一種應用于會展中心的MAC層協議的控制機制

郭夢霞

(陜西職業技術學院 管理系,陜西 西安710000)

一種應用于會展中心的MAC層協議的控制機制

郭夢霞

(陜西職業技術學院 管理系,陜西 西安710000)

基于優化會展企業中心無線自組織網絡的目的,采用WTRP協議,將MAC層的WTRP協議應用于無線自組網中的方法,通過無線令牌環協議研究,重點介紹了WTRP協議的控制機制和流程,描述了節點加入網絡和令牌的傳遞機制,得出模型中的節點通過令牌獲得網絡的使用權,而令牌在節點之間傳遞,并以公平和效率為原則。網絡僅需要對令牌進行管理和維護,而不需要對網絡中傳輸的數據進行管理,使得數據在網絡中進行透明的傳輸,增加了網絡的保密性和魯棒性。

會展中心；令牌環WTRP；令牌重構；QOS

隨著近年來商業活動的發展,在商業展覽、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］。近來,會展中心企業的發展速度越來越快,企業每天所需要的數據信息量也越來越大,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的搭建和使用。伴隨著市場需求,以及日益增長的無線業務和電信市場競爭重心的轉移,寬帶無線網絡得到了迅猛的發展和廣泛的部署和使用,主要無線通信技術有3G和WiFi。目前,寬帶無線接入技術基本上都采用最后一跳是無線組網方式,但其在成本投入、組網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］,在展覽會場內會有許多記者。正常情況下他們會在現場使用相機拍下現場實況場景,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當前高速的信息傳播速度。現在,要求記者能在現場采集所需的新聞,并在現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,而寬帶局域網正好適應這種場景。隨著需求越來越大,如果采用其它方式可能慢了許多,因此在展館內提供上網設備成了必然趨勢［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,其主要特點是網絡信道的使用權是通過一種特殊的信號幀-令牌來分配的,且網絡令牌是按照一種預先規定的邏輯環的順序進行傳遞,因此,這種控制方式又稱為令牌環。采用令牌環的控制機制,主要可以避免由于中心節點的退出而導致全網癱瘓的缺點,具有很好的魯棒性和穩定性,而且采用周期性查詢的接入控制,可以為時延敏感的業務提供更好的QOS保障。

WTRP最大的優點在于解決了網絡部分鏈接的問題。其優點在于:相對于單個節點來說是非常健壯的,支持更加復雜的拓撲環境,網絡中所有的節點不需要全部連接構成全通網,并支持更好的QOS保證。當網絡中的節點加入令牌時,僅要求新加入的節點與前節點和下一跳節點連接,新加入節點通過檢查網絡連接表來獲得網絡的連通性信息。當節點要離開令牌環時,離開節點的前一跳節點通過查找網絡連接表來查找下一跳節點（即節點加入和刪除機制）。同時,網絡中的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也采用相應的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獲取令牌,只有獲得令牌后才能發送數據,吞吐量的分配更加靈活和公平。且網絡僅需要接收令牌,不需要對節點發送的數據進行監控,增加了網絡數據的透明性。

2 WTRP令牌環控制機制

在WTRP網絡系統中,按照某種特定的分群算法,將無線網絡初始化劃分為若干個環形拓撲結構的子網絡［5］,如圖1所示。WTRP協議的控制機制分為令牌的競爭（包括網絡初始化,令牌的形成過程）、令牌的獲取、令牌的傳遞、數據幀的傳送、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無線網絡的形成過程。WTRP系統通過某一種競爭算法形成一個功能類似于群首的節點a,a成為該令牌環的擁有者和產生者。節點a負責生成一個初始化令牌消息CLAIM_TOKEN,并全網廣播至網絡中的其他節點,告知網絡中其他節點a為環首節點。下一跳節點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節點其后繼節點為i節點。若節點k的后繼節點是a,當a節點收到前一跳節點k發送的后繼節點令牌消息后,令牌環網絡也即形成。

令牌環的維護過程［6］,由于無線網絡中節點移動產生的不穩定性,網絡中的節點會時常離開或加入的無線網絡,從而導致無線令牌環網絡的斷開,從而導致令牌的丟失或網絡中多個令牌消息的出現,這就需要同時對令牌環網絡進行維護。網絡中每個節點都維護著一張網絡連接列表,保存了該節點在令牌環上與網絡中其它節點的連接情況,即前跳節點和下跳節點信息。該網絡連接列表在系統初始化的時候通過無線令牌的傳遞來完成,當無線網絡拓撲結構發生改變時,通過監測其覆蓋范圍內的其他節點可以完成網絡連接列表的更新。主站點產生一個令牌,將其傳遞給它的下一跳節點,下一跳節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,然后將網絡令牌傳遞給它的后繼節點。以此類推,由于網絡是一個環形網絡,最終令牌將傳回主站點,主站通過檢查維護的序列號SequeneNumber,由此知道無線網絡系統環上有多少個終端節點,隨即修改令牌信令中NON（NumberofNode）字段中的值,再把令牌廣播出去,通知令牌環網絡上的節點環中的終端節點數。這樣,網絡中每個節點都可以建立起一張完整的連接列表。

2.1 令牌網絡初始化

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

圖1 令牌環網絡Fig.1 Token ring network

2.2 節點加入令牌環

若網絡中一個子網的的令牌循環時間,包括每個節點持有令牌的時間即數據發送的時間和令牌在網絡上傳遞的時間之和,該時間沒有因為網絡節點的加入而增長到不可接受的程度,則該環形網絡允許其它網外節點的加入,如圖2所示。

