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

??? 關(guān)鍵詞： 無線Ad Hoc； 多信道,； 鄰居管理,； 連通表

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??? 在無線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),。唯有通過與鄰居節(jié)點的信息交互,，無線自組網(wǎng)才能通過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]，通過周期性地交換HELLO消息檢測鄰居節(jié)點,。除了基于定時消息的鄰居管理協(xié)議之外,，事件驅(qū)動的鄰居管理協(xié)議是另一類分支^[3]，其主要特點為：(1)僅在需要維護(hù)更新拓?fù)湫畔r才發(fā)送HELLO消息,；(2)使用序列號檢測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，由于每個節(jié)點都需要實時維護(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加眠^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,，使用多個信道即可在物理上增加信道帶寬，又能降低節(jié)點沖突的機(jī)會,，顯著提高了網(wǎng)絡(luò)性能,。針對某特定環(huán)境對無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的需要，本文設(shè)計并實現(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)點吞吐量下降,。近年來通過在MAC層使用多個信道,，無線自組網(wǎng)的吞吐量得到顯著提高^[4]。本文研究的無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，針對某特定應(yīng)用環(huán)境的需要,，采用TDMA的信道接入機(jī)制,，節(jié)點分為物理層、鏈路層,、網(wǎng)絡(luò)層,。由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模比較小（節(jié)點數(shù)不超過12）,，采用固定信道分配方式,，每個節(jié)點分配固定的控制信道和業(yè)務(wù)信道，使控制報文和數(shù)據(jù)報文相分離,，這使得在TDMA模式下,，幀的發(fā)送具有無沖突、周期性,、固定幀長等特點,。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)層更有效地偵測到鄰居信息,，能減少網(wǎng)絡(luò)層的路由開銷，提高信道利用率,?；谏鲜鎏攸c，使得在鏈路層完成NM功能極具優(yōu)勢,。本文針對無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的功能需求,，在VxWorks嵌入式系統(tǒng)下設(shè)計并實現(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)兩個場景,。在鄰居發(fā)現(xiàn)階段,，采用時間驅(qū)動方式，定時與鄰居節(jié)點交換HELLO消息,，查詢鄰居鏈路的雙向連通,，檢測鄰居鏈路的變化;在全網(wǎng)鏈路維護(hù)階段，采用事件驅(qū)動方式,，泛洪鄰居變化信息,，建立和維護(hù)全網(wǎng)活動節(jié)點的拓?fù)浞植迹ㄟB通表）。?

2 NM協(xié)議的設(shè)計與實現(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個控制信道和多個業(yè)務(wù)信道，每個節(jié)點分配固定的控制信道,，節(jié)點在控制信道公告NM信息分組,，同時監(jiān)聽鄰居節(jié)點的公告信息。?

??? 為了不影響節(jié)點的正常信道接入，每個節(jié)點建立一個幀號,，幀號取16位（0～65 535）,在達(dá)到最大值時從0開始循環(huán)取值,。控制信道每發(fā)送一個時幀,，幀號就增1,，并把該幀號添加到鏈路分組中，剛?cè)刖W(wǎng)的節(jié)點收到鄰居節(jié)點的鏈路分組,，修改本地幀號使之與鄰居節(jié)點一致,，從而達(dá)到全網(wǎng)節(jié)點在同一時間幀號一致。對于HELLO信息的公告,，全網(wǎng)節(jié)點在幀號范圍(1 024×n～1 024×n＋10)發(fā)送,，避免了在控制信道的HELLO信息與其他控制報文的沖突，并使節(jié)點在統(tǒng)一時間段內(nèi)進(jìn)行HELLO消息廣播,，縮短了鄰居發(fā)現(xiàn)時間,。另外，公告鄰居變化表時,，如果節(jié)點有控制報文等待發(fā)送,，節(jié)點將其緩沖，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)和刪除時才廣播鄰居變化表，占用控制信道時間比較少,，所以造成的控制報文延遲很小,。?

??? HELLO消息的格式為ID號、鄰居數(shù),、鄰居列表,。鄰居列表是一個動態(tài)的一維數(shù)組，列出了它最近檢測到的與它單向連通的鄰居節(jié)點的ID號,。鄰居變化表的格式為源節(jié)點ID號,、節(jié)點ID號、鏈路狀態(tài)和序列號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,，每個節(jié)點維護(hù)一個序列號SEQ,，節(jié)點每次發(fā)送一個鄰居變化分組其維護(hù)的SEQ單調(diào)增1，其他節(jié)點收到一個信息分組依靠序列號和源節(jié)點ID號來判斷自己是否轉(zhuǎn)發(fā)過該分組,。?

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

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其中,，i,、j表示節(jié)點的ID號，構(gòu)成矩陣的行和列,，行數(shù)和列數(shù)等于網(wǎng)內(nèi)活動節(jié)點數(shù),，對應(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)點入網(wǎng)成功后,，以請求的方式從鄰居節(jié)點得到全網(wǎng)最新的連通表，建立初始連通表,。當(dāng)節(jié)點第一個開始組網(wǎng)時,，連通表為初始值全零。?

