片,這樣的速度已不能適應(yīng)當前高速的信息傳播速度?，F(xiàn)在,要求記者能在現(xiàn)場采集所需的新聞,并在現(xiàn)場及時完成整理修改文字、照片稿件,并將成稿及時傳遞回報社。很多記者需要將現(xiàn)場的實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,而寬帶局域網(wǎng)正好適應(yīng)這種場景。隨著需求越來越大,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［4］。

分布式的基于周期查詢的接入控制機制是眾多接入控制機制中的一種,其主要特點是網(wǎng)絡(luò)信道的使用權(quán)是通過一種特殊的信號幀-令牌來分配的,且網(wǎng)絡(luò)令牌是按照一種預先規(guī)定的邏輯環(huán)的順序進行傳遞,因此,這種控制方式又稱為令牌環(huán)。采用令牌環(huán)的控制機制,主要可以避免由于中心節(jié)點的退出而導致全網(wǎng)癱瘓的缺點,具有很好的魯棒性和穩(wěn)定性,而且采用周期性查詢的接入控制,可以為時延敏感的業(yè)務(wù)提供更好的QOS保障。

WTRP最大的優(yōu)點在于解決了網(wǎng)絡(luò)部分鏈接的問題。其優(yōu)點在于:相對于單個節(jié)點來說是非常健壯的,支持更加復雜的拓撲環(huán)境,網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點不需要全部連接構(gòu)成全通網(wǎng),并支持更好的QOS保證。當網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點加入令牌時,僅要求新加入的節(jié)點與前節(jié)點和下一跳節(jié)點連接,新加入節(jié)點通過檢查網(wǎng)絡(luò)連接表來獲得網(wǎng)絡(luò)的連通性信息。當節(jié)點要離開令牌環(huán)時,離開節(jié)點的前一跳節(jié)點通過查找網(wǎng)絡(luò)連接表來查找下一跳節(jié)點（即節(jié)點加入和刪除機制）。同時,網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點只能響應(yīng)優(yōu)先級更高的令牌,更好的支持QOS保證。并且, WTRP也采用相應(yīng)的機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)點輪流的獲取令牌,只有獲得令牌后才能發(fā)送數(shù)據(jù),吞吐量的分配更加靈活和公平。且網(wǎng)絡(luò)僅需要接收令牌,不需要對節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)進行監(jiān)控,增加了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的透明性。

2 WTRP令牌環(huán)控制機制

在WTRP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中,按照某種特定的分群算法,將無線網(wǎng)絡(luò)初始化劃分為若干個環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)的子網(wǎng)絡(luò)［5］,如圖1所示。WTRP協(xié)議的控制機制分為令牌的競爭（包括網(wǎng)絡(luò)初始化,令牌的形成過程）、令牌的獲取、令牌的傳遞、數(shù)據(jù)幀的傳送、無線令牌的維護等幾個部分。

令牌的競爭過程也就是令牌環(huán)無線網(wǎng)絡(luò)的形成過程。WTRP系統(tǒng)通過某一種競爭算法形成一個功能類似于群首的節(jié)點a,a成為該令牌環(huán)的擁有者和產(chǎn)生者。節(jié)點a負責生成一個初始化令牌消息CLAIM_TOKEN,并全網(wǎng)廣播至網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點,告知網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點a為環(huán)首節(jié)點。下一跳節(jié)點i收到初始化令牌后,使用同樣的方式進行標記,并通過廣播的方式通知a節(jié)點其后繼節(jié)點為i節(jié)點。若節(jié)點k的后繼節(jié)點是a,當a節(jié)點收到前一跳節(jié)點k發(fā)送的后繼節(jié)點令牌消息后,令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)也即形成。

令牌環(huán)的維護過程［6］,由于無線網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點移動產(chǎn)生的不穩(wěn)定性,網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點會時常離開或加入的無線網(wǎng)絡(luò),從而導致無線令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)的斷開,從而導致令牌的丟失或網(wǎng)絡(luò)中多個令牌消息的出現(xiàn),這就需要同時對令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)進行維護。網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點都維護著一張網(wǎng)絡(luò)連接列表,保存了該節(jié)點在令牌環(huán)上與網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點的連接情況,即前跳節(jié)點和下跳節(jié)點信息。該網(wǎng)絡(luò)連接列表在系統(tǒng)初始化的時候通過無線令牌的傳遞來完成,當無線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生改變時,通過監(jiān)測其覆蓋范圍內(nèi)的其他節(jié)點可以完成網(wǎng)絡(luò)連接列表的更新。主站點產(chǎn)生一個令牌,將其傳遞給它的下一跳節(jié)點,下一跳節(jié)點在收到令牌后對維護序列號SequenceNumber加1,記錄并保存加1后的值,作為自己的位置標識信息,然后將網(wǎng)絡(luò)令牌傳遞給它的后繼節(jié)點。以此類推,由于網(wǎng)絡(luò)是一個環(huán)形網(wǎng)絡(luò),最終令牌將傳回主站點,主站通過檢查維護的序列號SequeneNumber,由此知道無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)環(huán)上有多少個終端節(jié)點,隨即修改令牌信令中NON（NumberofNode）字段中的值,再把令牌廣播出去,通知令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點環(huán)中的終端節(jié)點數(shù)。這樣,網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點都可以建立起一張完整的連接列表。

