張祖華, 楊明武, 楊克榮

(合肥工業(yè)大學 電子科學與應用物理學院,安徽 合肥 230009)

一種面向NTN網絡轉發(fā)模塊的研究實現

張祖華, 楊明武, 楊克榮

(合肥工業(yè)大學 電子科學與應用物理學院,安徽 合肥 230009)

NTN(node-to-node)橫聯遠距離無線移動通信系統(tǒng)轉發(fā)模塊是基于MAC地址轉發(fā)原理,每個節(jié)點維護一張包含下一跳節(jié)點信息的路由表。文章在當前無線自組網路由協議的理想要求上,比較路由協議的常規(guī)問題,分析轉發(fā)模塊設計方案的特點,同時從6個方面研究轉發(fā)模塊。測試結果表明,該MAC協議轉發(fā)模塊可實現全網MAC的學習、轉發(fā)路徑的計算、拓撲去環(huán)功能,支持橫聯內部設備相互通信、外設與外設通信。

node-to-node網絡;轉發(fā)模塊;MAC學習;拓撲去環(huán)

0 引 言

NTN(node-to-node)網絡是一種動態(tài)拓撲對等網絡,其終端設備能在遠距離下無線通信,因此它是由1組帶有無線收發(fā)裝置的移動節(jié)點組成的一個多跳臨時性自治系統(tǒng)[1]。該網絡拓撲中,2個不能直接通信的移動節(jié)點可以借助其他節(jié)點進行分組轉發(fā)、實現多信道多頻點的數據通信。與其他移動通信網絡相比,它不需要固定基站支持,具有網絡易部署、廣覆蓋、自組性、多跳、分布式的無線信道等特點,主要用于軍事戰(zhàn)術通信、應急通信、協同移動通信、無線接入系統(tǒng)[2]。

與自組織網絡一樣,NTN網絡節(jié)點之間是通過多跳數據轉發(fā)機制進行數據交換,需要路由協議進行轉發(fā)決策。無線信道變化的不規(guī)則性,節(jié)點的移動、加入、退出等也會引起網絡拓撲結構的動態(tài)變化。MAC協議轉發(fā)模塊的作用就是在這種環(huán)境下,監(jiān)控網絡拓撲結構變化,交互路由信息,產生、維護和選擇路由,并根據選擇的路由轉發(fā)數據,提供網絡的連通性。它實現全網拓撲和二層轉發(fā)表的學習、最短路徑的計算、拓撲去環(huán)的功能等,是移動節(jié)點進行通信的基礎,因此也是NTN網絡中的研究核心。本文將對NTN網絡的MAC協議轉發(fā)模塊進行具體研究。

1 轉發(fā)模塊的設計特點

一個理想的自組網路由協議應當滿足以下7個方面的要求:分布式運行；提供無環(huán)路由；按需進行協議操作；對單向信道的支持；提供節(jié)能策略；可擴展性；安全性[1]。

目前的路由協議由于受自組網環(huán)境特性的挑戰(zhàn),存在以下幾個研究難點:

(1) 動態(tài)變化的網絡拓撲結構。當拓撲結構發(fā)生變化時,拓撲的收斂時間及拓撲信息的準確收集成為衡量自組網性能的重要指標。MAC協議轉發(fā)模塊在路由轉發(fā)時采用主動路由思想,根據計算后的路徑轉發(fā)數據,有效縮短了節(jié)點間的時延。節(jié)點間的MAC學習采用按需路由的思想,每個節(jié)點維護一張包含下一跳的MAC轉發(fā)表,一旦有節(jié)點上下線,即會對MAC池、路由表進行更新,再泛洪至全網節(jié)點,以保證動態(tài)拓撲信息收集的準確性。另外,周期更新和增量更新的方式保證了拓撲信息的實時性。

(2) 分布式運行。集中式路由協議通常存在一個中心節(jié)點,負責收集整個網絡拓撲結構,計算全網的最短路由,并將結果分發(fā)到其他節(jié)點。但這種機制難以適應動態(tài)變化的自組網,且開銷過大。NTN網絡不設立中心控制節(jié)點,每個節(jié)點地位對等,且兼有獨立路由和主機功能,節(jié)點之間通過分布式協議互聯,一旦網絡的某個或某些節(jié)點發(fā)生故障,各模塊對該節(jié)點信息進行處理后,其余的節(jié)點仍然能夠正常組網工作,反映出NTN系統(tǒng)的魯棒性。

