CN101379780B - 用于数据通信的网络体系结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于在数据源和数据目的地之间、通过网络节点和至少一个数据集中器的数据通信的网络体系结构。根据本发明，节点(2，4)被设计为或通过多跳模式中的永久运行的网络(8)，或通过与处于游牧模式的、与移动用户节点(6)无线连接的不定期运行的网络(5)，与数据集中器(1)双向通信。提供转换方法以检测故障多跳式节点并改为激活游牧式节点，直到故障消失，以便保持网络的总体功能。另外，根据本发明的网络允许与其他移动用户共享由移动用户收集的数据，从而形成对等网络。
Description
技术领域
本发明涉及适于使多数据源和数据接收器互连的数据通信网络。
背景技术
对在某一区域移动并配备有在计算和记忆方面高性能的、且能够收集、处理及共享通过大量的设置在户外环境中的低成本传感器收集到的环境数据的移动用户的机会(opportunistic)利用目前在情境式自主通信(Situated Autonomic Communication)的研究领域得到了高度的注意。已认识到，这样的游牧(nomadic)方式具有为了私人用户和公共用户两者的利益而为位置/环境感知应用和服务的大规模部署的引入创造条件的潜力。而且这样的通信范例(paradigm)解决了公知的基于多跳路由体系结构固有的可测量性(scalability)和成本问题。
本申请人的欧洲专利申请EP 05001930.6和EP 05008909.3目标定位在能够解决这些挑战的新颖的方法。自然与社会展示了***的许多例子，在这些***中，众多的人口能够达到有效的平衡并发展有效的协作和生存战略，能够在没有中心控制的情况下工作并能够利用局部相互作用。本发明旨在提供全集成网络和服务环境，该环境适用于大量不同种类的设备并能够以自主的方式适应与发展。
上面引用的欧洲专利的主题克服了设备的异质性并通过自主且本地的对等通信范例，实现了可测量性。这些主题发展，以适应周围的环境，就像生命有机体通过自然选择进化一样。网络运行由服务驱动，在需要时以及在需要的地点提供点到点(ad hoc)支持以满足用户的要求。安全问题被认为是服务本身的基本职责，代表实现目的性的自主***的关键因素。网络仅仅变成了服务的附属物，服务反过来变成其所服务的用户的社会网络的镜像。这种以人为中心的范例打破了服务提供者和用户间的障碍，并为自发服务的“迅速增长”创造了良机，因而为服务和以用户为中心的信息与区域(Community)技术革命创造了条件。
发明内容
本发明旨在解决源于关于普遍深入的计算与通信环境，即大量的联网嵌入式设备的新兴趋势的问题。这样的设备具有感觉/识别的能力，使得对于位于用户的服务来说，有可能与周围环境直接通过接口连接，伴随引入完全新颖的服务的可能性，能够增强五感(five sense)，并且提高人们的通信与工具处理能力。
嵌入式的设备必须具有计算与(基本的)通信能力，具有形成巨大的、量级大于当前互联网的联网***的潜力。
这种环境的复杂性并非远不及生物有机体、生态***以及社会经济区域的复杂性。
因为传统的通信方式未能处理几个新的特征：节点能力与服务要求的广泛的异质性、大量的具有继起的可测量性问题的节点、可能高的节点移动性以及管理复杂性，这种情况下，传统的通信方式是低效的。
根据本发明的网络体系结构解决了上面提及的问题，并提供了一种基于在关于多跳路由的现有技术水平与本发明人的上面提及的早先的欧洲申请的主体内容之间的折衷的结构，下文称为游牧方式。
根据本发明，用于通过网络节点和至少一个数据集中器在数据源和数据目的地之间数据通信的网络体系结构的特征在于：节点被设计为或者在多跳模式中通过永久运行的网络与数据集中器双向通信，或者在游牧模式中通过与移动用户节点无线连接的不定期运行的网络与数据集中器双向通信，网络体系结构的特征还在于提供了转换(commutation)的方法(means)，以检测故障多跳式节点并改为激活游牧式节点直到故障消失，以便保持网络的总体功能。
对于根据本发明的网络的细节和变体，可参考随附的权利要求。
附图说明
本发明将在下文中参考附图描述。
图1示意性地显示了根据本发明的网络。
图2示意性地显示了在数据集中器1和最初处于游牧模式的两个节点2、4之间的相互通信。
图3示意性地显示了数据集中器1和用于服务移动用户6的处于游牧模式或多跳模式的节点之间的相互通信。
