分布式测控系统中的多址协议研究

侯云龙　于思源
　　摘要：为保证各类业务的QoS要求及信道的利用率，本文提出在分布式测控系统中采用Polled-CSMA协议。该协议以Polling方式处理实时性要求高的流式业务，以CSMA方式处理实时性要求不高的突发性业务。分析结果表明，该协议可以满足分布式测控系统中数据传输的QoS要求。

　　关键词：Polling CSMA MAC QoS

　　一、引言

　　分布式测控系统中，各个分站的数据传输要求是不同的。有些站监测是缓变信号（例如温度、湿度和压力等信号），数据量比较小传输实时性要求不高；而有些站监测的是快变信号（例如振动冲击信号等），数据量比较大实时性要求高。这就要求系统的多址协议能满足不同分站的QoS传输要求。根据分布式测控系统中各分站的业务的特点，本文将不同分站的业务分为两类，一类为实时性要求高业务量比较大的流式业务，另一类为实时性要求不高业务量比较小的突发性业务，这两类业务有不同的传输要求。为解决系统多业务传输问题，本文设计了基于轮询的CSMA协议（Polled-CSMA）。本文结构安排如下，首先对目前常用的几种分布式测控系统中的多址协议进行分析比较，对各种不同多址协议的优缺点进行了归纳。在此基础上，针对分布式测控系统的实际要求提出并详细描述Polled-CSMA协议。最后，对Polled-CSMA协议进行分析并给出结论。

　　二、各种媒体访问控制（MAC）协议比较

　　MAC协议可分为三类，为三类多址接下技术分别适应不同的通信业务，其中固定分配类和按需分配类适合诸如话音，视频信号等对实时性要求比较高的通信业务，而随机竞争类适合诸如文件传送等突发性数据传输业务。对一般局域网系统而言，MAC技术涉及到的一个主要问题是信道的利用率，即各站如何高效地复用公共信道，而对于数据传输的实时性问题很少考验。对分布式测控系统而言，MAC协议则需要重点考虑系统的实时传输问题，即如何控制各站访问信道的时机问题。

　　轮询（Polling）是分布式测控系统中最基本的一种方法。在轮询中，主站依照一定的顺序询问各个分站有无数据需要发送。如有数据，则被询问的分站就立即传送数据给主站；如无数据，则继续询问下一个分站，如此周而复始。轮询的特点是各分站可以分平地获取信道访问控制权，操作简单易于实现，在一般的实时分布式测控系统中获得了广泛应用。在多业务环境下，由于系统中各分站的数据传输要求差别比较大，实时性要求高的流式业务分站需要有更多的机会访问信道，而实时性要求不高的突发式业务分站要求访问信道的时候并不多。这时如果单纯使用轮询机制，会造成流式业务分站获得数据发送的机会比较少，而对于突发式业务分站获得数据发送的机会相对较多，显然，在这种情况下采用轮询机制的系统传输效率比较低下。

　　令牌总线技术（Token Ring）可以认为是对轮询技术的改进，采用这种技术时，总线中的任一站点都有一个编号，所有站点的逻辑序号连成一个逻辑环，最后一个逻辑序号连着第一个逻辑序号。在逻辑环中，令牌帧从低的逻辑序号站点依次传向高的逻辑序号站点。在令牌总线方式中，取得令牌的站点才可传送数据。令牌总线技术的信道利用率比轮询有所提高，但是增加了协议的复杂性。因此，从信道分配角度看，不论是令牌总线还是轮询的协议，都是采用固定带宽分配的方法，在多业务情况环境下，总是存在着信道利用不充分的问题。

