短波令牌環(huán)協(xié)議的研究現(xiàn)狀與發(fā)展*

賀 驍,李 曼,白 翔,劉蕓江

(1.空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院,陜西西安710077;2.中電集團(tuán)第三十研究所,四川成都610041)

短波令牌環(huán)協(xié)議的研究現(xiàn)狀與發(fā)展*

賀 驍1,李 曼1,白 翔2,劉蕓江1

(1.空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院,陜西西安710077;2.中電集團(tuán)第三十研究所,四川成都610041)

合適的多址接入?yún)f(xié)議是提升網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵。將無競爭的短波令牌環(huán)協(xié)議應(yīng)用于短波數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò),能有效避免數(shù)據(jù)沖突,提供較好的網(wǎng)絡(luò)吞吐量和接入時(shí)延,更有利于發(fā)揮短波抗毀能力強(qiáng)、通信距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)?？偨Y(jié)了短波令牌環(huán)協(xié)議的基本概況,從令牌中繼機(jī)制、病態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、令牌環(huán)融合、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移等方面,歸納并分析了協(xié)議在運(yùn)行機(jī)制方面的最新研究,并指出了需要解決的問題和今后的研究方向。

短波通信 短波令牌環(huán)協(xié)議 運(yùn)行機(jī)制 QoS

0 引 言

構(gòu)建短波數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò),用數(shù)據(jù)通信方式取代傳統(tǒng)的話音通信,是基于對(duì)數(shù)據(jù)可靠性、多樣性和大容量的需求,為擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍,提升數(shù)據(jù)傳輸速率,增強(qiáng)通信備份效能所采取的一種有效手段。

在短波數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究中,媒體接入控制(MAC,Media Access Control)協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)的重要技術(shù)。但由于短波信道是變參信道,短波通信自身存在多徑時(shí)延、信號(hào)衰落和多普勒頻移等弱點(diǎn),在網(wǎng)絡(luò)中采用適宜于短波特點(diǎn)的MAC協(xié)議,是提供較好的服務(wù)質(zhì)量(QoS,Quality of Service)保證的關(guān)鍵[1]。

QoS一般用網(wǎng)絡(luò)吞吐量、數(shù)據(jù)傳輸速率、時(shí)延等指標(biāo)來衡量。但由于競爭和沖突的存在,以及隱藏終端和暴露終端[2]的問題無法徹底解決,基于競爭機(jī)制的MAC協(xié)議無法為實(shí)時(shí)性要求較高的業(yè)務(wù)提供較好的QoS保證,并且信道訪問公平性不夠理想[3]。常見的無競爭MAC協(xié)議中,集中式的輪詢方式(比如Link 11短波頻段的MAC協(xié)議),要求中心站集中管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò),但對(duì)超出覆蓋范圍的從屬站輪詢既浪費(fèi)了系統(tǒng)資源又增加了其它站點(diǎn)的時(shí)延[4];基于固定分配的TDMA多址方式靈活性差,信道利用率低,而基于動(dòng)態(tài)分配的TDMA實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜,系統(tǒng)開銷大[5]。

北約在短波數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)——STANAG 5066 (以下簡稱S5066)的最新版本中明確提出,在MAC層應(yīng)用無競爭的短波令牌環(huán)協(xié)議(HFTRP,HighFrequency Token Ring Protocol),有效克服了舊版本因使用基于競爭機(jī)制的MAC協(xié)議,鏈路輪回延時(shí)造成的網(wǎng)絡(luò)吞吐率下降和數(shù)據(jù)碰撞概率增加[6],為短波數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)提供了較好的QoS,對(duì)短波通信的快速發(fā)展有重要意義。

1 基本概況

HFTRP最初是北約為能適用于艦艇之間短波定頻通信的MAC協(xié)議,委托美國新墨西哥州立大學(xué)的E.Johnson博士及其團(tuán)隊(duì)研究的。它建立在IEEE 802.4和無線令牌環(huán)協(xié)議(WTRP,Wireless Token Ring Protocol)的基礎(chǔ)上,于2005年被正式定義在北約S5066的附錄L[7]部分。目前,國外對(duì)HFTRP的主要研究機(jī)構(gòu)是北約NC3A[8]組織和E. Johnson團(tuán)隊(duì),而國內(nèi)公開的研究主要是圍繞著對(duì)國外研究成果進(jìn)行的改進(jìn)和優(yōu)化。

