一種面向會展中心的無線自組網MAC層協議的設計

郭夢霞

（陜西職業技術學院 管理系，陜西 西安710000）

隨著商業往來、節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經營管理對于提高企業的利潤有很大幫助[1]。近年來，會展中心企業發展速度越來越快，企業每天的數據信息量也越來越大，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移，寬帶無線網絡得到了迅速發展和廣泛部署，主要技術有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方式，這在組網的靈活性、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、客流量多、臨時展館居多的復雜環境。

1 需求分析

當一個大型展會召開時[2]，在場內會有許多記者。正常情況下他們會用相機拍下現場實況，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當前信息的傳播速度。現在的要求記者能現場采集所需的新聞，并在現場完成整理修改文字、照片稿件，并將成稿及時發往報社。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字式攝相機，現場處理然后回到住地找電話線去發送這些稿件。

很多記者需要將現場的實況整理成文字或者在現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，因此在展館內提供上網設備成了必然趨勢。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，采用有線網絡方案的話是無論如何都不能滿足這種需求的，因此網絡方案必須用無線網絡方案來解決，而且要讓記者們的筆記本能實現漫游的功能[3]。

基于令牌的MAC層協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制，提供了一種公平利用信道的一種方法，節點只有獲得了令牌，才允許發送數據，并可持有令牌一段時間。傳輸完成后，節點發送一個控制包，將令牌發給下一節點。若節點收到令牌，但沒有數據發送，則轉移令牌到下一節點。MAC層模塊的約束是，要兼顧公平和效率[4]。

2 模塊設計

2.1 概述

MAC層模塊使用無線令牌環協議機制，其思想是通過得到令牌來獲得共享信道的接入機制，提供了一種公平利用信道的一種方法，節點只有獲得了令牌，才允許發送數據，并可持有令牌一段時間。傳輸完成后，節點發送一個控制包，將令牌發給下一節點。若節點收到令牌，但沒有數據發送，則轉移令牌到下一節點。WTRP協議分為令牌競爭（網絡初始化，令牌的形成）、令牌的獲取、數據幀的傳送、令牌維護等幾個部分。

如圖1所示，節點D在0時刻發送了序號為0的令牌，節點E在1時刻發送了序號為1的令牌，但是節點D在節點F和節點A的通信范圍之外，即節點D檢測不到F、A之間的令牌。但當節點B發送令牌時，D檢測到令牌的序號增大到3，則說明E節點和B節點之間存在兩個節點。

圖1 數據解析模塊功能表Fig.1 The function of data analysis module table

將令牌應用在無線局域網中，由于無線的傳播環境，對令牌的管理提出了新的要求：

1）擁有令牌的節點可能會與下一節點斷開連接，導致了令牌的丟失；

2）擁有令牌的節點會與整個網絡斷開連接，導致了整個網絡丟失了令；

3）網絡被重新劃分，則新產生的網絡需要產生新的令牌；

4）節點只能和一個節點通信時，就不能構成一個環形拓撲，

5）當兩個或多個使用同一信道的令牌環在通信范圍內時，會導致沖突，除非使用令牌合并機制或更換信道；

6）令牌的合并和丟失令牌的恢復會導致一個令牌環里有多個令牌。

2.2 無線令牌環的管理

WTRP最大的亮點在于解決了部分鏈接問題。優點在于：相對于單節點是非常健壯的，支持復雜的拓撲環境，所有的節點不需要全部連接構成全通網，并可以支持QOS保證。節點加入令牌時，僅要求加入節點與前節點和下一跳節點連接，加入節點通過檢查連接表來獲得連通性信息。當節點要離開令牌環時，離開節點的前一節點通過查找連接表來查找下一跳節點。（節點加入和刪除機制）。節點只能響應優先級更高的令牌，更好的支持QOS保證。并且，WTRP也有機制來保證令牌地址的唯一性，支持相近的多令牌環操作。令牌環中的節點輪流的發送數據，吞吐量的分配更加靈活和公平。

利用優先級來解決多令牌環的問題，由generation sequence number和令牌環地址決定了令牌的優先級。擁有更大代序號的令牌優先級更高。當節點認為下一跳節點不可達時，令牌環恢復機制就被調用，節點會嘗試形成新的令牌環來恢復通信。

