一种应用于会展中心的MAC层协议的控制机制

郭梦霞

(陕西职业技术学院 管理系,陕西 西安710000)

一种应用于会展中心的MAC层协议的控制机制

郭梦霞

(陕西职业技术学院 管理系,陕西 西安710000)

基于优化会展企业中心无线自组织网络的目的,采用WTRP协议,将MAC层的WTRP协议应用于无线自组网中的方法,通过无线令牌环协议研究,重点介绍了WTRP协议的控制机制和流程,描述了节点加入网络和令牌的传递机制,得出模型中的节点通过令牌获得网络的使用权,而令牌在节点之间传递,并以公平和效率为原则。网络仅需要对令牌进行管理和维护,而不需要对网络中传输的数据进行管理,使得数据在网络中进行透明的传输,增加了网络的保密性和鲁棒性。

会展中心；令牌环WTRP；令牌重构；QOS

随着近年来商业活动的发展,在商业展览、节假日出游等活动日益增多的背景下,进行有效的会展中心企业经营管理对于提高企业的利润有很大帮助［1］。近来,会展中心企业的发展速度越来越快,企业每天所需要的数据信息量也越来越大,会展活动频率也越来越频繁［2］。展览商业会议中心是一个人员杂乱密集、人口流动性较大的地方,这种情况下正适合于小型无线局域网的搭建和使用。伴随着市场需求,以及日益增长的无线业务和电信市场竞争重心的转移,宽带无线网络得到了迅猛的发展和广泛的部署和使用,主要无线通信技术有3G和WiFi。目前,宽带无线接入技术基本上都采用最后一跳是无线组网方式,但其在成本投入、组网的灵活性上不尽如人意,不适用于会展中心这样人员流动性强、空间大、临时展馆居多、客流量大的复杂环境。

1 需求分析

当一个大型展会活动召开时［3］,在展览会场内会有许多记者。正常情况下他们会在现场使用相机拍下现场实况场景,并写下文字记录,回去后再整理文字及冲洗照片,这样的速度已不能适应当前高速的信息传播速度。现在,要求记者能在现场采集所需的新闻,并在现场及时完成整理修改文字、照片稿件,并将成稿及时传递回报社。很多记者需要将现场的实况整理成文字或者在现场所拍的照片要即时的传给自己的报社,而宽带局域网正好适应这种场景。随着需求越来越大,如果采用其它方式可能慢了许多,因此在展馆内提供上网设备成了必然趋势［4］。

分布式的基于周期查询的接入控制机制是众多接入控制机制中的一种,其主要特点是网络信道的使用权是通过一种特殊的信号帧-令牌来分配的,且网络令牌是按照一种预先规定的逻辑环的顺序进行传递,因此,这种控制方式又称为令牌环。采用令牌环的控制机制,主要可以避免由于中心节点的退出而导致全网瘫痪的缺点,具有很好的鲁棒性和稳定性,而且采用周期性查询的接入控制,可以为时延敏感的业务提供更好的QOS保障。

WTRP最大的优点在于解决了网络部分链接的问题。其优点在于:相对于单个节点来说是非常健壮的,支持更加复杂的拓扑环境,网络中所有的节点不需要全部连接构成全通网,并支持更好的QOS保证。当网络中的节点加入令牌时,仅要求新加入的节点与前节点和下一跳节点连接,新加入节点通过检查网络连接表来获得网络的连通性信息。当节点要离开令牌环时,离开节点的前一跳节点通过查找网络连接表来查找下一跳节点（即节点加入和删除机制）。同时,网络中的节点只能响应优先级更高的令牌,更好的支持QOS保证。并且, WTRP也采用相应的机制来保证令牌地址的唯一性,支持相近的多令牌环操作。令牌环中的节点轮流的获取令牌,只有获得令牌后才能发送数据,吞吐量的分配更加灵活和公平。且网络仅需要接收令牌,不需要对节点发送的数据进行监控,增加了网络数据的透明性。

2 WTRP令牌环控制机制

在WTRP网络系统中,按照某种特定的分群算法,将无线网络初始化划分为若干个环形拓扑结构的子网络［5］,如图1所示。WTRP协议的控制机制分为令牌的竞争（包括网络初始化,令牌的形成过程）、令牌的获取、令牌的传递、数据帧的传送、无线令牌的维护等几个部分。

令牌的竞争过程也就是令牌环无线网络的形成过程。WTRP系统通过某一种竞争算法形成一个功能类似于群首的节点a,a成为该令牌环的拥有者和产生者。节点a负责生成一个初始化令牌消息CLAIM_TOKEN,并全网广播至网络中的其他节点,告知网络中其他节点a为环首节点。下一跳节点i收到初始化令牌后,使用同样的方式进行标记,并通过广播的方式通知a节点其后继节点为i节点。若节点k的后继节点是a,当a节点收到前一跳节点k发送的后继节点令牌消息后,令牌环网络也即形成。

