朱全繼，呂欣巖，慕福奇,，冷永清

(1.中國科學(xué)院大學(xué) 電子電氣與通信工程學(xué)院，北京 101400; 2.江蘇中科羿鏈通信技術(shù)有限公司，江蘇 無錫 214000; 3.中國科學(xué)院微電子研究所，北京 100029)

基于無線鏈狀網(wǎng)的中央控制單元設(shè)計(jì)*

朱全繼1，呂欣巖2，慕福奇2,3，冷永清3

(1.中國科學(xué)院大學(xué) 電子電氣與通信工程學(xué)院，北京 101400; 2.江蘇中科羿鏈通信技術(shù)有限公司，江蘇 無錫 214000; 3.中國科學(xué)院微電子研究所，北京 100029)

無線鏈狀網(wǎng)絡(luò)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種特殊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在應(yīng)對特殊場景時通信效果顯著。文章詳細(xì)介紹了無線鏈狀網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)之間的中央控制單元的體系結(jié)構(gòu)、功能劃分和設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)的中央控制單元需要實(shí)現(xiàn)對鏈狀網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的流量控制，并且通過SNMP實(shí)現(xiàn)對鏈狀網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理、維護(hù)和升級的功能。

無線鏈狀網(wǎng)；中央控制單元；流量控制；簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(SNMP)

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前國際上備受關(guān)注的通信網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)大大提高了人們獲取客觀物理信息的能力[1]，有十分廣闊的應(yīng)用場景，因此被廣泛應(yīng)用于軍事國防、抗災(zāi)救險、生物醫(yī)療、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。但是在應(yīng)對特殊的應(yīng)用場景(如高速公路、橋梁隧道、邊防監(jiān)控)[2]時，傳統(tǒng)的移動通信網(wǎng)絡(luò)很難滿足需求。無線鏈狀網(wǎng)絡(luò)[3]是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種特殊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其除具有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一般特點(diǎn)外，還具有以下幾個顯著的特點(diǎn)[4]：(1)節(jié)點(diǎn)拓?fù)湎鄬Ψ€(wěn)定；(2)節(jié)點(diǎn)位置相對固定；(3)數(shù)據(jù)交互按照節(jié)點(diǎn)部署定向傳輸。無線鏈狀網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)組成“鏈狀”路徑，所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)共同構(gòu)成一個鏈狀網(wǎng)絡(luò)，主控節(jié)點(diǎn)有線連接至網(wǎng)絡(luò)的中央控制單元，再通過中央控制單元連接到Internet或其他通信網(wǎng)絡(luò)。

由于無線鏈狀網(wǎng)的鏈狀屬性，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增多，匯聚到連接在外部網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)的流量負(fù)載急劇增加[5]。中央控制單元是鏈狀網(wǎng)絡(luò)與其他通信網(wǎng)絡(luò)的橋梁，其設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對整個鏈狀網(wǎng)絡(luò)的控制和管理具有重大意義[6]。中央控制單元的設(shè)計(jì)[7]包含控制層面、業(yè)務(wù)層面和管理層面?？刂茖用嫱瓿晒?jié)點(diǎn)鑒權(quán)、準(zhǔn)入和負(fù)載控制等功能；業(yè)務(wù)層面完成對業(yè)務(wù)流的雙向轉(zhuǎn)發(fā)；管理層面實(shí)現(xiàn)對節(jié)點(diǎn)配置、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾砭S護(hù)、節(jié)點(diǎn)升級維護(hù)的工作。

1 無線鏈狀網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

無線鏈狀網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[8]如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)中任意兩個無線節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通路有且只有一條，每個節(jié)點(diǎn)都可以掛載終端設(shè)備。中央控制單元位于各鏈狀網(wǎng)的首節(jié)點(diǎn)(圖1的Node1節(jié)點(diǎn))和廣域網(wǎng)之間的服務(wù)器上，無線節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)鑒權(quán)和負(fù)載控制都需要通過中央控制單元完成；針對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，如圖中Camera傳送視頻業(yè)務(wù)和AP傳送語音業(yè)務(wù)，網(wǎng)絡(luò)上的此類節(jié)點(diǎn)將采集到的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過多跳路由傳遞到中央控制單元，再由中央控制單元通過外部網(wǎng)絡(luò)傳遞到業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的集中處理；網(wǎng)管系統(tǒng)對節(jié)點(diǎn)升級、管理和維護(hù)的控制信令可以通過中央控制單元進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)[9]。

