一种面向会展中心的无线自组网MAC层协议的设计

郭梦霞

（陕西职业技术学院 管理系，陕西 西安710000）

随着商业往来、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]。近年来，会展中心企业发展速度越来越快，企业每天的数据信息量也越来越大，会展活动也越来越频繁。展览会馆是一个人员密集、流动性较大的地方。这种情况正适合于无线局域网的接入。

随着市场需求的日益增长及电信市场竞争重心的转移，宽带无线网络得到了迅速发展和广泛部署，主要技术有WiFi和3G。目前，宽带无线接入基本都是最后一跳采用无线组网方式，这在组网的灵活性、成本投入上不尽如人意，不适用于展会这样空间大、人员流动性强、客流量多、临时展馆居多的复杂环境。

1 需求分析

当一个大型展会召开时[2]，在场内会有许多记者。正常情况下他们会用相机拍下现场实况，写下文字，然后回去整理文字及冲洗照片，这样的速度已不能适应当前信息的传播速度。现在的要求记者能现场采集所需的新闻，并在现场完成整理修改文字、照片稿件，并将成稿及时发往报社。因此许多记者为了加快图片资料处理速度，都配备了笔记本和数字式摄相机，现场处理然后回到住地找电话线去发送这些稿件。

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。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。其次，在展馆中，记者流动性、移动性很大，很难有固定的位置。为了找一个好镜头，或是好的资料，常常在场地周围来回移动，采用有线网络方案的话是无论如何都不能满足这种需求的，因此网络方案必须用无线网络方案来解决，而且要让记者们的笔记本能实现漫游的功能[3]。

基于令牌的MAC层协议是一个更好的信道接入策略。其思想是通过得到令牌来获得共享信道的接入机制，提供了一种公平利用信道的一种方法，节点只有获得了令牌，才允许发送数据，并可持有令牌一段时间。传输完成后，节点发送一个控制包，将令牌发给下一节点。若节点收到令牌，但没有数据发送，则转移令牌到下一节点。MAC层模块的约束是，要兼顾公平和效率[4]。

2 模块设计

2.1 概述

MAC层模块使用无线令牌环协议机制，其思想是通过得到令牌来获得共享信道的接入机制，提供了一种公平利用信道的一种方法，节点只有获得了令牌，才允许发送数据，并可持有令牌一段时间。传输完成后，节点发送一个控制包，将令牌发给下一节点。若节点收到令牌，但没有数据发送，则转移令牌到下一节点。WTRP协议分为令牌竞争（网络初始化，令牌的形成）、令牌的获取、数据帧的传送、令牌维护等几个部分。

如图1所示，节点D在0时刻发送了序号为0的令牌，节点E在1时刻发送了序号为1的令牌，但是节点D在节点F和节点A的通信范围之外，即节点D检测不到F、A之间的令牌。但当节点B发送令牌时，D检测到令牌的序号增大到3，则说明E节点和B节点之间存在两个节点。

图1 数据解析模块功能表Fig.1 The function of data analysis module table

将令牌应用在无线局域网中，由于无线的传播环境，对令牌的管理提出了新的要求：

1）拥有令牌的节点可能会与下一节点断开连接，导致了令牌的丢失；

2）拥有令牌的节点会与整个网络断开连接，导致了整个网络丢失了令；

3）网络被重新划分，则新产生的网络需要产生新的令牌；

4）节点只能和一个节点通信时，就不能构成一个环形拓扑，

5）当两个或多个使用同一信道的令牌环在通信范围内时，会导致冲突，除非使用令牌合并机制或更换信道；

6）令牌的合并和丢失令牌的恢复会导致一个令牌环里有多个令牌。

2.2 无线令牌环的管理

WTRP最大的亮点在于解决了部分链接问题。优点在于：相对于单节点是非常健壮的，支持复杂的拓扑环境，所有的节点不需要全部连接构成全通网，并可以支持QOS保证。节点加入令牌时，仅要求加入节点与前节点和下一跳节点连接，加入节点通过检查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连接表来查找下一跳节点。（节点加入和删除机制）。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也有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发送数据，吞吐量的分配更加灵活和公平。

