一种中心点征召方法及树簇型网络路由与组网方法

摘要

本发明涉及一种适用于集中式采集网络(即树簇型)的路由组网方法，其为基于无线或者低压电力线载波的集中式网络组网设计了一种有效而低开销的分布式组网方法。本发明提供了一种中心点征召方法。本发明的另一个技术方案是提供了一种采用上述的中心点征召方法的树簇型网络路由与组网方法。本发明的另一个技术方案是提供了一种采用上述的组网方法形成的网络进行设备中继转发的方法。本发明的另一个技术方案是提供了一种设备自入采用上述的组网方法形成的网络的方法。本发明的优点是为集中式采集网络提供一种无需预知设备网络角色以及设备Mac地址等信息并且支持自动中继转发的有效组网方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于集中式采集网络(即树簇型)的路由组网方法，其为 基于无线或者低压电力线载波的集中式网络组网设计了一种有效而低开销的分 布式组网方法。

背景技术

在如电表集中抄表系统的集中式采集网络的安装现场，各个设备点往往安装 分散而且位置无法模型化，现场情况复杂，往往需要多级中继。之前低效的方式 采用设备枚举的方式，即通过设计一些特定的约束条件，集中器逐一对端点设备 进行中继组网测试。这种方式由于需要一一枚举，需要耗费很大的时间，且维护 困难。而公开更高效的多个组网协议如Zigbee等，要么需要在组网时需要预先 确定设备的角色，如是路由器还是端点设备；要么需要昂贵的成本，如Lonwork 网络。

发明内容

本发明的目的是为集中式采集网络提供一种无需预知设备网络角色且低成 本的有效组网方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种中心点征召方法，其特 征在于，步骤为：

第一步、将任意一个设备节点授权为中心点，授予中心点征召权，其他未被 征召绑定的每个设备节点均为自由设备节点；

第二步、由中心点向自由设备节点发出不允许中继转发的征召广播帧，该征 召广播帧包含有当前中心点的MAC地址，中心点随即进入应召侦听状态，并开 启一个征召时间窗；

第三步、当处于接收侦听状态的自由设备节点接收到征召广播帧后，解析征 召广播帧获取中心点的MAC地址，随后向中心点反馈应召消息帧，该应召消息 帧包含当前自由设备节点的MAC地址；

第四步、若中心点在征召时间窗内接收到自由设备节点反馈的应召消息帧， 则提取当前应召消息帧中包含的自由设备节点的MAC地址，将该自由设备节点 的MAC地址存入应召登记表；若中心点在征召时间窗内未接收到自由设备节点 反馈的应召消息帧，则结束征召过程；

第五步、依据应召登记表中记录的各个MAC地址，将中心点与各MAC地 址对应的自由设备节点逐个绑定，每个与中心点成功绑定的自由设备节点为当前 中心点的一个成员，任意一个自由设备节点与中心点绑定的步骤为：

步骤5.1、由中心点为当前自由设备节点分配一个空闲的端口号，随后向当 前自由设备节点发起连接请求，连接请求包含当前自由设备节点被分配的端口号 及中心点的逻辑地址，中心点的逻辑地址包含中心点被分配的端口号；

步骤5.2、当前自由设备节点接收到连接请求后，提取中心点的逻辑地址及 当前自由设备节点被分配的端口号，组合成当前自由设备节点的逻辑地址，该逻 辑地址包含中心点被分配的端口号及当前自由设备节点被分配的端口号；

步骤5.3、由当前自由设备节点建立一条连接入口，其远端端口为当前自由 设备节点被分配的端口号，远端MAC地址为中心点的MAC地址，若连接入口 建立成功，则向中心点反馈请求成功响应，该请求成功响应包含当前自由设备节 点的逻辑地址，若连接入口建立失败，则向中心点反馈请求失败响应；