圖1 無線鏈狀網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3 網(wǎng)絡(luò)控制層的功能結(jié)構(gòu)

無線鏈狀網(wǎng)的中央控制單元主要有4個大模塊：底層Linux內(nèi)核、網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)層、網(wǎng)絡(luò)控制層和網(wǎng)絡(luò)管理層。結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。Linux內(nèi)核提供文件系統(tǒng)、IP協(xié)議棧和內(nèi)存管理器。網(wǎng)絡(luò)控制層主要負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)入控制、擁塞控制、資源調(diào)度和消息分發(fā)。網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)層提供本地節(jié)點(diǎn)信息保存、節(jié)點(diǎn)版本升級消息傳遞、節(jié)點(diǎn)控制消息代理和路由維護(hù)管理的功能。網(wǎng)絡(luò)管理層使用簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議[10-11](Simple Network Management Protocol , SNMP)管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息，由Agent和NMS(Network Manager System)組成，Agent負(fù)責(zé)采集和監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的參數(shù)，NMS依據(jù)MIB(Management Information Base)向Agent發(fā)出各種查詢或設(shè)置請求，Agent根據(jù)請求做出相應(yīng)的處理，并將結(jié)果返回給NMS。

整個系統(tǒng)分為多個模塊，每個模塊啟動一個進(jìn)程，進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行。網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)模塊和SNMP Agent模塊之間通過socket方式進(jìn)行通信，與網(wǎng)絡(luò)控制層之間的通信則通過socket和共享內(nèi)存的方式，SNMP Agent與網(wǎng)絡(luò)控制層之間的通信通過共享內(nèi)存的方式，進(jìn)程與進(jìn)程之間的同步使用互斥量實(shí)現(xiàn)。

圖2 中央控制單元結(jié)構(gòu)示意圖

2 子模塊設(shè)計(jì)

2.1 網(wǎng)絡(luò)控制層設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)控制層的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)的控制，包含鏈狀網(wǎng)網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)入控制、拓?fù)渚S護(hù)以及擁塞控制的功能[12]，是中央控制單元的控制面。其功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

在中央控制單元的網(wǎng)絡(luò)控制層，心跳檢測模塊用來檢測中央控制單元管控下的首節(jié)點(diǎn)是否在線，心跳檢測報文由中央控制單元周期性發(fā)送給首節(jié)點(diǎn)，報文中攜帶了該網(wǎng)絡(luò)所對應(yīng)的中央控制單元的屬性信息，節(jié)點(diǎn)側(cè)的業(yè)務(wù)控制層面會對心跳報文進(jìn)行處理，根據(jù)首節(jié)點(diǎn)是否已經(jīng)與中央控制單元建立通信鏈接，分成兩種情況進(jìn)行處理。首節(jié)點(diǎn)未注冊情況下，收到心跳消息時，會觸發(fā)節(jié)點(diǎn)注冊流程，即向中央控制單元發(fā)送請求注冊報文，中央控制單元收到后根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)格及相關(guān)信息判定是否允許節(jié)點(diǎn)注冊，并將注冊結(jié)果通過應(yīng)答報文反饋給首節(jié)點(diǎn)。如果首節(jié)點(diǎn)已經(jīng)注冊，收到心跳后，首節(jié)點(diǎn)仍然需要回復(fù)心跳應(yīng)答報文進(jìn)行應(yīng)答，作為節(jié)點(diǎn)仍然在線的證明。另外，中央控制單元發(fā)送的心跳請求報文攜帶了已經(jīng)注冊過的首節(jié)點(diǎn)的信息，如果首節(jié)點(diǎn)的控制層面發(fā)現(xiàn)中央控制單元記錄的信息與自身的信息不一致，則會重新觸發(fā)節(jié)點(diǎn)注冊流程，更新控制單元記錄的節(jié)點(diǎn)信息。中央控制單元會檢測在周期內(nèi)是否收到過首節(jié)點(diǎn)的心跳確認(rèn)報文。如果在檢測周期內(nèi)未收到某些已注冊的首節(jié)點(diǎn)反饋的確認(rèn)報文，則中央控制單元認(rèn)為這些節(jié)點(diǎn)已經(jīng)掉線，需要觸發(fā)拓?fù)渚S護(hù)模塊進(jìn)行后續(xù)拓?fù)涓绿幚怼?/p>

