??? 摘? 要： 針對(duì)無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的需求，基于VxWorks操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于多信道的鄰居管理協(xié)議，用于實(shí)現(xiàn)鄰居的發(fā)現(xiàn)、刪除以及全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的連通性維護(hù)。測(cè)試結(jié)果表明，該協(xié)議能確保網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間高效可靠地完成鄰居管理功能。?

??? 關(guān)鍵詞： 無(wú)線Ad Hoc； 多信道； 鄰居管理； 連通表

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??? 在無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，鄰居管理^[1]是網(wǎng)絡(luò)正常工作的基礎(chǔ)。唯有通過(guò)與鄰居節(jié)點(diǎn)的信息交互，無(wú)線自組網(wǎng)才能通過(guò)路由控制消息的交換建立正確的路由，從而在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)多跳通信?，F(xiàn)有的鄰居管理協(xié)議大多作為其他協(xié)議的子模塊為主協(xié)議提供支持，如典型的DSDV（Destination-Sequenced Distance-Vector）路由協(xié)議^[2]，通過(guò)周期性地交換HELLO消息檢測(cè)鄰居節(jié)點(diǎn)。除了基于定時(shí)消息的鄰居管理協(xié)議之外，事件驅(qū)動(dòng)的鄰居管理協(xié)議是另一類分支^[3]，其主要特點(diǎn)為：(1)僅在需要維護(hù)更新拓?fù)湫畔r(shí)才發(fā)送HELLO消息；(2)使用序列號(hào)檢測(cè)鄰居信息的新舊程度與拓?fù)涞淖兓癄顟B(tài)。在上述協(xié)議中，由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要實(shí)時(shí)維護(hù)鄰居信息，這樣在拓?fù)渥兓^快的環(huán)境中，大量的拓?fù)涓孪?huì)占用過(guò)多的信道資源，使得系統(tǒng)效率下降。比較方便的解決方法是：采用基于多信道的方式，使用多個(gè)信道即可在物理上增加信道帶寬，又能降低節(jié)點(diǎn)沖突的機(jī)會(huì)，顯著提高了網(wǎng)絡(luò)性能。針對(duì)某特定環(huán)境對(duì)無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的需要，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于多信道的鄰居管理協(xié)議。?

1 基于多信道的NM協(xié)議功能需求?

??? 傳統(tǒng)的無(wú)線自組網(wǎng)吞吐量不高，尤其隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大，節(jié)點(diǎn)吞吐量下降。近年來(lái)通過(guò)在MAC層使用多個(gè)信道，無(wú)線自組網(wǎng)的吞吐量得到顯著提高^[4]。本文研究的無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，針對(duì)某特定應(yīng)用環(huán)境的需要，采用TDMA的信道接入機(jī)制，節(jié)點(diǎn)分為物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層。由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模比較?。ü?jié)點(diǎn)數(shù)不超過(guò)12），采用固定信道分配方式，每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配固定的控制信道和業(yè)務(wù)信道，使控制報(bào)文和數(shù)據(jù)報(bào)文相分離，這使得在TDMA模式下，幀的發(fā)送具有無(wú)沖突、周期性、固定幀長(zhǎng)等特點(diǎn)。雖然鏈路層并不關(guān)心鄰居信息，但是由于鏈路層可以比網(wǎng)絡(luò)層更有效地偵測(cè)到鄰居信息，能減少網(wǎng)絡(luò)層的路由開(kāi)銷(xiāo)，提高信道利用率?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，使得在鏈路層完成NM功能極具優(yōu)勢(shì)。本文針對(duì)無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的功能需求，在VxWorks嵌入式系統(tǒng)下設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于多信道的鄰居管理NM(Neighbor Management)協(xié)議。該協(xié)議針對(duì)網(wǎng)絡(luò)初始化的鄰居發(fā)現(xiàn)和全網(wǎng)的鏈路維護(hù)兩個(gè)場(chǎng)景。在鄰居發(fā)現(xiàn)階段，采用時(shí)間驅(qū)動(dòng)方式，定時(shí)與鄰居節(jié)點(diǎn)交換HELLO消息，查詢鄰居鏈路的雙向連通，檢測(cè)鄰居鏈路的變化;在全網(wǎng)鏈路維護(hù)階段，采用事件驅(qū)動(dòng)方式，泛洪鄰居變化信息，建立和維護(hù)全網(wǎng)活動(dòng)節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浞植迹ㄟB通表）。?