2.1 令牌網(wǎng)絡(luò)初始化

在WTRP中,環(huán)上節(jié)點的前驅(qū)域、后繼域就定義了令牌環(huán)以及節(jié)點數(shù)據(jù)的傳輸順序。如圖1所示,假設(shè)系統(tǒng)中有M個無線終端節(jié)點,節(jié)點A通過競爭,成為該令牌環(huán)的群首。隨后,A負責生成一個初始化令牌,并判斷子網(wǎng)內(nèi)容量即網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)是否達到最大節(jié)點數(shù)NoN,如果沒有,則隨機向其下一跳鄰居節(jié)點發(fā)出加入請求信令。如果節(jié)點B要加入,則發(fā)送加入子網(wǎng)信息信令,節(jié)點B就成為節(jié)點A的后繼節(jié)點,A為B的前驅(qū)節(jié)點。A將聲明令牌幀中的Seq和Genseq位域設(shè)置為1,同時記錄下自己的順序號1,然后將該令牌幀發(fā)送給自己的后繼節(jié)點B。以此類推,每個節(jié)點在接收到令牌幀后,都會判斷是否發(fā)出邀請幀信號,邀請鄰近的節(jié)點加入,并設(shè)置自己的順序號Seq。最后直到?jīng)]有節(jié)點加入或者達到子網(wǎng)的容量即最大節(jié)點數(shù),令牌幀再次回到起始節(jié)點A,就構(gòu)成了一個封閉的邏輯令牌環(huán),初始化工作完成,同時環(huán)上的節(jié)點數(shù)也隨之確定。該環(huán)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)地址即是環(huán)首節(jié)點A的MAC地址,節(jié)點A成為令牌網(wǎng)的擁有者。

圖1 令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Token ring network

2.2 節(jié)點加入令牌環(huán)

若網(wǎng)絡(luò)中一個子網(wǎng)的的令牌循環(huán)時間,包括每個節(jié)點持有令牌的時間即數(shù)據(jù)發(fā)送的時間和令牌在網(wǎng)絡(luò)上傳遞的時間之和,該時間沒有因為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的加入而增長到不可接受的程度,則該環(huán)形網(wǎng)絡(luò)允許其它網(wǎng)外節(jié)點的加入,如圖2所示。

圖2 新節(jié)點加入令牌環(huán)Fig.2 The nodes joining in the token ring

圖3 節(jié)點的加入時序圖Fig.3 The timing diagram of the joining node

如圖3所示,假設(shè)節(jié)點7想加入令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò),當環(huán)內(nèi)節(jié)點3檢測到環(huán)外節(jié)點7發(fā)送的令牌后,節(jié)點3設(shè)置節(jié)點加入等待時間定時器,同時全網(wǎng)廣播請求后繼幀信令,其中包含了環(huán)內(nèi)節(jié)點4的MAC地址。當環(huán)外節(jié)點7監(jiān)聽到該信息幀后,啟動并查詢自己維護的節(jié)點連接表,若環(huán)內(nèi)節(jié)點4在其覆蓋范圍內(nèi),于是在一個隨機時隙向環(huán)內(nèi)節(jié)點3發(fā)送后繼幀設(shè)置令牌。當節(jié)點3收到該令牌幀后,設(shè)置環(huán)外7為新的后繼節(jié)點,并向節(jié)點7發(fā)送前驅(qū)節(jié)點設(shè)置令牌。節(jié)點7收到該令牌后,設(shè)置環(huán)內(nèi)節(jié)點4為其新的后繼節(jié)點,并向節(jié)點4發(fā)送一個前驅(qū)節(jié)點設(shè)置幀令牌,這樣就完成了一個新節(jié)點的加入過程,新的令牌環(huán)也即形成。如果節(jié)點3的等待定時器超時溢出,則環(huán)內(nèi)節(jié)點3不做任何操作,令牌環(huán)保持原狀,此次節(jié)點加入令牌環(huán)失敗。