(3) 提供無環(huán)路由。當網絡中存在環(huán)路,就會造成每一幀在網絡中重復轉發(fā),引起“廣播風暴”。MAC協議轉發(fā)模塊通過最小生成樹算法和貪心算法對網絡拓撲圖進行去環(huán)及路徑計算,以提供無環(huán)鏈路轉發(fā)數據。去環(huán)原理是選取n-1條邊連接n個節(jié)點,優(yōu)先選擇有線鏈路,但不能生成一棵轉發(fā)樹。由于樹的無環(huán)路特性,所有的數據只在這棵樹所指示的路徑上傳輸,通過最小路徑算法計算出源節(jié)點到目的節(jié)點的轉發(fā)路徑。

(4) 對單向信道的支持。無線自組網通信環(huán)境中,由于發(fā)射功率、地理位置等因素的影響,可能存在單向信道。例如,車載終端的發(fā)射功率大于手持終端,手持終端可以收到來自車載終端的信號,而車載終端無法收到來自手持終端的信號,這時就存在從車載終端到手持終端的單向信道。本文研究的二層轉發(fā)模塊對單向信道具有過濾性,由于每個節(jié)點維護的路由表相對獨立,本地節(jié)點學到鄰居節(jié)點的MAC地址時,泛洪至其他鄰居節(jié)點;鄰居節(jié)點學到的MAC地址與泛洪來的MAC表進行對比更新,若發(fā)現其不在鄰居視圖里面,則認為單邊關系,即在MAC池刪除對應的MAC地址。

(5) QoS支持。自組網中如何動態(tài)地配置網絡資源,使數據傳輸效率更高,以及保障多媒體業(yè)務傳輸服務質量是目前的關鍵問題[3]。MAC協議轉發(fā)模塊有3種QoS(基于MAC、基于IP、基于Node-id)模式,用戶可根據業(yè)務等級在網絡中尋找一條符合業(yè)務要求的路由,實現無線傳輸帶寬的優(yōu)先級管理,對報文進行選擇性處理,以保障網絡資源高效率地傳輸。競爭共享無線信道產生沖突時,存在“隱藏終端”、“暴露終端”[4-5]問題;本文的轉發(fā)模塊并沒有引入控制分組的解決方案,而是利用多信道多頻點有效地避免因業(yè)務共享信道引起的沖突,每個NTN網絡節(jié)點的無線信道有多個可用數據頻點,數據頻點依據迭代算法獲取。

(6) 有限的無線傳輸帶寬。自組網中,考慮到競爭共享無線信道產生的碰撞、信號衰減、噪音干擾、信道間干擾等多種因素,節(jié)點可得到的實際帶寬是遠遠小于理論上的最大帶寬值[6]。本模塊通過增加鏈路標識符以區(qū)分有線鏈路與無線鏈路,業(yè)務鏈路優(yōu)先選擇有線鏈路,通過LAN口進行傳輸數據,因此在一定程度上,有線無線混合組網節(jié)省了無線傳輸帶寬。

由以上分析可以看出,本文的MAC協議轉發(fā)模塊不僅滿足一個理想的自組網路由協議的要求,而且在部分路由協議研究難點上具有顯著優(yōu)勢,以保持NTN系統(tǒng)動態(tài)網絡拓撲的實時性,分布式運行及提供無環(huán)路由,對單向信道和QoS的支持,擴展無線傳輸帶寬。

2 轉發(fā)模塊的具體實現

本文的MAC協議轉發(fā)模塊是NTN網絡建立通信的橋梁,決定組網節(jié)點能否收發(fā)業(yè)務報文。該模塊位于NTN系統(tǒng)上層協議網絡管理部分,實現全網MAC地址的學習、MAC轉發(fā)表的維護、轉發(fā)路徑的計算、拓撲去環(huán)等功能,支持橫聯內部設備相互通信,包括節(jié)點與節(jié)點通信、節(jié)點與外設通信、外設與外設通信。

2.1 業(yè)務報文幀結構

常規(guī)的以太網幀與轉發(fā)模塊的業(yè)務報文幀,其封裝內容主要有通道號、目的節(jié)點、時隙類型、通道類型、QoS等級。通道號表示傳輸的數據信道號;時隙類型分為資源變化和鄰居變化,用以與資源分配模塊及DSP交互;通道類型分為有線和無線,用來支持有線無線混合組網功能。由此可以看出,轉發(fā)模塊的業(yè)務報文不僅支持多信道傳輸數據和有線無線混合組網,同時還支持QoS動態(tài)地配置網絡資源。

