基于无线链状网的中央控制单元设计*

朱全继，吕欣岩，慕福奇,，冷永清

(1.中国科学院大学 电子电气与通信工程学院，北京 101400; 2.江苏中科羿链通信技术有限公司，江苏 无锡 214000; 3.中国科学院微电子研究所，北京 100029)

基于无线链状网的中央控制单元设计*

朱全继1，吕欣岩2，慕福奇2,3，冷永清3

(1.中国科学院大学 电子电气与通信工程学院，北京 101400; 2.江苏中科羿链通信技术有限公司，江苏 无锡 214000; 3.中国科学院微电子研究所，北京 100029)

无线链状网络是无线传感器网络的一种特殊的拓扑结构，在应对特殊场景时通信效果显著。文章详细介绍了无线链状网的节点网络与外部网络之间的中央控制单元的体系结构、功能划分和设计方法。设计的中央控制单元需要实现对链状网络内节点的流量控制，并且通过SNMP实现对链状网络内的节点进行管理、维护和升级的功能。

无线链状网；中央控制单元；流量控制；简单网络管理协议(SNMP)

0 引言

无线传感器网络是当前国际上备受关注的通信网络。无线传感器网络大大提高了人们获取客观物理信息的能力[1]，有十分广阔的应用场景，因此被广泛应用于军事国防、抗灾救险、生物医疗、交通运输等领域。但是在应对特殊的应用场景(如高速公路、桥梁隧道、边防监控)[2]时，传统的移动通信网络很难满足需求。无线链状网络[3]是无线传感器网络的一种特殊的拓扑结构，其除具有无线传感器网络的一般特点外，还具有以下几个显著的特点[4]：(1)节点拓扑相对稳定；(2)节点位置相对固定；(3)数据交互按照节点部署定向传输。无线链状网络的节点组成“链状”路径，所有的网络节点共同构成一个链状网络，主控节点有线连接至网络的中央控制单元，再通过中央控制单元连接到Internet或其他通信网络。

由于无线链状网的链状属性，随着节点数目的增多，汇聚到连接在外部网络的节点的流量负载急剧增加[5]。中央控制单元是链状网络与其他通信网络的桥梁，其设计实现对整个链状网络的控制和管理具有重大意义[6]。中央控制单元的设计[7]包含控制层面、业务层面和管理层面。控制层面完成节点鉴权、准入和负载控制等功能；业务层面完成对业务流的双向转发；管理层面实现对节点配置、网络拓扑管理维护、节点升级维护的工作。

1 无线链状网络的拓扑结构

无线链状网络的拓扑结构[8]如图1所示。网络中任意两个无线节点之间的数据通路有且只有一条，每个节点都可以挂载终端设备。中央控制单元位于各链状网的首节点(图1的Node1节点)和广域网之间的服务器上，无线节点的入网鉴权和负载控制都需要通过中央控制单元完成；针对数据业务，如图中Camera传送视频业务和AP传送语音业务，网络上的此类节点将采集到的业务数据通过多跳路由传递到中央控制单元，再由中央控制单元通过外部网络传递到业务管理系统进行数据的集中处理；网管系统对节点升级、管理和维护的控制信令可以通过中央控制单元进行转发[9]。

图1 无线链状网拓扑结构

图3 网络控制层的功能结构

无线链状网的中央控制单元主要有4个大模块：底层Linux内核、网络转发层、网络控制层和网络管理层。结构示意图如图2所示。Linux内核提供文件系统、IP协议栈和内存管理器。网络控制层主要负责节点的网络准入控制、拥塞控制、资源调度和消息分发。网络转发层提供本地节点信息保存、节点版本升级消息传递、节点控制消息代理和路由维护管理的功能。网络管理层使用简单网络管理协议[10-11](Simple Network Management Protocol , SNMP)管理网络节点信息，由Agent和NMS(Network Manager System)组成，Agent负责采集和监控网络节点的参数，NMS依据MIB(Management Information Base)向Agent发出各种查询或设置请求，Agent根据请求做出相应的处理，并将结果返回给NMS。

整个系统分为多个模块，每个模块启动一个进程，进程并发执行。网络转发模块和SNMP Agent模块之间通过socket方式进行通信，与网络控制层之间的通信则通过socket和共享内存的方式，SNMP Agent与网络控制层之间的通信通过共享内存的方式，进程与进程之间的同步使用互斥量实现。