2.3 節(jié)點離開了令牌環(huán)

由于無線移動分組網(wǎng)中節(jié)點的移動性較大,且不具有規(guī)律性,無線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點隨時可能離開無線網(wǎng)絡(luò),從而使存在的網(wǎng)絡(luò)邏輯連接斷開,因此WTRP監(jiān)測器需要及時調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),更新網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu),保證通信的正常進行。節(jié)點離開網(wǎng)絡(luò)的情況可能有如下幾種:

1）網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點沒有數(shù)據(jù)傳輸需求,并要求斷開連接；

2）網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點掉電或無線傳播的不可靠性以及其他故障等,信息無法傳遞到其他節(jié)點,導致異常斷開；

3）網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點自身移動,離開加入的原網(wǎng)絡(luò)。

以下分別對這3種情況進行描述:

情況1,這種情況屬于節(jié)點正常的離開。由于網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點自身知道要離開網(wǎng)絡(luò),因此,在它離開子網(wǎng)斷開連接之前,應(yīng)進行必要的設(shè)置過程,從而保證網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)和邏輯連通性,如圖4所示。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點4沒有數(shù)據(jù)傳輸,想要退出令牌環(huán),節(jié)點4需要通知前一跳節(jié)點3和后一跳節(jié)點5重新設(shè)置后繼節(jié)點和前驅(qū)節(jié)點。節(jié)點4向節(jié)點3發(fā)出設(shè)置后繼幀消息令牌,其中包括節(jié)點4的后繼節(jié)點5的MAC地址,節(jié)點3檢測自己的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點連接表,如果節(jié)點5在其中,則節(jié)點3向節(jié)點5發(fā)出前驅(qū)設(shè)置幀令牌。當節(jié)點5收到節(jié)點3的請求令牌后,將節(jié)點3設(shè)置為自己的前驅(qū)節(jié)點。若節(jié)點3不能監(jiān)聽到節(jié)點5的令牌,則節(jié)點3查找其他后繼節(jié)點,令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)重建,令牌重新形成。

圖4 節(jié)點4正常離開令牌環(huán)Fig.4 The node leaving the ring

對于情況2和3,由于節(jié)點自身的屬性,被破壞或者由于無線傳輸?shù)牟豢煽啃?導致通信鏈路的中斷,此種情況屬于不可預知的異常狀態(tài),需要使用超時定時器進行保護。如圖5所示,當節(jié)點4突然從環(huán)上斷開,節(jié)點4的前驅(qū)節(jié)點在規(guī)定時間內(nèi)沒有監(jiān)聽到節(jié)點4的存在,沒有收到節(jié)點4的令牌幀信息,便知道節(jié)點4已經(jīng)不在令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)上,于是節(jié)點3根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點連接表選擇下一個節(jié)點發(fā)送前驅(qū)設(shè)置幀令牌,從而使令牌環(huán)重新愈合。若連接表內(nèi)無其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,則令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)超時重新建立。

圖5 節(jié)點的退出時序圖Fig.5 The timing diagram of the leaving node

2.4 令牌環(huán)的重構(gòu)

當令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)上有多個令牌幀在運行傳遞或者網(wǎng)絡(luò)中某節(jié)點失效都有可能引起令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)不能正常運行,WTRP采用了令牌恢復機制來重構(gòu)網(wǎng)絡(luò),保證網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。

如果令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)了多個令牌,可能會引起網(wǎng)絡(luò)中多個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)而導致碰撞的產(chǎn)生,破壞無線數(shù)據(jù)傳輸,使網(wǎng)絡(luò)的正常數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)受到影響,因此必須采取必要的措施來消除形成的多余的令牌。在WTRP網(wǎng)絡(luò)中,引入了令牌優(yōu)先級的概念,由Genseq域以及令牌環(huán)地址域RA來決定令牌的優(yōu)先級。令牌在網(wǎng)絡(luò)環(huán)上運行時,網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點可以根據(jù)令牌的生成序號來判斷是繼續(xù)競爭還是退出令牌。如果網(wǎng)絡(luò)中某節(jié)點如節(jié)點A接收到一個比自己優(yōu)先級更低的令牌,則節(jié)點A將該令牌刪除,并通知其前驅(qū)節(jié)點后繼不要接收該令牌信息；如果節(jié)點A接收到的令牌比自己維護的令牌優(yōu)先級高,則節(jié)點A退出令牌競爭,不產(chǎn)生新的令牌；當令牌的生成序列號相同時,則采用環(huán)地址來決定刪除哪些令牌。采用這種方法,可以將一個環(huán)網(wǎng)上冗余的令牌全部刪除掉。