從OSI模型來看,HFTRP應(yīng)用于S5066協(xié)議分層模型數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層[9],如圖1所示。所謂的“令牌(token)”是一種特殊的控制幀,來源于S5066附錄C[10]定義的管理類(Management)數(shù)據(jù)協(xié)議數(shù)據(jù)單元(D_PDU,Data_Protocol Data Unit)。

圖1 STANAG 5066協(xié)議分層模型Fig.1 Hierarchical model of STANAG 5066 protocol

HFTRP的具體功能是:通過在圖1中數(shù)據(jù)傳輸層和物理層之間的數(shù)據(jù)交互,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中有多個(gè)節(jié)點(diǎn)共用一個(gè)信道時(shí),各短波節(jié)點(diǎn)按照邏輯環(huán)順序傳遞令牌,只有擁有令牌的節(jié)點(diǎn)才能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)包,以此控制各節(jié)點(diǎn)對(duì)該信道的訪問,并強(qiáng)化媒體接入,使每個(gè)節(jié)點(diǎn)享有同等帶寬和發(fā)送權(quán)。

國內(nèi)外學(xué)者在對(duì)HFTRP協(xié)議進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn),應(yīng)用該協(xié)議必須克服短波信道的時(shí)變性、長鏈路回轉(zhuǎn)時(shí)間以及令牌管理帶來的問題[11],所幸已有研究人員做了開創(chuàng)性的工作。下面詳細(xì)介紹HFTRP的最新研究和尚需解決的問題。

2 最新研究

2.1 新增中繼機(jī)制

WTRP正常運(yùn)行時(shí),令牌按照成環(huán)時(shí)設(shè)定順序在各節(jié)點(diǎn)間循環(huán)傳遞。在任意一次兩節(jié)點(diǎn)之間的令牌傳遞過程中(發(fā)送令牌的節(jié)點(diǎn)稱作“前驅(qū)節(jié)點(diǎn)”,接收令牌的節(jié)點(diǎn)稱作“后繼節(jié)點(diǎn)”),持有權(quán)限令牌的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)后,把權(quán)限令牌傳遞給后繼節(jié)點(diǎn),并等待隱含的確認(rèn)信息(比如前驅(qū)節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽到后繼節(jié)點(diǎn)所發(fā)送的令牌)。如果未獲得成功傳遞的確認(rèn)信息,前驅(qū)節(jié)點(diǎn)將選擇重發(fā)令牌并等待確認(rèn);如果重發(fā)令牌仍未確認(rèn),將丟棄后繼節(jié)點(diǎn),重新連接令牌環(huán)[12]。舍棄節(jié)點(diǎn)的處理方法與短波網(wǎng)絡(luò)的要求不相符,網(wǎng)絡(luò)的性能和數(shù)據(jù)傳輸速率也會(huì)大為降低。

針對(duì)該問題,文獻(xiàn)[13]中提出了短波令牌中繼機(jī)制。主要思想是當(dāng)短波網(wǎng)絡(luò)中因?yàn)橥ㄐ欧秶囊蛩鼗螂婋x層時(shí)變的影響,造成某節(jié)點(diǎn)無法將令牌傳遞給其后繼節(jié)點(diǎn),但其余節(jié)點(diǎn)能與其后繼節(jié)點(diǎn)通信時(shí),采用一種“中繼令牌”的特殊令牌,通過其余節(jié)點(diǎn)將傳輸權(quán)限轉(zhuǎn)交給后繼節(jié)點(diǎn),如圖2所示。

圖2 令牌中繼機(jī)制Fig.2 Token relay mechanism

圖2(a)中,令牌按照正常的A-B-D-C順序進(jìn)行傳遞。圖2(b)中,由于突發(fā)原因,A、B節(jié)點(diǎn)間的傳遞失敗,將啟用基于中繼令牌的恢復(fù)機(jī)制,首先由A節(jié)點(diǎn)廣播“尋找中繼”數(shù)據(jù)包,指明中繼節(jié)點(diǎn)的特性為能與B通信。若有一個(gè)或多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)響應(yīng),為減少數(shù)據(jù)沖突,將按令牌傳遞的順序在時(shí)隙中發(fā)送響應(yīng)數(shù)據(jù)包;若無中繼節(jié)點(diǎn)響應(yīng),將直接把中繼令牌傳遞給A的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)C(該過程圖中未給出)。圖2(c)中,A選擇響應(yīng)的D為中繼節(jié)點(diǎn),將中繼令牌傳遞給D,該令牌帶有目的節(jié)點(diǎn)為B的信息。

