短波令牌环协议的研究现状与发展*

贺 骁,李 曼,白 翔,刘芸江

(1.空军工程大学信息与导航学院,陕西西安710077;2.中电集团第三十研究所,四川成都610041)

短波令牌环协议的研究现状与发展*

贺 骁1,李 曼1,白 翔2,刘芸江1

(1.空军工程大学信息与导航学院,陕西西安710077;2.中电集团第三十研究所,四川成都610041)

合适的多址接入协议是提升网络性能的关键。将无竞争的短波令牌环协议应用于短波数据通信网络,能有效避免数据冲突,提供较好的网络吞吐量和接入时延,更有利于发挥短波抗毁能力强、通信距离远的优点。总结了短波令牌环协议的基本概况,从令牌中继机制、病态网络拓扑结构、令牌环融合、节点状态转移等方面,归纳并分析了协议在运行机制方面的最新研究,并指出了需要解决的问题和今后的研究方向。

短波通信 短波令牌环协议 运行机制 QoS

0 引 言

构建短波数据通信网络,用数据通信方式取代传统的话音通信,是基于对数据可靠性、多样性和大容量的需求,为扩大网络覆盖范围,提升数据传输速率,增强通信备份效能所采取的一种有效手段。

在短波数据通信网络的相关研究中,媒体接入控制(MAC,Media Access Control)协议是网络的重要技术。但由于短波信道是变参信道,短波通信自身存在多径时延、信号衰落和多普勒频移等弱点,在网络中采用适宜于短波特点的MAC协议,是提供较好的服务质量(QoS,Quality of Service)保证的关键[1]。

QoS一般用网络吞吐量、数据传输速率、时延等指标来衡量。但由于竞争和冲突的存在,以及隐藏终端和暴露终端[2]的问题无法彻底解决,基于竞争机制的MAC协议无法为实时性要求较高的业务提供较好的QoS保证,并且信道访问公平性不够理想[3]。常见的无竞争MAC协议中,集中式的轮询方式(比如Link 11短波频段的MAC协议),要求中心站集中管理整个网络,但对超出覆盖范围的从属站轮询既浪费了系统资源又增加了其它站点的时延[4];基于固定分配的TDMA多址方式灵活性差,信道利用率低,而基于动态分配的TDMA实现较为复杂,系统开销大[5]。

北约在短波数据通信标准——STANAG 5066 (以下简称S5066)的最新版本中明确提出,在MAC层应用无竞争的短波令牌环协议(HFTRP,HighFrequency Token Ring Protocol),有效克服了旧版本因使用基于竞争机制的MAC协议,链路轮回延时造成的网络吞吐率下降和数据碰撞概率增加[6],为短波数据通信网络提供了较好的QoS,对短波通信的快速发展有重要意义。

1 基本概况

HFTRP最初是北约为能适用于舰艇之间短波定频通信的MAC协议,委托美国新墨西哥州立大学的E.Johnson博士及其团队研究的。它建立在IEEE 802.4和无线令牌环协议(WTRP,Wireless Token Ring Protocol)的基础上,于2005年被正式定义在北约S5066的附录L[7]部分。目前,国外对HFTRP的主要研究机构是北约NC3A[8]组织和E. Johnson团队,而国内公开的研究主要是围绕着对国外研究成果进行的改进和优化。

从OSI模型来看,HFTRP应用于S5066协议分层模型数据链路层的MAC子层[9],如图1所示。所谓的“令牌(token)”是一种特殊的控制帧,来源于S5066附录C[10]定义的管理类(Management)数据协议数据单元(D_PDU,Data_Protocol Data Unit)。

图1 STANAG 5066协议分层模型Fig.1 Hierarchical model of STANAG 5066 protocol

HFTRP的具体功能是:通过在图1中数据传输层和物理层之间的数据交互,实现网络中有多个节点共用一个信道时,各短波节点按照逻辑环顺序传递令牌,只有拥有令牌的节点才能在规定的时间内发送数据包,以此控制各节点对该信道的访问,并强化媒体接入,使每个节点享有同等带宽和发送权。

