段立軍，喬平安，周敏

（西安郵電大學(xué)陜西西安710061）

MIMC無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議研究

段立軍，喬平安，周敏

（西安郵電大學(xué)陜西西安710061）

在提高網(wǎng)絡(luò)容量、帶寬以及吞吐量方面，多網(wǎng)卡多信道技術(shù)是目前此領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。由于帶有控制信道的MAC層協(xié)議存在著網(wǎng)絡(luò)容量小、信道利用率低等問(wèn)題。本文研究了無(wú)控制信道的多網(wǎng)卡多信道MAC層協(xié)議，對(duì)此協(xié)議信道接入控制和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上，針對(duì)多網(wǎng)卡多信道的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)提出了一種體系結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)現(xiàn)有操作系統(tǒng)的需求，對(duì)于研究多網(wǎng)卡多信道Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)提供了新的思路。

多網(wǎng)卡多信道；Ad Hoc；MAC層協(xié)議；信道接入控制；體系結(jié)構(gòu)

移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種多跳的、無(wú)中心節(jié)點(diǎn)的自組織網(wǎng)絡(luò)，以往的采用單網(wǎng)卡單信道來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，并未達(dá)到理想的效果，而且造成了多信道的浪費(fèi)。目前，由于硬件成本不斷降低，多網(wǎng)卡已經(jīng)成為一種可能，采用多網(wǎng)卡是有效的提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量的一種主要方法。但是在一個(gè)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)上網(wǎng)卡少信道多的情況下如何有效分配網(wǎng)卡及信道仍然有一些挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。

1　MIMC移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀

目前，多網(wǎng)卡多信道Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議研究主要分為有控制信道和無(wú)控制信道，典型的有控制信道的MAC協(xié)議是動(dòng)態(tài)信道分配協(xié)議（DCA）［1］，DCA協(xié)議采用的是公共控制信道來(lái)完成信道預(yù)約，通過(guò)預(yù)約好的信道來(lái)完成數(shù)據(jù)傳輸，每個(gè)節(jié)點(diǎn)配備兩個(gè)半雙工收發(fā)機(jī)，一個(gè)收發(fā)機(jī)一直監(jiān)聽(tīng)在公共信道上，另外一個(gè)收發(fā)機(jī)則在其他的信道上切換。這種結(jié)構(gòu)適合小型的網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)較大時(shí)，公共控制信道可能成為影響網(wǎng)絡(luò)性能的一個(gè)瓶頸。

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

1.1混合式的網(wǎng)卡分配策略

采用固定與動(dòng)態(tài)相結(jié)合的混合信道分配［3］方法，這種方法是將節(jié)點(diǎn)的某些網(wǎng)卡分配一個(gè)對(duì)應(yīng)的固定信道，而其他的網(wǎng)卡在信道中切換。這種方法既保持了固定信道分配的簡(jiǎn)單性，又具有信道切換的靈活性，DIM協(xié)議就使用這種混合式的方法。

1.2公共信道的協(xié)調(diào)策略

在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸中，如果兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)卡都沒(méi)有分配到一個(gè)公共的信道，就不可能進(jìn)行通信。如果需要通信，這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)就必須通過(guò)協(xié)調(diào)切換到同一個(gè)信道上。如何來(lái)完成這種接入控制，是個(gè)策略問(wèn)題。

有一種技術(shù)就是將每個(gè)節(jié)點(diǎn)的一個(gè)網(wǎng)卡固定在一個(gè)信道上，相鄰的節(jié)點(diǎn)使用的固定信道不同，每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)附近所有的節(jié)點(diǎn)宣布它的固定信道信息，固定網(wǎng)卡主要用來(lái)接收消息。每個(gè)節(jié)點(diǎn)剩余的網(wǎng)卡在剩余的信道中切換來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)。由于發(fā)送節(jié)點(diǎn)知道接收節(jié)點(diǎn)的固定信道，所以它將它的非固定的網(wǎng)卡切換到接收節(jié)點(diǎn)的固定網(wǎng)卡上發(fā)送數(shù)據(jù)。本文協(xié)議就是采用這種固定網(wǎng)卡與非固定網(wǎng)卡相結(jié)合的策略。