準(zhǔn)入控制和拓?fù)渚S護(hù)模塊完成節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)同步，節(jié)點(diǎn)添加或者刪除時拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的更新保存，以及節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障上傳告警信息。

其中準(zhǔn)入控制模塊流程如圖4所示。

圖4 首節(jié)點(diǎn)接入CCU

節(jié)點(diǎn)申請接入時會調(diào)用MAC_CCU_INIT模塊，MAC_CCU_ACCESS完成CCU入網(wǎng)模塊的初始化工作。該進(jìn)程一直監(jiān)聽首節(jié)點(diǎn)上發(fā)送給中央控制單元的接入請求消息，收到后根據(jù)消息類型的不同調(diào)用相應(yīng)的模塊作相應(yīng)處理。MAC_CCU_SCHEDULE實(shí)現(xiàn)對流量調(diào)度。對網(wǎng)絡(luò)中的每一條流的流量進(jìn)行調(diào)度處理完成后，相應(yīng)模塊會構(gòu)造應(yīng)答幀，壓入發(fā)送消息隊(duì)列，等待應(yīng)答。并且當(dāng)新節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)之后拓?fù)鋾l(fā)生變動，會調(diào)用MAC_ACCESS_RPT進(jìn)行入網(wǎng)同步。

網(wǎng)絡(luò)擁塞控制實(shí)現(xiàn)的是完成整個網(wǎng)絡(luò)中每條流的帶寬分配，由于網(wǎng)絡(luò)中每條鏈路可以傳輸?shù)淖畲髱捠鞘芟薜那沂莿討B(tài)改變的，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的某個節(jié)點(diǎn)的前向鏈路超負(fù)荷時，就需要重新分配流經(jīng)該節(jié)點(diǎn)的所有流的可用帶寬[13]。有4種情況可能會導(dǎo)致中央控制單元的流量調(diào)度：

(1)網(wǎng)絡(luò)中某個節(jié)點(diǎn)有一條新的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流或需要更大的帶寬來支撐業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流(超過上報門限)。此時該節(jié)點(diǎn)會向中央控制單元發(fā)送帶寬請求消息，調(diào)度處理模塊會找到請求消息中待處理的流所流經(jīng)的所有節(jié)點(diǎn)，并找出瓶頸節(jié)點(diǎn)：如果瓶頸節(jié)點(diǎn)的未用帶寬大于請求消息中請求的帶寬，則同意節(jié)點(diǎn)的請求并回復(fù)應(yīng)答消息；如果瓶頸節(jié)點(diǎn)的可用帶寬小于請求消息中請求的帶寬，則找出流經(jīng)瓶頸節(jié)點(diǎn)的所有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流，根據(jù)每條流的優(yōu)先級，按流量分配算法重新計(jì)算每條流的可用帶寬以及待處理的流的可用帶寬，并構(gòu)造帶寬請求消息，發(fā)送給所有需要改變的節(jié)點(diǎn)。

(2) 網(wǎng)絡(luò)中某個節(jié)點(diǎn)通過自適應(yīng)調(diào)制編碼(Adaptive Modulation and Coding，AMC)機(jī)制改變調(diào)制編碼時會通過消息上報到中央控制單元，節(jié)點(diǎn)調(diào)制編碼方式的改變會使其前向鏈路帶寬改變，這就會影響流經(jīng)該節(jié)點(diǎn)的所有流，這時也需要中央控制單元判斷該節(jié)點(diǎn)的前向鏈路是否超負(fù)荷，若鏈路擁塞，則需要重新分配涉及到的流的帶寬，并告知所有涉及的節(jié)點(diǎn)。