而后D按照可達(dá)目的節(jié)點(diǎn)B的路徑傳遞中繼令牌并監(jiān)聽隱含確認(rèn)信息。若中途又出現(xiàn)中繼令牌傳遞失敗的情況,將按照?qǐng)D2(b)的方法再次尋找新的中繼節(jié)點(diǎn),傳遞中繼令牌,直到中繼令牌最終到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)B。再將中繼令牌轉(zhuǎn)換為正常令牌,進(jìn)行正常的令牌傳遞。

但是E.Johnson團(tuán)隊(duì)傳統(tǒng)的短波令牌中繼機(jī)制存在中繼時(shí)延大、中繼成功率低、中繼請(qǐng)求應(yīng)答沖突等問題[14],國內(nèi)有關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)此進(jìn)行了優(yōu)化。

文獻(xiàn)[14]提出了基于令牌中繼子隊(duì)列的分布式動(dòng)態(tài)令牌中繼協(xié)議SQ-DTRP。通過建立令牌中繼子隊(duì)列的思想,改進(jìn)中繼算法,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)通信狀況對(duì)隊(duì)列中保存的節(jié)點(diǎn)通信記錄進(jìn)行刷新,以獲取最新的與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)可通概率最大的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn),中繼發(fā)起節(jié)點(diǎn)將依據(jù)此信息進(jìn)行中繼轉(zhuǎn)發(fā),無須發(fā)送“尋找中繼”數(shù)據(jù)包尋找中繼轉(zhuǎn)發(fā)對(duì)象,從而避免了該進(jìn)程可能出現(xiàn)的應(yīng)答沖突,使中繼時(shí)延有效降低。但該協(xié)議不足的是,中繼子隊(duì)列的通信節(jié)點(diǎn)信息域只能保存一個(gè)MAC地址。

文獻(xiàn)[15]改進(jìn)了文獻(xiàn)[14]中的中繼子隊(duì)列只能保存一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)MAC地址的問題,提出了基于增強(qiáng)型子隊(duì)列的分布式動(dòng)態(tài)令牌中繼協(xié)議ESQDTRP。通過帶中繼更新門限和中繼優(yōu)先級(jí)的中繼隊(duì)列更新算法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)中繼隊(duì)列的實(shí)時(shí)維護(hù)和更新,提高了中繼性能。具體做法是,當(dāng)令牌連續(xù)接收正確的次數(shù)達(dá)到中繼更新門限時(shí),提升對(duì)應(yīng)MAC地址的中繼優(yōu)先級(jí),這樣中繼算法可在所有能提供中繼轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行選擇,使搜索結(jié)果最優(yōu)。

2.2 修正病態(tài)拓?fù)?/p>

在某些實(shí)際的短波通信網(wǎng)絡(luò)中,由于網(wǎng)絡(luò)成員所處的范圍廣、相距遠(yuǎn)、發(fā)射功率受限,部分節(jié)點(diǎn)僅能與特定的對(duì)象進(jìn)行通信,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出“病態(tài)拓?fù)洹?。文獻(xiàn)[13]定義了3種基本的病態(tài)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò):環(huán)、須及鏈狀拓?fù)?如圖3所示。

圖3 病態(tài)拓?fù)銯ig.3 Pathological topologies

拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)正常的令牌環(huán)通常采用“請(qǐng)求后繼”的機(jī)制來成環(huán):請(qǐng)求成環(huán)的節(jié)點(diǎn)廣播“請(qǐng)求后繼節(jié)點(diǎn)”數(shù)據(jù)包,該數(shù)據(jù)包標(biāo)記有當(dāng)前請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)的后繼節(jié)點(diǎn)地址,邀請(qǐng)通信范圍內(nèi)的其它節(jié)點(diǎn)以嵌入方式入環(huán);但等待加入節(jié)點(diǎn)必須能同時(shí)與它新的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)(請(qǐng)求節(jié)點(diǎn))和新的后繼節(jié)點(diǎn)(請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)原有的后繼節(jié)點(diǎn),處于自環(huán)狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)把自身當(dāng)作自己的后繼節(jié)點(diǎn))可通,以完成對(duì)前后兩節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)。因此,正因?yàn)椴B(tài)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的部分節(jié)點(diǎn)與某些節(jié)點(diǎn)不可通,就無法通過“請(qǐng)求后繼”的機(jī)制形成圖3所示的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。

