CN110035468B - 高可靠高安全无线网络拓扑控制*** - Google Patents

高可靠高安全无线网络拓扑控制*** Download PDF

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Abstract

一种高可靠高安全无线网络拓扑控制***，包括控制器节点、若干普通节点以及后端工作站。普通节点通过广播数据包获取局部网络邻居节点信息，并根据控制器节点的请求将局部网络邻居节点信息反馈给控制器节点；控制器节点感知全网拓扑状态，生成全网拓扑连接状态图，形成全网传感节点路由表并下发到各普通节点；控制器节点通过以太网与后端工作站相连，实现前后端测试信息远距离通信与***间信息交互。本发明减少有线方式带来的铺设、测试等繁琐工作，无需架设网络基础设施即可完成快速、自动组网，将数控分离的思想引入到无线传感网络架构设计中，实现无线链路的自主控制，保证了传感数据传输过程的可追溯性，并降低了传感节点的功耗。

Description

高可靠高安全无线网络拓扑控制***
技术领域
本发明涉及一种高可靠高安全无线网络拓扑控制***，属于通信网络***设计领域。
背景技术
目前我国测控***较多采用传统的有线方式，可以通过工控机实现网络拓扑人工控制，但面临着电缆铺设、撤收、测试等工作较为繁琐等问题，增加了测试人力资源成本，降低了工作效率。并且随着智能终端大规模运用及发展，完全采用有线测试网络不仅使得网络拓扑日趋复杂，难以有效管理，大幅增加***的研制成本、使用成本和保障成本，而且一套有线网络固定的拓扑难以满足众多项目的应用需求。
无线传感网络架构日益兴起，如传统无线Mesh网络、无线Adhoc网络等，虽然得到了不同程度的应用，但在传输可靠性、安全性及数据追溯性等方面仍有待提高，如传统AP模式无线传感网络覆盖面积小，对于较远节点需要额外添加中继器，增加网络传输成本；而完全自组织的Adhoc网络使得传输过程不受控制，难以最优化网络拓扑，且对于较多节点数据传输，一旦发生数据丢包无法进行追溯。另外当节点增加或删减时，可能会引起整个网络状态的波动，对传输性能造成较大影响。这些都使得传统的无线传感网络较难适应某些对数据传输要求比较严格的场合。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种高可靠高安全无线网络拓扑控制***，减小有线方式带来的铺设、测试等繁琐工作，无需架设网络基础设施即可完成快速、自动组网，并实现无线链路的自主控制及手动配置，提高数据传输的安全性和可靠性，保证数据传输过程的可追溯性。
本发明的技术解决方案是：
高可靠高安全无线网络拓扑控制***，包括控制器节点、若干普通节点以及后端工作站；
普通节点通过广播数据包获取局部网络邻居节点信息，并根据控制器节点的请求将局部网络邻居节点信息反馈给控制器节点；
控制器节点感知全网拓扑状态，获取全网节点数量以及各节点间链路质量，生成全网拓扑连接状态图，并获得各个普通节点到控制器节点的最优化路由，形成全网传感节点路由表并下发到各普通节点；
控制器节点通过以太网与后端工作站相连，实现前后端测试信息远距离通信与***间信息交互。
普通节点通过邻居发现算法获取局部网络邻居节点信息，具体实现方法如下：
(2.1)第i个普通节点每隔时间t1向外无线广播一组邻居发现包b1_s，记录回复邻居确认包b1_r的邻居节点地址，每个邻居节点每回复一次，该邻居节点到第i个普通节点的链路质量加1；
