基于無線鏈狀網的中央控制單元設計*

朱全繼，呂欣巖，慕福奇,，冷永清

(1.中國科學院大學 電子電氣與通信工程學院，北京 101400; 2.江蘇中科羿鏈通信技術有限公司，江蘇 無錫 214000; 3.中國科學院微電子研究所，北京 100029)

基于無線鏈狀網的中央控制單元設計*

朱全繼1，呂欣巖2，慕福奇2,3，冷永清3

(1.中國科學院大學 電子電氣與通信工程學院，北京 101400; 2.江蘇中科羿鏈通信技術有限公司，江蘇 無錫 214000; 3.中國科學院微電子研究所，北京 100029)

無線鏈狀網絡是無線傳感器網絡的一種特殊的拓撲結構，在應對特殊場景時通信效果顯著。文章詳細介紹了無線鏈狀網的節點網絡與外部網絡之間的中央控制單元的體系結構、功能劃分和設計方法。設計的中央控制單元需要實現對鏈狀網絡內節點的流量控制，并且通過SNMP實現對鏈狀網絡內的節點進行管理、維護和升級的功能。

無線鏈狀網；中央控制單元；流量控制；簡單網絡管理協議(SNMP)

0 引言

無線傳感器網絡是當前國際上備受關注的通信網絡。無線傳感器網絡大大提高了人們獲取客觀物理信息的能力[1]，有十分廣闊的應用場景，因此被廣泛應用于軍事國防、抗災救險、生物醫療、交通運輸等領域。但是在應對特殊的應用場景(如高速公路、橋梁隧道、邊防監控)[2]時，傳統的移動通信網絡很難滿足需求。無線鏈狀網絡[3]是無線傳感器網絡的一種特殊的拓撲結構，其除具有無線傳感器網絡的一般特點外，還具有以下幾個顯著的特點[4]：(1)節點拓撲相對穩定；(2)節點位置相對固定；(3)數據交互按照節點部署定向傳輸。無線鏈狀網絡的節點組成“鏈狀”路徑，所有的網絡節點共同構成一個鏈狀網絡，主控節點有線連接至網絡的中央控制單元，再通過中央控制單元連接到Internet或其他通信網絡。

由于無線鏈狀網的鏈狀屬性，隨著節點數目的增多，匯聚到連接在外部網絡的節點的流量負載急劇增加[5]。中央控制單元是鏈狀網絡與其他通信網絡的橋梁，其設計實現對整個鏈狀網絡的控制和管理具有重大意義[6]。中央控制單元的設計[7]包含控制層面、業務層面和管理層面?？刂茖用嫱瓿晒濣c鑒權、準入和負載控制等功能；業務層面完成對業務流的雙向轉發；管理層面實現對節點配置、網絡拓撲管理維護、節點升級維護的工作。

1 無線鏈狀網絡的拓撲結構

無線鏈狀網絡的拓撲結構[8]如圖1所示。網絡中任意兩個無線節點之間的數據通路有且只有一條，每個節點都可以掛載終端設備。中央控制單元位于各鏈狀網的首節點(圖1的Node1節點)和廣域網之間的服務器上，無線節點的入網鑒權和負載控制都需要通過中央控制單元完成；針對數據業務，如圖中Camera傳送視頻業務和AP傳送語音業務，網絡上的此類節點將采集到的業務數據通過多跳路由傳遞到中央控制單元，再由中央控制單元通過外部網絡傳遞到業務管理系統進行數據的集中處理；網管系統對節點升級、管理和維護的控制信令可以通過中央控制單元進行轉發[9]。

圖1 無線鏈狀網拓撲結構

圖3 網絡控制層的功能結構

無線鏈狀網的中央控制單元主要有4個大模塊：底層Linux內核、網絡轉發層、網絡控制層和網絡管理層。結構示意圖如圖2所示。Linux內核提供文件系統、IP協議棧和內存管理器。網絡控制層主要負責節點的網絡準入控制、擁塞控制、資源調度和消息分發。網絡轉發層提供本地節點信息保存、節點版本升級消息傳遞、節點控制消息代理和路由維護管理的功能。網絡管理層使用簡單網絡管理協議[10-11](Simple Network Management Protocol , SNMP)管理網絡節點信息，由Agent和NMS(Network Manager System)組成，Agent負責采集和監控網絡節點的參數，NMS依據MIB(Management Information Base)向Agent發出各種查詢或設置請求，Agent根據請求做出相應的處理，并將結果返回給NMS。