??? (2) 鄰居發(fā)現(xiàn)和刪除?

??? 節(jié)點通過幀號的范圍,，周期性地廣播HELLO消息,，同時監(jiān)聽鄰居節(jié)點的HELLO信息，圖1是一個鄰居發(fā)現(xiàn)的例子,。假設(shè)兩個節(jié)點A與B分別處于不同的控制信道Ta和Tb,。首先節(jié)點A在Ta上公告的HELLO消息被B接收，B將A的ID號添加到其維護(hù)的鄰居列表NLb中,，同時在信道Tb上公告HELLO消息（NLb）,，A收到公告后,，將B的ID號添加到NLa中,，同時查看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，B收到A的公告信息,，同樣也可以判斷與A為鄰居關(guān)系,。通過這種握手機(jī)制完成了相互發(fā)現(xiàn)過程。容易推導(dǎo),，節(jié)點在前兩次公告后即可實現(xiàn)相互發(fā)現(xiàn)過程,。?

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??? 實現(xiàn)鄰居發(fā)現(xiàn)后，節(jié)點通過鏈路監(jiān)測機(jī)制,，當(dāng)在一連續(xù)時間段內(nèi)沒有收到鄰居節(jié)點的HELLO消息時,，表示鏈路斷開，則從鄰居列表中將鄰居節(jié)點ID號刪除,。?

??? (3) 泛洪鄰居變化信息?

??? 節(jié)點通過鄰居的發(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)點的連通表達(dá)到同步,。節(jié)點收到鄰居變化信息分組后,，查看分組中的源節(jié)點ID號和SEQ，判斷是否有該ID和SEQ的記錄,，如果沒有則更新連通表,，轉(zhuǎn)發(fā)該分組，否則丟棄,。?

2.2 實現(xiàn)方案?

??? 在本系統(tǒng)中,，鏈路層設(shè)計采用“底層驅(qū)動軟件＋嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)＋協(xié)議棧”的設(shè)計結(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,，本文主要實現(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,，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)是一種嵌入式實時操作系統(tǒng)(RTOS)，是嵌入式開發(fā)環(huán)境的主要組成部分,，具有可靠性高,、實時性強(qiáng)、可裁減等特點,。VxWorks為程序員提供了高效的實時任務(wù)調(diào)度,、中斷管理、實時的系統(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)的實時性,，遵循H.Gomma原則[5]，將系統(tǒng)劃分為六個任務(wù),，如圖3所示,。?

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??? 圖3中，每一個虛線框圖對應(yīng)一個獨立的任務(wù),，并建立鄰居列表和連通表兩個全局變量,。其設(shè)計思想如下：?

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

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

??? (3) 鏈路檢測任務(wù)通過taskdelay（int ticks）函數(shù),，每30s查看鄰居HELLO消息的接收情況，監(jiān)測鄰居鏈路的變化,，若在連續(xù)30s內(nèi)沒有收到鄰居節(jié)點的HELLO消息,，則在鄰居列表中刪除鄰居ID號，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) 通過硬件定時器,，設(shè)定時幀的幀號,，在幀號為(1 024×n~1 024×n+10)范圍內(nèi)廣播HELLO消息。?

3 功能測試?

??? NM協(xié)議模塊位于無線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)點已研制成功,，本文在真實的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上對NM模塊功能進(jìn)行設(shè)計開發(fā)和測試，如圖4所示為測試環(huán)境,。?

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??? 在該測試場景中,，節(jié)點1(ID號為1)開始組網(wǎng)，節(jié)點2（ID號為2）通過節(jié)點1接入網(wǎng)絡(luò)中,，節(jié)點3(ID號為3)通過節(jié)點2接入網(wǎng)絡(luò)中,，節(jié)點1與節(jié)點2互為鄰居，節(jié)點2與節(jié)點3互為鄰居,。測試的目的是檢驗NM的功能，PC機(jī)與鏈路控制器中的VxWorks平臺通過控制臺串口相連,，用于觀測節(jié)點NM數(shù)據(jù)包的收發(fā)和處理,，通過超級終端從節(jié)點1抓包如圖5：節(jié)點1周期性地發(fā)送HELLO數(shù)據(jù)(-1-0-0-0)，當(dāng)?shù)谝淮螜z測到節(jié)點2的HELLO消息包(-2-1-0-0)時,，在鄰居列表中添鄰居ID號(-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1第一次收到節(jié)點2發(fā)送的鄰居變化信息(-2-3-1-1)后,，發(fā)現(xiàn)節(jié)點2和節(jié)點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,，對于再次收到同樣的鄰居變化信息包（判斷SEQ,，仍為1）時，不作處理,。?

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??? 根據(jù)NM的功能測試結(jié)果可以看出：此方案能提供實時,、充分的鄰居節(jié)點信息，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,。?

??? 本文針對某工作于特定環(huán)境的無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的需要，在鏈路層設(shè)計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)點信息,，還能維護(hù)全網(wǎng)節(jié)點統(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)下對該協(xié)議進(jìn)行了設(shè)計,，功能測試結(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)模較小的無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò),。?

參考文獻(xiàn)?

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