图2 中央控制单元结构示意图

2 子模块设计

2.1 网络控制层设计

网络控制层的设计实现了节点的控制，包含链状网网内的节点准入控制、拓扑维护以及拥塞控制的功能[12]，是中央控制单元的控制面。其功能结构如图3所示。

在中央控制单元的网络控制层，心跳检测模块用来检测中央控制单元管控下的首节点是否在线，心跳检测报文由中央控制单元周期性发送给首节点，报文中携带了该网络所对应的中央控制单元的属性信息，节点侧的业务控制层面会对心跳报文进行处理，根据首节点是否已经与中央控制单元建立通信链接，分成两种情况进行处理。首节点未注册情况下，收到心跳消息时，会触发节点注册流程，即向中央控制单元发送请求注册报文，中央控制单元收到后根据网络规格及相关信息判定是否允许节点注册，并将注册结果通过应答报文反馈给首节点。如果首节点已经注册，收到心跳后，首节点仍然需要回复心跳应答报文进行应答，作为节点仍然在线的证明。另外，中央控制单元发送的心跳请求报文携带了已经注册过的首节点的信息，如果首节点的控制层面发现中央控制单元记录的信息与自身的信息不一致，则会重新触发节点注册流程，更新控制单元记录的节点信息。中央控制单元会检测在周期内是否收到过首节点的心跳确认报文。如果在检测周期内未收到某些已注册的首节点反馈的确认报文，则中央控制单元认为这些节点已经掉线，需要触发拓扑维护模块进行后续拓扑更新处理。

准入控制和拓扑维护模块完成节点的入网同步，节点添加或者删除时拓扑结构的更新保存，以及节点出现故障上传告警信息。

其中准入控制模块流程如图4所示。

图4 首节点接入CCU

节点申请接入时会调用MAC_CCU_INIT模块，MAC_CCU_ACCESS完成CCU入网模块的初始化工作。该进程一直监听首节点上发送给中央控制单元的接入请求消息，收到后根据消息类型的不同调用相应的模块作相应处理。MAC_CCU_SCHEDULE实现对流量调度。对网络中的每一条流的流量进行调度处理完成后，相应模块会构造应答帧，压入发送消息队列，等待应答。并且当新节点入网之后拓扑会发生变动，会调用MAC_ACCESS_RPT进行入网同步。

网络拥塞控制实现的是完成整个网络中每条流的带宽分配，由于网络中每条链路可以传输的最大带宽是受限的且是动态改变的，当网络中的某个节点的前向链路超负荷时，就需要重新分配流经该节点的所有流的可用带宽[13]。有4种情况可能会导致中央控制单元的流量调度：

(1)网络中某个节点有一条新的业务数据流或需要更大的带宽来支撑业务数据流(超过上报门限)。此时该节点会向中央控制单元发送带宽请求消息，调度处理模块会找到请求消息中待处理的流所流经的所有节点，并找出瓶颈节点：如果瓶颈节点的未用带宽大于请求消息中请求的带宽，则同意节点的请求并回复应答消息；如果瓶颈节点的可用带宽小于请求消息中请求的带宽，则找出流经瓶颈节点的所有业务数据流，根据每条流的优先级，按流量分配算法重新计算每条流的可用带宽以及待处理的流的可用带宽，并构造带宽请求消息，发送给所有需要改变的节点。

(2) 网络中某个节点通过自适应调制编码(Adaptive Modulation and Coding，AMC)机制改变调制编码时会通过消息上报到中央控制单元，节点调制编码方式的改变会使其前向链路带宽改变，这就会影响流经该节点的所有流，这时也需要中央控制单元判断该节点的前向链路是否超负荷，若链路拥塞，则需要重新分配涉及到的流的带宽，并告知所有涉及的节点。

(3)若已有的流请求减小带宽或结束，只需要对一条流上的所有节点进行更新即可。

(4)当网络中的拓扑更新时，拓扑改变就意味着新增加了一些链路或某些链路失去控制，增加链路可能会导致原有的流会流经以前不存在的链路，而删除链路则可能导致部分原有流的继续存在变得没有意义，当损坏的链路重新修复后还可能导致其前向链路的实际带宽信息与中央控制单元记录的带宽信息不一致。此时也需要根据链路的带宽信息确定是否需要重新计算各条流的带宽。