2 NM協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?

2.1 鄰居管理操作?

??? 基于多信道的NM機(jī)制，采用TDMA的方式，將信道劃分為M個(gè)控制信道和多個(gè)業(yè)務(wù)信道，每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配固定的控制信道，節(jié)點(diǎn)在控制信道公告NM信息分組，同時(shí)監(jiān)聽(tīng)鄰居節(jié)點(diǎn)的公告信息。?

??? 為了不影響節(jié)點(diǎn)的正常信道接入，每個(gè)節(jié)點(diǎn)建立一個(gè)幀號(hào)，幀號(hào)取16位（0～65 535）,在達(dá)到最大值時(shí)從0開(kāi)始循環(huán)取值?？刂菩诺烂堪l(fā)送一個(gè)時(shí)幀，幀號(hào)就增1，并把該幀號(hào)添加到鏈路分組中，剛?cè)刖W(wǎng)的節(jié)點(diǎn)收到鄰居節(jié)點(diǎn)的鏈路分組，修改本地幀號(hào)使之與鄰居節(jié)點(diǎn)一致，從而達(dá)到全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)間幀號(hào)一致。對(duì)于HELLO信息的公告，全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在幀號(hào)范圍(1 024×n～1 024×n＋10)發(fā)送，避免了在控制信道的HELLO信息與其他控制報(bào)文的沖突，并使節(jié)點(diǎn)在統(tǒng)一時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行HELLO消息廣播，縮短了鄰居發(fā)現(xiàn)時(shí)間。另外，公告鄰居變化表時(shí)，如果節(jié)點(diǎn)有控制報(bào)文等待發(fā)送，節(jié)點(diǎn)將其緩沖，等待公告發(fā)送結(jié)束后，再繼續(xù)發(fā)送。由于只有鄰居發(fā)現(xiàn)和刪除時(shí)才廣播鄰居變化表，占用控制信道時(shí)間比較少，所以造成的控制報(bào)文延遲很小。?

??? HELLO消息的格式為ID號(hào)、鄰居數(shù)、鄰居列表。鄰居列表是一個(gè)動(dòng)態(tài)的一維數(shù)組，列出了它最近檢測(cè)到的與它單向連通的鄰居節(jié)點(diǎn)的ID號(hào)。鄰居變化表的格式為源節(jié)點(diǎn)ID號(hào)、節(jié)點(diǎn)ID號(hào)、鏈路狀態(tài)和序列號(hào)SEQ。鏈路狀態(tài)‘1’表示連通，‘0’表示不連通。為了重復(fù)分組檢測(cè)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)序列號(hào)SEQ，節(jié)點(diǎn)每次發(fā)送一個(gè)鄰居變化分組其維護(hù)的SEQ單調(diào)增1，其他節(jié)點(diǎn)收到一個(gè)信息分組依靠序列號(hào)和源節(jié)點(diǎn)ID號(hào)來(lái)判斷自己是否轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)該分組。?

??? 每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)連通表，表示全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)鏈路的雙向連通性，用矩陣A[i][j]表示。?

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其中，i、j表示節(jié)點(diǎn)的ID號(hào)，構(gòu)成矩陣的行和列，行數(shù)和列數(shù)等于網(wǎng)內(nèi)活動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)，對(duì)應(yīng)的元素表示雙向連通狀態(tài)。?

??? 基于多信道的鄰居管理的操作主要分為以下三步：?

??? (1) 初始連通表的建立?

??? 連通表的初始值為全零，當(dāng)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)成功后，以請(qǐng)求的方式從鄰居節(jié)點(diǎn)得到全網(wǎng)最新的連通表，建立初始連通表。當(dāng)節(jié)點(diǎn)第一個(gè)開(kāi)始組網(wǎng)時(shí)，連通表為初始值全零。?

??? (2) 鄰居發(fā)現(xiàn)和刪除?