2　MIMC（multi-interface multi-channel）分配協(xié)議的設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)［4］首先對(duì)MIMC網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了研究。MIMC是一種多網(wǎng)卡多信道分配協(xié)議，能應(yīng)用于現(xiàn)有的IEEE802.11的硬件開(kāi)發(fā)上的多網(wǎng)卡多信道MAC協(xié)議，協(xié)議主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容。

2.1網(wǎng)卡的分配方案

固定網(wǎng)卡：采用混合式的分配方案，假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)有M個(gè)網(wǎng)卡，其中N個(gè)網(wǎng)卡以“長(zhǎng)時(shí)間間隔”分配給N個(gè)信道，把這些網(wǎng)卡稱為固定網(wǎng)卡，對(duì)應(yīng)的信道叫做固定信道。（M＞=2和m＞n＞=1）

可切換網(wǎng)卡：稱剩余的M-N個(gè)網(wǎng)卡為可切換網(wǎng)卡，它們依據(jù)通信量動(dòng)態(tài)地以“短時(shí)間間隔”分配給剩余的M-N個(gè)信道，可切換網(wǎng)卡依據(jù)通信量頻繁地在剩余信道間切換，對(duì)應(yīng)的信道稱為“可切換信道”。網(wǎng)卡的信道分配圖如圖1所示。

圖1　網(wǎng)卡的信道分配Fig.1NIC channel allocation

增加一個(gè)廣播網(wǎng)卡［5］，專門用來(lái)進(jìn)行廣播消息的發(fā)送和接受。使每一個(gè)信道與一個(gè)隊(duì)列相關(guān)聯(lián)。這樣可以減少隱藏終端產(chǎn)生分組碰撞的問(wèn)題。

2.2協(xié)議操作的實(shí)例

為了簡(jiǎn)化協(xié)議的描述，假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)網(wǎng)卡，指定一個(gè)是固定網(wǎng)卡，一個(gè)是可切換網(wǎng)卡。每個(gè)節(jié)點(diǎn)維持含有鄰居節(jié)點(diǎn)正使用的固定信道的鄰接表（Neighbor Table）。初始化時(shí)，節(jié)點(diǎn)隨意選擇一個(gè)信道作為固定信道，并通過(guò)“hello”廣播分組通知鄰居節(jié)點(diǎn)。每當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，將它的信道切換到接收節(jié)點(diǎn)的固定信道并且發(fā)送數(shù)據(jù)包。

下面用兩個(gè)網(wǎng)卡三個(gè)信道的鏈路層協(xié)議操作實(shí)例圖2說(shuō)明了節(jié)點(diǎn)間通信協(xié)議的操作過(guò)程。假設(shè)：節(jié)點(diǎn)A有分組經(jīng)由節(jié)點(diǎn)B送到節(jié)點(diǎn)C。節(jié)點(diǎn)A，B，C在信道3，2，1上分別是他們的固定網(wǎng)卡，在信道1，3，2上分別是他們的可切換網(wǎng)卡。第一步，節(jié)點(diǎn)A將可切換信道從信道1切換到信道2（B的固定信道），節(jié)點(diǎn)B就能夠收到這個(gè)分組，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)B的固定網(wǎng)卡總數(shù)正在監(jiān)聽(tīng)信道2。第二步，節(jié)點(diǎn)B將可切換網(wǎng)卡切換到信道1，并轉(zhuǎn)發(fā)分組至C節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)C使用它的固定網(wǎng)卡接收這個(gè)分組。

圖2　兩個(gè)網(wǎng)卡三個(gè)信道的鏈路層協(xié)議操作實(shí)例Fig.2Link layer protocol of two cards of the three channels Walkthrough

2.3MIMC協(xié)議需要保存的數(shù)據(jù)表

每個(gè)節(jié)點(diǎn)的固定信道的選擇采用一種分布式的方式，初始化時(shí)，隨機(jī)選擇一個(gè)信道作為固定信道。每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)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(jié)點(diǎn)的鄰居表是通過(guò)鄰居節(jié)點(diǎn)廣播的Hello分組形成的，在第一次初始化完成之后，節(jié)點(diǎn)選擇與它的鄰居節(jié)點(diǎn)不相同的固定信道。此外，節(jié)點(diǎn)還會(huì)維持一個(gè)信道使用表（Channel Usage List）如表2所示，表中含有節(jié)點(diǎn)兩跳范圍內(nèi)每個(gè)信道作為固定信道的計(jì)數(shù)。