图4示意性地显示了如果出现故障节点，在数据集中器1和多跳式节点之间的相互通信。
具体实施方式
现参考图1，网络作为收发器设备和处于多跳模式的节点2的无线的、永久地连接的簇(cluster)组织在数据集中器1周围，与数据源3(或多个数据源)相关联，其中信息按照多跳方式在所述节点间向着数据集中器1移动。除了这样的簇外，未连接到所述簇的一定数量的节点4也是可用的。这样的节点彼此独立地运行并通过不定期连接的网络扩展5，以轮询的方式将这些节点的信息提供给所经过的移动用户6。移动用户6的设备在获得所述数据后承载这些数据，直到用户接近数据集中器1为止。进一步可能的是，用户可能在用户自己间(每当它们沿着行进路径遇到移动用户时)通过对等通信，共享收集到的数据。
由任何数据集中器(只显示了一个集中器1)收集到的所有的数据，以它们被收集时的原始的或修改的形式，在初步的处理(elaboration)后，将被转发到在其中分析这些收集到的数据的操作中心7中。
取决于环境的类型，数据将在操作中心被感知(perceive)，且足够的特定事件(case-specific)程序将最终被启动。
根据本发明的网络基于在集成体系结构中合并的两个不同的网络：在多跳模式中，节点2发现通过其他节点(图1中未显示)经由永久运行网络8而到达数据集中器1的无线路径。例如数据聚合的技术或特定的体系结构可以用来最优化发送的信息的数量(因此减少节点的功耗)。网络8的启动由数据集中器管理，安排节点的任务(主要地从环境收集数据)。
在游牧模式中，不用与其他节点通信，数据由节点4独立地收集。当移动用户6距节点足够近时，此节点通过不定期连接的网络扩展5将所有收集到的数据发送给用户6。移动用户6随即在可能有其他移动用户的区域内移动：如果用户6遇到其他移动用户中的一个用户，“在运行中(on thefly)”用户6共享所有收集到的数据。每当移动用户6到达数据集中器时，用户6将其在行进时收集到的所有数据转发给数据集中器。
根据本发明的网络体系结构如图1中所显示的，主要由四种不同种类的设备组成。根据UML标准，这些设备的各自的链接表示如下：
-以箭头形三角形终止的线条(见静态网络节点11)表示节点间的继承关系或分级的从属关系(dependency)。
-以白色菱形终止的线条表示聚合关系。被此菱形连接的两个对象逻辑上聚集在一起。
-以黑色菱形终止的线条表示组合关系：接近此菱形的对象的每个实例包括一定数量的指向对象(pointing object)的实例。
-包括正方形的符号(例如在节点4和节点6之间)表示物理接口(接口之一标有参考数字9)。以这种方式链接的对象可单向地通信，通信方向由线条末端的箭头规定。
-沿着某些链接线条的记法“1”，“..N”和“0..1”规定与对象配合的实例的数量，即与正好一个、至少一个或至多一个实例配合。
现将描述根据本发明的网络的必要元素(element)：
节点2和4每个具有至少一台收发器、适当的计算机性能、存储器以及至少一个起数据源作用的组件。这些节点或者以多跳模式运行或者以游牧模式运行。两种节点都衍生自旨在与至少一个数据源3以及一个或更多短程收发器配合的概念上的静态网络节点。
移动用户节点6安装在移动单元上，所述移动单元穿过体系结构部署的区域而移动。移动用户节点6可从节点收集数据，与其他移动用户共享这些数据，然后将数据转发到在移动用户节点6移动过程中遇到的第一个数据集中器。
数据集中器1能够通过接口(图1中的黑色双箭头)与形成网络的所有其他类型的设备通信。数据集中器1组织与这些设备的通信并作为活动(active)的元素参与其中。
操作中心7是由移动用户收集的所有信息的最终目的地。操作中心7将其查询(query)发送到数据集中器1并能处理操作中心7本身接收的来自数据集中器的作为回答的大量数据。
最后，预知短程收发器10和长程收发器12用于在网络内传输数据。
具有收集并共享数据的移动用户的移动性的传统网络基础设施的部分替换，为保证连通性的技术挑战提供了解决方案。
对每个节点来说游牧模式是默认的模式，但如果最初由数据集中器1发送的消息到达处于游牧模式的节点(直接地或间接地)，则该节点转换成多跳模式，自组织来加入所述数据集中器的簇，并包括邻近于该节点的、还未转换的其它可能的(eventual)节点。