??? 節(jié)點(diǎn)通過(guò)幀號(hào)的范圍，周期性地廣播HELLO消息，同時(shí)監(jiān)聽(tīng)鄰居節(jié)點(diǎn)的HELLO信息，圖1是一個(gè)鄰居發(fā)現(xiàn)的例子。假設(shè)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)A與B分別處于不同的控制信道Ta和Tb。首先節(jié)點(diǎn)A在Ta上公告的HELLO消息被B接收，B將A的ID號(hào)添加到其維護(hù)的鄰居列表NLb中，同時(shí)在信道Tb上公告HELLO消息（NLb），A收到公告后，將B的ID號(hào)添加到NLa中，同時(shí)查看NLb，發(fā)現(xiàn)B已經(jīng)接收到之前A所發(fā)出的公告，A認(rèn)定兩者是鄰居關(guān)系。在下一次公告時(shí)，B收到A的公告信息，同樣也可以判斷與A為鄰居關(guān)系。通過(guò)這種握手機(jī)制完成了相互發(fā)現(xiàn)過(guò)程。容易推導(dǎo)，節(jié)點(diǎn)在前兩次公告后即可實(shí)現(xiàn)相互發(fā)現(xiàn)過(guò)程。?

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??? 實(shí)現(xiàn)鄰居發(fā)現(xiàn)后，節(jié)點(diǎn)通過(guò)鏈路監(jiān)測(cè)機(jī)制，當(dāng)在一連續(xù)時(shí)間段內(nèi)沒(méi)有收到鄰居節(jié)點(diǎn)的HELLO消息時(shí)，表示鏈路斷開(kāi)，則從鄰居列表中將鄰居節(jié)點(diǎn)ID號(hào)刪除。?

??? (3) 泛洪鄰居變化信息?

??? 節(jié)點(diǎn)通過(guò)鄰居的發(fā)現(xiàn)與刪除機(jī)制，修改連通表，并全網(wǎng)廣播鄰居變化信息，使全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的連通表達(dá)到同步。節(jié)點(diǎn)收到鄰居變化信息分組后，查看分組中的源節(jié)點(diǎn)ID號(hào)和SEQ，判斷是否有該ID和SEQ的記錄，如果沒(méi)有則更新連通表，轉(zhuǎn)發(fā)該分組，否則丟棄。?

2.2 實(shí)現(xiàn)方案?

??? 在本系統(tǒng)中，鏈路層設(shè)計(jì)采用“底層驅(qū)動(dòng)軟件＋嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)＋協(xié)議?！钡脑O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，主要完成TDMA信道接入?yún)f(xié)議與NM協(xié)議的設(shè)計(jì)，本文主要實(shí)現(xiàn)NM協(xié)議。鏈路層總體軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。硬件平臺(tái)采用S3C2510的32位網(wǎng)絡(luò)處理器和相應(yīng)的外設(shè)構(gòu)成硬件平臺(tái)，RTOS采用VxWorks，使用I/O口進(jìn)行NM數(shù)據(jù)分組的收發(fā)，使用串口將連通表發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)層。?

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　　VxWorks操作系統(tǒng)是一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)，是嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境的主要組成部分，具有可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可裁減等特點(diǎn)。VxWorks為程序員提供了高效的實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度、中斷管理、實(shí)時(shí)的系統(tǒng)資源以及任務(wù)間通信。?

基于NM的功能需求和VxWorks操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，遵循H.Gomma原則[5]，將系統(tǒng)劃分為六個(gè)任務(wù)，如圖3所示。?

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??? 圖3中，每一個(gè)虛線框圖對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的任務(wù)，并建立鄰居列表和連通表兩個(gè)全局變量。其設(shè)計(jì)思想如下：?

??? (1) 首先從接收任務(wù)I/O口中檢測(cè)到鏈路數(shù)據(jù)，取出其中的NM消息包，通過(guò)消息隊(duì)列Msg發(fā)送到數(shù)據(jù)處理任務(wù)。?

??? (2) 數(shù)據(jù)處理任務(wù)對(duì)不同的NM信息進(jìn)行不同的處理。首先通過(guò)鄰居連通表的接收，建立初始的連通表。通過(guò)HELLO消息包實(shí)現(xiàn)鄰居的發(fā)現(xiàn)，維護(hù)鄰居列表和連通表；通過(guò)鄰居變化信息包來(lái)判斷兩跳范圍外的節(jié)點(diǎn)鏈路變化情況，若第一次收到，則修改連通表，轉(zhuǎn)發(fā)鄰居變化信息。 ?