為解決此問題,E.Johnson博士在文獻(xiàn)[13]中借用了令牌中繼的思想,并通過仿真得到了正常拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)和病態(tài)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的成環(huán)時(shí)間,如表1所示。

表1 文獻(xiàn)[13]正常拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)和病態(tài)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的成環(huán)時(shí)間/sTable 1 Ring formation time contrast between normal and pathological topologies in literature[13]/s

圖4給出了在須狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中利用該思想進(jìn)行成環(huán)的過程,環(huán)狀和鏈狀過程類似,在此不再贅述。

圖4 須狀拓?fù)涑森h(huán)過程Fig.4 Ring formation process of whisker topology

圖4中,形成A-B-C流向的3節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)后,C發(fā)出“請(qǐng)求后繼節(jié)點(diǎn)”數(shù)據(jù)包,由于D只能與它新的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)C可通,與新的后驅(qū)節(jié)點(diǎn)A(也是請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)C原有的后繼節(jié)點(diǎn))不可通,故不能按照“請(qǐng)求后繼”機(jī)制成環(huán)。只能采取令牌中繼的方法,通過中繼節(jié)點(diǎn)C,將D對(duì)“請(qǐng)求后繼節(jié)點(diǎn)”數(shù)據(jù)包的響應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)給A,實(shí)現(xiàn)成環(huán)過程。

但病態(tài)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)仍存在令牌丟失恢復(fù)困難,令牌到達(dá)間隔不確定的缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[16-18]提出了空間復(fù)用令牌協(xié)議,通過多個(gè)令牌同時(shí)并行傳遞加以克服,但沒有錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制且令牌傳遞不同步。而文獻(xiàn)[19-20]構(gòu)建了固定令牌持有時(shí)間和令牌自產(chǎn)生的思想,以降低系統(tǒng)傳輸時(shí)延,提高有效吞吐量。

總的來說,對(duì)于短波通信網(wǎng)絡(luò)特殊的病態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),國內(nèi)外學(xué)者近年來在有效成環(huán)和穩(wěn)定運(yùn)行等方面的研究取得了明顯的成果。

2.3 改進(jìn)合并流程

網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行發(fā)生異常,被分割成兩個(gè)不同的令牌環(huán)時(shí),會(huì)互相靠近對(duì)方的通信區(qū)域,造成相互干擾,需要重新連接,一般采用合并令牌環(huán)的方法解決。WTRP的合并方法至少得經(jīng)歷環(huán)分解和所有節(jié)點(diǎn)重新請(qǐng)求入環(huán)的過程,合并時(shí)間較長,效率較低。文獻(xiàn)[21]對(duì)HFTRP的合并機(jī)制進(jìn)行了改進(jìn)。

如圖5所示,按照A-B-C和D-E-F的令牌流向,網(wǎng)絡(luò)在某一頻點(diǎn)上被分割成兩個(gè)不同的令牌環(huán),其中的部分節(jié)點(diǎn)已進(jìn)入另一令牌環(huán)的通信范圍,如節(jié)點(diǎn)F可監(jiān)聽到來自A的消息。在圖5中的某節(jié)點(diǎn)(F)監(jiān)聽到比自身優(yōu)先級(jí)高的“外部”令牌環(huán)發(fā)送的信息后,將進(jìn)入“等待合并”的狀態(tài)(只允許由兩個(gè)沖突環(huán)中優(yōu)先級(jí)低的環(huán)的節(jié)點(diǎn)發(fā)起合并,防止環(huán)運(yùn)行出現(xiàn)混亂)。