如果网络中的故障使得数据集中器1不再能被某一处于多跳模式的节点到达，则此节点转换成游牧模式。所以如果适当数量的移动用户6提供所有节点的覆盖，那么数据收集在每个活动的节点中可能较缓慢但顺利地进行，且数据的丢失限于无效的(fallen)或出故障的节点。
图2显示了数据集中器1和两个节点2和4之间的数据流。在初始化阶段(未显示)后，两个节点都处于游牧模式。数据集中器1周期性地发送查询消息。接收这样消息的处于游牧模式的节点，转换到多跳模式并随即转发此接收到的消息。
如果节点在给定的延迟(“超时”T.O.)内没有接收到转发的查询的确认(见节点4)，则此节点将回答消息发送到查询消息来自的节点。如果节点接收到回答消息，则此节点将此消息合并到其收集的数据中，并将其发送到发送查询消息的节点(或到数据集中器，视情况而定)。
图3显示了数据集中器1、处于多跳模式的节点2、两个处于游牧模式的节点4和4′，以及移动用户6之间的数据流。每个用户周期性地发送轮询消息。如果处于游牧模式的节点接收到该轮询消息，则此节点将其收集到的数据传输给用户。在此实施例中，此过程在用户和节点4′之间时刻Tx以及在用户和节点4之间时刻Ty发生。
如果由用户发送的轮询消息被多跳模式中的节点2接收，则此消息将被该节点忽略。这里，此过程在时刻Tz发生。
最后，如果由用户发出的轮询消息由数据集中器接收，则数据集中器以数据转储(dump)请求消息进行回复，这样便用信号通知了用户数据集中器的存在。因此，用户将自从用户遇到之前的数据集中器以来，用户聚集的所有收集到的信息发送给数据集中器。
图4适用于出故障的处于多跳模式的节点2′情况的数据转移：因为出故障的节点2′，在节点2″(处于多跳模式)和与节点2″相关的数据集中器之间的通信中止。因此，因为节点2″在给定的时间间隔(T.O.)内没有接收任何查询消息，因此节点2″本身转换为游牧模式并等待用户6，以便用户6在时刻Tx收集信息并在时刻Ty将信息传递到数据集中器(不一定是与节点相联系的数据集中器，而是用户首先接近的数据集中器)。
在失去与数据集中器的连接后转换成游牧模式的节点，如基于图3所描述的，在查询消息到达时，该节点可再次转换成多跳模式。
单一的移动用户6从低成本的传感器收集数据，在用户移动期间传送这些数据并与移动用户所处地区的区域交换/共享这些数据。移动用户可从集中器1收集数据，将他们的周围环境的知识(knowledge)与由多跳子网络收集的知识合并。作为对收集、传送和共享信息的帮助的补偿，移动用户不断地接收更新的信息，所述更新的信息涉及比用户仅单独起作用能获得的范围更广阔的地域服务覆盖。同时，本地管理员或第三方可从此服务的存在获得优势，以便改进现有的公共/私人服务或向居民提供新型的服务。
根据本发明的网络的优于现有技术水平的进一步优势在于，所述网络利用移动用户传播数据的能力，来帮助消除永久连接的网络分割(出故障的节点的后果)的问题。
Claims (5)
1.用于通过网络节点和至少一个数据集中器在数据源和数据目的地之间数据通信的网络，所述数据集中器配置为与所述用于数据通信的网络的所有设备通信，所述数据集中器作为活动的元素组织其间的通信，其中所述节点配置为或者在多跳模式中通过永久运行的网络与数据集中器双向通信，或者在游牧模式中通过与在网络区域中移动的移动用户节点无线连接的不定期运行的网络与数据集中器双向通信，且其中提供用于从故障的多跳式节点转换为游牧模式节点的方法以检测故障的多跳式节点，并将该故障的多跳式节点激活为游牧式节点直到故障消失为止，以便保持所述用于数据通信的网络的总体功能。
2.如权利要求1所述的网络，其特征在于用于从故障的多跳式节点转换为游牧模式节点的所述方法是基于通过所述永久运行的网络周期性传输的且通过所述永久运行的网络接收回的查询信号，一旦周期性的所述查询信号不再被网络节点检测到，就实现该网络节点从所述多跳模式到所述游牧模式的转换。
3.如前述权利要求中任一项所述的网络，其特征在于所述移动用户节点配置为存储从处于所述游牧模式的节点接收的数据，并将这些数据转发到在所述移动用户节点移动过程中遇到的第一个数据集中器。
4.如权利要求1-2中任一项所述的网络，其特征在于移动用户节点配置为与处于通信范围内的其他用户节点共享所收集到的数据，从而形成对等的网络。
5.如权利要求3所述的网络，其特征在于移动用户节点配置为与处于通信范围内的其他用户节点共享所收集到的数据，从而形成对等的网络。
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