(2.2)当广播邻居发现包b1_s总个数达到规定数N1时，b1_s包总数清零，第i个普通节点生成自身的邻居节点信息及对应的链路质量表，i＝1，2，……，n，n为普通节点总个数。
普通节点根据控制器节点的请求将局部网络邻居节点信息反馈给控制器节点的实现方式如下：
(3.1)当第i个普通节点接收到控制器节点发送的拓扑发现请求包t_s时，将自身邻居节点信息及对应的链路质量表发送给控制器节点，同时向各邻居节点转发控制器节点的t_s包；
(3.2)当第i个普通节点接收到其他普通节点转发的拓扑发现请求包t_s时，将自身邻居节点信息及对应的链路质量表通过该其他普通节点发送给控制器节点，同时第i个普通节点向自身各邻居节点转发控制器节点的拓扑发现请求包t_s包。
控制器节点感知全网拓扑状态的过程如下：
控制器节点通过邻居发现算法获取邻居节点信息，根据邻居节点信息和普通节点发送的局部网络邻居节点信息，感知全网拓扑状态，获取全网节点数量以及各节点间链路质量。
控制器节点通过邻居发现算法获取邻居节点信息的具体实现方法如下：
(5.1)控制器节点每隔时间t1向外无线广播一组邻居发现包b2_s，记录回复数据包的周围邻居节点地址，每个邻居节点每回复一次数据包，该邻居节点到控制器节点的链路质量加1；
(5.2)当广播邻居发现包b2_s总个数达到规定数N2时，返回初始状态，控制器节点生成自身的邻居节点信息及对应的链路质量表。
控制器节点形成全网传感节点路由表并下发到各普通节点的过程如下：
(6.1)控制器节点每隔时间t2向邻居节点发送拓扑发现请求包t_s，获取自身邻居节点信息及对应的链路质量表，同时通过普通节点之间的邻居转发，实现全网普通节点均收到控制器节点的t_s包，并回复给控制器节点自身邻居节点信息及对应的链路质量表，进入步骤(6.2)；
(6.2)控制器节点收集到所有普通节点返回的自身邻居节点信息及对应的链路质量表，整合成全网拓扑连接状态图，根据链路质量信息计算得到各普通节点到控制器节点的最佳路由途径，形成全网传感节点路由表，下发到各邻居节点，并通过节点转发逐跳下发到所有普通节点；
(6.3)判断控制器节点是否收到某个普通节点发送的拓扑修复请求包t_p，如果没有接收到，则返回步骤(6.11)，如果接收到，则进入步骤(6.4)；
(6.4)控制器节点重新感知全网拓扑状态，整合成全网拓扑连接状态图，形成全网传感节点路由表，下发到各邻居节点，并通过节点转发逐跳下发到所有普通节点，返回步骤(6.3)。
t2大于t1。
当某个普通节点增加、减少或损坏时，其邻居节点根据全网传感节点路由表向控制器节点发送拓扑修复请求包t_p。
控制器节点接收到普通节点发送的拓扑修复请求包t_p后，实时感知全网拓扑状态变化，更新全网传感节点路由表并再次下发至各普通节点，以快速恢复正常网络通信。
控制器节点能够实时显示全网拓扑结构图，并能够进行数据存储和信息管理，支持手动配置路由途径。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、面向未来快速可靠测控需求，本发明提出无线传感网络拓扑架构，避免有线电缆带来的铺设、测试等繁琐工作，无需架设网络基础设施即可完成快速、自动组网，且采用多跳模式保证处于较远方区域的节点仍能可靠传输信息，适应高危测试环境，减少人力资源。