圖5 令牌環(huán)沖突Fig.5 Token ring collision

如圖6(a)所示,當(dāng)該節(jié)點(diǎn)(F)在自身環(huán)中持有令牌時(shí),它將給之前監(jiān)聽的節(jié)點(diǎn)(A)發(fā)送“合并環(huán)”數(shù)據(jù)包,直到收到確認(rèn)消息;此時(shí)合并發(fā)起節(jié)點(diǎn)(F)將立即給以前的后繼節(jié)點(diǎn)(D)發(fā)送優(yōu)先級(jí)最高的“雙時(shí)間令牌”,以將所有“等待合并”狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)恢復(fù)成空閑狀態(tài),防止這部分節(jié)點(diǎn)使用舊有連接數(shù)據(jù)發(fā)起另外的合并請(qǐng)求;在循環(huán)一周返回合并發(fā)起節(jié)點(diǎn)(F)后,“雙時(shí)間令牌”轉(zhuǎn)變?yōu)檎Ａ钆啤?/p>

圖6 令牌環(huán)合并過程Fig.6 Merging process of token ring

“合并環(huán)”數(shù)據(jù)包帶有發(fā)送節(jié)點(diǎn)(F)的后繼節(jié)點(diǎn)(D)的ID號(hào),接收到合并請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)(A)將把請(qǐng)求的發(fā)送者(F)作為自己新的前驅(qū)節(jié)點(diǎn),并傳遞“設(shè)置后繼節(jié)點(diǎn)令牌”給以前的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)(C),如圖6(b)所示。最終完成兩個(gè)環(huán)重新連接成一個(gè)環(huán)的操作,如圖6(c)所示。

相比傳統(tǒng)WTRP重建令牌環(huán)所需的時(shí)間[22],改進(jìn)前的方法至少得經(jīng)歷分解成小的令牌環(huán),及其它所有節(jié)點(diǎn)保持靜默等待重新入環(huán)的過程;而改進(jìn)后的方法只需經(jīng)過“設(shè)置后繼節(jié)點(diǎn)令牌”傳遞一次和“雙時(shí)間令牌”循環(huán)一次的時(shí)間,在10個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)例中不大于30 s。

2.4 簡化狀態(tài)轉(zhuǎn)移

文獻(xiàn)[23]從HFTRP的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)入手,通過移除節(jié)點(diǎn)的“自環(huán)”狀態(tài),將節(jié)點(diǎn)“自環(huán)”狀態(tài)需執(zhí)行的動(dòng)作交由“漂浮”狀態(tài)處理,使原本非常復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移機(jī)制得到簡化,如圖7所示。

圖7 成環(huán)過程的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖簡化前后對(duì)比Fig.7 Node state transition contrast of ring formation before and after improvement

同時(shí),由于節(jié)點(diǎn)“自環(huán)”狀態(tài)的移除,與之相關(guān)的“聲明令牌”定時(shí)器也不再使用,成環(huán)階段的整體性能將得到提升。通過文獻(xiàn)[23]中6節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)例的仿真分析,狀態(tài)轉(zhuǎn)移的簡化使得成環(huán)時(shí)間由220 s減少到121 s,平均時(shí)延由53.9 s減少到47.4 s, 10 000 s的吞吐量由2 935.4 KB增加到2 959 KB,經(jīng)過11天的測(cè)試仍有節(jié)點(diǎn)在環(huán),證明網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)健性得到了增強(qiáng)。

3 需解決問題及今后研究方向

3.1 大數(shù)據(jù)傳輸時(shí)吞吐量的限制因素

文獻(xiàn)[24]通過仿真短波節(jié)點(diǎn)傳輸不同數(shù)據(jù)量時(shí),分別使用自動(dòng)鏈路建立(ALE,Automatic Link Establishment)和令牌環(huán)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐量情況,得出以下結(jié)論:

1)采用ALE可在多個(gè)頻率上建立不同的短波鏈路,只需控制ALE的建鏈和拆鏈時(shí)間,網(wǎng)絡(luò)吞吐量與各節(jié)點(diǎn)的傳輸數(shù)據(jù)量近似成正比關(guān)系。

