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摘要：為保證各類業(yè)務(wù)的QoS要求及信道的利用率，本文提出在分布式測控系統(tǒng)中采用Polled-CSMA協(xié)議。該協(xié)議以Polling方式處理實時性要求高的流式業(yè)務(wù)，以CSMA方式處理實時性要求不高的突發(fā)性業(yè)務(wù)。分析結(jié)果表明，該協(xié)議可以滿足分布式測控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)腝oS要求。
關(guān)鍵詞：Polling CSMA MAC QoS
一、引言
分布式測控系統(tǒng)中，各個分站的數(shù)據(jù)傳輸要求是不同的。有些站監(jiān)測是緩變信號（例如溫度、濕度和壓力等信號），數(shù)據(jù)量比較小傳輸實時性要求不高；而有些站監(jiān)測的是快變信號（例如振動沖擊信號等），數(shù)據(jù)量比較大實時性要求高。這就要求系統(tǒng)的多址協(xié)議能滿足不同分站的QoS傳輸要求。根據(jù)分布式測控系統(tǒng)中各分站的業(yè)務(wù)的特點，本文將不同分站的業(yè)務(wù)分為兩類，一類為實時性要求高業(yè)務(wù)量比較大的流式業(yè)務(wù)，另一類為實時性要求不高業(yè)務(wù)量比較小的突發(fā)性業(yè)務(wù)，這兩類業(yè)務(wù)有不同的傳輸要求。為解決系統(tǒng)多業(yè)務(wù)傳輸問題，本文設(shè)計了基于輪詢的CSMA協(xié)議（Polled-CSMA）。本文結(jié)構(gòu)安排如下，首先對目前常用的幾種分布式測控系統(tǒng)中的多址協(xié)議進行分析比較，對各種不同多址協(xié)議的優(yōu)缺點進行了歸納。在此基礎(chǔ)上，針對分布式測控系統(tǒng)的實際要求提出并詳細描述Polled-CSMA協(xié)議。最后，對Polled-CSMA協(xié)議進行分析并給出結(jié)論。
二、各種媒體訪問控制（MAC）協(xié)議比較
MAC協(xié)議可分為三類，為三類多址接下技術(shù)分別適應(yīng)不同的通信業(yè)務(wù)，其中固定分配類和按需分配類適合諸如話音，視頻信號等對實時性要求比較高的通信業(yè)務(wù)，而隨機競爭類適合諸如文件傳送等突發(fā)性數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。對一般局域網(wǎng)系統(tǒng)而言，MAC技術(shù)涉及到的一個主要問題是信道的利用率，即各站如何高效地復(fù)用公共信道，而對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性問題很少考驗。對分布式測控系統(tǒng)而言，MAC協(xié)議則需要重點考慮系統(tǒng)的實時傳輸問題，即如何控制各站訪問信道的時機問題。
輪詢（Polling）是分布式測控系統(tǒng)中最基本的一種方法。在輪詢中，主站依照一定的順序詢問各個分站有無數(shù)據(jù)需要發(fā)送。如有數(shù)據(jù)，則被詢問的分站就立即傳送數(shù)據(jù)給主站；如無數(shù)據(jù)，則繼續(xù)詢問下一個分站，如此周而復(fù)始。輪詢的特點是各分站可以分平地獲取信道訪問控制權(quán)，操作簡單易于實現(xiàn)，在一般的實時分布式測控系統(tǒng)中獲得了廣泛應(yīng)用。在多業(yè)務(wù)環(huán)境下，由于系統(tǒng)中各分站的數(shù)據(jù)傳輸要求差別比較大，實時性要求高的流式業(yè)務(wù)分站需要有更多的機會訪問信道，而實時性要求不高的突發(fā)式業(yè)務(wù)分站要求訪問信道的時候并不多。這時如果單純使用輪詢機制，會造成流式業(yè)務(wù)分站獲得數(shù)據(jù)發(fā)送的機會比較少，而對于突發(fā)式業(yè)務(wù)分站獲得數(shù)據(jù)發(fā)送的機會相對較多，顯然，在這種情況下采用輪詢機制的系統(tǒng)傳輸效率比較低下。
令牌總線技術(shù)（Token Ring）可以認(rèn)為是對輪詢技術(shù)的改進，采用這種技術(shù)時，總線中的任一站點都有一個編號，所有站點的邏輯序號連成一個邏輯環(huán)，最后一個邏輯序號連著第一個邏輯序號。在邏輯環(huán)中，令牌幀從低的邏輯序號站點依次傳向高的邏輯序號站點。在令牌總線方式中，取得令牌的站點才可傳送數(shù)據(jù)。令牌總線技術(shù)的信道利用率比輪詢有所提高，但是增加了協(xié)議的復(fù)雜性。因此，從信道分配角度看，不論是令牌總線還是輪詢的協(xié)議，都是采用固定帶寬分配的方法，在多業(yè)務(wù)情況環(huán)境下，總是存在著信道利用不充分的問題。
隨機分配信道技術(shù)也是分布式測控系統(tǒng)中一種常見的信道分配方式。該技術(shù)也稱為隨機部分方式，是指如果同時有多個站（包括主站）要發(fā)送數(shù)據(jù)，則采用競爭的方式奪取信道的使用權(quán)。典型的隨機多址方式有ALOHA、CSMA/CD等技術(shù)。ALOHA協(xié)議工作方式為：當(dāng)一站要發(fā)送時，該站不管信道是否忙碌，立即將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。當(dāng)發(fā)送站檢測到自己發(fā)出的幀與其它站發(fā)出的幀碰撞后，則該發(fā)送站獨立的延遲一定時間后，再把該幀發(fā)送出去。如果再發(fā)生碰撞，則重復(fù)以上過程直至幀發(fā)送成功。由于各站的發(fā)送有一定的盲目性，所以ALOHA協(xié)議的效率不高。