步骤5.4、若中心点在等待时间窗内接收到请求成功响应，提取当前自由设 备节点的逻辑地址，建立该逻辑地址与应召登记表中当前自由设备节点的MAC 地址的对应关系，则向当前自由设备节点发出激活确认反馈；若中心点未在等待 时间窗内接收到请求成功响应或接收到请求失败响应，则释放与当前自由设备节 点对应的端口；

步骤5.5、若当前自由设备节点在等待时间窗内收到激活确认反馈，则激活 连接入口，并将自己标记为已被征召绑定；若当前自由设备节点在等待时间窗内 未收到激活确认反馈，则释放连接资源。

优选地，在所述第一步中，为所述中心点分配预召名额N，该预召名额N 或为经验值，或为中心点的最大成员数和现有成员数的差与一次征召最大名额限 制的最小值；

在所述第四步中，中心点在征召时间窗内接收前N个自由设备节点反馈的 应召消息帧后结束征召过程。

本发明的另一个技术方案是提供了一种采用上述的中心点征召方法的树簇 型网络路由与组网方法，具有一个集中器及K级设备节点，集中器及各设备节 点的逻辑地址分为K+1段，其中，集中器的逻辑地址的第一段为集中器被分配 的端口号，剩余各段为固定值；各第一级设备节点的逻辑地址的第一段为集中器 被分配的端口号，第二段为集中器分配给各第一级设备节点的端口号；各第k级 设备节点中设备节点i的逻辑地址的第一段为集中器被分配的端口号，第二段为 集中器分配给与设备节点i对应的第一级设备节点的端口号，设备节点i的第i 段为与设备节点i对应的第j-1级设备节点分配给与设备节点i对应的第i级设备 节点的端口号，设备节点i的k+2段至第K+1段为固定值，K≥2，k＝2，3，…，K， j＝3，4，…，k+1，其特征在于，步骤为：

第一步、将任意一设备节点授权为集中器，授予集中器征召权，以集中器为 中心点，集中器利用上述的第二步至第五步征召绑定N1个自由设备节点，该 N1个自由设备节点为第一级设备节点，将N1个第一级设备节点的逻辑地址及 MAC地址一一对应地存储至由集中器维护的路由表；

第二步、自一个第一级设备节点起，由集中器依次授予各第一级设备节点征 召权，两个及两个以上第一级设备节点不能同时被授予征召权，当前第一级设备 节点被授予征召权后，利用上述的第二步至第五步征召绑定多个自由设备节点， 随后集中器收回对当前第一级设备节点的征召权，再由集中器对下一个第一级设 备节点授予征召权，直至各第一级设备节点均被授予征召权及完成与各自由设备 节点的征召绑定，被各第一级设备节点绑定的所有N2个自由设备节点为第二级 设备节点，将N2个第二级设备节点的逻辑地址及MAC地址一一对应地存储至 由集中器维护的路由表；

第三步、重复与第二步相同的步骤K-2次，建立K级设备节点并将完成相 邻两级间设备节点的征召绑定，且将各个设备节点的逻辑地址及MAC地址一一 对应地存储至由集中器维护的路由表。

本发明的另一个技术方案是提供了一种采用上述的组网方法形成的网络进 行设备中继转发的方法，其特征在于，步骤为：

转发的中继消息帧或中继响应帧至少包含目标地址及中继字节，其中，若为 中继消息帧，则中继字节自0开始每转发一次加1，若为中继响应帧，则中继字 节每转发一次减1，当前设备节点接收到中继消息帧或中继响应帧后，提取中继 消息帧或中继响应帧中的目标地址，将目标地址与当前设备节点的逻辑地址相比 较，若相等，则中继消息帧或中继响应帧到达目标设备，若不相等，则根据中继 字节及目标地址计算得到中继目标地址，将中继目标地址与当前设备节点的逻辑 地址相比较，若中继目标地址与当前设备节点的逻辑地址相等，则将中继字节加 1或减1并计算得到下一个转发地址后，对中继消息帧或中继响应帧重新校验后 转发至下一个设备节点，若中继目标地址与当前设备节点的逻辑地址不相等，则 结束中继转发。