2)采用令牌環(huán)協(xié)議的短波網(wǎng)絡(luò),多節(jié)點(diǎn)在單一頻率上共享信道,獲得的帶寬受到較大限制,并且協(xié)議規(guī)定了節(jié)點(diǎn)只能在持有令牌的額定時(shí)間內(nèi)傳輸數(shù)據(jù),時(shí)間一到,即使數(shù)據(jù)沒有傳輸完畢,也必須將令牌傳遞給后繼節(jié)點(diǎn)。令牌管理機(jī)制與令牌傳遞消耗的時(shí)間決定了進(jìn)行2 000 bytes以上的大數(shù)據(jù)傳輸時(shí),網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨各節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)量的上升基本保持不變。

因此需要對(duì)短波令牌的管理方法作進(jìn)一步優(yōu)化,文獻(xiàn)[25]也提出了短波調(diào)制解調(diào)器的時(shí)延在一定程度上也影響著網(wǎng)絡(luò)吞吐量,對(duì)這一因素也需進(jìn)行深層次的研究,使利用令牌環(huán)協(xié)議的短波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行大數(shù)據(jù)傳輸時(shí)能獲得較高吞吐量。

3.2 病態(tài)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步研究

2.2節(jié)雖提到了已有學(xué)者對(duì)HFTRP在病態(tài)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中的運(yùn)行機(jī)制作了修正,但協(xié)議在該類網(wǎng)絡(luò)的MAC幀結(jié)構(gòu)、令牌網(wǎng)維護(hù)以及節(jié)點(diǎn)入/離環(huán)機(jī)制的完善等方面仍存在不足。文獻(xiàn)[26]對(duì)此進(jìn)行了初步研究,但研究的對(duì)象是WTRP和無線自組織網(wǎng)絡(luò),而針對(duì)HFTRP和短波網(wǎng)絡(luò),特別是短波地空通信網(wǎng)絡(luò)在這方面的系統(tǒng)研究,國內(nèi)外基本沒有。因此,對(duì)HFTRP在病態(tài)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中的研究,特別是解決網(wǎng)絡(luò)通信覆蓋范圍大和節(jié)點(diǎn)難管理的問題,是今后的研究重點(diǎn)。

3.3 基于短波Mesh網(wǎng)絡(luò)的多令牌研究

北約和美軍近年來正致力于研究支持網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的無線通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[27],而能夠有效擴(kuò)大軍事Mesh網(wǎng)絡(luò)范圍的短波Mesh網(wǎng)絡(luò)對(duì)此能起到較大作用。文獻(xiàn)[28-29]詳細(xì)分析了使用多令牌的短波Mesh網(wǎng)絡(luò),并對(duì)其性能進(jìn)行了仿真計(jì)算,但各令牌網(wǎng)接口之間的流量傳輸、網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議以及多播協(xié)議仍需進(jìn)一步探討。

4 結(jié) 語

綜上所述,由于HFTRP能有效避免數(shù)據(jù)沖突,保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)享有同等帶寬和發(fā)送權(quán),合理分配信道資源,決定了它是適合于短波數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議,對(duì)未來構(gòu)建基于TCP/IP協(xié)議的短波網(wǎng)絡(luò)有重要作用[30-31]。但HFTRP的實(shí)際應(yīng)用還處于初始階段,國內(nèi)外的研究相對(duì)較少,如何結(jié)合短波通信的特點(diǎn),克服短波電離層反射信道的極端復(fù)雜性,有效減少網(wǎng)絡(luò)成員丟失概率,提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、減少信道接入時(shí)延,還需在協(xié)議運(yùn)行機(jī)制、關(guān)鍵技術(shù)、控制接入過程等方面進(jìn)行深入研究。

[1] N.Yigitbas1,F.Buzluca.A Control Plane for Prioritized Real-Time Communications in Wireless Token Ring NetWorks[J].IEEE Computer and Information Sciences,2008,10(04):1-6.

[2] Ghazale Hosseinabadi,Nitin Vaidya.Token-DCF An Opportunistic MAC protocol for Wireless Networks[J]. IEEE Communication Systems and Networks,2013, 1(01):1-9.

[3] Menouar,H Filali,F Lenardi,M.A survey and qualitative analysis of MAC protocols for vehicular ad hoc networks[J].IEEEWirelessCommunications,2006, 13(05):30-35.

[4] 王文政,周經(jīng)倫,羅鵬程.戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)自適應(yīng)輪詢MAC協(xié)議[J].兵工學(xué)報(bào),2009,30(12):1624-1631.