2.2 節(jié)點與PC的鏈表關系

轉發(fā)模塊中,各節(jié)點的鄰居表、路由表、連接表、MAC表等都以鏈表結構存在,使得MAC地址插入和刪除時效率較高,不必移動數據,只需修改它們的鏈接指針即可,且使用hash算法進行高效訪問MAC地址。節(jié)點是通過node-head牽導,節(jié)點與PC是通過MAC-head連接起來的，如圖1所示。

節(jié)點鏈表元素主要有節(jié)點的MAC地址、指向節(jié)點鏈表的后繼、指向節(jié)點下PC的首部、本地節(jié)點的id、本節(jié)點下PC的數量；PC鏈表元素主要有指向鏈表的后繼、指向父親節(jié)點的節(jié)點表、本地PC的MAC地址、生存時間、序列號。

圖1 節(jié)點與PC的鏈表關系

2.3 全網MAC的學習

本地節(jié)點的MAC表包括本地節(jié)點的MAC和節(jié)點下掛外設(一般情況下指PC機)的MAC地址,節(jié)點間的MAC表通過泛洪的形式學習,最后每個節(jié)點都學習到全網的MAC。例如,6個節(jié)點組網,如圖2所示。

node1將自身的MAC以及節(jié)點下掛的PC機MAC用協議報文的形式告知鄰居節(jié)點node2、node4、node6；node1的鄰居節(jié)點node2、node4、node6再將node1的MAC消息及自身的所有MAC信息告知自己的鄰居。這樣對于全網的每一個節(jié)點,既獲取了本節(jié)點的源MAC,又通過學習機制學習到全網的MAC,最后形成了一張全網的源MAC表。

圖2 全網MAC的學習圖

2.4 轉發(fā)表的路由計算

轉發(fā)表的路由計算分為拓撲去環(huán)和路徑計算2個部分。

拓撲去環(huán)原理是依據圖的最小生成樹算法[7-8],選取n-1條邊連接n個節(jié)點,不構成回路生成一棵轉發(fā)樹。去環(huán)的思想來源于貪心算法,不從整個鏈路上加以考慮,而是在某種意義上的局部最優(yōu)解,即只考慮單跳節(jié)點。鏈路的類型分為有線鏈路和無線鏈路。若有線和無線鏈路同時存在時,則以有線鏈路為貪心策略,優(yōu)先選擇有線鏈路;若只存在無線鏈路或只存在有線鏈路,則從最小節(jié)點開始遍歷,且根據最小生成樹算法對其進行去環(huán)。

節(jié)點組網拓撲如圖3所示。假設所有節(jié)點間的鏈路關系為雙邊鄰居關系，先剔除網絡拓撲中所有單邊鄰居關系,找到網絡拓撲中bsid最小的節(jié)點;把網絡拓撲中bsid最小的節(jié)點加入集合A,它的所有雙邊鄰居節(jié)點同樣加入集合A,它的所有邊加入集合B;找到集合A除去剛剛遍歷過的節(jié)點bsid最小的節(jié)點,遍歷它的所有雙邊鄰居,若發(fā)現有鄰居節(jié)點屬于集合A且這條邊不在集合B中則剔除這條邊,把不符合上述規(guī)則的鄰居節(jié)點加入集合A,邊加入集合B;重復上述操作,直到集合A中再也找不到沒有遍歷過的節(jié)點,這時如果發(fā)現集合A中沒有包含全網拓撲中的所有節(jié)點或者超過全網拓撲中的所有節(jié)點,那么計算失敗，就需重新計算。若集合A中恰好包含有全網拓撲中的所有節(jié)點且也沒有多出其他節(jié)點,那么計算成功,集合B就是所需的新的去環(huán)網絡拓撲。

去環(huán)后的拓撲圖如圖4所示。

圖3 節(jié)點組網拓撲

圖4 去環(huán)后的網拓撲

路徑計算的原理是依據迪杰斯特拉算法,從去環(huán)后的整個鏈路加以考慮,以源節(jié)點為起點向外擴展,直至擴展到目的節(jié)點為止,選取跳數最小的路徑作為轉發(fā)路徑。