本发明的另一个技术方案是提供了一种设备自入采用上述的组网方法形成 的网络的方法，其特征在于，步骤为：

第一步、待入网的设备向采用上述的组网方法形成的网络中的各设备节点发 出新设备入网请求广播，随后开始侦听等待；

第二步、当非末级设备节点的设备节点接收到新设备入网请求后，判断当前 设备节点的成员数是否达到阈值，若不是，则将当前设备节点做为中心点，将待 入网的设备做为当前自由设备节点，采用上述步骤5.1至所述步骤5.5将当前设 备节点与待入网的设备绑定，并将待入网的设备的逻辑地址与MAC地址一一对 应地存储至由集中器维护的路由表。

本发明针对集中式树簇网络现场的特点，保证了组网时设备是平等的且不需 要事先知道设备Mac地址，同时支持自动中继转发。本发明提供的方法采用分 级征召的方案，通过征召实现设备的平等化与入网设备信息的获取，通过授权实 现分级分布组网，通过逻辑地址分段事先中继自动转发。

本发明的优点是为集中式采集网络提供一种无需预知设备网络角色以及设 备Mac地址等信息并且支持自动中继转发的有效组网方法。

附图说明

图1是中心点征召流程；

图2是自由设备节点应召流程；

图3是中心点建立连接绑定流程；

图4是应召设备响应中心点绑定的流程；

图5是中心点组网流程；

图6是集中器路由组网流程；

图7是设备中继转发流程；

图8是设备自入网流程；

图9是网内设备处理入网请求流程；

图10是简化的本方法帧结构；

图11是一个简单的实例。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

在对本发明提供的方法做出详细说明前，先对本发明中会使用到的某些概念 做出如下说明：

1)逻辑端口(以下均称为端口号)

本发明的点对点连接都是建立在两个设备的逻辑端口上的，结合实际树簇型 网络，逻辑端口数设为一个字节(0～255)，其中0端口保留给父节点的本地端 口，255为广播端口，254为网络管理端口。

2)逻辑地址

采用本发明提供的方法组成的网络具有一个集中器及K级设备节点，集中 器及各设备节点的逻辑地址分为K+1段，其中，集中器的逻辑地址的第一段为 集中器被分配的端口号，剩余各段为固定值(在本实施例中，剩余各段用0填充)； 各第一级设备节点的逻辑地址的第一段为集中器被分配的端口号，第二段为集中 器分配给各第一级设备节点的端口号；各第k级设备节点中设备节点i的逻辑地 址的第一段为集中器被分配的端口号，第二段为集中器分配给与设备节点i对应 的第一级设备节点的端口号，设备节点i的第j段为与设备节点i对应的第j-1级 设备节点分配给与设备节点i对应的第j级设备节点的端口号，设备节点i的k+2 段至第K+1段为固定值(在本实施例中，设备节点i的k+2段至第K+1段用0 填充)，K≥2，k＝2，3，…，K，j＝3，4，…，k+1。

理论上，逻辑地址可以有无数段即可支持无数次中继转发，实际中采用4～ 6段足矣，本实施例中以4段为例。如某设备节点的逻辑地址为10.168.1.0，表 示该设备节点是端口号为10的集中器下，以端口号为168的设备节点为父设备 的，端口号为1的设备。且集中器与该设备节点通信需要1级中继转发。集中器 占用一个端口段的好处在于，可以让该方法的网络适应多集中器的场合。

3)帧结构

本发明中的帧结构如图10所示，其中帧类型包括普通消息帧、中继消息帧 与网络管理帧。网络管理帧包括征召广播帧、连接请求帧与对应响应帧等。除授 权帧外，管理帧的目标地址与源地址为Mac地址，其中广播帧目标地址使用广 播地址全0xFF。普通消息帧与中继消息帧的目标地址与源地址为逻辑地址。另 外只有中继消息帧具有中继字节域。