表1　鄰居表Tab.1Neighbor table

表2　信道使用表Tab.2Channel usage list

每個(gè)節(jié)點(diǎn)定期的通過(guò)廣播網(wǎng)卡廣播發(fā)送Hello分組，Hello分組包括節(jié)點(diǎn)目前正在使用的固定信道信息和當(dāng)前的鄰居表，附近的鄰節(jié)點(diǎn)通過(guò)收到的Hello分組來(lái)完成鄰居表和信道使用表的更新。這樣節(jié)點(diǎn)的信道使用表就包含二跳節(jié)點(diǎn)內(nèi)信道的使用信息。

2.4協(xié)議算法流程

當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到來(lái)自上層的分組時(shí)：

1）判斷是否為廣播消息，是則通過(guò)廣播網(wǎng)卡將此消息的拷貝加入到廣播隊(duì)列中。否則轉(zhuǎn)到2）。

2）查找目的地址，通過(guò)目的地址的固定信道，將數(shù)據(jù)包插入到此信道隊(duì)列［6］中，通過(guò)可切換網(wǎng)卡來(lái)完成數(shù)據(jù)包的傳輸。

3　適用于MIMC網(wǎng)絡(luò)的一種體系結(jié)構(gòu)

在應(yīng)用多網(wǎng)卡多信道MAC協(xié)議應(yīng)用的過(guò)程中，網(wǎng)卡的頻繁切換必然影響網(wǎng)絡(luò)的性能，網(wǎng)卡的切換時(shí)延大小也會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的性能，通過(guò)修改驅(qū)動(dòng)程序，可以使切換時(shí)延減少到5 ms之內(nèi)，如此頻繁的切換則可行。但是要實(shí)現(xiàn)頻繁的網(wǎng)卡切換，需要操作系統(tǒng)內(nèi)核全新的支持。

3.1節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的更改

為了隱藏多網(wǎng)卡的復(fù)雜性，虛擬MAC層管理著各個(gè)網(wǎng)卡當(dāng)前的信道、鄰居表以及信道使用表，無(wú)論實(shí)際網(wǎng)卡是多少或者有多少個(gè)，虛擬MAC層只給高層提供一個(gè)單一的虛擬網(wǎng)卡，網(wǎng)絡(luò)層是不需要知道分組是由哪個(gè)網(wǎng)卡轉(zhuǎn)發(fā)出去的，也不用知道分組是從哪個(gè)網(wǎng)卡接收過(guò)來(lái)的。這樣，現(xiàn)有的高層協(xié)議就不需要修改，減少了不必要的麻煩，如圖3虛擬網(wǎng)絡(luò)分層圖所示。

圖3　虛擬網(wǎng)絡(luò)分層Fig.3Virtual network stratified

3.2系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

圖4　Linux內(nèi)核Fig.4Linux kernel

以Linux為例，Linux內(nèi)核的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是多層設(shè)計(jì)的，Linux內(nèi)核如圖4所示。

圖5　MIMC協(xié)議體系機(jī)構(gòu)Fig.5MIMC protocol architectures

在Linux網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)下，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新的抽象組件來(lái)管理網(wǎng)卡跨多信道切換，在Linux的內(nèi)核空間中增加此抽象組件，如圖5 MIMC協(xié)議體系結(jié)構(gòu)圖所示。將這個(gè)抽象組件放在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(kāi)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的特殊性，符合上一部分提出的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)［7］。由圖可知，抽象組件的主要優(yōu)勢(shì)是屏蔽了高層管理多網(wǎng)卡多信道的復(fù)雜性，所以現(xiàn)有的Ad Hoc路由協(xié)議、ARP機(jī)制無(wú)須進(jìn)行任何修改即可使用。

4　結(jié)論

本文對(duì)基于多網(wǎng)卡多信道的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)信道分配協(xié)議和網(wǎng)卡分配進(jìn)行了研究，通過(guò)研究出一種新的抽象層來(lái)管理多網(wǎng)卡，并且在現(xiàn)有的操作系統(tǒng)上，支持網(wǎng)卡的切換，最主要的是它隱藏了多網(wǎng)卡的復(fù)雜性。文章也對(duì)多網(wǎng)卡多信道的MAC層協(xié)議進(jìn)行了研究，下一步的工作就是通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)證明在這種新的系統(tǒng)體系下，無(wú)控制信道的MAC協(xié)議性能更好。

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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(hào)：201501049

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