整個系統分為多個模塊，每個模塊啟動一個進程，進程并發執行。網絡轉發模塊和SNMP Agent模塊之間通過socket方式進行通信，與網絡控制層之間的通信則通過socket和共享內存的方式，SNMP Agent與網絡控制層之間的通信通過共享內存的方式，進程與進程之間的同步使用互斥量實現。

圖2 中央控制單元結構示意圖

2 子模塊設計

2.1 網絡控制層設計

網絡控制層的設計實現了節點的控制，包含鏈狀網網內的節點準入控制、拓撲維護以及擁塞控制的功能[12]，是中央控制單元的控制面。其功能結構如圖3所示。

在中央控制單元的網絡控制層，心跳檢測模塊用來檢測中央控制單元管控下的首節點是否在線，心跳檢測報文由中央控制單元周期性發送給首節點，報文中攜帶了該網絡所對應的中央控制單元的屬性信息，節點側的業務控制層面會對心跳報文進行處理，根據首節點是否已經與中央控制單元建立通信鏈接，分成兩種情況進行處理。首節點未注冊情況下，收到心跳消息時，會觸發節點注冊流程，即向中央控制單元發送請求注冊報文，中央控制單元收到后根據網絡規格及相關信息判定是否允許節點注冊，并將注冊結果通過應答報文反饋給首節點。如果首節點已經注冊，收到心跳后，首節點仍然需要回復心跳應答報文進行應答，作為節點仍然在線的證明。另外，中央控制單元發送的心跳請求報文攜帶了已經注冊過的首節點的信息，如果首節點的控制層面發現中央控制單元記錄的信息與自身的信息不一致，則會重新觸發節點注冊流程，更新控制單元記錄的節點信息。中央控制單元會檢測在周期內是否收到過首節點的心跳確認報文。如果在檢測周期內未收到某些已注冊的首節點反饋的確認報文，則中央控制單元認為這些節點已經掉線，需要觸發拓撲維護模塊進行后續拓撲更新處理。

準入控制和拓撲維護模塊完成節點的入網同步，節點添加或者刪除時拓撲結構的更新保存，以及節點出現故障上傳告警信息。

其中準入控制模塊流程如圖4所示。

圖4 首節點接入CCU

節點申請接入時會調用MAC_CCU_INIT模塊，MAC_CCU_ACCESS完成CCU入網模塊的初始化工作。該進程一直監聽首節點上發送給中央控制單元的接入請求消息，收到后根據消息類型的不同調用相應的模塊作相應處理。MAC_CCU_SCHEDULE實現對流量調度。對網絡中的每一條流的流量進行調度處理完成后，相應模塊會構造應答幀，壓入發送消息隊列，等待應答。并且當新節點入網之后拓撲會發生變動，會調用MAC_ACCESS_RPT進行入網同步。

網絡擁塞控制實現的是完成整個網絡中每條流的帶寬分配，由于網絡中每條鏈路可以傳輸的最大帶寬是受限的且是動態改變的，當網絡中的某個節點的前向鏈路超負荷時，就需要重新分配流經該節點的所有流的可用帶寬[13]。有4種情況可能會導致中央控制單元的流量調度：

(1)網絡中某個節點有一條新的業務數據流或需要更大的帶寬來支撐業務數據流(超過上報門限)。此時該節點會向中央控制單元發送帶寬請求消息，調度處理模塊會找到請求消息中待處理的流所流經的所有節點，并找出瓶頸節點：如果瓶頸節點的未用帶寬大于請求消息中請求的帶寬，則同意節點的請求并回復應答消息；如果瓶頸節點的可用帶寬小于請求消息中請求的帶寬，則找出流經瓶頸節點的所有業務數據流，根據每條流的優先級，按流量分配算法重新計算每條流的可用帶寬以及待處理的流的可用帶寬，并構造帶寬請求消息，發送給所有需要改變的節點。

(2) 網絡中某個節點通過自適應調制編碼(Adaptive Modulation and Coding，AMC)機制改變調制編碼時會通過消息上報到中央控制單元，節點調制編碼方式的改變會使其前向鏈路帶寬改變，這就會影響流經該節點的所有流，這時也需要中央控制單元判斷該節點的前向鏈路是否超負荷，若鏈路擁塞，則需要重新分配涉及到的流的帶寬，并告知所有涉及的節點。