如图1至图4所示，本实施例公开的一种中心点征召方法，其步骤为：

第一步、将任意一个设备节点授权为中心点，授予中心点征召权，其他未被 征召绑定的每个设备节点均为自由设备节点。为中心点分配预召名额N，该预召 名额N或为经验值，或为中心点的最大成员数和现有成员数的差与一次征召最 大名额限制的最小值。

第二步、由中心点向自由设备节点发出不允许中继转发的征召广播帧，该征 召广播帧包含有当前中心点的MAC地址，中心点随即进入应召侦听状态，并开 启一个征召时间窗；

第三步、当处于接收侦听状态的自由设备节点接收到征召广播帧后，解析征 召广播帧获取中心点的MAC地址，随后向中心点反馈应召消息帧，该应召消息 帧包含当前自由设备节点的MAC地址；

第四步、若中心点在征召时间窗内接收到自由设备节点反馈的应召消息帧， 则提取当前应召消息帧中包含的自由设备节点的MAC地址，将该自由设备节点 的MAC地址存入应召登记表，直至在征召时间窗内接收前N个自由设备节点反 馈的应召消息帧后结束征召过程；若中心点在征召时间窗内未接收到自由设备节 点反馈的应召消息帧，则结束征召过程；

第五步、依据应召登记表中记录的各个MAC地址，将中心点与各MAC地 址对应的自由设备节点逐个绑定，每个与中心点成功绑定的自由设备节点为当前 中心点的一个成员，任意一个自由设备节点与中心点绑定的步骤为：

步骤5.1、由中心点为当前自由设备节点分配一个空闲的端口号，随后向当 前自由设备节点发起连接请求，连接请求包含当前自由设备节点被分配的端口号 及中心点的逻辑地址，中心点的逻辑地址包含中心点被分配的端口号；

步骤5.2、当前自由设备节点接收到连接请求后，提取中心点的逻辑地址及 当前自由设备节点被分配的端口号，组合成当前自由设备节点的逻辑地址，该逻 辑地址包含中心点被分配的端口号及当前自由设备节点被分配的端口号；

步骤5.3、由当前自由设备节点建立一条连接入口，其远端端口为当前自由 设备节点被分配的端口号，远端MAC地址为中心点的MAC地址，若连接入口 建立成功，则向中心点反馈请求成功响应，该请求成功响应包含当前自由设备节 点的逻辑地址，若连接入口建立失败，则向中心点反馈请求失败响应；

步骤5.4、若中心点在等待时间窗内接收到请求成功响应，提取当前自由设 备节点的逻辑地址，建立该逻辑地址与应召登记表中当前自由设备节点的MAC 地址的对应关系，则向当前自由设备节点发出激活确认反馈；若中心点未在等待 时间窗内接收到请求成功响应或接收到请求失败响应，则释放与当前自由设备节 点对应的端口；

步骤5.5、若当前自由设备节点在等待时间窗内收到激活确认反馈，则激活 连接入口，并将自己标记为已被征召绑定；若当前自由设备节点在等待时间窗内 未收到激活确认反馈，则释放连接资源。

如图5所示，采用上述的中心点征召方法进行中心点组网的方法为：

中心点一次征召与绑定受到设备资源的限制不能完成中心点所有成员组网， 因此如图5所示必须发起多次征召。通过限制一次征召的最大名额与发起多次征 召，可以减少本方法组网使用的硬件资源。

如图6所示，本实施例还公开了一种采用上述的中心点征召方法的树簇型网 络路由与组网方法，其步骤为：

第一步、将任意一设备节点授权为集中器，授予集中器征召权，以集中器为 中心点，集中器利用上述的中心点征召方法中的第二步至第五步征召绑定N1个 自由设备节点，该N1个自由设备节点为第一级设备节点，将N1个第一级设备 节点的逻辑地址及MAC地址一一对应地存储至由集中器维护的路由表；