CSMA技術(shù)是對ALOHA技術(shù)的改進，在這種訪問方式下，各分站首先偵聽信道而不是盲目地直接發(fā)送。如果該站檢測到信道空閑則發(fā)送數(shù)據(jù)；如果該站檢測到信道處于忙碌狀態(tài)，它就放棄此次發(fā)則后隨機等待一段時間再進行發(fā)送。由于CSMA技術(shù)采用了“先聽后講”的技術(shù)，減少了數(shù)據(jù)發(fā)送的盲目性，因而CSMA協(xié)議的效率要比ALOHA高很多。然而，在CSMA方式中仍有可能發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸碰撞，這是因為可能有其他網(wǎng)站也因檢查到信道空閑而同時發(fā)送數(shù)據(jù)。此時可采用碰撞檢測技術(shù)（CD）提高協(xié)議性能，這就是CSMA/CD技術(shù)。隨機多址方式的特點是在各站業(yè)務(wù)量比較小、突發(fā)性比較高的情況下信道的利用效率比較高。但在分站的業(yè)務(wù)量比較大時，系統(tǒng)的性能下降很快，難以保證數(shù)據(jù)包的傳輸時延。因此，在多業(yè)務(wù)環(huán)境下，CSMA方式難以保證不同業(yè)務(wù)的時延要求。
三、Polled-CSMA協(xié)議
為了解決以上問題，本文提出新的訪問控制協(xié)議：Polld-CSMA協(xié)議。該方案綜合了輪詢和CSMA的優(yōu)點，較好地解決了多業(yè)務(wù)環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸問題。協(xié)議表述如下：
�。�1）主站對實時性要求高的流式業(yè)務(wù)分站采用輪詢方式進行循環(huán)訪問。每隔一定的時段T，主站按順序發(fā)送訪問幀，逐個訪問流式業(yè)務(wù)分站。當(dāng)被訪問的分站收到屬于自己的訪問幀時，如果有數(shù)據(jù)要傳送則立即發(fā)送。
�。�2）對實時性要求不高的突發(fā)式業(yè)務(wù)分站采用CSMA方式訪問信道。此類分站收到任意輪詢訪問幀后，先監(jiān)聽信道一段時間，如果在此段時間內(nèi)未收到任何幀頭，就立即轉(zhuǎn)為發(fā)送狀態(tài)，發(fā)送自己的數(shù)據(jù)幀。如果監(jiān)聽到其它站在發(fā)送數(shù)據(jù)，就等待下一次發(fā)送機會。這就是說只有在流式業(yè)務(wù)分站沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時，突發(fā)式業(yè)務(wù)分站才有機會傳輸數(shù)據(jù)。
由于突發(fā)式業(yè)務(wù)分站采用了CSMA協(xié)議方式，因此當(dāng)突發(fā)業(yè)務(wù)分站總的業(yè)務(wù)量很小時，他們能以較大的概率訪問共享信道。而流式業(yè)務(wù)分站由于采用輪詢方式訪問信道，他們的實時傳輸?shù)玫揭欢ǖ谋ＷC。因此Polled-CSMA協(xié)議既能保證高效率的信道利用率，又能控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲髸r延。
四、協(xié)議分析
從上面的分析可以看出，Polled-CSMA協(xié)議實際上是根據(jù)各分站的業(yè)務(wù)類型來進行訪問控制，即根據(jù)不同分站業(yè)務(wù)特點來分配信道訪問控制權(quán)。下面對Polled-CSMA協(xié)議進行定量的分析。為分析方便，我們做了如下設(shè)定：
*分站獨立發(fā)送數(shù)據(jù)包，突發(fā)式業(yè)務(wù)分站都以相同概率GB發(fā)送數(shù)據(jù)包，任一流式業(yè)務(wù)分站也以相同概率GR發(fā)送數(shù)據(jù)包，顯然GB＜GR。
*分站發(fā)出的數(shù)據(jù)包，不論是流式業(yè)務(wù)分站還是突發(fā)式業(yè)務(wù)分站，都有相同的時延長度T。
*忽略輪詢包的長度，即輪詢間隔等于數(shù)據(jù)包的長度T。
*設(shè)m、n分別表示突發(fā)式、流式業(yè)務(wù)分站的站數(shù)。
五、結(jié)論
本文綜述了可用于分布式測控系統(tǒng)中幾種多址協(xié)議。針對不同類型分站的數(shù)據(jù)實時傳輸要求，提出了Polld-CSMA多址協(xié)議。協(xié)議分析結(jié)果表明：Polled-CSMA協(xié)議簡單有效地解決了分布式測控系統(tǒng)中各分站具有多種業(yè)務(wù)要求下的數(shù)據(jù)傳輸問題，滿足了系統(tǒng)的實時性要求。此外，在應(yīng)用過程中，對于實際數(shù)據(jù)傳輸率較低的緩變信號還可以采用例外報告?zhèn)鬏敺椒�。因此，本文認(rèn)為在分布式測控系統(tǒng)中采用Polled-CSMA協(xié)議對各站進行實時訪問控制將比采用其他的多址協(xié)議更為有效。
摘自《數(shù)據(jù)通信》2002.1期