(3)若已有的流請求減小帶寬或結(jié)束，只需要對一條流上的所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行更新即可。

(4)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的拓?fù)涓聲r，拓?fù)涓淖兙鸵馕吨略黾恿艘恍╂溌坊蚰承╂溌肥タ刂?，增加鏈路可能會?dǎo)致原有的流會流經(jīng)以前不存在的鏈路，而刪除鏈路則可能導(dǎo)致部分原有流的繼續(xù)存在變得沒有意義，當(dāng)損壞的鏈路重新修復(fù)后還可能導(dǎo)致其前向鏈路的實(shí)際帶寬信息與中央控制單元記錄的帶寬信息不一致。此時也需要根據(jù)鏈路的帶寬信息確定是否需要重新計(jì)算各條流的帶寬。

2.2 網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)層設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)層需要實(shí)現(xiàn)如下功能，如表1所示。在這些功能模塊下共設(shè)計(jì)了3個子進(jìn)程：轉(zhuǎn)發(fā)子進(jìn)程、升級子進(jìn)程和QoS子進(jìn)程[14]。

轉(zhuǎn)發(fā)子進(jìn)程轉(zhuǎn)發(fā)的報文主要分為兩類，一類是數(shù)據(jù)報文，另一類是控制類報文。其中，控制報文又分為管理控制信令和網(wǎng)絡(luò)控制消息[15]。數(shù)據(jù)報文主要來自節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息(如照片、監(jiān)控視頻、語音等)，數(shù)據(jù)報文在節(jié)點(diǎn)鏈路上向中央控制單元方向傳遞，到達(dá)中央控制單元后對比本地路由表轉(zhuǎn)發(fā)到目的地。

升級子進(jìn)程是為了解決系統(tǒng)在偏遠(yuǎn)地區(qū)現(xiàn)場升級成本太高且不方便。本系統(tǒng)中遠(yuǎn)程升級有兩種模式，一種是全網(wǎng)升級，另一種是單個節(jié)點(diǎn)升級。全網(wǎng)升級采用廣播的方式，適用于整個網(wǎng)絡(luò)的版本升級更新。單節(jié)點(diǎn)升級模式采用的是單播的方式，適用于全網(wǎng)升級后，對一些個別的沒有升級成功的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)的版本升級更新[16]。

網(wǎng)絡(luò)層對收到的包默認(rèn)采取FCFS(First Come First Served)[17]，也即先來先服務(wù)的策略。這樣當(dāng)網(wǎng)絡(luò)情況不穩(wěn)定或者帶寬不能滿足的情況下，一些重要業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量就不能得到保證。所以，本文在系統(tǒng)中加入了QoS模塊[18]。QoS主要分為3種類型：綜合服務(wù)模型(Integrated Service)、區(qū)分服務(wù)模型(Differentiated Service)、盡力而為服務(wù)模型(Best-Effort Service)。各種類型都有各自的應(yīng)用場景和優(yōu)缺點(diǎn)。在本系統(tǒng)中，采用了盡力而為服務(wù)模型，根據(jù)IP的目的端口區(qū)分不同的服務(wù)，而對不同的服務(wù)采用不同的優(yōu)先級處理，保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。中央控制單元保存網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)備所有狀態(tài)信息、配置信息。將狀態(tài)信息、配置信息分為控制單元的配置信息及節(jié)點(diǎn)的配置信息兩類。配置信息的保存形式為T(Type-Length-Value)的字符串。而后中央控制單元將配置信息定期存入到文件系統(tǒng)中。

表1 網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)層的主要功能模塊

2.3 網(wǎng)絡(luò)管理層設(shè)計(jì)

