MIMC無線Ad Hoc網絡MAC協議研究

段立軍，喬平安，周敏

（西安郵電大學陜西西安710061）

MIMC無線Ad Hoc網絡MAC協議研究

段立軍，喬平安，周敏

（西安郵電大學陜西西安710061）

在提高網絡容量、帶寬以及吞吐量方面，多網卡多信道技術是目前此領域研究的熱點。由于帶有控制信道的MAC層協議存在著網絡容量小、信道利用率低等問題。本文研究了無控制信道的多網卡多信道MAC層協議，對此協議信道接入控制和數據結構進行了研究設計，在此基礎上，針對多網卡多信道的Ad Hoc網絡提出了一種體系結構，此結構能夠適應現有操作系統的需求，對于研究多網卡多信道Ad Hoc網絡提供了新的思路。

多網卡多信道；Ad Hoc；MAC層協議；信道接入控制；體系結構

移動Ad Hoc網絡是一種多跳的、無中心節點的自組織網絡，以往的采用單網卡單信道來傳輸數據，并未達到理想的效果，而且造成了多信道的浪費。目前，由于硬件成本不斷降低，多網卡已經成為一種可能，采用多網卡是有效的提高網絡吞吐量的一種主要方法。但是在一個多跳無線網絡的節點上網卡少信道多的情況下如何有效分配網卡及信道仍然有一些挑戰性的問題。

1　MIMC移動Ad Hoc網絡研究現狀

目前，多網卡多信道Ad Hoc網絡MAC層協議研究主要分為有控制信道和無控制信道，典型的有控制信道的MAC協議是動態信道分配協議（DCA）［1］，DCA協議采用的是公共控制信道來完成信道預約，通過預約好的信道來完成數據傳輸，每個節點配備兩個半雙工收發機，一個收發機一直監聽在公共信道上，另外一個收發機則在其他的信道上切換。這種結構適合小型的網絡，當網絡較大時，公共控制信道可能成為影響網絡性能的一個瓶頸。

這種無控制信道的典型協議是DIM［2］（Dual-interface Management）協議，下面我們就來分析這種無控制信道的多網卡多信道協議，以及它的網卡和信道分配策略。

1.1混合式的網卡分配策略

采用固定與動態相結合的混合信道分配［3］方法，這種方法是將節點的某些網卡分配一個對應的固定信道，而其他的網卡在信道中切換。這種方法既保持了固定信道分配的簡單性，又具有信道切換的靈活性，DIM協議就使用這種混合式的方法。

1.2公共信道的協調策略

在無線網絡傳輸中，如果兩個節點的網卡都沒有分配到一個公共的信道，就不可能進行通信。如果需要通信，這兩個節點就必須通過協調切換到同一個信道上。如何來完成這種接入控制，是個策略問題。

有一種技術就是將每個節點的一個網卡固定在一個信道上，相鄰的節點使用的固定信道不同，每個節點對附近所有的節點宣布它的固定信道信息，固定網卡主要用來接收消息。每個節點剩余的網卡在剩余的信道中切換來發送數據。由于發送節點知道接收節點的固定信道，所以它將它的非固定的網卡切換到接收節點的固定網卡上發送數據。本文協議就是采用這種固定網卡與非固定網卡相結合的策略。

2　MIMC（multi-interface multi-channel）分配協議的設計

文獻［4］首先對MIMC網絡進行了研究。MIMC是一種多網卡多信道分配協議，能應用于現有的IEEE802.11的硬件開發上的多網卡多信道MAC協議，協議主要包括以下幾個方面的內容。

2.1網卡的分配方案

固定網卡：采用混合式的分配方案，假設每個節點有M個網卡，其中N個網卡以“長時間間隔”分配給N個信道，把這些網卡稱為固定網卡，對應的信道叫做固定信道。（M＞=2和m＞n＞=1）

可切換網卡：稱剩余的M-N個網卡為可切換網卡，它們依據通信量動態地以“短時間間隔”分配給剩余的M-N個信道，可切換網卡依據通信量頻繁地在剩余信道間切換，對應的信道稱為“可切換信道”。網卡的信道分配圖如圖1所示。