国内外学者在对HFTRP协议进行研究时发现,应用该协议必须克服短波信道的时变性、长链路回转时间以及令牌管理带来的问题[11],所幸已有研究人员做了开创性的工作。下面详细介绍HFTRP的最新研究和尚需解决的问题。

2 最新研究

2.1 新增中继机制

WTRP正常运行时,令牌按照成环时设定顺序在各节点间循环传递。在任意一次两节点之间的令牌传递过程中(发送令牌的节点称作“前驱节点”,接收令牌的节点称作“后继节点”),持有权限令牌的前驱节点传送数据后,把权限令牌传递给后继节点,并等待隐含的确认信息(比如前驱节点监听到后继节点所发送的令牌)。如果未获得成功传递的确认信息,前驱节点将选择重发令牌并等待确认;如果重发令牌仍未确认,将丢弃后继节点,重新连接令牌环[12]。舍弃节点的处理方法与短波网络的要求不相符,网络的性能和数据传输速率也会大为降低。

针对该问题,文献[13]中提出了短波令牌中继机制。主要思想是当短波网络中因为通信范围的因素或电离层时变的影响,造成某节点无法将令牌传递给其后继节点,但其余节点能与其后继节点通信时,采用一种“中继令牌”的特殊令牌,通过其余节点将传输权限转交给后继节点,如图2所示。

图2 令牌中继机制Fig.2 Token relay mechanism

图2(a)中,令牌按照正常的A-B-D-C顺序进行传递。图2(b)中,由于突发原因,A、B节点间的传递失败,将启用基于中继令牌的恢复机制,首先由A节点广播“寻找中继”数据包,指明中继节点的特性为能与B通信。若有一个或多个中继节点响应,为减少数据冲突,将按令牌传递的顺序在时隙中发送响应数据包;若无中继节点响应,将直接把中继令牌传递给A的前驱节点C(该过程图中未给出)。图2(c)中,A选择响应的D为中继节点,将中继令牌传递给D,该令牌带有目的节点为B的信息。

而后D按照可达目的节点B的路径传递中继令牌并监听隐含确认信息。若中途又出现中继令牌传递失败的情况,将按照图2(b)的方法再次寻找新的中继节点,传递中继令牌,直到中继令牌最终到达目的节点B。再将中继令牌转换为正常令牌,进行正常的令牌传递。

但是E.Johnson团队传统的短波令牌中继机制存在中继时延大、中继成功率低、中继请求应答冲突等问题[14],国内有关机构对此进行了优化。

文献[14]提出了基于令牌中继子队列的分布式动态令牌中继协议SQ-DTRP。通过建立令牌中继子队列的思想,改进中继算法,根据网络实时通信状况对队列中保存的节点通信记录进行刷新,以获取最新的与目标节点可通概率最大的对应节点,中继发起节点将依据此信息进行中继转发,无须发送“寻找中继”数据包寻找中继转发对象,从而避免了该进程可能出现的应答冲突,使中继时延有效降低。但该协议不足的是,中继子队列的通信节点信息域只能保存一个MAC地址。

文献[15]改进了文献[14]中的中继子队列只能保存一个通信节点MAC地址的问题,提出了基于增强型子队列的分布式动态令牌中继协议ESQDTRP。通过带中继更新门限和中继优先级的中继队列更新算法,实现了对中继队列的实时维护和更新,提高了中继性能。具体做法是,当令牌连续接收正确的次数达到中继更新门限时,提升对应MAC地址的中继优先级,这样中继算法可在所有能提供中继转发的节点中进行选择,使搜索结果最优。

2.2 修正病态拓扑

在某些实际的短波通信网络中,由于网络成员所处的范围广、相距远、发射功率受限,部分节点仅能与特定的对象进行通信,网络结构呈现出“病态拓扑”。文献[13]定义了3种基本的病态拓扑网络:环、须及链状拓扑,如图3所示。

图3 病态拓扑Fig.3 Pathological topologies

拓扑网络正常的令牌环通常采用“请求后继”的机制来成环:请求成环的节点广播“请求后继节点”数据包,该数据包标记有当前请求节点的后继节点地址,邀请通信范围内的其它节点以嵌入方式入环;但等待加入节点必须能同时与它新的前驱节点(请求节点)和新的后继节点(请求节点原有的后继节点,处于自环状态的节点把自身当作自己的后继节点)可通,以完成对前后两节点的响应。因此,正因为病态拓扑网络的部分节点与某些节点不可通,就无法通过“请求后继”的机制形成图3所示的拓扑网络。