WANG Wen-zheng,ZHOU Jing-lun,Luo Peng-cheng.A-daptive Polling MAC Protocol for Tactical Data Link System [J].Acta Armament arii,2009,30(12):1624-1631.

[5] 曾勇,黃巍,楊靜.運(yùn)用動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)輪詢機(jī)制的數(shù)據(jù)鏈仿真[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2008,37(02):244-247.

ZENG Yong,HUANG Wei,YANG Jing.Modeling of TDMA Data Link based on Dynamic Priority Polling Mechanism[J].Journal of University of Electronic Science and Technology of China,2008,37(02):244-247.

[6] Eric E.Johnson,Gary Anaya,Zibin Tang.Performance of the HF Token Protocol[J].IEEE MILCOM 2004, 2004,2(01):1021-1027.

[7] NC3A.STANAG 5066:Profile for HF Data Communications Annex L,High-Frequency Wireless-Token-Ring-Protocol Requirements[S].Edition 2 Draft 2,Brussels: NATO,2008.

[8] Eric E.Johnson.Status Report from the NATO Radio AHWG Meeting[C]//BLOS Comms Meeting.New Mexico State University(USA):Eric E.Johnson,2010: 15-21.

[9] NC3A.NATO Standardization Agreement:Profile for High Frequency(HF)Radio Data Communications STANAG 5066[S].Edition 2 Draft 2,Brussels: NATO,2008.

[10] NC3A.STANAG 5066:Profile for HF Data Communications Annex C,High-Frequency Wireless-Token-Ring-Protocol Requirements[S].Edition 2 Draft 2, Brussels:NATO,2008.

[11] Manikanden Balakrishnan,Eric E.Johnson.Queueing Analysis of DCHF and HF Token Protocol With Varying Turnaround Time[J].IEEE MILCOM 2004,2004,2 (01):572-578.

[12] Mustafa Ergen.WTRP—Wireless Token Ring Protocol [J].Vehicular Technology,IEEE 2004,53(06): 1863-1881.

[13] Eric E.Johnson,TANG Zi-bin,Manikanden Balakrishnan.Token Relay with Optimistic Joining[J].IEEE MILCOM 2005,2005,4(02):2216-2222.

[14] 曹鵬,景淵,黃國策.基于子隊(duì)列的分布式動(dòng)態(tài)令牌中繼協(xié)議[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào),2009,32(05): 88-92.

CAO Peng,JING Yuan,HUANG Guo-ce.A Distributed Dynamic Token Relay Protocol Based on Sub-Queue [J].Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications,2009,32(05):88-92.

[15] 屠文超.短波IP網(wǎng)絡(luò)分布式動(dòng)態(tài)令牌中繼協(xié)議研究[D].西安:空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院,2013.

TU Wen-chao.The Distributed Dynamic Token Relay Protocol Research of HFIP Network[D].Xi'an:Institute of Information and Navigation,Airforce Engineering U-niversity,2013.

[16] Li J,Blake C,Couto D S D,et al.Capacity of Ad hoc wireless networks[C]//Proceedings of ACM Mobi-Com2001.Rome:ACM Press,2001:61-69.

[17] Cheng R G,Wang C Y,Liao L H,et al.Ripple:a wireless token-passing protocol for multi-hop wireless mesh networks[J].IEEE Communication Letters, 2006,10(02):123-125.

[18] Cheng R G,Chang R I.Improved wireless token ring protocol(IWTRP)for wireless metropolitan area networks[C]//IEEE Vehicular Technology Conference 2007.Dublin:IEEE Press,2007:31-35.

[19] 曹鵬.短波IP網(wǎng)絡(luò)仿真與MAC協(xié)議研究[D].西安:空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院,2010.

CAO Peng.The Research of HFIP Network Simulation and MAC Protocol[D].Xi'an:Institute of Information and Navigation,Airforce Engineering University,2010.

[20] 曹鵬,黃國策,景淵.空間復(fù)用令牌協(xié)議錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制的QoS[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào),2011,34(04): 28-33.

CAO Peng,HUANG Guo-ce,JING Yuan.QoS Failure Detection Mechanism for Spatial Multiplexing Token Protocols[J].Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications,2011,34(04):28-33.

