基于OPNET的改進型CSMA/CD設計建模

林國彪

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

本文為了解決隱接收終端的問題，改進CSMA/CD協議，采用兩個信道的方式解決隱接收終端的問題，并應用OPNET Modeler計算機建模仿真，分析其性能。根據OPNET仿真軟件特點，仿真模型需要建立網絡模型、節點模型以及進程模型。網絡模型是指通信節點組成的通信網絡，節點模型是指通信節點本身的通信協議建模，進程模型是指具體的改進CSMA/CD接入協議流程。

1 網絡模型

改進型CSMA/CD接入仿真系統的網絡模型根據實際網絡構建，設計一個背景網絡拓撲為空的場景，網絡范圍（平原模型）的大小為2 km×2 km。如圖1所示，業務建模采用OPNET自有的模型，應用定義組件和配置定義組件來配置仿真過程中的業務類型，如視頻、網頁以及話音等業務[1]。本文采用UDP的單向業務進行測試，移動配置組件用來配置節點在網絡范圍內移動，接收范圍配置組件用來配置節點信號發射的距離，實現8個節點的網絡模型。

圖1 網絡模型

2 節點模型

節點模型代表實際的設備，由若干的模塊組成。本方案中根據OSI架構簡化協議，選擇了應用層模塊、UDP層模塊、IP層模塊、自定義的MAC層模塊以及收發信機模塊[2]。其中，應用層模塊完成報文的產生及端到端報文的統計任務，UDP層模塊完成大報文的拆分和端到端的重傳任務，IP層模塊完成尋路任務，MAC層模塊完成信道接入任務，承載改進型CSMA/CD接入協議，發射機和接收機完成數據發送和接收任務。模塊和模塊之間通過包流或狀態線相連，通過數據流進行通信。

在本方案中自定義改進型CSMA/CD接入協議模塊，建鏈信息和業務信息在一個信道上，建鏈確認回復信息和數據確認回復信息在另外一個信道，當信道中有業務傳輸時，節點準備建立鏈路發送數據，可以在建鏈信道上回復信道忙，防止節點一直發送建鏈信息。例如，A→B→C→D組成3跳網絡，當B節點與C節點通信時，D節點無法收到B節點的信息，如果D節點準備發送業務，首先要建立鏈路。改進型CSMA/CD接入機制的通信信道和建鏈信道有兩個，當B節點與C節點通信時，D節點發送建鏈信息，C節點通過建鏈信道回復是否可以建鏈以及信道是否空閑，避免D節點一直發送建鏈信息，通過兩個信道解決隱接收終端的問題。

信道檢測的規則為當一個節點檢測到信道空閑時，先退避n跳，退避過程中持續檢測信道，如果檢測到信道忙，則退出退避狀態，繼續檢測信道狀態[3-5]。如果退避n跳結束后仍檢測信道為空閑狀態，則準備發送數據。報文發送數據期間的時頻圖如圖2所示。

圖2 發送數據時頻圖

圖2中，F0為發送建鏈頻率和業務頻率，F1為回復建鏈頻率和數據確認回復頻率。第0個時隙內檢測到信道空閑后，第1個時隙在F0上發送建鏈呼叫信息，然后在第2個時隙切換到F1信道。在F1頻率上等待接收建鏈呼叫確認信息，收到該信息后，在第3個時隙切換到F0頻率開始傳輸數據。傳輸數據需要N個時隙，它與參數“Max Send Slots”和數據所在子隊列的長度以及此時的數據傳輸速率有關。傳輸數據完成后，第N+3個時隙在F1頻率信道上等待接收數據確認信息，第N+4個時隙為一個空閑時隙。至此，本次數據傳輸周期結束，并在第N+5個時隙重新切換到建鏈信道上繼續信道的探測[6]。

退避階段，退避時間與退避窗口、鄰居節點數、退避系數以及數據優先級有關，對于時隙CSMA，退避窗口的最小基本單位是時隙，退避窗口CW是時隙的整數倍。當有業務時，每個接入時隙均監聽信道是否空閑，若空閑則首次啟動退避，退避時間為BT(i)，退避完成后在下個業務時隙發業務RTS，若信道忙，則在下個時隙繼續監聽。退避時間算法為：

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

退避狀態下，完成一次退避BT(i)值減1，退避結束馬上發建鏈信息，成功完成一次包傳輸，退避系數Coef和退避窗口均置為初始值（Coef(0)=1，CW(0)=1），若發生碰撞（沒有收到回復）則啟動下次退避，退避系數Coef(i+1)=Coef(i)×1.2，若持續碰撞，退避次數達到最大退避時間Mt，放棄該包業務。發起方沒有收到建鏈信息回復，認為業務失敗，啟動退避，發起方沒有收到數據確認回復，啟動重傳，重新監聽。

3 進程模型

本方案中，改進型CSMA/CD進程模塊用于描述協議和分布式的算法，用圖形的方式描述狀態機。進程模塊通過事件的方式進行驅動，當進程模塊遭遇到某個事件時，模塊中的進程就應該根據事件和當時的運行狀態做出相應的響應。事件的行為是由中斷類型和中斷優先級等信息描述，下面介紹改進型CSMA/CD進程模塊的事件響應和狀態機[7-9]。

3.1 事件響應

改進型CSMA/CD進程模塊需要處理的事件由IP模塊的流中斷、來自接收信道機的流中斷以及新時隙開始的定時器中斷組成，具體的事件響應列表如表1所示。

表1 改進型CSMA/CD進程模塊事件響應列表

3.2 狀態機

改進型CSMA/CD模塊使用的進程狀態機如圖3所示。其中，在初始化狀態初始化變量，注冊統計量，在等待狀態等待數據時隙的到來，然后檢測此時信道是否空閑，如果信道閑，則進入退避狀態進行退避，退避完成后，發送方發送呼叫建鏈包，切頻處于接收建鏈回復狀態，如果時隙到達沒有收到建鏈回復，則返回到等待狀態。接收方收到建鏈信息后，切頻處于發送建鏈回復狀態，發送方收到建鏈回復信息后，切頻發送數據，接收方接收數據。發送方數據發送完成后，等待數據確認回復信息。數據確認到來后，下一個時隙空閑一個時隙，然后重新回到等待狀態，本次數據傳輸結束[10]。

圖3 改進型CSMA/CD模塊使用的進程狀態機

4 仿真結果

仿真網絡為8個節點，且節點在移動過程中通信，網絡范圍為2 km×2 km，通信半徑為500 m，每個節點都發數據。仿真對象為CSMA/CD協議和改進型CSMA/CD協議，對兩種通信協議進行網絡吞吐量進行仿真，仿真結果如圖4所示。

圖4 8個節點場景平均吞吐量對比

由圖4可以看出，改進型CSMA/CD在8個節點的網絡規模下，平均吞吐量要高于CSMA/CD協議，這是因為CSMA/CD協議在節點多的情況下，有些發送數據的節點無法判斷信道是否空閑，一直發數據導致信道利用率下降，平均吞吐量減少。

5 結 論

本文根據CSMA/CD協議隱接收終端的問題，提出兩個信道的改進CSMA/CD協議，對協議的進行了詳細介紹，并采用了OPNET Modeler層次化的建模機制，分別從網絡模型、節點模型和進程模型分析了建模過程，最后通過仿真對比了CSMA/CD協議和改進型CSMA/CD協議的性能，改進后的CSMA/CD協議在規避隱接收終端的情況下，網絡平均吞吐量變大。