2、本发明将数控分离的思想引入到无线传感网络架构设计中，研制出一种高可靠高安全无线网络拓扑控制***，将网络控制层与数据传输层分离，减少了重复拓扑搜索等问题，通过邻居发现与拓扑发现算法实现了控制端对全网拓扑状态的采集及无线路由途径的最优化控制，普通节点只需要按照控制器节点计算并下发的路由表进行传感数据的转发，无需其他额外工作，从而大大降低节点功耗；
3、本发明控制器节点具备自动计算生成最优化路由与手动配置路由两种模式，满足不同应用场合的需求，提高网络机动性与灵活性；
4、本发明具备网络自愈能力，在普通节点增减时控制器节点能够快速识别状态并更新全网路由表，快速恢复正常网络通信，实现网络的高抗毁和强自愈，提高了数据传输的安全性和可靠性；
5、本发明控制器节点能够实时查看及更改网络拓扑状态，实现对数据的准确追溯定位。
附图说明
图1为本发明***构成示意图；
图2为普通节点的工作流程示意图；
图3为控制器节点的工作流程示意图；
图4为控制器节点生成和下发全网传感节点路由表的过程示意图；
图5为普通节点接收与转发全网传感节点路由表的流程图；
图6为本发明网络节点拓扑显示示意图；
图7为本发明的应用实例示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提出了一种高可靠高安全无线网络拓扑控制***，包括若干普通终端节点(如传感器、摄像头、声音采集模块等各类传感设备)、一个控制器节点及后端工作站。普通节点运行邻居发现算法通过广播数据包获取局部网络邻居节点信息，控制器节点运行拓扑发现算法感知全网拓扑状态，获取全网节点数量、各节点间链路质量等信息，生成全网拓扑连接状态图，并计算出各个普通节点到控制器节点的最优化路由，形成全网传感节点路由表并下发到各普通节点。普通节点按照上述路由表通过无线将传感信息逐跳转发至控制器并进行存储。当节点增加、减少或损坏时，其邻居节点发现并主动上传消息到控制器节点，控制器及时获取网络拓扑状态变化后，更新全网传感节点路由表并再次下发至各普通节点，以快速恢复正常网络通信。控制器节点通过以太网与后端工作站相连，实现前后端测试信息远距离通信与***间信息交互。
普通节点的工作流程如图2所示。
普通节点通过邻居发现算法获取局部网络邻居节点信息，具体实现方法如下：
(1)第i个普通节点每隔时间t1向外无线广播一组邻居发现包b1_s，记录回复邻居确认包b1_r的邻居节点地址，每个邻居节点每回复一次，该邻居节点到第i个普通节点的链路质量加1；
(2)当广播邻居发现包b1_s总个数达到规定数N1时，b1_s包总数清零，第i个普通节点生成自身的邻居节点信息及对应的链路质量表。i＝1，2，……，n，n为普通节点总个数。N1为大于1的自然数。
普通节点根据控制器节点的请求将局部网络邻居节点信息反馈给控制器节点的实现方式如下：
(1)当第i个普通节点接收到控制器节点发送的拓扑发现请求包t_s时，将自身邻居节点信息及对应的链路质量表发送给控制器节点，同时向各邻居节点转发控制器节点的t_s包；
(2)当第i个普通节点接收到其他普通节点转发的拓扑发现请求包t_s时，将自身邻居节点信息及对应的链路质量表通过该其他普通节点发送给控制器节点，同时第i个普通节点向自身各邻居节点转发控制器节点的拓扑发现请求包t_s包。
图3为控制器节点的工作流程图。
控制器节点通过邻居发现算法获取邻居节点信息，根据邻居节点信息和普通节点发送的局部网络邻居节点信息，感知全网拓扑状态，获取全网节点数量以及各节点间链路质量。
控制器节点的邻居发现过程同普通节点一样，具体步骤如下：