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）所有的令牌環均有唯一的令牌環地址。

2）保證令牌環內只有唯一的令牌。

3）保證令牌環是恰當的。

4）管理令牌環內節點的加入和退出。

2.3 控制機制

在WTRP系統中，按照某種分群算法將網絡初始化為若干環形拓撲結構的子網絡，如圖1所示。WTRP協議分為令牌競爭（網絡初始化，令牌的形成）、令牌的獲取、數據幀的傳送、令牌維護等幾個部分[5]。

令牌競爭。令牌競爭過程也就是令牌環的形成過程。WTRP系統通過某種算法競爭出一個類似群首的節點g，g成為該令牌環的擁有者。g負責生成一個初始化令牌消息claim_token，全網廣播至其他節點，告知其他節點g為環首節點。節點i收到后，采用同樣的方式進行標記，并告知g節點i節點為后繼節點。若節點k的后繼節點是g，當g節點收到鄰居節點k發送的后繼節點消息后，令牌環網絡形成，該令牌環的地址既是g的MAC地址。

令牌的獲取。獲取令牌實際上就是獲得信道的使用權，由令牌網絡的擁有者即群首首先獲得令牌，進行數據傳輸。環上節點依照傳輸順序依次獲得令牌。當某個節點如i的前驅節點將令牌傳送給i節點后，i節點便獲得信道使用權，可以進行數據發送，如果沒有服務需求，則將令牌繼續往下傳遞，轉交給i節點的后繼節點。

數據幀的傳送。當節點i獲得令牌后即組織數據發送，然后將令牌再傳遞給其后繼節點，從而使環上每個節點都公平地獲得信道的使用權。

令牌維護。由于在會展中心的環境中，節點（記者使用的便攜網絡設備）的移動性，可能導致令牌的丟失或多個令牌的出現，令牌維護就是為了解決這個問題。首先確定，等待確認的時間必須大于一個數據幀在環上行走一周的時間。如果令牌沒有丟失，該節點必然會第二次收到，從而避免產生新的令牌。如果超期沒有收到，則通過競爭產生新令牌。

MAC子層的接口模塊，接收從上層和底層傳過來的數據包，并從中提取數據，判斷數據包的類型，分別處理，將數據包傳給數據處理模塊。在本模塊中，按照節點的狀態劃分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 無線令牌環狀態機

在WTRP協議中[6]，節點由于數據包的接收、數據包的發送、定時器的超時而改變狀態。Floating狀態和offline狀態下節點會監聽信道，在此狀態下，該節點不屬于任何令牌環。當節點屬于一個令牌環時，節點在idle狀態下等待令牌，如果節點有數據發送則轉到have_token狀態。如果接點還有時間發送數據，則節點發送solicit_successor令牌來邀請其他節點加入令牌環。如果節點要加入令牌環，則節點響應solicit_successor令牌，發送set_successor令牌，并跳到joining狀態。節點發送完數據并轉交令牌后，跳到monitoring狀態，等待確認。若令牌環工作在未飽和條件下，即環內節點數目未達到最大時，節點會在 idle、have_token、soliciting和 monitoring狀態下輪轉。當網絡中的節點數目達到最大時，節點工作在飽和狀態，只能在idle、have_token和monitoring狀態下輪轉。

表1 數據解析模塊功能表Tab.1 The function of data analysis module table

圖2 WTRP協議狀態機Fig.2 WTRP protocol state machine

3.1 Begining狀態

表示了協議的開始，直接跳到floating狀態。

3.2 Floating狀態

節點的初始化并等待加入令牌環狀態。

1)如果節點是自環并且處于idle狀態，當期檢測到存在其它令牌環的令牌時，回到floating狀態，并啟動claim_token_timer定時器。

2)若節點在idle狀態下未獲得令牌且也不能加入其它令牌環，idle_timer定時器超時，回到floating狀態。

3)若節點在floating狀態下發現了其它令牌環的令牌，則等待其它令牌環節點的邀請，延遲發送數據，目的是不影響令牌環的正常操作。

4)若節點未檢測到任何令牌，claim_token_timer定時器超時，則跳的idle狀態，產生自環。

5)若節點收到了solicit_successor令牌，并且節點要加入令牌環，則節點發送set_successor令牌，并轉到joining狀態。

3.3 Offline狀態

在任何狀態下，節點不是自環的條件下，檢測到另一個令牌環的令牌，或者不能轉發令牌到后繼節點，節點就會轉到offline狀態。

進入該狀態后，重新初始化本節點，清空數據隊列，并啟動offline_timer定時器。該狀態只能在offline_timer定時器超時的情況下回到floating狀態。

