段立軍，喬平安，周敏

（西安郵電大學陜西西安710061）

MIMC無線Ad Hoc網(wǎng)絡MAC協(xié)議研究

段立軍，喬平安，周敏

（西安郵電大學陜西西安710061）

在提高網(wǎng)絡容量、帶寬以及吞吐量方面，多網(wǎng)卡多信道技術是目前此領域研究的熱點。由于帶有控制信道的MAC層協(xié)議存在著網(wǎng)絡容量小、信道利用率低等問題。本文研究了無控制信道的多網(wǎng)卡多信道MAC層協(xié)議，對此協(xié)議信道接入控制和數(shù)據(jù)結構進行了研究設計，在此基礎上，針對多網(wǎng)卡多信道的Ad Hoc網(wǎng)絡提出了一種體系結構，此結構能夠適應現(xiàn)有操作系統(tǒng)的需求，對于研究多網(wǎng)卡多信道Ad Hoc網(wǎng)絡提供了新的思路。

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

移動Ad Hoc網(wǎng)絡是一種多跳的、無中心節(jié)點的自組織網(wǎng)絡，以往的采用單網(wǎng)卡單信道來傳輸數(shù)據(jù)，并未達到理想的效果，而且造成了多信道的浪費。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)絡吞吐量的一種主要方法。但是在一個多跳無線網(wǎng)絡的節(jié)點上網(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)性的問題。

1　MIMC移動Ad Hoc網(wǎng)絡研究現(xiàn)狀

目前，多網(wǎng)卡多信道Ad Hoc網(wǎng)絡MAC層協(xié)議研究主要分為有控制信道和無控制信道，典型的有控制信道的MAC協(xié)議是動態(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完成信道預約，通過預約好的信道來完成數(shù)據(jù)傳輸，每個節(jié)點配備兩個半雙工收發(fā)機，一個收發(fā)機一直監(jiān)聽在公共信道上，另外一個收發(fā)機則在其他的信道上切換。這種結構適合小型的網(wǎng)絡，當網(wǎng)絡較大時，公共控制信道可能成為影響網(wǎng)絡性能的一個瓶頸。

這種無控制信道的典型協(xié)議是DIM［2］（Dual-interface Management）協(xié)議，下面我們就來分析這種無控制信道的多網(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

采用固定與動態(tài)相結合的混合信道分配［3］方法，這種方法是將節(jié)點的某些網(wǎng)卡分配一個對應的固定信道，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)調策略

在無線網(wǎng)絡傳輸中，如果兩個節(jié)點的網(wǎng)卡都沒有分配到一個公共的信道，就不可能進行通信。如果需要通信，這兩個節(jié)點就必須通過協(xié)調切換到同一個信道上。如何來完成這種接入控制，是個策略問題。

有一種技術就是將每個節(jié)點的一個網(wǎng)卡固定在一個信道上，相鄰的節(jié)點使用的固定信道不同，每個節(jié)點對附近所有的節(jié)點宣布它的固定信道信息，固定網(wǎng)卡主要用來接收消息。每個節(jié)點剩余的網(wǎng)卡在剩余的信道中切換來發(fā)送數(shù)據(jù)。由于發(fā)送節(jié)點知道接收節(jié)點的固定信道，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)卡相結合的策略。

2　MIMC（multi-interface multi-channel）分配協(xié)議的設計

文獻［4］首先對MIMC網(wǎng)絡進行了研究。MIMC是一種多網(wǎng)卡多信道分配協(xié)議，能應用于現(xiàn)有的IEEE802.11的硬件開發(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方面的內容。

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，假設每個節(jié)點有M個網(wǎng)卡，其中N個網(wǎng)卡以“長時間間隔”分配給N個信道，把這些網(wǎng)卡稱為固定網(wǎng)卡，對應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個網(wǎng)卡為可切換網(wǎng)卡，它們依據(jù)通信量動態(tài)地以“短時間間隔”分配給剩余的M-N個信道，可切換網(wǎng)卡依據(jù)通信量頻繁地在剩余信道間切換，對應的信道稱為“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

增加一個廣播網(wǎng)卡［5］，專門用來進行廣播消息的發(fā)送和接受。使每一個信道與一個隊列相關聯(lián)。這樣可以減少隱藏終端產(chǎn)生分組碰撞的問題。