令牌环的维护过程［6］,由于无线网络中节点移动产生的不稳定性,网络中的节点会时常离开或加入的无线网络,从而导致无线令牌环网络的断开,从而导致令牌的丢失或网络中多个令牌消息的出现,这就需要同时对令牌环网络进行维护。网络中每个节点都维护着一张网络连接列表,保存了该节点在令牌环上与网络中其它节点的连接情况,即前跳节点和下跳节点信息。该网络连接列表在系统初始化的时候通过无线令牌的传递来完成,当无线网络拓扑结构发生改变时,通过监测其覆盖范围内的其他节点可以完成网络连接列表的更新。主站点产生一个令牌,将其传递给它的下一跳节点,下一跳节点在收到令牌后对维护序列号SequenceNumber加1,记录并保存加1后的值,作为自己的位置标识信息,然后将网络令牌传递给它的后继节点。以此类推,由于网络是一个环形网络,最终令牌将传回主站点,主站通过检查维护的序列号SequeneNumber,由此知道无线网络系统环上有多少个终端节点,随即修改令牌信令中NON（NumberofNode）字段中的值,再把令牌广播出去,通知令牌环网络上的节点环中的终端节点数。这样,网络中每个节点都可以建立起一张完整的连接列表。

2.1 令牌网络初始化

在WTRP中,环上节点的前驱域、后继域就定义了令牌环以及节点数据的传输顺序。如图1所示,假设系统中有M个无线终端节点,节点A通过竞争,成为该令牌环的群首。随后,A负责生成一个初始化令牌,并判断子网内容量即网络节点数是否达到最大节点数NoN,如果没有,则随机向其下一跳邻居节点发出加入请求信令。如果节点B要加入,则发送加入子网信息信令,节点B就成为节点A的后继节点,A为B的前驱节点。A将声明令牌帧中的Seq和Genseq位域设置为1,同时记录下自己的顺序号1,然后将该令牌帧发送给自己的后继节点B。以此类推,每个节点在接收到令牌帧后,都会判断是否发出邀请帧信号,邀请邻近的节点加入,并设置自己的顺序号Seq。最后直到没有节点加入或者达到子网的容量即最大节点数,令牌帧再次回到起始节点A,就构成了一个封闭的逻辑令牌环,初始化工作完成,同时环上的节点数也随之确定。该环网的网络地址即是环首节点A的MAC地址,节点A成为令牌网的拥有者。

图1 令牌环网络Fig.1 Token ring network

2.2 节点加入令牌环

若网络中一个子网的的令牌循环时间,包括每个节点持有令牌的时间即数据发送的时间和令牌在网络上传递的时间之和,该时间没有因为网络节点的加入而增长到不可接受的程度,则该环形网络允许其它网外节点的加入,如图2所示。

图2 新节点加入令牌环Fig.2 The nodes joining in the token ring

图3 节点的加入时序图Fig.3 The timing diagram of the joining node

如图3所示,假设节点7想加入令牌环网络,当环内节点3检测到环外节点7发送的令牌后,节点3设置节点加入等待时间定时器,同时全网广播请求后继帧信令,其中包含了环内节点4的MAC地址。当环外节点7监听到该信息帧后,启动并查询自己维护的节点连接表,若环内节点4在其覆盖范围内,于是在一个随机时隙向环内节点3发送后继帧设置令牌。当节点3收到该令牌帧后,设置环外7为新的后继节点,并向节点7发送前驱节点设置令牌。节点7收到该令牌后,设置环内节点4为其新的后继节点,并向节点4发送一个前驱节点设置帧令牌,这样就完成了一个新节点的加入过程,新的令牌环也即形成。如果节点3的等待定时器超时溢出,则环内节点3不做任何操作,令牌环保持原状,此次节点加入令牌环失败。

2.3 节点离开了令牌环

由于无线移动分组网中节点的移动性较大,且不具有规律性,无线网络中的节点随时可能离开无线网络,从而使存在的网络逻辑连接断开,因此WTRP监测器需要及时调整网络结构,更新网络的拓扑结构,保证通信的正常进行。节点离开网络的情况可能有如下几种:

1）网络中的节点没有数据传输需求,并要求断开连接；

2）网络中的节点掉电或无线传播的不可靠性以及其他故障等,信息无法传递到其他节点,导致异常断开；

3）网络中的节点自身移动,离开加入的原网络。

以下分别对这3种情况进行描述:

情况1,这种情况属于节点正常的离开。由于网络中的节点自身知道要离开网络,因此,在它离开子网断开连接之前,应进行必要的设置过程,从而保证网络的拓扑结构和逻辑连通性,如图4所示。假设网络节点4没有数据传输,想要退出令牌环,节点4需要通知前一跳节点3和后一跳节点5重新设置后继节点和前驱节点。节点4向节点3发出设置后继帧消息令牌,其中包括节点4的后继节点5的MAC地址,节点3检测自己的网络节点连接表,如果节点5在其中,则节点3向节点5发出前驱设置帧令牌。当节点5收到节点3的请求令牌后,将节点3设置为自己的前驱节点。若节点3不能监听到节点5的令牌,则节点3查找其他后继节点,令牌环网络重建,令牌重新形成。