为解决此问题,E.Johnson博士在文献[13]中借用了令牌中继的思想,并通过仿真得到了正常拓扑网络和病态拓扑网络的成环时间,如表1所示。

表1 文献[13]正常拓扑网络和病态拓扑网络的成环时间/sTable 1 Ring formation time contrast between normal and pathological topologies in literature[13]/s

图4给出了在须状拓扑网络中利用该思想进行成环的过程,环状和链状过程类似,在此不再赘述。

图4 须状拓扑成环过程Fig.4 Ring formation process of whisker topology

图4中,形成A-B-C流向的3节点网络后,C发出“请求后继节点”数据包,由于D只能与它新的前驱节点C可通,与新的后驱节点A(也是请求节点C原有的后继节点)不可通,故不能按照“请求后继”机制成环。只能采取令牌中继的方法,通过中继节点C,将D对“请求后继节点”数据包的响应转发给A,实现成环过程。

但病态拓扑网络仍存在令牌丢失恢复困难,令牌到达间隔不确定的缺点。文献[16-18]提出了空间复用令牌协议,通过多个令牌同时并行传递加以克服,但没有错误检测机制且令牌传递不同步。而文献[19-20]构建了固定令牌持有时间和令牌自产生的思想,以降低系统传输时延,提高有效吞吐量。

总的来说,对于短波通信网络特殊的病态拓扑结构,国内外学者近年来在有效成环和稳定运行等方面的研究取得了明显的成果。

2.3 改进合并流程

网络运行发生异常,被分割成两个不同的令牌环时,会互相靠近对方的通信区域,造成相互干扰,需要重新连接,一般采用合并令牌环的方法解决。WTRP的合并方法至少得经历环分解和所有节点重新请求入环的过程,合并时间较长,效率较低。文献[21]对HFTRP的合并机制进行了改进。

如图5所示,按照A-B-C和D-E-F的令牌流向,网络在某一频点上被分割成两个不同的令牌环,其中的部分节点已进入另一令牌环的通信范围,如节点F可监听到来自A的消息。在图5中的某节点(F)监听到比自身优先级高的“外部”令牌环发送的信息后,将进入“等待合并”的状态(只允许由两个冲突环中优先级低的环的节点发起合并,防止环运行出现混乱)。

图5 令牌环冲突Fig.5 Token ring collision

如图6(a)所示,当该节点(F)在自身环中持有令牌时,它将给之前监听的节点(A)发送“合并环”数据包,直到收到确认消息;此时合并发起节点(F)将立即给以前的后继节点(D)发送优先级最高的“双时间令牌”,以将所有“等待合并”状态的节点恢复成空闲状态,防止这部分节点使用旧有连接数据发起另外的合并请求;在循环一周返回合并发起节点(F)后,“双时间令牌”转变为正常令牌。

图6 令牌环合并过程Fig.6 Merging process of token ring

“合并环”数据包带有发送节点(F)的后继节点(D)的ID号,接收到合并请求的节点(A)将把请求的发送者(F)作为自己新的前驱节点,并传递“设置后继节点令牌”给以前的前驱节点(C),如图6(b)所示。最终完成两个环重新连接成一个环的操作,如图6(c)所示。

相比传统WTRP重建令牌环所需的时间[22],改进前的方法至少得经历分解成小的令牌环,及其它所有节点保持静默等待重新入环的过程;而改进后的方法只需经过“设置后继节点令牌”传递一次和“双时间令牌”循环一次的时间,在10个节点的实例中不大于30 s。

2.4 简化状态转移

文献[23]从HFTRP的节点状态入手,通过移除节点的“自环”状态,将节点“自环”状态需执行的动作交由“漂浮”状态处理,使原本非常复杂的节点状态转移机制得到简化,如图7所示。

图7 成环过程的节点状态转移图简化前后对比Fig.7 Node state transition contrast of ring formation before and after improvement