2.2 网络转发层设计

网络转发层需要实现如下功能，如表1所示。在这些功能模块下共设计了3个子进程：转发子进程、升级子进程和QoS子进程[14]。

转发子进程转发的报文主要分为两类，一类是数据报文，另一类是控制类报文。其中，控制报文又分为管理控制信令和网络控制消息[15]。数据报文主要来自节点的业务数据信息(如照片、监控视频、语音等)，数据报文在节点链路上向中央控制单元方向传递，到达中央控制单元后对比本地路由表转发到目的地。

升级子进程是为了解决系统在偏远地区现场升级成本太高且不方便。本系统中远程升级有两种模式，一种是全网升级，另一种是单个节点升级。全网升级采用广播的方式，适用于整个网络的版本升级更新。单节点升级模式采用的是单播的方式，适用于全网升级后，对一些个别的没有升级成功的节点进行单独的版本升级更新[16]。

网络层对收到的包默认采取FCFS(First Come First Served)[17]，也即先来先服务的策略。这样当网络情况不稳定或者带宽不能满足的情况下，一些重要业务的服务质量就不能得到保证。所以，本文在系统中加入了QoS模块[18]。QoS主要分为3种类型：综合服务模型(Integrated Service)、区分服务模型(Differentiated Service)、尽力而为服务模型(Best-Effort Service)。各种类型都有各自的应用场景和优缺点。在本系统中，采用了尽力而为服务模型，根据IP的目的端口区分不同的服务，而对不同的服务采用不同的优先级处理，保证网络服务质量。中央控制单元保存网络内设备所有状态信息、配置信息。将状态信息、配置信息分为控制单元的配置信息及节点的配置信息两类。配置信息的保存形式为T(Type-Length-Value)的字符串。而后中央控制单元将配置信息定期存入到文件系统中。

表1 网络转发层的主要功能模块

2.3 网络管理层设计

SNMP由一组网络管理的标准组成，包含一个应用层协议、数据库模型和一组资源对象[19]。该协议能够支持网络管理系统，用以监测连接到网络上的节点是否有任何引起管理上值得关注的情况。SNMP规定只有两种操作：Get、Set，前者获取节点的管理信息，后者通过设置变量值来达到配置节点。

网络管理层的SNMP Agent子进程主要实现中央控制单元和网络管理之间数据代理的功能[20]。实现的结构框图如图5所示。主要功能模块包括代理端、管理信息库，以及与被管设备或资源交互的适配层。Agent代理端的主要功能是与网管服务器通过SNMP标准的通讯元语进行交互。SNMP以管理信息库(MIB)为基础来描述被监管资源，由此建立的数据集和称之为MIB库。它是一种树型结构的数据库，被监管的对象都处于叶子节点上。每个被监管对象都由一个唯一的对象标识符来识别。MIB表中导入的数据有两个来源，一类是数据相对于代理处于外部，适合于监视和操纵外部数据的MIB，例如节点上的属性都属于此类。第二类是数据为代理所有，代理对数据的操纵直接反映到数据源，如Trap Receiver消息。

图5 SNMP Agent子进程结构框图

3 结论

本文提出了一种针对无线链状网络节点控制、管理和维护的设计系统——无线链状网中央控制单元，该系统可以收集到无线节点的配置和属性信息，对业务数据信息进行流量控制，实现对节点的远程调度、管理维护和升级。网络管理平台可以通过该中央控制单元显示出该网络内节点的实时拓扑结构、节点告警信息、节点上传的图像和视频信息。无线链状网络是一门新兴的研究领域，随着研究的不断深入，人们也会体会到无处不在的无线网络带来的便捷和高效。

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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)

国家自然科学基金青年科学基金(61501455)；北京市自然科学基金面上项目(4162068)

TP393.09

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.15.025

朱全继，吕欣岩，慕福奇，等.基于无线链状网的中央控制单元设计[J].微型机与应用，2017,36(15)：87-90.

2017-02-08)

朱全继(1992-)，通信作者，男，硕士研究生，主要研究方向：自组网MAC层算法研究。E-mail：zhuquanji@ciotc.org。

吕欣岩(1976-)，男，博士研究生，高级工程师，主要研究方向：自组网架构，无线通信协议。

慕福奇(1957-)，男，博士研究生，博导，主要研究方向：无线通信系统与技术、物联网传输与应用。