利用优先级来解决多令牌环的问题，由generation sequence number和令牌环地址决定了令牌的优先级。拥有更大代序号的令牌优先级更高。当节点认为下一跳节点不可达时，令牌环恢复机制就被调用，节点会尝试形成新的令牌环来恢复通信。

相对于802.11，WTRP通过减少了由于碰撞的重传，从而提高了效率。令牌的管理策略：

1）所有的令牌环均有唯一的令牌环地址。

2）保证令牌环内只有唯一的令牌。

3）保证令牌环是恰当的。

4）管理令牌环内节点的加入和退出。

2.3 控制机制

在WTRP系统中，按照某种分群算法将网络初始化为若干环形拓扑结构的子网络，如图1所示。WTRP协议分为令牌竞争（网络初始化，令牌的形成）、令牌的获取、数据帧的传送、令牌维护等几个部分[5]。

令牌竞争。令牌竞争过程也就是令牌环的形成过程。WTRP系统通过某种算法竞争出一个类似群首的节点g，g成为该令牌环的拥有者。g负责生成一个初始化令牌消息claim_token，全网广播至其他节点，告知其他节点g为环首节点。节点i收到后，采用同样的方式进行标记，并告知g节点i节点为后继节点。若节点k的后继节点是g，当g节点收到邻居节点k发送的后继节点消息后，令牌环网络形成，该令牌环的地址既是g的MAC地址。

令牌的获取。获取令牌实际上就是获得信道的使用权，由令牌网络的拥有者即群首首先获得令牌，进行数据传输。环上节点依照传输顺序依次获得令牌。当某个节点如i的前驱节点将令牌传送给i节点后，i节点便获得信道使用权，可以进行数据发送，如果没有服务需求，则将令牌继续往下传递，转交给i节点的后继节点。

数据帧的传送。当节点i获得令牌后即组织数据发送，然后将令牌再传递给其后继节点，从而使环上每个节点都公平地获得信道的使用权。

令牌维护。由于在会展中心的环境中，节点（记者使用的便携网络设备）的移动性，可能导致令牌的丢失或多个令牌的出现，令牌维护就是为了解决这个问题。首先确定，等待确认的时间必须大于一个数据帧在环上行走一周的时间。如果令牌没有丢失，该节点必然会第二次收到，从而避免产生新的令牌。如果超期没有收到，则通过竞争产生新令牌。

MAC子层的接口模块，接收从上层和底层传过来的数据包，并从中提取数据，判断数据包的类型，分别处理，将数据包传给数据处理模块。在本模块中，按照节点的状态划分6个子模块，用来识别7种令牌格式，各子模块如表1所示。

3 无线令牌环状态机

在WTRP协议中[6]，节点由于数据包的接收、数据包的发送、定时器的超时而改变状态。Floating状态和offline状态下节点会监听信道，在此状态下，该节点不属于任何令牌环。当节点属于一个令牌环时，节点在idle状态下等待令牌，如果节点有数据发送则转到have_token状态。如果接点还有时间发送数据，则节点发送solicit_successor令牌来邀请其他节点加入令牌环。如果节点要加入令牌环，则节点响应solicit_successor令牌，发送set_successor令牌，并跳到joining状态。节点发送完数据并转交令牌后，跳到monitoring状态，等待确认。若令牌环工作在未饱和条件下，即环内节点数目未达到最大时，节点会在 idle、have_token、soliciting和 monitoring状态下轮转。当网络中的节点数目达到最大时，节点工作在饱和状态，只能在idle、have_token和monitoring状态下轮转。

表1 数据解析模块功能表Tab.1 The function of data analysis module table

图2 WTRP协议状态机Fig.2 WTRP protocol state machine

3.1 Begining状态

表示了协议的开始，直接跳到floating状态。

3.2 Floating状态

节点的初始化并等待加入令牌环状态。

1)如果节点是自环并且处于idle状态，当期检测到存在其它令牌环的令牌时，回到floating状态，并启动claim_token_timer定时器。

2)若节点在idle状态下未获得令牌且也不能加入其它令牌环，idle_timer定时器超时，回到floating状态。

3)若节点在floating状态下发现了其它令牌环的令牌，则等待其它令牌环节点的邀请，延迟发送数据，目的是不影响令牌环的正常操作。

4)若节点未检测到任何令牌，claim_token_timer定时器超时，则跳的idle状态，产生自环。

5)若节点收到了solicit_successor令牌，并且节点要加入令牌环，则节点发送set_successor令牌，并转到joining状态。

3.3 Offline状态

在任何状态下，节点不是自环的条件下，检测到另一个令牌环的令牌，或者不能转发令牌到后继节点，节点就会转到offline状态。

进入该状态后，重新初始化本节点，清空数据队列，并启动offline_timer定时器。该状态只能在offline_timer定时器超时的情况下回到floating状态。