同时,由于节点“自环”状态的移除,与之相关的“声明令牌”定时器也不再使用,成环阶段的整体性能将得到提升。通过文献[23]中6节点网络实例的仿真分析,状态转移的简化使得成环时间由220 s减少到121 s,平均时延由53.9 s减少到47.4 s, 10 000 s的吞吐量由2 935.4 KB增加到2 959 KB,经过11天的测试仍有节点在环,证明网络的稳健性得到了增强。

3 需解决问题及今后研究方向

3.1 大数据传输时吞吐量的限制因素

文献[24]通过仿真短波节点传输不同数据量时,分别使用自动链路建立(ALE,Automatic Link Establishment)和令牌环协议的网络吞吐量情况,得出以下结论:

1)采用ALE可在多个频率上建立不同的短波链路,只需控制ALE的建链和拆链时间,网络吞吐量与各节点的传输数据量近似成正比关系。

2)采用令牌环协议的短波网络,多节点在单一频率上共享信道,获得的带宽受到较大限制,并且协议规定了节点只能在持有令牌的额定时间内传输数据,时间一到,即使数据没有传输完毕,也必须将令牌传递给后继节点。令牌管理机制与令牌传递消耗的时间决定了进行2 000 bytes以上的大数据传输时,网络吞吐量随各节点传输数据量的上升基本保持不变。

因此需要对短波令牌的管理方法作进一步优化,文献[25]也提出了短波调制解调器的时延在一定程度上也影响着网络吞吐量,对这一因素也需进行深层次的研究,使利用令牌环协议的短波网络进行大数据传输时能获得较高吞吐量。

3.2 病态拓扑网络的进一步研究

2.2节虽提到了已有学者对HFTRP在病态拓扑网络中的运行机制作了修正,但协议在该类网络的MAC帧结构、令牌网维护以及节点入/离环机制的完善等方面仍存在不足。文献[26]对此进行了初步研究,但研究的对象是WTRP和无线自组织网络,而针对HFTRP和短波网络,特别是短波地空通信网络在这方面的系统研究,国内外基本没有。因此,对HFTRP在病态拓扑网络中的研究,特别是解决网络通信覆盖范围大和节点难管理的问题,是今后的研究重点。

3.3 基于短波Mesh网络的多令牌研究

北约和美军近年来正致力于研究支持网络中心战的无线通信网络架构[27],而能够有效扩大军事Mesh网络范围的短波Mesh网络对此能起到较大作用。文献[28-29]详细分析了使用多令牌的短波Mesh网络,并对其性能进行了仿真计算,但各令牌网接口之间的流量传输、网络的路由协议以及多播协议仍需进一步探讨。

4 结 语

综上所述,由于HFTRP能有效避免数据冲突,保证每个节点享有同等带宽和发送权,合理分配信道资源,决定了它是适合于短波数据通信网络的MAC协议,对未来构建基于TCP/IP协议的短波网络有重要作用[30-31]。但HFTRP的实际应用还处于初始阶段,国内外的研究相对较少,如何结合短波通信的特点,克服短波电离层反射信道的极端复杂性,有效减少网络成员丢失概率,提高网络吞吐量、减少信道接入时延,还需在协议运行机制、关键技术、控制接入过程等方面进行深入研究。

[1] N.Yigitbas1,F.Buzluca.A Control Plane for Prioritized Real-Time Communications in Wireless Token Ring NetWorks[J].IEEE Computer and Information Sciences,2008,10(04):1-6.

[2] Ghazale Hosseinabadi,Nitin Vaidya.Token-DCF An Opportunistic MAC protocol for Wireless Networks[J]. IEEE Communication Systems and Networks,2013, 1(01):1-9.

[3] Menouar,H Filali,F Lenardi,M.A survey and qualitative analysis of MAC protocols for vehicular ad hoc networks[J].IEEEWirelessCommunications,2006, 13(05):30-35.

[4] 王文政,周经伦,罗鹏程.战术数据链系统自适应轮询MAC协议[J].兵工学报,2009,30(12):1624-1631.