(3)若已有的流請求減小帶寬或結束，只需要對一條流上的所有節點進行更新即可。

(4)當網絡中的拓撲更新時，拓撲改變就意味著新增加了一些鏈路或某些鏈路失去控制，增加鏈路可能會導致原有的流會流經以前不存在的鏈路，而刪除鏈路則可能導致部分原有流的繼續存在變得沒有意義，當損壞的鏈路重新修復后還可能導致其前向鏈路的實際帶寬信息與中央控制單元記錄的帶寬信息不一致。此時也需要根據鏈路的帶寬信息確定是否需要重新計算各條流的帶寬。

2.2 網絡轉發層設計

網絡轉發層需要實現如下功能，如表1所示。在這些功能模塊下共設計了3個子進程：轉發子進程、升級子進程和QoS子進程[14]。

轉發子進程轉發的報文主要分為兩類，一類是數據報文，另一類是控制類報文。其中，控制報文又分為管理控制信令和網絡控制消息[15]。數據報文主要來自節點的業務數據信息(如照片、監控視頻、語音等)，數據報文在節點鏈路上向中央控制單元方向傳遞，到達中央控制單元后對比本地路由表轉發到目的地。

升級子進程是為了解決系統在偏遠地區現場升級成本太高且不方便。本系統中遠程升級有兩種模式，一種是全網升級，另一種是單個節點升級。全網升級采用廣播的方式，適用于整個網絡的版本升級更新。單節點升級模式采用的是單播的方式，適用于全網升級后，對一些個別的沒有升級成功的節點進行單獨的版本升級更新[16]。

網絡層對收到的包默認采取FCFS(First Come First Served)[17]，也即先來先服務的策略。這樣當網絡情況不穩定或者帶寬不能滿足的情況下，一些重要業務的服務質量就不能得到保證。所以，本文在系統中加入了QoS模塊[18]。QoS主要分為3種類型：綜合服務模型(Integrated Service)、區分服務模型(Differentiated Service)、盡力而為服務模型(Best-Effort Service)。各種類型都有各自的應用場景和優缺點。在本系統中，采用了盡力而為服務模型，根據IP的目的端口區分不同的服務，而對不同的服務采用不同的優先級處理，保證網絡服務質量。中央控制單元保存網絡內設備所有狀態信息、配置信息。將狀態信息、配置信息分為控制單元的配置信息及節點的配置信息兩類。配置信息的保存形式為T(Type-Length-Value)的字符串。而后中央控制單元將配置信息定期存入到文件系統中。

表1 網絡轉發層的主要功能模塊

2.3 網絡管理層設計

SNMP由一組網絡管理的標準組成，包含一個應用層協議、數據庫模型和一組資源對象[19]。該協議能夠支持網絡管理系統，用以監測連接到網絡上的節點是否有任何引起管理上值得關注的情況。SNMP規定只有兩種操作：Get、Set，前者獲取節點的管理信息，后者通過設置變量值來達到配置節點。

網絡管理層的SNMP Agent子進程主要實現中央控制單元和網絡管理之間數據代理的功能[20]。實現的結構框圖如圖5所示。主要功能模塊包括代理端、管理信息庫，以及與被管設備或資源交互的適配層。Agent代理端的主要功能是與網管服務器通過SNMP標準的通訊元語進行交互。SNMP以管理信息庫(MIB)為基礎來描述被監管資源，由此建立的數據集和稱之為MIB庫。它是一種樹型結構的數據庫，被監管的對象都處于葉子節點上。每個被監管對象都由一個唯一的對象標識符來識別。MIB表中導入的數據有兩個來源，一類是數據相對于代理處于外部，適合于監視和操縱外部數據的MIB，例如節點上的屬性都屬于此類。第二類是數據為代理所有，代理對數據的操縱直接反映到數據源，如Trap Receiver消息。

圖5 SNMP Agent子進程結構框圖

3 結論

本文提出了一種針對無線鏈狀網絡節點控制、管理和維護的設計系統——無線鏈狀網中央控制單元，該系統可以收集到無線節點的配置和屬性信息，對業務數據信息進行流量控制，實現對節點的遠程調度、管理維護和升級。網絡管理平臺可以通過該中央控制單元顯示出該網絡內節點的實時拓撲結構、節點告警信息、節點上傳的圖像和視頻信息。無線鏈狀網絡是一門新興的研究領域，隨著研究的不斷深入，人們也會體會到無處不在的無線網絡帶來的便捷和高效。

[1] 程文.無線傳感器網絡研究現狀與應用[J].電子測試, 2016, 7(6):8-9.