(1)控制器节点每隔时间t1向外无线广播一组邻居发现包b2_s，记录回复数据包的周围邻居节点地址，每个邻居节点每回复一次数据包，该邻居节点到控制器节点的链路质量加1；
(2)当广播邻居发现包b2_s总个数达到规定数N2时，返回初始状态，控制器节点生成自身的邻居节点信息及对应的链路质量表。N2为大于1的自然数。
控制器节点在收到邻居节点的广播邻居发现包时，会回复相应的邻居确认包。
如图4所示，控制器节点生成和下发全网传感节点路由表的过程如下：
(1)控制器节点每隔时间t2向邻居节点发送拓扑发现请求包t_s，获取自身邻居节点信息及对应的链路质量表，同时通过普通节点之间的邻居转发，实现全网普通节点均收到控制器节点的t_s包，并回复给控制器节点自身邻居节点信息及对应的链路质量表，进入步骤(2)；
(2)控制器节点收集到所有普通节点返回的自身邻居节点信息及对应的链路质量表，整合成全网拓扑连接状态图，根据链路质量等信息计算得到各普通节点到控制器节点的最佳路由途径，形成全网传感节点路由表，下发到各邻居节点，并通过节点转发逐跳下发到所有普通节点；
(3)判断控制器节点是否收到普通节点发送的拓扑修复请求包t_p，如果没有接收到，则返回步骤(1)，如果接收到，则进入步骤(4)；
(4)控制器节点重新感知全网拓扑状态，整合成全网拓扑连接状态图，形成全网传感节点路由表，下发到各邻居节点，并通过节点转发逐跳下发到所有普通节点，返回步骤(3)。
普通节点接收到控制器节点或者邻居节点转发过来的全网传感节点路由表后，根据上述路由表修改各自的节点数据转发路由表，并转发全网传感节点路由表给其他邻居节点，以实现所有普通节点均接收到全网传感节点路由表。
当普通节点的邻居节点信息及对应的链路质量表发生变化时，向控制器节点发送拓扑修复请求包t_p。普通节点接收与转发全网传感节点路由表的流程图如图5所示。
本发明***首先建立网络拓扑路由关系，之后各个普通节点采集传感信息，按照之前建立的网络拓扑路由关系进行传感信息的传输，从而实现了将网络控制层和数据传输层进行分离的目的，减少了重复拓扑搜索等问题，通过邻居发现与拓扑发现算法实现了控制端对全网拓扑状态的采集及无线路由途径的最优化控制，普通节点只需要按照控制器节点计算并下发的路由表进行传感数据的转发，无需其他额外工作，从而大大降低节点功耗
本发明中，控制器节点具有网络管理***，实时显示全网拓扑结构图，并能够进行数据存储、信息管理等，对数据的传输过程进行准确追溯与定位，且针对不同需求可以对网络拓扑控制算法进行适应性的更改，提高了***通用性。同时本发明控制器节点可以手动配置路由途径(自定义路由)，提高网络的机动性和灵活性。
本发明可实现一种架构同时适应多个项目的应用需求，对快速测控具有重要的应用价值和长远意义。
图6为某网络节点拓扑显示示意图。
图7为本发明的应用实例示意图，火箭每一个或两个发射塔架上布置一个局部无线网络拓扑控制***，每个***包括一个控制器节点和三个普通节点，普通节点为摄像头、无线传感器、极性测试仪或音频采集设备，每个局部无线网络拓扑控制***首先按照本发明的方式建立网络拓扑路由关系，然后各个普通节点采集相应数据，通过相应的控制器节点发送给数据服务器，再经数据服务器转发给监控工作站，实现对火箭测试过程中各种传感信息的采集、处理和监控。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (7)