[21] Eric E.Johnson,TANG Zi-bin,Manikanden Balakrishnan. Robust Token Management for Unreliable Networks[J]. IEEE MILCOM 2003,2003,1(01):399-404.

[22] 沈建峰.ITU-R關(guān)于短波數(shù)字通信的最新建議[J].中國無線電,2008,3(05):25-28.

SHEN Jian-feng.The Newest Suggestions about HF Digital Communication of ITU-R[J].China Radio, 2008,3(05):25-28.

[23] Taner Kurtulus.Improvement and Development of High -Frequency Wireless Token-Ring Protocol[D].Ankara:Middle East Technical University,2010.

[24] A.F.R.Gillespie,S.E.Trinder.Analysis of Multiple Frequency HF Networks Versus Single Frequency Token Ring Networks[J].IEEE Ionospheric Radio Systems and Techniques,2006,9(03):157-161.

[25] Eric E.Johnson.Impact of Turnaround Time on Wireless MAC Protocols[C]//IEEE Proceedings of MILCOM 2003,Boston:[s.l.],2003:375-381.

[26] 許麗陽.具有子節(jié)點(diǎn)的無線自組織令牌網(wǎng)協(xié)議研究[D].北京:北京郵電大學(xué),2013.

XU Li-yang.Research on Wireless Token Network With Sub-Nodes Protocol For Wireless Ad Hoc Network[D]. Beijing,Beijing University of Posts and Telecommunications,2013.

[27] 鞠茂光,劉尚麟.美國空軍短波全球通信系統(tǒng)技術(shù)分析[J].通信技術(shù),2013,46(07):96-98.

JU Mao-guang,LIU Shang-lin.Analysis on High-Frequency Global Communications System Technology of US Air Force[J].Communications Technology,2013, 46(7):96-98.

[28] Eric E.Johnson.HF Radio Mesh Networks[J].IEEE MILCOM 2006,2006,1(01):1-5.

[29] Cheng R G,Chang R I,Hua K L.IWTRP:spatial-reuse enhancement of the wireless token ring protocol[J].IEEE Communication Letters,2007,11(08):701-703.

[30] Donald G.Kallgren,STANAG 5066 Profile for HF Data Communication ROADMAP&STATUS[C]//The High-Frequency Industry Association,New Mexico State University(USA):Donald G.Kallgren,2009:44-59.

[31] ITU.Radiocommunication study groups document 9/158 Characteristics of advanced digital High Frequency(HF) radiocommunication systems[S].Edition 1.Geneva: ITU,2009.

HEXiao(1990-),male,graduate student,mainly engaged in communication and information system.

李 曼(1977—),女,副教授,博士,主要研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng);

LI Man(1977-),female,associate professor,Her research mainly engaged in the research of communication and information system.

白 翔(1977—),男,工程師,博士,主要研究方向?yàn)闊o線通信技術(shù);

BAI Xiang(1977-),male,engineer,Ph.D.,mainly engaged in wireless communication technology.

劉蕓江(1976—),男,副教授,博士,主要研究方向?yàn)楹娇胀ㄐ?

LIU Yun-jiang(1976-),male,associate professor,Ph. D.,mainly engaged in aeronautical communication.

Status Quo and Development of HF Token Ring Protocol

HE Xiao1,LI Man1,BAI Xiang2,LIU Yun-jiang1
(1.Institute of Information and Navigation,Airforce Engineering University,Xi'an Shaanxi 710077,China; 2.No.30 Institute of CETC,Chengdu Sichuan 610041,China)

Appropriate multi-access(MAC)protocol is the key to improving the network performance.The application of contention-free high frequency(HF)token ring protocol in the HF data communication network can effectively avoid data collision,offer better network throughput and access time-delaying,and thus is beneficial for HF to bringing its superiority of strong resistance and long communication distance into full play.This paper summarizes the basic profile of HF token ring protocol.From the aspects of relay mechanism,pathological topologies,merging process of token ring and node state transition,the latest research on operating mechanism of the protocol is highlighted and research direction for the future work also pointed out.

HF communication;HF token ring protocol;operating mechanism;QoS

TN92

A

1002-0802(2014)10-1167-06

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.10.012

賀 驍(1990—),男,碩士研究生,主要研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng);

2014-08-03;

2014-09-13 Received date：2014-08-03;Revised date：2014-09-13