圖2 新節點加入令牌環Fig.2 The nodes joining in the token ring

圖3 節點的加入時序圖Fig.3 The timing diagram of the joining node

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

2.3 節點離開了令牌環

由于無線移動分組網中節點的移動性較大,且不具有規律性,無線網絡中的節點隨時可能離開無線網絡,從而使存在的網絡邏輯連接斷開,因此WTRP監測器需要及時調整網絡結構,更新網絡的拓撲結構,保證通信的正常進行。節點離開網絡的情況可能有如下幾種:

1）網絡中的節點沒有數據傳輸需求,并要求斷開連接；

2）網絡中的節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點,導致異常斷開；

3）網絡中的節點自身移動,離開加入的原網絡。

以下分別對這3種情況進行描述:

情況1,這種情況屬于節點正常的離開。由于網絡中的節點自身知道要離開網絡,因此,在它離開子網斷開連接之前,應進行必要的設置過程,從而保證網絡的拓撲結構和邏輯連通性,如圖4所示。假設網絡節點4沒有數據傳輸,想要退出令牌環,節點4需要通知前一跳節點3和后一跳節點5重新設置后繼節點和前驅節點。節點4向節點3發出設置后繼幀消息令牌,其中包括節點4的后繼節點5的MAC地址,節點3檢測自己的網絡節點連接表,如果節點5在其中,則節點3向節點5發出前驅設置幀令牌。當節點5收到節點3的請求令牌后,將節點3設置為自己的前驅節點。若節點3不能監聽到節點5的令牌,則節點3查找其他后繼節點,令牌環網絡重建,令牌重新形成。

圖4 節點4正常離開令牌環Fig.4 The node leaving the ring

對于情況2和3,由于節點自身的屬性,被破壞或者由于無線傳輸的不可靠性,導致通信鏈路的中斷,此種情況屬于不可預知的異常狀態,需要使用超時定時器進行保護。如圖5所示,當節點4突然從環上斷開,節點4的前驅節點在規定時間內沒有監聽到節點4的存在,沒有收到節點4的令牌幀信息,便知道節點4已經不在令牌環網絡上,于是節點3根據網絡節點連接表選擇下一個節點發送前驅設置幀令牌,從而使令牌環重新愈合。若連接表內無其他網絡節點,則令牌環網絡超時重新建立。

圖5 節點的退出時序圖Fig.5 The timing diagram of the leaving node

2.4 令牌環的重構

當令牌環網絡上有多個令牌幀在運行傳遞或者網絡中某節點失效都有可能引起令牌環網絡不能正常運行,WTRP采用了令牌恢復機制來重構網絡,保證網絡的魯棒性。

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

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

3 WTRP令牌環網絡時序

沖突的消除是由令牌中的節點數目（NoN）標識位來消除的,當網絡中的節點檢測到一個令牌環,首先查看令牌的NoN的值。如果NoN的值設置為最大值,說明令牌子網的節點數達到最大,則節點就會改變其通信信道,并創建新的令牌環子網。否則,節點就會等待加入該令牌環或者改變信道搜索其他存在的令牌環子網。在等待狀態下,節點會停止發送令牌,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子網。

WTRP令牌環網絡時序圖如圖7所示,假設令牌環中有N個節點,Tn表示節點擁有令牌的最大時間,即數據發送的最大時間,若在超時時間內網絡節點的數據發送隊列為空,則決定是否發送solicit_successor令牌。PROP表示數據在信道上的傳播時間（與數據包長度有關）。

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

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

4 結束語

WTRP最大的亮點在于解決了網絡的部分鏈接問題。優點在于:相對于單節點網絡來說是非常健壯的,支持更加復雜的拓撲環境,網絡中所有的節點不需要全部連接構成全通網,及時的更新網絡拓撲結構,并可以更好的支持QOS保證。文中詳細介紹了MAC的無線令牌環協議的控制機制和網絡時序,描述了MAC模型,以及相關的處理過程。網絡節點加入令牌網絡時,僅要求加入節點與前一跳節點和下一跳節點連接,加入節點通過檢查網絡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網絡連接表來查找下一跳節點（網路中節點加入和刪除機制）。網絡中的節點只能響應優先級更高的令牌,更好的支持QOS保證。

［1］焦微玲.基于網絡會展的信息技術應用研究［J］.科技管理研究，2013（19）:55-57.JIAO Wei-ling.Study on the application of information technology based on NetworkExhibition［J］.Science and Technology Management Research，2013（19）:55-57.

［2］李建東,劉凱,翁繼偉.移動分布式無線網絡中具有QoS保證的UPMA協議［J］.電子與信息學報,2003（3）:370-376.LI Jian-dong，LIU Kai，WEN Ji-wei.Mobile distributed wireless networks with QoS guarantees UPMA protocol［J］.Electronics&Information Technology，2003（3）:370-376.

［3］Chatzimisios P，vitsas V.Throughput and delay analysis of IEEE 802.11 protocol［J］.Networked Appliances，2002(9):168-174

［4］趙東風，彭藝，查光明，等.分布式無線令牌環接入技術在無線自主網中的應用研究［J］.電子與信息學報，2005（4）:629-633.ZHAO Dong-feng，PENG Yi，ZHA Guang-ming，et al.Application of distributed wireless token ring technology in the wireless network in theautonomous［J］.Electronics& Information Technology，2005（4）:629-633.

［5］楊琦,石江宏,陳輝煌.無線自組織網絡分布式時隙同步算法［J］.系統工程與電子技術，2011（4）:329-332.YANG Qi，SHI Jiang-hong，CHEN Hui-huang.The MANET distributed slot synchronization algorithm ［J］.Systems Engineering and Electronics，2011（4）:329-332.

［6］蔡劍.無線子網令牌協議［D］.西安:西安電子科技大學, 2007.

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:電子商務會展。