第二步、自一个第一级设备节点起，由集中器依次授予各第一级设备节点征 召权，两个及两个以上第一级设备节点不能同时被授予征召权，先授权一级空闲 设备，依次是二级、三级设备等，直到完成所有设备的授权。当设备接到授权后 即开始征召，此时集中器需要等待设备归还授权或者等待授权期限到期(设备的 授权可以约定一个期限，到期后自动清除授权)。当前第一级设备节点被授予征 召权后，利用上述的中心点征召方法中的第二步至第五步征召绑定多个自由设备 节点，随后集中器收回对当前第一级设备节点的征召权，再由集中器对下一个第 一级设备节点授予征召权，直至各第一级设备节点均被授予征召权及完成与各自 由设备节点的征召绑定，被各第一级设备节点绑定的所有N2个自由设备节点为 第二级设备节点，将N2个第二级设备节点的逻辑地址及MAC地址一一对应地 存储至由集中器维护的路由表；

第三步、重复与第二步相同的步骤K-2次，建立K级设备节点并将完成相 邻两级间设备节点的征召绑定，且将各个设备节点的逻辑地址及MAC地址一一 对应地存储至由集中器维护的路由表。

结合图7，采用上述的组网方法形成的网络进行设备中继转发的方法，其步 骤为：

转发的中继消息帧或中继响应帧至少包含目标地址及中继字节，其中，若为 中继消息帧，则中继字节自0开始每转发一次加1，若为中继响应帧，则中继字 节每转发一次减1，当前设备节点接收到中继消息帧或中继响应帧后，提取中继 消息帧或中继响应帧中的目标地址，将目标地址与当前设备节点的逻辑地址相比 较，若相等，则中继消息帧或中继响应帧到达目标设备，若不相等，则根据中继 字节及目标地址计算得到中继目标地址，对于本实施例中的4段逻辑地址的情 况，帧中继目标地址计算方式如下：帧目标地址&(0xffffffff＜＜((3-中继字节)＜＜3))。 将中继目标地址与当前设备节点的逻辑地址相比较，若中继目标地址与当前设备 节点的逻辑地址相等，则将中继字节加1或减1并计算得到下一个转发地址后， 对中继消息帧或中继响应帧重新校验后转发至下一个设备节点，若中继目标地址 与当前设备节点的逻辑地址不相等，则结束中继转发。

当一个设备想加入通过上述组网方法形成的已有网络，则当设备在安装完毕 后，通过指令或者按键触发设备自入网流程，结合图8及图9，自入网步骤为：

第一步、待入网的设备向采用上述的组网方法形成的网络中的各设备节点发 出新设备入网请求广播，随后开始侦听等待；

第二步、当非末级设备节点的设备节点接收到新设备入网请求后，判断当前 设备节点的成员数是否达到阈值，若不是，则将当前设备节点做为中心点，将待 入网的设备做为当前自由设备节点，采用上述中心点征召方法中所述步骤5.1至 所述步骤5.5将当前设备节点与待入网的设备绑定，并将待入网的设备的逻辑地 址与MAC地址一一对应地存储至由集中器维护的路由表。

以下再以一简单实施来进一步说明本发明。

如图11，假设有一个集中器与ABC三个设备，则其组网过程为：首先以集 中器为中心点征召，A与B设备应召，A先应召，集中器的逻辑地址为1.0.0.0， 分配集中器本地端口1给A，2给B，则绑定A与B，其逻辑地址为1.1.0.0与 1.2.0.0；而后集中器先授权A征召，设备A接到授权后发出征召广播，此时只 有设备C还未被绑定，且C回应了A，则A分配空闲端口1给C，则C绑定后 的逻辑地址为1.1.1.0，A征召结束后发授权归还帧给集中器，集中器收到后授权 B，B发出征召但是没有回应结束征召，归还授权给集中器；集中器判断C是最 后的一级设备，开始授权二级设备C征召，C完成后因为没有三级设备，则所有 的授权结束。集中器根据集中器、A、B、C设备的征召结果，获知逻辑地址1.1.0.0、 1.2.0.0与1.1.1.0在此次组网中被增加绑定，集中器使用它们从对应设备中读取 Mac地址，建立对应的路由表。