[2] CAPELLA J, CAMPELO J, BONASTRE A, et al. A reference model for monitoring IoT WSN-based applications[J]. Sensors, 2016, 16(11):1816.

[3] 鐘露. 鏈狀無線傳輸系統的設計[J].數字技術與應用, 2013(12):25,116.

[4] 郭太磊. 基于路燈鏈狀Mesh網絡的無線組網研究和實現[D]. 杭州：杭州電子科技大學, 2012.

[5] 王亞麗. 無線傳感器網絡流分析與流控制技術研究[D]. 北京：北京郵電大學, 2012.

[6] SHEN S, HUANG L, LIU J, et al. Reliability evaluation for clustered WSNs under malware propagation[J]. Sensors, 2016, 16(6):855.

[7] 徐金星.無線傳感器網絡研究與設計[D].杭州：浙江大學,2005.

[8] AGUIRRE E, LOPEZ-ITURRI P, AZPILICUETA L, et al. Analysis of wireless sensor network topology and estimation of optimal network deployment by deterministic radio channel characterization[J]. Sensors (Basel), 2015, 15(2):3766-3788.

[9] KOTOBELLI E, ZANAJ E, ALINCI M, et al. A modified clustering algorithm in WSN[J]. International Journal of Advanced Computer Science & Applications, 2015, 6(7): 63-67.

[10] 張杰. 基于SNMP的網絡管理系統的研究與實現[D]. 上海：東華大學, 2008.

[11] 李雄偉, 孫大躍, 馬曉,等. 基于SNMP網絡管理系統的研究與開發[J]. 網絡安全技術與應用, 2007(6):41-44.

[12] 溫景容. 無線自組網MAC層及相關技術研究[D]. 北京：北京郵電大學, 2013.

[13] NGO T D. LinkMind: Link optimization in swarming mobile sensor networks[J]. Sensors, 2011, 11(8):8180-8202.

[14] 楊挺.無線傳感器網絡QoS體系研究[D].天津:天津大學,2005.

[15] ZHANG D G, WANG X, SONG X D, et al. A new clustering routing method based on PECE for WSN[J]. EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, 2015, 2015(1):162.

[16] ZHOU H, WU Y, FENG L, et al. A security mechanism for cluster-based WSN against selective forwarding[J]. Sensors, 2016, 16(9):1537.

[17] RAMASAMY S, DAMAN O A, SANI S. An M/G/2 M/G/2 queue where customers are served subject to a minimum violation of FCFS queue discipline[J]. European Journal of Operational Research, 2015, 240(1):140-146.

[18] IVERSEN V B, EPIFANIA E. Network control and engineering for QoS, security and mobility II[C]. Conference on Network Control and Engineering for Qos, DBLP, 2003:90-103.

[19] 喬晶峰, 趙曦. SNMP網管技術及其在時統系統中的應用[J]. 電子技術與軟件工程, 2015(8):44-45.

[20] 林川, 王漢軍, 陳庚午. 基于SNMP的數據采集框架[J]. 計算機系統應用, 2016, 25(5):55-59.

Design of the central control unit for wireless chain network

Zhu Quanji1, Lv Xinyan2, Mu Fuqi2,3, Leng Yongqing3

(1.School of Electronic, Electrical and Communication Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 101400, China; 2.Jiangsu Zhongke Yilian Communication Technology Co., Ltd, Wuxi 214000, China; 3.Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China)

Wireless Chain Network (WCN) is a special kind of topological structure of Wireless Sensor Network (WSN), it has a significant communication effect when dealing with the special scenes. This article introduces the structures, functions and designs of central control unit between wireless chain network and external network. The central control unit designed needs to realize the flow control of chain network nodes, and also realize the management, maintenance and upgrade of the nodes through SNMP.

Wireless Chain Network (WCN); Central Control Unit (CCU); flow control; Simple Network Management Protocol (SNMP)

國家自然科學基金青年科學基金(61501455)；北京市自然科學基金面上項目(4162068)

TP393.09

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.15.025

朱全繼，呂欣巖，慕福奇，等.基于無線鏈狀網的中央控制單元設計[J].微型機與應用，2017,36(15)：87-90.

2017-02-08)

朱全繼(1992-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：自組網MAC層算法研究。E-mail：zhuquanji@ciotc.org。

呂欣巖(1976-)，男，博士研究生，高級工程師，主要研究方向：自組網架構，無線通信協議。

慕福奇(1957-)，男，博士研究生，博導，主要研究方向：無線通信系統與技術、物聯網傳輸與應用。