??? (3) 鏈路檢測(cè)任務(wù)通過(guò)taskdelay（int ticks）函數(shù)，每30s查看鄰居HELLO消息的接收情況，監(jiān)測(cè)鄰居鏈路的變化，若在連續(xù)30s內(nèi)沒(méi)有收到鄰居節(jié)點(diǎn)的HELLO消息，則在鄰居列表中刪除鄰居ID號(hào)，修改連通表，泛洪鄰居變化信息。?

??? (4) 數(shù)據(jù)處理任務(wù)產(chǎn)生二進(jìn)制信號(hào)量Sem1和Sem2，分別觸發(fā)I/O口發(fā)送任務(wù)和串口發(fā)送任務(wù)，完成任務(wù)的同步，泛洪鄰居變化信息和發(fā)送連通表到網(wǎng)絡(luò)層。?

??? (5) 通過(guò)硬件定時(shí)器，設(shè)定時(shí)幀的幀號(hào)，在幀號(hào)為(1 024×n~1 024×n+10)范圍內(nèi)廣播HELLO消息。?

3 功能測(cè)試?

??? NM協(xié)議模塊位于無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)框架內(nèi)，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)已研制成功，本文在真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上對(duì)NM模塊功能進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和測(cè)試，如圖4所示為測(cè)試環(huán)境。?

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??? 在該測(cè)試場(chǎng)景中，節(jié)點(diǎn)1(ID號(hào)為1)開(kāi)始組網(wǎng)，節(jié)點(diǎn)2（ID號(hào)為2）通過(guò)節(jié)點(diǎn)1接入網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)3(ID號(hào)為3)通過(guò)節(jié)點(diǎn)2接入網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)1與節(jié)點(diǎn)2互為鄰居，節(jié)點(diǎn)2與節(jié)點(diǎn)3互為鄰居。測(cè)試的目的是檢驗(yàn)NM的功能，PC機(jī)與鏈路控制器中的VxWorks平臺(tái)通過(guò)控制臺(tái)串口相連，用于觀測(cè)節(jié)點(diǎn)NM數(shù)據(jù)包的收發(fā)和處理，通過(guò)超級(jí)終端從節(jié)點(diǎn)1抓包如圖5：節(jié)點(diǎn)1周期性地發(fā)送HELLO數(shù)據(jù)(-1-0-0-0)，當(dāng)?shù)谝淮螜z測(cè)到節(jié)點(diǎn)2的HELLO消息包(-2-1-0-0)時(shí)，在鄰居列表中添鄰居ID號(hào)(-1-2-0-0)，并更新連通表，泛洪鄰居變化信息(-1-2-1-1)。節(jié)點(diǎn)1第一次收到節(jié)點(diǎn)2發(fā)送的鄰居變化信息(-2-3-1-1)后，發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)3為鄰居，修改連通表，并轉(zhuǎn)發(fā)該鄰居變化信息包(-2-3-1-1)時(shí)，對(duì)于再次收到同樣的鄰居變化信息包（判斷SEQ，仍為1）時(shí)，不作處理。?

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??? 根據(jù)NM的功能測(cè)試結(jié)果可以看出：此方案能提供實(shí)時(shí)、充分的鄰居節(jié)點(diǎn)信息，建立全網(wǎng)統(tǒng)一的連通表，有助于提高上層應(yīng)用的性能。?

??? 本文針對(duì)某工作于特定環(huán)境的無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的需要，在鏈路層設(shè)計(jì)了一種基于多信道的鄰居管理協(xié)議，該協(xié)議不僅能準(zhǔn)確地掌握鄰居節(jié)點(diǎn)信息，還能維護(hù)全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一的連通表，有效地服務(wù)于網(wǎng)絡(luò)層，并在VxWorks操作系統(tǒng)下對(duì)該協(xié)議進(jìn)行了設(shè)計(jì)，功能測(cè)試結(jié)果表明，該協(xié)議穩(wěn)定、可靠、準(zhǔn)確。本文提出的鄰居管理協(xié)議適用于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小的無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。?

參考文獻(xiàn)?

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