如圖6所示,如果環(huán)上的某節(jié)點如節(jié)點2監(jiān)測到其后繼節(jié)點不可達時,就會激活恢復機制,此時,節(jié)點2將試圖重新形成邏輯環(huán)來進行恢復。節(jié)點2通過查看自己的節(jié)點連接表,能夠很快地找到在傳輸序列中另一個與之相連的節(jié)點如節(jié)點4,于是節(jié)點2向節(jié)點4發(fā)送一個前驅(qū)設(shè)置幀,以阻止節(jié)點4也發(fā)起恢復機制。當節(jié)點4在恢復超時時間未到之前收到節(jié)點2發(fā)送的信息后,便中斷恢復進程,更新自己的前驅(qū)節(jié)點信息,將前驅(qū)節(jié)點設(shè)置為節(jié)點2,從而使邏輯環(huán)閉合。由于重構(gòu)環(huán)網(wǎng)會帶來較大的系統(tǒng)資源開銷,在WTRP中,恢復機制是盡量避免啟動的。

3 WTRP令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)時序

沖突的消除是由令牌中的節(jié)點數(shù)目（NoN）標識位來消除的,當網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點檢測到一個令牌環(huán),首先查看令牌的NoN的值。如果NoN的值設(shè)置為最大值,說明令牌子網(wǎng)的節(jié)點數(shù)達到最大,則節(jié)點就會改變其通信信道,并創(chuàng)建新的令牌環(huán)子網(wǎng)。否則,節(jié)點就會等待加入該令牌環(huán)或者改變信道搜索其他存在的令牌環(huán)子網(wǎng)。在等待狀態(tài)下,節(jié)點會停止發(fā)送令牌,等待solicit_successor令牌。因此,新加入的令牌就不會影響已存在的令牌環(huán)子網(wǎng)。

WTRP令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)時序圖如圖7所示,假設(shè)令牌環(huán)中有N個節(jié)點,Tn表示節(jié)點擁有令牌的最大時間,即數(shù)據(jù)發(fā)送的最大時間,若在超時時間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送隊列為空,則決定是否發(fā)送solicit_successor令牌。PROP表示數(shù)據(jù)在信道上的傳播時間（與數(shù)據(jù)包長度有關(guān)）。

圖6 令牌環(huán)斷開時序圖Fig.6 The disconnected timing diagram of the token ring

圖7 WTRP令牌環(huán)時序圖Fig.7 The timing diagram of the token ring

4 結(jié)束語

WTRP最大的亮點在于解決了網(wǎng)絡(luò)的部分鏈接問題。優(yōu)點在于:相對于單節(jié)點網(wǎng)絡(luò)來說是非常健壯的,支持更加復雜的拓撲環(huán)境,網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點不需要全部連接構(gòu)成全通網(wǎng),及時的更新網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu),并可以更好的支持QOS保證。文中詳細介紹了MAC的無線令牌環(huán)協(xié)議的控制機制和網(wǎng)絡(luò)時序,描述了MAC模型,以及相關(guān)的處理過程。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點加入令牌網(wǎng)絡(luò)時,僅要求加入節(jié)點與前一跳節(jié)點和下一跳節(jié)點連接,加入節(jié)點通過檢查網(wǎng)絡(luò)連接表來獲得連通性信息。當節(jié)點要離開令牌環(huán)時,離開節(jié)點的前一節(jié)點通過查找網(wǎng)絡(luò)連接表來查找下一跳節(jié)點（網(wǎng)路中節(jié)點加入和刪除機制）。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點只能響應(yīng)優(yōu)先級更高的令牌,更好的支持QOS保證。

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An exhibition control mechanism designed for MANET MAC layer protocol

GUO Meng-xia
（Management Department,Shaanxi Vocational and Technical College,Xiˊan 710000，China）

Exhibition Business Center based optimization MANET purpose，using WTRP agreement，the MAC layer protocol for wireless ad hoc network WTRP method，via a wireless token ring protocol research，WTRP agreement focuses on control mechanisms and processes，describing nodes and token passing mechanism，the node in Model to obtain the right to use the token node of the network，while the token is passed between nodes，abbey the principle of fairness and efficiency.The network only need to manage and maintain the token without the need to manage data networks，so that the data transmission in the network more transparent，increasing the network's security.

convention center；wireless token ring protocol；token reconstruction；quality of service

TN919.2

：A

：1674-6236（2015）18-0190-04

2014-12-24稿件編號：201412232

郭夢霞（1983—）,女,河南濮陽人,碩士,助教。研究方向:電子商務(wù)會展。