因为offline_timer定时器的超时时间是Max_Token_Rotation_Time定时器时间的两倍，在offline状态下的等待时间对于令牌环内所有的节点发现该节点离开令牌环的时间是足够的，这是为了防止节点加入了已经关闭了的令牌环。

在该状态下，节点一直等待，不做任何事情，直到offline_timer定时器超时，回到floating状态。

3.4 Joining状态

初始化contention_timer定时器，只有floating状态下才能回到Joining状态。当节点收到solicit_sucessor并决定加入令牌环时，节点发送set_sucessor并回到floating状态。

如果节点收到了set_predecessor令牌，表明连接成功，节点发出set_predecessor令牌确定后继节点，并跳转至monitoring状态。若节点未收到set_predecessor令牌，且contention_timer定时器超时，表明连接失败，回到floating状态。

3.5 Soliciting状态

发送完加入请求，等待其他节点加入状态，节点初始化solicit_wait_timer定时器，并设置节点数目来延迟发送；若节点在idle状态下收到令牌，检查自己的发送队列，如果为空，则发送solicit_successor令牌，并跳转至soliciting状态；若节点是自环，则启动solicit_wait_timer定时器，超时后发送solicit_successor令牌，状态跳转到soliciting；若节点在soliciting状态下收到了set_successor令牌，表明存在另外的节点响应了该节点的加入邀请请求，节点发送set_predecessor来应答该请求，并跳转至monitoring状态。

3.6 Idle状态

idle空闲状态，节点不发送数据，在此状态下，如果节点不是自环，节点启动idle_timer和inring_timer定时器，否则节点是自环，则只启动solicit_successor_timer定时器。

当节点将令牌转发给后继节点时，节点从idle状态跳转到monitoring状态，等待implicit_ack数据包。收到后继节点的确认包后，节点回到idle状态。

若节点收到了优先级更高的令牌时，低优先级令牌被删除，并发送token_deleted令牌。若数据发送队列为非空，有数据发送，则跳转到have_token状态。

如果数据发送队列为空，无数据发送时，节点确定是否发送solicit_successor令牌来邀请其它节点加入。若是肯定的，则节点发送solicit_successor令牌，并跳到soliciting状态。否则，节点转发令牌，回到monitoring状态。

如果节点收到了set_successor令牌，表示网内的其它节点要离开网络，则该节点发送set_predecessor令牌并回到monitoring状态。节点要离开令牌环时，发送set_successor令牌并回到offline状态。

3.7 Monitoring状态

该状态发送完成转交令牌后，等待确认的状态，是为了监控信道来保证令牌的传递是否成功。在该状态下，节点重置num_token_pass_try参数，并启动token_pass_timer定时器。

Implicit_ack令牌是用来确定令牌的转发是否成功。如果存在同样的令牌重传，则节点发送token_deleted令牌。如果令牌转发成功，即收到Implicit_ack令牌，则节点回到idle状态。

3.8 Have Token状态

节点进入该状态，进行数据的发送，并初始化token_holding_timer定时器。节点只有在数据发送队列不为空的时候才能从idle状态转移到have_token状态。若数据发送队列为空或者token_holding_timer定时器超时，则转交令牌，并回到monitoring状态，等待ack确认。

4 结束语

文中详细介绍了MAC的无线令牌环协议的状态机和控制机制，并描述了MAC模型，仅对无线自组网的MAC层协议进行了优化，使得网络中的节点能够公平、高效率的使用网络，并以此为基础，优化会展中心的无线网络结构，方便会展业务的顺利开展和实施，并提高网络的安全性，减少网络的拥塞。

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