基于OPNET的改进型CSMA/CD设计建模

林国彪

（广州海格通信集团股份有限公司，广东 广州 510000）

0 引 言

本文为了解决隐接收终端的问题，改进CSMA/CD协议，采用两个信道的方式解决隐接收终端的问题，并应用OPNET Modeler计算机建模仿真，分析其性能。根据OPNET仿真软件特点，仿真模型需要建立网络模型、节点模型以及进程模型。网络模型是指通信节点组成的通信网络，节点模型是指通信节点本身的通信协议建模，进程模型是指具体的改进CSMA/CD接入协议流程。

1 网络模型

改进型CSMA/CD接入仿真系统的网络模型根据实际网络构建，设计一个背景网络拓扑为空的场景，网络范围（平原模型）的大小为2 km×2 km。如图1所示，业务建模采用OPNET自有的模型，应用定义组件和配置定义组件来配置仿真过程中的业务类型，如视频、网页以及话音等业务[1]。本文采用UDP的单向业务进行测试，移动配置组件用来配置节点在网络范围内移动，接收范围配置组件用来配置节点信号发射的距离，实现8个节点的网络模型。

图1 网络模型

2 节点模型

节点模型代表实际的设备，由若干的模块组成。本方案中根据OSI架构简化协议，选择了应用层模块、UDP层模块、IP层模块、自定义的MAC层模块以及收发信机模块[2]。其中，应用层模块完成报文的产生及端到端报文的统计任务，UDP层模块完成大报文的拆分和端到端的重传任务，IP层模块完成寻路任务，MAC层模块完成信道接入任务，承载改进型CSMA/CD接入协议，发射机和接收机完成数据发送和接收任务。模块和模块之间通过包流或状态线相连，通过数据流进行通信。

在本方案中自定义改进型CSMA/CD接入协议模块，建链信息和业务信息在一个信道上，建链确认回复信息和数据确认回复信息在另外一个信道，当信道中有业务传输时，节点准备建立链路发送数据，可以在建链信道上回复信道忙，防止节点一直发送建链信息。例如，A→B→C→D组成3跳网络，当B节点与C节点通信时，D节点无法收到B节点的信息，如果D节点准备发送业务，首先要建立链路。改进型CSMA/CD接入机制的通信信道和建链信道有两个，当B节点与C节点通信时，D节点发送建链信息，C节点通过建链信道回复是否可以建链以及信道是否空闲，避免D节点一直发送建链信息，通过两个信道解决隐接收终端的问题。

信道检测的规则为当一个节点检测到信道空闲时，先退避n跳，退避过程中持续检测信道，如果检测到信道忙，则退出退避状态，继续检测信道状态[3-5]。如果退避n跳结束后仍检测信道为空闲状态，则准备发送数据。报文发送数据期间的时频图如图2所示。

图2 发送数据时频图

图2中，F0为发送建链频率和业务频率，F1为回复建链频率和数据确认回复频率。第0个时隙内检测到信道空闲后，第1个时隙在F0上发送建链呼叫信息，然后在第2个时隙切换到F1信道。在F1频率上等待接收建链呼叫确认信息，收到该信息后，在第3个时隙切换到F0频率开始传输数据。传输数据需要N个时隙，它与参数“Max Send Slots”和数据所在子队列的长度以及此时的数据传输速率有关。传输数据完成后，第N+3个时隙在F1频率信道上等待接收数据确认信息，第N+4个时隙为一个空闲时隙。至此，本次数据传输周期结束，并在第N+5个时隙重新切换到建链信道上继续信道的探测[6]。

退避阶段，退避时间与退避窗口、邻居节点数、退避系数以及数据优先级有关，对于时隙CSMA，退避窗口的最小基本单位是时隙，退避窗口CW是时隙的整数倍。当有业务时，每个接入时隙均监听信道是否空闲，若空闲则首次启动退避，退避时间为BT(i)，退避完成后在下个业务时隙发业务RTS，若信道忙，则在下个时隙继续监听。退避时间算法为：

式中，i是退避次数；初始Coef(0)=1；CW(0)=1；NbNum(0)=0。

退避状态下，完成一次退避BT(i)值减1，退避结束马上发建链信息，成功完成一次包传输，退避系数Coef和退避窗口均置为初始值（Coef(0)=1，CW(0)=1），若发生碰撞（没有收到回复）则启动下次退避，退避系数Coef(i+1)=Coef(i)×1.2，若持续碰撞，退避次数达到最大退避时间Mt，放弃该包业务。发起方没有收到建链信息回复，认为业务失败，启动退避，发起方没有收到数据确认回复，启动重传，重新监听。

3 进程模型

本方案中，改进型CSMA/CD进程模块用于描述协议和分布式的算法，用图形的方式描述状态机。进程模块通过事件的方式进行驱动，当进程模块遭遇到某个事件时，模块中的进程就应该根据事件和当时的运行状态做出相应的响应。事件的行为是由中断类型和中断优先级等信息描述，下面介绍改进型CSMA/CD进程模块的事件响应和状态机[7-9]。

3.1 事件响应

改进型CSMA/CD进程模块需要处理的事件由IP模块的流中断、来自接收信道机的流中断以及新时隙开始的定时器中断组成，具体的事件响应列表如表1所示。

表1 改进型CSMA/CD进程模块事件响应列表

3.2 状态机

改进型CSMA/CD模块使用的进程状态机如图3所示。其中，在初始化状态初始化变量，注册统计量，在等待状态等待数据时隙的到来，然后检测此时信道是否空闲，如果信道闲，则进入退避状态进行退避，退避完成后，发送方发送呼叫建链包，切频处于接收建链回复状态，如果时隙到达没有收到建链回复，则返回到等待状态。接收方收到建链信息后，切频处于发送建链回复状态，发送方收到建链回复信息后，切频发送数据，接收方接收数据。发送方数据发送完成后，等待数据确认回复信息。数据确认到来后，下一个时隙空闲一个时隙，然后重新回到等待状态，本次数据传输结束[10]。

图3 改进型CSMA/CD模块使用的进程状态机

4 仿真结果

仿真网络为8个节点，且节点在移动过程中通信，网络范围为2 km×2 km，通信半径为500 m，每个节点都发数据。仿真对象为CSMA/CD协议和改进型CSMA/CD协议，对两种通信协议进行网络吞吐量进行仿真，仿真结果如图4所示。

图4 8个节点场景平均吞吐量对比

由图4可以看出，改进型CSMA/CD在8个节点的网络规模下，平均吞吐量要高于CSMA/CD协议，这是因为CSMA/CD协议在节点多的情况下，有些发送数据的节点无法判断信道是否空闲，一直发数据导致信道利用率下降，平均吞吐量减少。

5 结 论

本文根据CSMA/CD协议隐接收终端的问题，提出两个信道的改进CSMA/CD协议，对协议的进行了详细介绍，并采用了OPNET Modeler层次化的建模机制，分别从网络模型、节点模型和进程模型分析了建模过程，最后通过仿真对比了CSMA/CD协议和改进型CSMA/CD协议的性能，改进后的CSMA/CD协议在规避隐接收终端的情况下，网络平均吞吐量变大。