2.5 源MAC表的維護

源MAC表的維護主要分為表的增加、更新和老化[9]。

當二層轉發(fā)模塊接收到一個報文后,會對源MAC地址進行學習,學習時會先檢查源MAC表中是否有此MAC地址記錄,如果沒有則增加一個新的表項,反之則判斷是否需要更新此表項,即判斷此表項中的業(yè)務端口號是否變化,若有變化則修改此表項記錄中的端口號和端口類型。經過源MAC表的增加和更新后,將泛洪至全網節(jié)點以實時更新二層轉發(fā)表。

在源MAC地址的學習過程中,源MAC表通過周期更新或觸發(fā)更新學習到一個新的MAC地址,立即自動開啟定時器計時,若在規(guī)定的時間內3次未作出響應,則源MAC表會剔除該MAC表及其所攜帶的信息,即對該MAC表進行老化處理。此時,首先通知路由表進行更新,然后通知其他相關模塊進行處理。每個MAC地址都有其對應的老化機制,保證了二層轉發(fā)表的實時性,以便于節(jié)點間能準確地通過路由表傳送協議報文。

2.6 節(jié)省無線傳輸帶寬

在一定程度上,有線無線混合組網節(jié)省了無線傳輸帶寬。此時,轉發(fā)模塊通過增加鏈路標識符以區(qū)分有線與無線鏈路,在計算轉發(fā)路徑時,以鏈路類型為貪心策略,即有線無線鏈路同時存在,業(yè)務傳輸鏈路優(yōu)先選擇有線鏈路。與業(yè)務報文轉發(fā)時,轉發(fā)模塊通過報文的sub-type判斷是有線報文還是無線報文,若是有線報文則走LAN口轉發(fā);若是無線報文則走空口轉發(fā)。

3 系統(tǒng)測試

3.1 測試環(huán)境建立

3個NTN節(jié)點組網,node5下掛PC5,node8下掛PC8,node3、node5、node8互連,iperf灌包,通過Secure CRT或NetMeter觀察外設(PC5)到外設(PC8)之間的通信。

3.2 測試結果

3個節(jié)點均可學習到全網的MAC地址,依據拓撲去環(huán)算法,拓撲形狀為線型結構(node5-node3-node8),即node5與node8的業(yè)務報文交互通過node3轉發(fā)。根據NTN網絡信道分配原理,node5和node8分別獲取node3 1/2的時隙,此時,若PC5與PC8相互灌包20 M(Upperload,UL),PC5與PC8的下行流量(Download,DL)分別只有10 M左右,如圖5所示。node5的IP為172.255.5.254,圖5a中PC5的IP設置為同一網段IP 172.255.3.33,圖5b中PC8的IP類似設置為172.255.8.88,在cmd窗口進入iperf目錄,PC5與PC8通過iperf命令分別采用用戶數據報協議(user datagram protocol,UDP)灌包20 M,NetMeter觀察到上下行流量值與上述理論計算值相等。

圖5 外設與外設通信的流量

4 結 論

目前,NTN網絡各終端設備已廣泛應用于緊急通信中,成為用戶與基站間“最后一公里”解決方案的關鍵技術。本文分析了轉發(fā)模塊的設計特點,具體研究了NTN網絡路由模塊如何適應自組網動態(tài)變化的網絡拓撲結構,并實現拓撲去環(huán)、路由選擇及路由維護等功能,同時在有限的無線傳輸帶寬上充分利用NTN網絡的可擴展性,最終實現外設與外設的通信。

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(責任編輯 馬國鋒)

Research on forwarding module of node-to-node network

ZHANG Zuhua, YANG Mingwu, YANG Kerong

(School of Electronic Science and Applied Physics, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

The forwarding module of node-to-node(NTN) communication system with some characters of transverseness, long-distance, wirelessness and mobility is based on the MAC address forwarding theory in which each node maintains a routing table of containing the next hop information. In view of the general requirements of the wireless ad hoc networks currently, the general problems in routing protocols are compared, and the features of the design of forwarding module are analyzed. Moreover, the forwarding module is studied from six specific aspects. The results indicate that the MAC protocol forwarding module achieves the functions of network-wide MAC learning, the calculation of forwarding path and cutting the ring of topology. It also makes transverse devices communicate with each other and the peripherals communicate in network.

node-to-node(NTN) network; forwarding module; MAC learning; cut the ring of topology

2015-09-22；

2015-11-10

國家自然科學基金青年科學基金資助項目(61501159)

張祖華(1989-),男,湖北廣水人,合肥工業(yè)大學碩士生; 楊明武(1958-),男,安徽滁州人,合肥工業(yè)大學教授,碩士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.04.009

TP393.02

A

1003-5060(2017)04-0476-05