2.2協(xié)議操作的實例

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

下面用兩個網(wǎng)卡三個信道的鏈路層協(xié)議操作實例圖2說明了節(jié)點間通信協(xié)議的操作過程。假設：節(jié)點A有分組經(jīng)由節(jié)點B送到節(jié)點C。節(jié)點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B就能夠收到這個分組，因為節(jié)點B的固定網(wǎng)卡總數(shù)正在監(jiān)聽信道2。第二步，節(jié)點B將可切換網(wǎng)卡切換到信道1，并轉發(fā)分組至C節(jié)點，節(jié)點C使用它的固定網(wǎng)卡接收這個分組。

圖2　兩個網(wǎng)卡三個信道的鏈路層協(xié)議操作實例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

每個節(jié)點的固定信道的選擇采用一種分布式的方式，初始化時，隨機選擇一個信道作為固定信道。每個節(jié)點維護一個鄰居表（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)點的鄰居表是通過鄰居節(jié)點廣播的Hello分組形成的，在第一次初始化完成之后，節(jié)點選擇與它的鄰居節(jié)點不相同的固定信道。此外，節(jié)點還會維持一個信道使用表（Channel Usage List）如表2所示，表中含有節(jié)點兩跳范圍內每個信道作為固定信道的計數(shù)。

表1　鄰居表Tab.1Neighbor table

表2　信道使用表Tab.2Channel usage list

每個節(jié)點定期的通過廣播網(wǎng)卡廣播發(fā)送Hello分組，Hello分組包括節(jié)點目前正在使用的固定信道信息和當前的鄰居表，附近的鄰節(jié)點通過收到的Hello分組來完成鄰居表和信道使用表的更新。這樣節(jié)點的信道使用表就包含二跳節(jié)點內信道的使用信息。

2.4協(xié)議算法流程

當節(jié)點收到來自上層的分組時：

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

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

3　適用于MIMC網(wǎng)絡的一種體系結構

在應用多網(wǎng)卡多信道MAC協(xié)議應用的過程中，網(wǎng)卡的頻繁切換必然影響網(wǎng)絡的性能，網(wǎng)卡的切換時延大小也會影響網(wǎng)絡的性能，通過修改驅動程序，可以使切換時延減少到5 ms之內，如此頻繁的切換則可行。但是要實現(xiàn)頻繁的網(wǎng)卡切換，需要操作系統(tǒng)內核全新的支持。

3.1節(jié)點結構的更改

為了隱藏多網(wǎng)卡的復雜性，虛擬MAC層管理著各個網(wǎng)卡當前的信道、鄰居表以及信道使用表，無論實際網(wǎng)卡是多少或者有多少個，虛擬MAC層只給高層提供一個單一的虛擬網(wǎng)卡，網(wǎng)絡層是不需要知道分組是由哪個網(wǎng)卡轉發(fā)出去的，也不用知道分組是從哪個網(wǎng)卡接收過來的。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)絡分層圖所示。

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

3.2系統(tǒng)的體系結構

圖4　Linux內核Fig.4Linux kernel

以Linux為例，Linux內核的網(wǎng)絡協(xié)議是多層設計的，Linux內核如圖4所示。

圖5　MIMC協(xié)議體系機構Fig.5MIMC protocol architectures

在Linux網(wǎng)絡體系結構下，我們設計了一種新的抽象組件來管理網(wǎng)卡跨多信道切換，在Linux的內核空間中增加此抽象組件，如圖5 MIMC協(xié)議體系結構圖所示。將這個抽象組件放在網(wǎng)絡協(xié)議與設備驅動程序中間。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設備驅動的特殊性，符合上一部分提出的節(jié)點結構［7］。由圖可知，抽象組件的主要優(yōu)勢是屏蔽了高層管理多網(wǎng)卡多信道的復雜性，所以現(xiàn)有的Ad Hoc路由協(xié)議、ARP機制無須進行任何修改即可使用。

4　結論

本文對基于多網(wǎng)卡多信道的Ad Hoc網(wǎng)絡信道分配協(xié)議和網(wǎng)卡分配進行了研究，通過研究出一種新的抽象層來管理多網(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)卡的復雜性。文章也對多網(wǎng)卡多信道的MAC層協(xié)議進行了研究，下一步的工作就是通過實驗來證明在這種新的系統(tǒng)體系下，無控制信道的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：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。