因為offline_timer定時器的超時時間是Max_Token_Rotation_Time定時器時間的兩倍，在offline狀態下的等待時間對于令牌環內所有的節點發現該節點離開令牌環的時間是足夠的，這是為了防止節點加入了已經關閉了的令牌環。

在該狀態下，節點一直等待，不做任何事情，直到offline_timer定時器超時，回到floating狀態。

3.4 Joining狀態

初始化contention_timer定時器，只有floating狀態下才能回到Joining狀態。當節點收到solicit_sucessor并決定加入令牌環時，節點發送set_sucessor并回到floating狀態。

如果節點收到了set_predecessor令牌，表明連接成功，節點發出set_predecessor令牌確定后繼節點，并跳轉至monitoring狀態。若節點未收到set_predecessor令牌，且contention_timer定時器超時，表明連接失敗，回到floating狀態。

3.5 Soliciting狀態

發送完加入請求，等待其他節點加入狀態，節點初始化solicit_wait_timer定時器，并設置節點數目來延遲發送；若節點在idle狀態下收到令牌，檢查自己的發送隊列，如果為空，則發送solicit_successor令牌，并跳轉至soliciting狀態；若節點是自環，則啟動solicit_wait_timer定時器，超時后發送solicit_successor令牌，狀態跳轉到soliciting；若節點在soliciting狀態下收到了set_successor令牌，表明存在另外的節點響應了該節點的加入邀請請求，節點發送set_predecessor來應答該請求，并跳轉至monitoring狀態。

3.6 Idle狀態

idle空閑狀態，節點不發送數據，在此狀態下，如果節點不是自環，節點啟動idle_timer和inring_timer定時器，否則節點是自環，則只啟動solicit_successor_timer定時器。

當節點將令牌轉發給后繼節點時，節點從idle狀態跳轉到monitoring狀態，等待implicit_ack數據包。收到后繼節點的確認包后，節點回到idle狀態。

若節點收到了優先級更高的令牌時，低優先級令牌被刪除，并發送token_deleted令牌。若數據發送隊列為非空，有數據發送，則跳轉到have_token狀態。

如果數據發送隊列為空，無數據發送時，節點確定是否發送solicit_successor令牌來邀請其它節點加入。若是肯定的，則節點發送solicit_successor令牌，并跳到soliciting狀態。否則，節點轉發令牌，回到monitoring狀態。

如果節點收到了set_successor令牌，表示網內的其它節點要離開網絡，則該節點發送set_predecessor令牌并回到monitoring狀態。節點要離開令牌環時，發送set_successor令牌并回到offline狀態。

3.7 Monitoring狀態

該狀態發送完成轉交令牌后，等待確認的狀態，是為了監控信道來保證令牌的傳遞是否成功。在該狀態下，節點重置num_token_pass_try參數，并啟動token_pass_timer定時器。

Implicit_ack令牌是用來確定令牌的轉發是否成功。如果存在同樣的令牌重傳，則節點發送token_deleted令牌。如果令牌轉發成功，即收到Implicit_ack令牌，則節點回到idle狀態。

3.8 Have Token狀態

節點進入該狀態，進行數據的發送，并初始化token_holding_timer定時器。節點只有在數據發送隊列不為空的時候才能從idle狀態轉移到have_token狀態。若數據發送隊列為空或者token_holding_timer定時器超時，則轉交令牌，并回到monitoring狀態，等待ack確認。

4 結束語

文中詳細介紹了MAC的無線令牌環協議的狀態機和控制機制，并描述了MAC模型，僅對無線自組網的MAC層協議進行了優化，使得網絡中的節點能夠公平、高效率的使用網絡，并以此為基礎，優化會展中心的無線網絡結構，方便會展業務的順利開展和實施，并提高網絡的安全性，減少網絡的擁塞。

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