WANG Wen-zheng,ZHOU Jing-lun,Luo Peng-cheng.A-daptive Polling MAC Protocol for Tactical Data Link System [J].Acta Armament arii,2009,30(12):1624-1631.

[5] 曾勇,黄巍,杨静.运用动态优先级轮询机制的数据链仿真[J].电子科技大学学报,2008,37(02):244-247.

ZENG Yong,HUANG Wei,YANG Jing.Modeling of TDMA Data Link based on Dynamic Priority Polling Mechanism[J].Journal of University of Electronic Science and Technology of China,2008,37(02):244-247.

[6] Eric E.Johnson,Gary Anaya,Zibin Tang.Performance of the HF Token Protocol[J].IEEE MILCOM 2004, 2004,2(01):1021-1027.

[7] NC3A.STANAG 5066:Profile for HF Data Communications Annex L,High-Frequency Wireless-Token-Ring-Protocol Requirements[S].Edition 2 Draft 2,Brussels: NATO,2008.

[8] Eric E.Johnson.Status Report from the NATO Radio AHWG Meeting[C]//BLOS Comms Meeting.New Mexico State University(USA):Eric E.Johnson,2010: 15-21.

[9] NC3A.NATO Standardization Agreement:Profile for High Frequency(HF)Radio Data Communications STANAG 5066[S].Edition 2 Draft 2,Brussels: NATO,2008.

[10] NC3A.STANAG 5066:Profile for HF Data Communications Annex C,High-Frequency Wireless-Token-Ring-Protocol Requirements[S].Edition 2 Draft 2, Brussels:NATO,2008.

[11] Manikanden Balakrishnan,Eric E.Johnson.Queueing Analysis of DCHF and HF Token Protocol With Varying Turnaround Time[J].IEEE MILCOM 2004,2004,2 (01):572-578.

[12] Mustafa Ergen.WTRP—Wireless Token Ring Protocol [J].Vehicular Technology,IEEE 2004,53(06): 1863-1881.

[13] Eric E.Johnson,TANG Zi-bin,Manikanden Balakrishnan.Token Relay with Optimistic Joining[J].IEEE MILCOM 2005,2005,4(02):2216-2222.

[14] 曹鹏,景渊,黄国策.基于子队列的分布式动态令牌中继协议[J].北京邮电大学学报,2009,32(05): 88-92.

CAO Peng,JING Yuan,HUANG Guo-ce.A Distributed Dynamic Token Relay Protocol Based on Sub-Queue [J].Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications,2009,32(05):88-92.

[15] 屠文超.短波IP网络分布式动态令牌中继协议研究[D].西安:空军工程大学信息与导航学院,2013.

TU Wen-chao.The Distributed Dynamic Token Relay Protocol Research of HFIP Network[D].Xi'an:Institute of Information and Navigation,Airforce Engineering U-niversity,2013.

[16] Li J,Blake C,Couto D S D,et al.Capacity of Ad hoc wireless networks[C]//Proceedings of ACM Mobi-Com2001.Rome:ACM Press,2001:61-69.

[17] Cheng R G,Wang C Y,Liao L H,et al.Ripple:a wireless token-passing protocol for multi-hop wireless mesh networks[J].IEEE Communication Letters, 2006,10(02):123-125.

[18] Cheng R G,Chang R I.Improved wireless token ring protocol(IWTRP)for wireless metropolitan area networks[C]//IEEE Vehicular Technology Conference 2007.Dublin:IEEE Press,2007:31-35.

[19] 曹鹏.短波IP网络仿真与MAC协议研究[D].西安:空军工程大学信息与导航学院,2010.

CAO Peng.The Research of HFIP Network Simulation and MAC Protocol[D].Xi'an:Institute of Information and Navigation,Airforce Engineering University,2010.

[20] 曹鹏,黄国策,景渊.空间复用令牌协议错误检测机制的QoS[J].北京邮电大学学报,2011,34(04): 28-33.

CAO Peng,HUANG Guo-ce,JING Yuan.QoS Failure Detection Mechanism for Spatial Multiplexing Token Protocols[J].Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications,2011,34(04):28-33.

