MIMC无线Ad Hoc网络MAC协议研究

段立军，乔平安，周敏

（西安邮电大学陕西西安710061）

MIMC无线Ad Hoc网络MAC协议研究

段立军，乔平安，周敏

（西安邮电大学陕西西安710061）

在提高网络容量、带宽以及吞吐量方面，多网卡多信道技术是目前此领域研究的热点。由于带有控制信道的MAC层协议存在着网络容量小、信道利用率低等问题。本文研究了无控制信道的多网卡多信道MAC层协议，对此协议信道接入控制和数据结构进行了研究设计，在此基础上，针对多网卡多信道的Ad Hoc网络提出了一种体系结构，此结构能够适应现有操作系统的需求，对于研究多网卡多信道Ad Hoc网络提供了新的思路。

多网卡多信道；Ad Hoc；MAC层协议；信道接入控制；体系结构

移动Ad Hoc网络是一种多跳的、无中心节点的自组织网络，以往的采用单网卡单信道来传输数据，并未达到理想的效果，而且造成了多信道的浪费。目前，由于硬件成本不断降低，多网卡已经成为一种可能，采用多网卡是有效的提高网络吞吐量的一种主要方法。但是在一个多跳无线网络的节点上网卡少信道多的情况下如何有效分配网卡及信道仍然有一些挑战性的问题。

1　MIMC移动Ad Hoc网络研究现状

目前，多网卡多信道Ad Hoc网络MAC层协议研究主要分为有控制信道和无控制信道，典型的有控制信道的MAC协议是动态信道分配协议（DCA）［1］，DCA协议采用的是公共控制信道来完成信道预约，通过预约好的信道来完成数据传输，每个节点配备两个半双工收发机，一个收发机一直监听在公共信道上，另外一个收发机则在其他的信道上切换。这种结构适合小型的网络，当网络较大时，公共控制信道可能成为影响网络性能的一个瓶颈。

这种无控制信道的典型协议是DIM［2］（Dual-interface Management）协议，下面我们就来分析这种无控制信道的多网卡多信道协议，以及它的网卡和信道分配策略。

1.1混合式的网卡分配策略

采用固定与动态相结合的混合信道分配［3］方法，这种方法是将节点的某些网卡分配一个对应的固定信道，而其他的网卡在信道中切换。这种方法既保持了固定信道分配的简单性，又具有信道切换的灵活性，DIM协议就使用这种混合式的方法。

1.2公共信道的协调策略

在无线网络传输中，如果两个节点的网卡都没有分配到一个公共的信道，就不可能进行通信。如果需要通信，这两个节点就必须通过协调切换到同一个信道上。如何来完成这种接入控制，是个策略问题。

有一种技术就是将每个节点的一个网卡固定在一个信道上，相邻的节点使用的固定信道不同，每个节点对附近所有的节点宣布它的固定信道信息，固定网卡主要用来接收消息。每个节点剩余的网卡在剩余的信道中切换来发送数据。由于发送节点知道接收节点的固定信道，所以它将它的非固定的网卡切换到接收节点的固定网卡上发送数据。本文协议就是采用这种固定网卡与非固定网卡相结合的策略。

2　MIMC（multi-interface multi-channel）分配协议的设计

文献［4］首先对MIMC网络进行了研究。MIMC是一种多网卡多信道分配协议，能应用于现有的IEEE802.11的硬件开发上的多网卡多信道MAC协议，协议主要包括以下几个方面的内容。

2.1网卡的分配方案

固定网卡：采用混合式的分配方案，假设每个节点有M个网卡，其中N个网卡以“长时间间隔”分配给N个信道，把这些网卡称为固定网卡，对应的信道叫做固定信道。（M＞=2和m＞n＞=1）

可切换网卡：称剩余的M-N个网卡为可切换网卡，它们依据通信量动态地以“短时间间隔”分配给剩余的M-N个信道，可切换网卡依据通信量频繁地在剩余信道间切换，对应的信道称为“可切换信道”。网卡的信道分配图如图1所示。

图1　网卡的信道分配Fig.1NIC channel allocation

增加一个广播网卡［5］，专门用来进行广播消息的发送和接受。使每一个信道与一个队列相关联。这样可以减少隐藏终端产生分组碰撞的问题。

2.2协议操作的实例

为了简化协议的描述，假设所有节点有两个网卡，指定一个是固定网卡，一个是可切换网卡。每个节点维持含有邻居节点正使用的固定信道的邻接表（Neighbor Table）。初始化时，节点随意选择一个信道作为固定信道，并通过“hello”广播分组通知邻居节点。每当发送节点要发送数据包时，将它的信道切换到接收节点的固定信道并且发送数据包。

下面用两个网卡三个信道的链路层协议操作实例图2说明了节点间通信协议的操作过程。假设：节点A有分组经由节点B送到节点C。节点A，B，C在信道3，2，1上分别是他们的固定网卡，在信道1，3，2上分别是他们的可切换网卡。第一步，节点A将可切换信道从信道1切换到信道2（B的固定信道），节点B就能够收到这个分组，因为节点B的固定网卡总数正在监听信道2。第二步，节点B将可切换网卡切换到信道1，并转发分组至C节点，节点C使用它的固定网卡接收这个分组。

图2　两个网卡三个信道的链路层协议操作实例Fig.2Link layer protocol of two cards of the three channels Walkthrough