图4 节点4正常离开令牌环Fig.4 The node leaving the ring

对于情况2和3,由于节点自身的属性,被破坏或者由于无线传输的不可靠性,导致通信链路的中断,此种情况属于不可预知的异常状态,需要使用超时定时器进行保护。如图5所示,当节点4突然从环上断开,节点4的前驱节点在规定时间内没有监听到节点4的存在,没有收到节点4的令牌帧信息,便知道节点4已经不在令牌环网络上,于是节点3根据网络节点连接表选择下一个节点发送前驱设置帧令牌,从而使令牌环重新愈合。若连接表内无其他网络节点,则令牌环网络超时重新建立。

图5 节点的退出时序图Fig.5 The timing diagram of the leaving node

2.4 令牌环的重构

当令牌环网络上有多个令牌帧在运行传递或者网络中某节点失效都有可能引起令牌环网络不能正常运行,WTRP采用了令牌恢复机制来重构网络,保证网络的鲁棒性。

如果令牌环网络上出现了多个令牌,可能会引起网络中多个节点同时发送数据而导致碰撞的产生,破坏无线数据传输,使网络的正常数据传输服务受到影响,因此必须采取必要的措施来消除形成的多余的令牌。在WTRP网络中,引入了令牌优先级的概念,由Genseq域以及令牌环地址域RA来决定令牌的优先级。令牌在网络环上运行时,网络中其它节点可以根据令牌的生成序号来判断是继续竞争还是退出令牌。如果网络中某节点如节点A接收到一个比自己优先级更低的令牌,则节点A将该令牌删除,并通知其前驱节点后继不要接收该令牌信息；如果节点A接收到的令牌比自己维护的令牌优先级高,则节点A退出令牌竞争,不产生新的令牌；当令牌的生成序列号相同时,则采用环地址来决定删除哪些令牌。采用这种方法,可以将一个环网上冗余的令牌全部删除掉。

如图6所示,如果环上的某节点如节点2监测到其后继节点不可达时,就会激活恢复机制,此时,节点2将试图重新形成逻辑环来进行恢复。节点2通过查看自己的节点连接表,能够很快地找到在传输序列中另一个与之相连的节点如节点4,于是节点2向节点4发送一个前驱设置帧,以阻止节点4也发起恢复机制。当节点4在恢复超时时间未到之前收到节点2发送的信息后,便中断恢复进程,更新自己的前驱节点信息,将前驱节点设置为节点2,从而使逻辑环闭合。由于重构环网会带来较大的系统资源开销,在WTRP中,恢复机制是尽量避免启动的。

3 WTRP令牌环网络时序

冲突的消除是由令牌中的节点数目（NoN）标识位来消除的,当网络中的节点检测到一个令牌环,首先查看令牌的NoN的值。如果NoN的值设置为最大值,说明令牌子网的节点数达到最大,则节点就会改变其通信信道,并创建新的令牌环子网。否则,节点就会等待加入该令牌环或者改变信道搜索其他存在的令牌环子网。在等待状态下,节点会停止发送令牌,等待solicit_successor令牌。因此,新加入的令牌就不会影响已存在的令牌环子网。

WTRP令牌环网络时序图如图7所示,假设令牌环中有N个节点,Tn表示节点拥有令牌的最大时间,即数据发送的最大时间,若在超时时间内网络节点的数据发送队列为空,则决定是否发送solicit_successor令牌。PROP表示数据在信道上的传播时间（与数据包长度有关）。

图6 令牌环断开时序图Fig.6 The disconnected timing diagram of the token ring

图7 WTRP令牌环时序图Fig.7 The timing diagram of the token ring

4 结束语

WTRP最大的亮点在于解决了网络的部分链接问题。优点在于:相对于单节点网络来说是非常健壮的,支持更加复杂的拓扑环境,网络中所有的节点不需要全部连接构成全通网,及时的更新网络拓扑结构,并可以更好的支持QOS保证。文中详细介绍了MAC的无线令牌环协议的控制机制和网络时序,描述了MAC模型,以及相关的处理过程。网络节点加入令牌网络时,仅要求加入节点与前一跳节点和下一跳节点连接,加入节点通过检查网络连接表来获得连通性信息。当节点要离开令牌环时,离开节点的前一节点通过查找网络连接表来查找下一跳节点（网路中节点加入和删除机制）。网络中的节点只能响应优先级更高的令牌,更好的支持QOS保证。

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［6］蔡剑.无线子网令牌协议［D］.西安:西安电子科技大学, 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稿件编号：201412232

郭梦霞（1983—）,女,河南濮阳人,硕士,助教。研究方向:电子商务会展。