[21] Eric E.Johnson,TANG Zi-bin,Manikanden Balakrishnan. Robust Token Management for Unreliable Networks[J]. IEEE MILCOM 2003,2003,1(01):399-404.

[22] 沈建峰.ITU-R关于短波数字通信的最新建议[J].中国无线电,2008,3(05):25-28.

SHEN Jian-feng.The Newest Suggestions about HF Digital Communication of ITU-R[J].China Radio, 2008,3(05):25-28.

[23] Taner Kurtulus.Improvement and Development of High -Frequency Wireless Token-Ring Protocol[D].Ankara:Middle East Technical University,2010.

[24] A.F.R.Gillespie,S.E.Trinder.Analysis of Multiple Frequency HF Networks Versus Single Frequency Token Ring Networks[J].IEEE Ionospheric Radio Systems and Techniques,2006,9(03):157-161.

[25] Eric E.Johnson.Impact of Turnaround Time on Wireless MAC Protocols[C]//IEEE Proceedings of MILCOM 2003,Boston:[s.l.],2003:375-381.

[26] 许丽阳.具有子节点的无线自组织令牌网协议研究[D].北京:北京邮电大学,2013.

XU Li-yang.Research on Wireless Token Network With Sub-Nodes Protocol For Wireless Ad Hoc Network[D]. Beijing,Beijing University of Posts and Telecommunications,2013.

[27] 鞠茂光,刘尚麟.美国空军短波全球通信系统技术分析[J].通信技术,2013,46(07):96-98.

JU Mao-guang,LIU Shang-lin.Analysis on High-Frequency Global Communications System Technology of US Air Force[J].Communications Technology,2013, 46(7):96-98.

[28] Eric E.Johnson.HF Radio Mesh Networks[J].IEEE MILCOM 2006,2006,1(01):1-5.

[29] Cheng R G,Chang R I,Hua K L.IWTRP:spatial-reuse enhancement of the wireless token ring protocol[J].IEEE Communication Letters,2007,11(08):701-703.

[30] Donald G.Kallgren,STANAG 5066 Profile for HF Data Communication ROADMAP&STATUS[C]//The High-Frequency Industry Association,New Mexico State University(USA):Donald G.Kallgren,2009:44-59.

[31] ITU.Radiocommunication study groups document 9/158 Characteristics of advanced digital High Frequency(HF) radiocommunication systems[S].Edition 1.Geneva: ITU,2009.

HEXiao(1990-),male,graduate student,mainly engaged in communication and information system.

李 曼(1977—),女,副教授,博士,主要研究方向为通信与信息系统;

LI Man(1977-),female,associate professor,Her research mainly engaged in the research of communication and information system.

白 翔(1977—),男,工程师,博士,主要研究方向为无线通信技术;

BAI Xiang(1977-),male,engineer,Ph.D.,mainly engaged in wireless communication technology.

刘芸江(1976—),男,副教授,博士,主要研究方向为航空通信.

LIU Yun-jiang(1976-),male,associate professor,Ph. D.,mainly engaged in aeronautical communication.

Status Quo and Development of HF Token Ring Protocol

HE Xiao1,LI Man1,BAI Xiang2,LIU Yun-jiang1
(1.Institute of Information and Navigation,Airforce Engineering University,Xi'an Shaanxi 710077,China; 2.No.30 Institute of CETC,Chengdu Sichuan 610041,China)

Appropriate multi-access(MAC)protocol is the key to improving the network performance.The application of contention-free high frequency(HF)token ring protocol in the HF data communication network can effectively avoid data collision,offer better network throughput and access time-delaying,and thus is beneficial for HF to bringing its superiority of strong resistance and long communication distance into full play.This paper summarizes the basic profile of HF token ring protocol.From the aspects of relay mechanism,pathological topologies,merging process of token ring and node state transition,the latest research on operating mechanism of the protocol is highlighted and research direction for the future work also pointed out.

HF communication;HF token ring protocol;operating mechanism;QoS

TN92

A

1002-0802(2014)10-1167-06

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.10.012

贺 骁(1990—),男,硕士研究生,主要研究方向为通信与信息系统;

2014-08-03;

2014-09-13 Received date：2014-08-03;Revised date：2014-09-13