圖1　網卡的信道分配Fig.1NIC channel allocation

增加一個廣播網卡［5］，專門用來進行廣播消息的發送和接受。使每一個信道與一個隊列相關聯。這樣可以減少隱藏終端產生分組碰撞的問題。

2.2協議操作的實例

為了簡化協議的描述，假設所有節點有兩個網卡，指定一個是固定網卡，一個是可切換網卡。每個節點維持含有鄰居節點正使用的固定信道的鄰接表（Neighbor Table）。初始化時，節點隨意選擇一個信道作為固定信道，并通過“hello”廣播分組通知鄰居節點。每當發送節點要發送數據包時，將它的信道切換到接收節點的固定信道并且發送數據包。

下面用兩個網卡三個信道的鏈路層協議操作實例圖2說明了節點間通信協議的操作過程。假設：節點A有分組經由節點B送到節點C。節點A，B，C在信道3，2，1上分別是他們的固定網卡，在信道1，3，2上分別是他們的可切換網卡。第一步，節點A將可切換信道從信道1切換到信道2（B的固定信道），節點B就能夠收到這個分組，因為節點B的固定網卡總數正在監聽信道2。第二步，節點B將可切換網卡切換到信道1，并轉發分組至C節點，節點C使用它的固定網卡接收這個分組。

圖2　兩個網卡三個信道的鏈路層協議操作實例Fig.2Link layer protocol of two cards of the three channels Walkthrough

2.3MIMC協議需要保存的數據表

每個節點的固定信道的選擇采用一種分布式的方式，初始化時，隨機選擇一個信道作為固定信道。每個節點維護一個鄰居表（NeighborTable）如表1所示，包含它的鄰居的MAC地址，IP地址以及正在使用的固定信道。節點的鄰居表是通過鄰居節點廣播的Hello分組形成的，在第一次初始化完成之后，節點選擇與它的鄰居節點不相同的固定信道。此外，節點還會維持一個信道使用表（Channel Usage List）如表2所示，表中含有節點兩跳范圍內每個信道作為固定信道的計數。

表1　鄰居表Tab.1Neighbor table

表2　信道使用表Tab.2Channel usage list

每個節點定期的通過廣播網卡廣播發送Hello分組，Hello分組包括節點目前正在使用的固定信道信息和當前的鄰居表，附近的鄰節點通過收到的Hello分組來完成鄰居表和信道使用表的更新。這樣節點的信道使用表就包含二跳節點內信道的使用信息。

2.4協議算法流程

當節點收到來自上層的分組時：

1）判斷是否為廣播消息，是則通過廣播網卡將此消息的拷貝加入到廣播隊列中。否則轉到2）。

2）查找目的地址，通過目的地址的固定信道，將數據包插入到此信道隊列［6］中，通過可切換網卡來完成數據包的傳輸。

3　適用于MIMC網絡的一種體系結構

在應用多網卡多信道MAC協議應用的過程中，網卡的頻繁切換必然影響網絡的性能，網卡的切換時延大小也會影響網絡的性能，通過修改驅動程序，可以使切換時延減少到5 ms之內，如此頻繁的切換則可行。但是要實現頻繁的網卡切換，需要操作系統內核全新的支持。

3.1節點結構的更改

為了隱藏多網卡的復雜性，虛擬MAC層管理著各個網卡當前的信道、鄰居表以及信道使用表，無論實際網卡是多少或者有多少個，虛擬MAC層只給高層提供一個單一的虛擬網卡，網絡層是不需要知道分組是由哪個網卡轉發出去的，也不用知道分組是從哪個網卡接收過來的。這樣，現有的高層協議就不需要修改，減少了不必要的麻煩，如圖3虛擬網絡分層圖所示。