1.高可靠高安全无线网络拓扑控制***，其特征在于：包括控制器节点、若干普通节点以及后端工作站；
普通节点通过广播数据包获取局部网络邻居节点信息，并根据控制器节点的请求将局部网络邻居节点信息反馈给控制器节点；
控制器节点感知全网拓扑状态，获取全网节点数量以及各节点间链路质量，生成全网拓扑连接状态图，并获得各个普通节点到控制器节点的最优化路由，形成全网传感节点路由表并下发到各普通节点；
控制器节点通过以太网与后端工作站相连，实现前后端测试信息远距离通信与***间信息交互；
控制器节点感知全网拓扑状态的过程如下：
控制器节点通过邻居发现算法获取邻居节点信息，根据邻居节点信息和普通节点发送的局部网络邻居节点信息，感知全网拓扑状态，获取全网节点数量以及各节点间链路质量；
控制器节点通过邻居发现算法获取邻居节点信息的具体实现方法如下：
(5.1)控制器节点每隔时间t1向外无线广播一组邻居发现包b2_s，记录回复数据包的周围邻居节点地址，每个邻居节点每回复一次数据包，该邻居节点到控制器节点的链路质量加1；
(5.2)当广播邻居发现包b2_s总个数达到规定数N2时，返回初始状态，控制器节点生成自身的邻居节点信息及对应的链路质量表；
控制器节点形成全网传感节点路由表并下发到各普通节点的过程如下：
(6.1)控制器节点每隔时间t2向邻居节点发送拓扑发现请求包t_s，获取自身邻居节点信息及对应的链路质量表，同时通过普通节点之间的邻居转发，实现全网普通节点均收到控制器节点的t_s包，并回复给控制器节点自身邻居节点信息及对应的链路质量表，进入步骤(6.2)；
(6.2)控制器节点收集到所有普通节点返回的自身邻居节点信息及对应的链路质量表，整合成全网拓扑连接状态图，根据链路质量信息计算得到各普通节点到控制器节点的最佳路由途径，形成全网传感节点路由表，下发到各邻居节点，并通过节点转发逐跳下发到所有普通节点；
(6.3)判断控制器节点是否收到某个普通节点发送的拓扑修复请求包t_p，如果没有接收到，则返回步骤(6.11)，如果接收到，则进入步骤(6.4)；
(6.4)控制器节点重新感知全网拓扑状态，整合成全网拓扑连接状态图，形成全网传感节点路由表，下发到各邻居节点，并通过节点转发逐跳下发到所有普通节点，返回步骤(6.3)。
2.根据权利要求1所述的高可靠高安全无线网络拓扑控制***，其特征在于：普通节点通过邻居发现算法获取局部网络邻居节点信息，具体实现方法如下：
(2.1)第i个普通节点每隔时间t1向外无线广播一组邻居发现包b1_s，记录回复邻居确认包b1_r的邻居节点地址，每个邻居节点每回复一次，该邻居节点到第i个普通节点的链路质量加1；
(2.2)当广播邻居发现包b1_s总个数达到规定数N1时，b1_s包总数清零，第i个普通节点生成自身的邻居节点信息及对应的链路质量表，i＝1，2，……，n，n为普通节点总个数。
3.根据权利要求2所述的高可靠高安全无线网络拓扑控制***，其特征在于：普通节点根据控制器节点的请求将局部网络邻居节点信息反馈给控制器节点的实现方式如下：
(3.1)当第i个普通节点接收到控制器节点发送的拓扑发现请求包t_s时，将自身邻居节点信息及对应的链路质量表发送给控制器节点，同时向各邻居节点转发控制器节点的t_s包；
(3.2)当第i个普通节点接收到其他普通节点转发的拓扑发现请求包t_s时，将自身邻居节点信息及对应的链路质量表通过该其他普通节点发送给控制器节点，同时第i个普通节点向自身各邻居节点转发控制器节点的拓扑发现请求包t_s包。
4.根据权利要求1所述的高可靠高安全无线网络拓扑控制***，其特征在于：t2大于t1。
5.根据权利要求1所述的高可靠高安全无线网络拓扑控制***，其特征在于：当某个普通节点增加、减少或损坏时，其邻居节点根据全网传感节点路由表向控制器节点发送拓扑修复请求包t_p。
6.根据权利要求5所述的高可靠高安全无线网络拓扑控制***，其特征在于：控制器节点接收到普通节点发送的拓扑修复请求包t_p后，实时感知全网拓扑状态变化，更新全网传感节点路由表并再次下发至各普通节点，以快速恢复正常网络通信。
7.根据权利要求1所述的高可靠高安全无线网络拓扑控制***，其特征在于：控制器节点能够实时显示全网拓扑结构图，并能够进行数据存储和信息管理，支持手动配置路由途径。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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CB03 Change of inventor or designer information
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Inventor after: Xu Wenxiao

Inventor after: Yang Nan

Inventor after: Yue Xiaofei

Inventor after: Huang Chen

Inventor after: Li Hong

Inventor after: Zhang Hongde

Inventor after: Liu Qiaozhen

Inventor after: Yue Wei

Inventor after: Yue Mengyun

Inventor after: Li Mao

Inventor after: Xu Chen

Inventor before: Xu Wenxiao

Inventor before: Yue Xiaofei

Inventor before: Huang Chen

Inventor before: Zhang Hongde

Inventor before: Liu Qiaozhen

Inventor before: Yue Wei

Inventor before: Yue Mengyun

Inventor before: Li Mao

Inventor before: Xu Chen

Inventor before: Yang Nan