SNMP由一組網(wǎng)絡(luò)管理的標(biāo)準(zhǔn)組成，包含一個應(yīng)用層協(xié)議、數(shù)據(jù)庫模型和一組資源對象[19]。該協(xié)議能夠支持網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，用以監(jiān)測連接到網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)是否有任何引起管理上值得關(guān)注的情況。SNMP規(guī)定只有兩種操作：Get、Set，前者獲取節(jié)點(diǎn)的管理信息，后者通過設(shè)置變量值來達(dá)到配置節(jié)點(diǎn)。

網(wǎng)絡(luò)管理層的SNMP Agent子進(jìn)程主要實(shí)現(xiàn)中央控制單元和網(wǎng)絡(luò)管理之間數(shù)據(jù)代理的功能[20]。實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。主要功能模塊包括代理端、管理信息庫，以及與被管設(shè)備或資源交互的適配層。Agent代理端的主要功能是與網(wǎng)管服務(wù)器通過SNMP標(biāo)準(zhǔn)的通訊元語進(jìn)行交互。SNMP以管理信息庫(MIB)為基礎(chǔ)來描述被監(jiān)管資源，由此建立的數(shù)據(jù)集和稱之為MIB庫。它是一種樹型結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫，被監(jiān)管的對象都處于葉子節(jié)點(diǎn)上。每個被監(jiān)管對象都由一個唯一的對象標(biāo)識符來識別。MIB表中導(dǎo)入的數(shù)據(jù)有兩個來源，一類是數(shù)據(jù)相對于代理處于外部，適合于監(jiān)視和操縱外部數(shù)據(jù)的MIB，例如節(jié)點(diǎn)上的屬性都屬于此類。第二類是數(shù)據(jù)為代理所有，代理對數(shù)據(jù)的操縱直接反映到數(shù)據(jù)源，如Trap Receiver消息。

圖5 SNMP Agent子進(jìn)程結(jié)構(gòu)框圖

3 結(jié)論

本文提出了一種針對無線鏈狀網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)控制、管理和維護(hù)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)——無線鏈狀網(wǎng)中央控制單元，該系統(tǒng)可以收集到無線節(jié)點(diǎn)的配置和屬性信息，對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行流量控制，實(shí)現(xiàn)對節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程調(diào)度、管理維護(hù)和升級。網(wǎng)絡(luò)管理平臺可以通過該中央控制單元顯示出該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)告警信息、節(jié)點(diǎn)上傳的圖像和視頻信息。無線鏈狀網(wǎng)絡(luò)是一門新興的研究領(lǐng)域，隨著研究的不斷深入，人們也會體會到無處不在的無線網(wǎng)絡(luò)帶來的便捷和高效。

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Design of the central control unit for wireless chain network

Zhu Quanji1, Lv Xinyan2, Mu Fuqi2,3, Leng Yongqing3

(1.School of Electronic, Electrical and Communication Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 101400, China; 2.Jiangsu Zhongke Yilian Communication Technology Co., Ltd, Wuxi 214000, China; 3.Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China)

Wireless Chain Network (WCN) is a special kind of topological structure of Wireless Sensor Network (WSN), it has a significant communication effect when dealing with the special scenes. This article introduces the structures, functions and designs of central control unit between wireless chain network and external network. The central control unit designed needs to realize the flow control of chain network nodes, and also realize the management, maintenance and upgrade of the nodes through SNMP.

Wireless Chain Network (WCN); Central Control Unit (CCU); flow control; Simple Network Management Protocol (SNMP)

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(61501455)；北京市自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(4162068)

TP393.09

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.15.025

朱全繼，呂欣巖，慕福奇，等.基于無線鏈狀網(wǎng)的中央控制單元設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(15)：87-90.

2017-02-08)

朱全繼(1992-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：自組網(wǎng)MAC層算法研究。E-mail：zhuquanji@ciotc.org。

呂欣巖(1976-)，男，博士研究生，高級工程師，主要研究方向：自組網(wǎng)架構(gòu)，無線通信協(xié)議。

慕福奇(1957-)，男，博士研究生，博導(dǎo)，主要研究方向：無線通信系統(tǒng)與技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)傳輸與應(yīng)用。