圖3　虛擬網絡分層Fig.3Virtual network stratified

3.2系統的體系結構

圖4　Linux內核Fig.4Linux kernel

以Linux為例，Linux內核的網絡協議是多層設計的，Linux內核如圖4所示。

圖5　MIMC協議體系機構Fig.5MIMC protocol architectures

在Linux網絡體系結構下，我們設計了一種新的抽象組件來管理網卡跨多信道切換，在Linux的內核空間中增加此抽象組件，如圖5 MIMC協議體系結構圖所示。將這個抽象組件放在網絡協議與設備驅動程序中間。此抽象組件從邏輯上看可以屬于鏈路層，這種方法的好處是可以拋開設備驅動的特殊性，符合上一部分提出的節點結構［7］。由圖可知，抽象組件的主要優勢是屏蔽了高層管理多網卡多信道的復雜性，所以現有的Ad Hoc路由協議、ARP機制無須進行任何修改即可使用。

4　結論

本文對基于多網卡多信道的Ad Hoc網絡信道分配協議和網卡分配進行了研究，通過研究出一種新的抽象層來管理多網卡，并且在現有的操作系統上，支持網卡的切換，最主要的是它隱藏了多網卡的復雜性。文章也對多網卡多信道的MAC層協議進行了研究，下一步的工作就是通過實驗來證明在這種新的系統體系下，無控制信道的MAC協議性能更好。

［1］Wu S L，Lin C Y，Tseng Y C，et al.A new multi-channel MAC protocol with on-demand channel assignment for multihop mobile Ad Hoc networks［C］//The 5th Intel Symp.on ParallelArchitectures，Algorithms，andNetworks.Washington，2000：232-237.

［2］趙蘊龍，康世龍，高振國，等.雙網卡多信道無線MAC協議［J］.計算機科學，2012，39（4）：79-81. ZHAOYun-long，KANGShi-long，GAOZhen-guo，etal. Practical dual WIFI NIC and Multi-channel MAC protocol［J］. Computer Science，2012，39（4）：79-81.

［3］Kyasanur P，Vaidya NH.Routing and Link-layer Protocols for Multi-Channel Multi-Interface Ad Hoc wireless networks［C］. Mobile Computing and Communications Review，2010.

［4］Kyasanur P，Vaidya N H.Routing and Interface Assignment in Multi-channel Multi-interface wireless networks［C］//IEEE Wireless Communications and Networking Conference.USA，2005：2053-2078.

［5］張新剛，李秀芹.多接口多信道MANET下多徑路由及接口分配策略［J］.計算機工程與應用，2011，47（28）：97-99. ZHANG Xin-gang，LI Xiu-qin.Multi-path routing and interface assignment for multi-interface multi-channel MANETS 2011［J］.Computer Engineering and Application，2011，47（28）：97-99.

［6］Xiaowei Ni，Chunxiu Xu，Muqing Wu，et al.DNCA：An efficient channel assignment for multi-interface multi-channel Ad Hoc wireless networks 2012［C］//Network Infrastructure and Digital Content（IC-NIDC），2012 3rd IEEE International Conference on，2012：39-43.

［7］施超，梁建峰，燕迎祥，等.電氣設備合并單元通信單元軟件的設計［J］.陜西電力，2013（8）：41-44. SHI Chao，LIANG Jian-feng，YAN Ying-xiang，et al.Design of software for communication unit in electrical equipment merging unit［J］.Shaanxi Electric Power，2013（8）：41-44.

Multi-interface multi-channel wireless MAC protocol for Ad Hoc networks

DUAN Li-jun，QIAO Ping-an，ZHOU Min
（Xi'an University of Post and Telecommunications，Xi'an 710061，China）

In terms of increased network capacity，bandwidth，and throughput，multi-interface multi-channel technology is the focus of current research in this area.Having a control channel MAC layer protocol with network capacity and low channel utilization problems exist.This paper studies the multi-interface multi-channel MAC protocol without control channel，this channel access control and data structures are studied.Based on this design，aiming at the multi-interface multi-channel Ad Hoc networks presents a system structure，this structure can adapt to the needs of the existing operating system，and provides a new idea for research on multi card multi channel Ad Hoc networks.

multi-interface multi-channel；Ad Hoc；MAC；channel access control；architecture

TN925+.1

A

1674-6236（2015）20-0089-03

2015-01-07稿件編號：201501049

段立軍（1989—），男，陜西渭南人，碩士研究生。研究方向：物聯網通信技術。