　　随机分配信道技术也是分布式测控系统中一种常见的信道分配方式。该技术也称为随机部分方式，是指如果同时有多个站（包括主站）要发送数据，则采用竞争的方式夺取信道的使用权。典型的随机多址方式有ALOHA、CSMA/CD等技术。ALOHA协议工作方式为：当一站要发送时，该站不管信道是否忙碌，立即将数据发送出去。当发送站检测到自己发出的帧与其它站发出的帧碰撞后，则该发送站独立的延迟一定时间后，再把该帧发送出去。如果再发生碰撞，则重复以上过程直至帧发送成功。由于各站的发送有一定的盲目性，所以ALOHA协议的效率不高。

　　CSMA技术是对ALOHA技术的改进，在这种访问方式下，各分站首先侦听信道而不是盲目地直接发送。如果该站检测到信道空闲则发送数据；如果该站检测到信道处于忙碌状态，它就放弃此次发则后随机等待一段时间再进行发送。由于CSMA技术采用了“先听后讲”的技术，减少了数据发送的盲目性，因而CSMA协议的效率要比ALOHA高很多。然而，在CSMA方式中仍有可能发生数据传输碰撞，这是因为可能有其他网站也因检查到信道空闲而同时发送数据。此时可采用碰撞检测技术（CD）提高协议性能，这就是CSMA/CD技术。随机多址方式的特点是在各站业务量比较小、突发性比较高的情况下信道的利用效率比较高。但在分站的业务量比较大时，系统的性能下降很快，难以保证数据包的传输时延。因此，在多业务环境下，CSMA方式难以保证不同业务的时延要求。

　　三、Polled-CSMA协议

　　为了解决以上问题，本文提出新的访问控制协议：Polld-CSMA协议。该方案综合了轮询和CSMA的优点，较好地解决了多业务环境下的数据传输问题。协议表述如下：

　　（1）主站对实时性要求高的流式业务分站采用轮询方式进行循环访问。每隔一定的时段T，主站按顺序发送访问帧，逐个访问流式业务分站。当被访问的分站收到属于自己的访问帧时，如果有数据要传送则立即发送。

　　（2）对实时性要求不高的突发式业务分站采用CSMA方式访问信道。此类分站收到任意轮询访问帧后，先监听信道一段时间，如果在此段时间内未收到任何帧头，就立即转为发送状态，发送自己的数据帧。如果监听到其它站在发送数据，就等待下一次发送机会。这就是说只有在流式业务分站没有数据发送时，突发式业务分站才有机会传输数据。

　　由于突发式业务分站采用了CSMA协议方式，因此当突发业务分站总的业务量很小时，他们能以较大的概率访问共享信道。而流式业务分站由于采用轮询方式访问信道，他们的实时传输得到一定的保证。因此Polled-CSMA协议既能保证高效率的信道利用率，又能控制数据传输的最大时延。

　　四、协议分析

　　从上面的分析可以看出，Polled-CSMA协议实际上是根据各分站的业务类型来进行访问控制，即根据不同分站业务特点来分配信道访问控制权。下面对Polled-CSMA协议进行定量的分析。为分析方便，我们做了如下设定：

　　*分站独立发送数据包，突发式业务分站都以相同概率GB发送数据包，任一流式业务分站也以相同概率GR发送数据包，显然GB＜GR。

　　*分站发出的数据包，不论是流式业务分站还是突发式业务分站，都有相同的时延长度T。

　　*忽略轮询包的长度，即轮询间隔等于数据包的长度T。

　　*设m、n分别表示突发式、流式业务分站的站数。

　　五、结论

　　本文综述了可用于分布式测控系统中几种多址协议。针对不同类型分站的数据实时传输要求，提出了Polld-CSMA多址协议。协议分析结果表明：Polled-CSMA协议简单有效地解决了分布式测控系统中各分站具有多种业务要求下的数据传输问题，满足了系统的实时性要求。此外，在应用过程中，对于实际数据传输率较低的缓变信号还可以采用例外报告传输方法。因此，本文认为在分布式测控系统中采用Polled-CSMA协议对各站进行实时访问控制将比采用其他的多址协议更为有效。

摘自《数据通信》2002.1期