2.3MIMC协议需要保存的数据表

每个节点的固定信道的选择采用一种分布式的方式，初始化时，随机选择一个信道作为固定信道。每个节点维护一个邻居表（NeighborTable）如表1所示，包含它的邻居的MAC地址，IP地址以及正在使用的固定信道。节点的邻居表是通过邻居节点广播的Hello分组形成的，在第一次初始化完成之后，节点选择与它的邻居节点不相同的固定信道。此外，节点还会维持一个信道使用表（Channel Usage List）如表2所示，表中含有节点两跳范围内每个信道作为固定信道的计数。

表1　邻居表Tab.1Neighbor table

表2　信道使用表Tab.2Channel usage list

每个节点定期的通过广播网卡广播发送Hello分组，Hello分组包括节点目前正在使用的固定信道信息和当前的邻居表，附近的邻节点通过收到的Hello分组来完成邻居表和信道使用表的更新。这样节点的信道使用表就包含二跳节点内信道的使用信息。

2.4协议算法流程

当节点收到来自上层的分组时：

1）判断是否为广播消息，是则通过广播网卡将此消息的拷贝加入到广播队列中。否则转到2）。

2）查找目的地址，通过目的地址的固定信道，将数据包插入到此信道队列［6］中，通过可切换网卡来完成数据包的传输。

3　适用于MIMC网络的一种体系结构

在应用多网卡多信道MAC协议应用的过程中，网卡的频繁切换必然影响网络的性能，网卡的切换时延大小也会影响网络的性能，通过修改驱动程序，可以使切换时延减少到5 ms之内，如此频繁的切换则可行。但是要实现频繁的网卡切换，需要操作系统内核全新的支持。

3.1节点结构的更改

为了隐藏多网卡的复杂性，虚拟MAC层管理着各个网卡当前的信道、邻居表以及信道使用表，无论实际网卡是多少或者有多少个，虚拟MAC层只给高层提供一个单一的虚拟网卡，网络层是不需要知道分组是由哪个网卡转发出去的，也不用知道分组是从哪个网卡接收过来的。这样，现有的高层协议就不需要修改，减少了不必要的麻烦，如图3虚拟网络分层图所示。

图3　虚拟网络分层Fig.3Virtual network stratified

3.2系统的体系结构

图4　Linux内核Fig.4Linux kernel

以Linux为例，Linux内核的网络协议是多层设计的，Linux内核如图4所示。

图5　MIMC协议体系机构Fig.5MIMC protocol architectures

在Linux网络体系结构下，我们设计了一种新的抽象组件来管理网卡跨多信道切换，在Linux的内核空间中增加此抽象组件，如图5 MIMC协议体系结构图所示。将这个抽象组件放在网络协议与设备驱动程序中间。此抽象组件从逻辑上看可以属于链路层，这种方法的好处是可以抛开设备驱动的特殊性，符合上一部分提出的节点结构［7］。由图可知，抽象组件的主要优势是屏蔽了高层管理多网卡多信道的复杂性，所以现有的Ad Hoc路由协议、ARP机制无须进行任何修改即可使用。

4　结论

本文对基于多网卡多信道的Ad Hoc网络信道分配协议和网卡分配进行了研究，通过研究出一种新的抽象层来管理多网卡，并且在现有的操作系统上，支持网卡的切换，最主要的是它隐藏了多网卡的复杂性。文章也对多网卡多信道的MAC层协议进行了研究，下一步的工作就是通过实验来证明在这种新的系统体系下，无控制信道的MAC协议性能更好。

［1］Wu S L，Lin C Y，Tseng Y C，et al.A new multi-channel MAC protocol with on-demand channel assignment for multihop mobile Ad Hoc networks［C］//The 5th Intel Symp.on ParallelArchitectures，Algorithms，andNetworks.Washington，2000：232-237.

［2］赵蕴龙，康世龙，高振国，等.双网卡多信道无线MAC协议［J］.计算机科学，2012，39（4）：79-81. ZHAOYun-long，KANGShi-long，GAOZhen-guo，etal. Practical dual WIFI NIC and Multi-channel MAC protocol［J］. Computer Science，2012，39（4）：79-81.

［3］Kyasanur P，Vaidya NH.Routing and Link-layer Protocols for Multi-Channel Multi-Interface Ad Hoc wireless networks［C］. Mobile Computing and Communications Review，2010.

［4］Kyasanur P，Vaidya N H.Routing and Interface Assignment in Multi-channel Multi-interface wireless networks［C］//IEEE Wireless Communications and Networking Conference.USA，2005：2053-2078.

［5］张新刚，李秀芹.多接口多信道MANET下多径路由及接口分配策略［J］.计算机工程与应用，2011，47（28）：97-99. ZHANG Xin-gang，LI Xiu-qin.Multi-path routing and interface assignment for multi-interface multi-channel MANETS 2011［J］.Computer Engineering and Application，2011，47（28）：97-99.

［6］Xiaowei Ni，Chunxiu Xu，Muqing Wu，et al.DNCA：An efficient channel assignment for multi-interface multi-channel Ad Hoc wireless networks 2012［C］//Network Infrastructure and Digital Content（IC-NIDC），2012 3rd IEEE International Conference on，2012：39-43.

［7］施超，梁建峰，燕迎祥，等.电气设备合并单元通信单元软件的设计［J］.陕西电力，2013（8）：41-44. SHI Chao，LIANG Jian-feng，YAN Ying-xiang，et al.Design of software for communication unit in electrical equipment merging unit［J］.Shaanxi Electric Power，2013（8）：41-44.

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稿件编号：201501049

段立军（1989—），男，陕西渭南人，硕士研究生。研究方向：物联网通信技术。