面向物联泛在接入网关的异构网络接入及转换方法、网关

摘要

本发明涉及一种面向物联泛在接入网关的异构网络接入及转换方法、网关，其中，方法包括：接收网络数据，并在所述网络数据的消息有效字段前增加一可变帧头，并根据所述可变帧头判断所述网络数据的有效性；在所述网络数据有效时，根据所述可变帧头对所述网络数据进行有效字段提取；将提取出的有效字段采用网关协议数据格式进行表示实现异构网络下的数据融合，提取虚拟地址进行网络寻址，通过地址映射表完成网关协议的转换；向目标设备交付协议转换后的网络数据。本发明实现了物联网网关中的多接口、多协议转换功能。

说明书

技术领域

本发明涉及物联网通信技术领域，特别是涉及一种面向物联泛在接入网关的异构网络接入及转换方法、网关。

背景技术

随着接入设备数量和种类的增加，物联网的配网过程具有较高的灵活性，通常需要根据不同的功能需求选择不同的通信方式，因此传感网络与基础网络之间的不同协议标准的协商和互通是物联网网关面临的一个重要问题。

由于这种接入设备及通信方式具有多样性的技术特点，如何处理异构对象所带来的网络标准问题和数据整合问题是物联网网关所需要解决的关键问题。全局的互通性往往依赖于标准的一致性，由于物联网的应用对象涵盖面较广，场景的功能需求不尽相同，可以说，物联网在多个层级都体现出复杂的异构性，故此制定统一标准的难度较大，无法在协议标准的层面解决异构问题。因此，实现一种具有良好兼容性和拓展性的物联网网关系统成为了当前亟需解决的关键问题和技术难点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种面向物联泛在接入网关的异构网络接入及转换方法、网关，实现了物联网网关中的多接口、多协议转换功能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种面向物联泛在接入网关的异构网络接入及转换方法，包括以下步骤：

(1)接收网络数据，并在所述网络数据的消息有效字段前增加一可变帧头，并根据所述可变帧头判断所述网络数据的有效性；

(2)在所述网络数据有效时，根据所述可变帧头对所述网络数据进行有效字段提取；

(3)将提取出的有效字段采用网关协议数据格式进行表示实现异构网络下的数据融合，提取虚拟地址进行网络寻址，通过地址映射表完成网关协议的转换；

(4)向目标设备交付协议转换后的网络数据。

所述可变帧头包括：消息长度字段，用于表示所述网络数据的报文的总长度；终端类型字段，用于表示所述网络数据的来源类型；接口类型字段，用于表示所述网络数据的发送端与网关系统的连接方式。

所述可变帧头还包括：接口地址字段，用于表示示所述网络数据的发送端与所述网关系统的接口的物理地址；接口参数字段，用于表示所述网络数据的发送端与所述网关系统的接口的参数。

所述步骤(1)中所述根据所述可变帧头判断所述网络数据的有效性是指通过对数据长度校验和数据格式规范的检测所述网络数据的有效性。

所述步骤(2)具体为：根据所述可变帧头中的消息长度字段确定所述网络数据中有效字段的位置，设置新的数据操作指针指向所述网络数据的有效字段。

所述网关协议数据格式包括：协议版本号字段，用于表示所述网关协议数据格式的版本号；消息序列号字段，用于表示所述网络数据的发送先后顺序；控制字段，用于表示数据源类型；源地址字段，用于表示所述网络数据的发送端的地址；目的地址字段，用于表示所述网络数据的接收端的地址；数据载荷字段，用于放置所述有效字段。

所述虚拟地址是在网络终端接入所述网关系统和信息注册的过程中完成分配，并确定出所述地址映射表。

所述虚拟地址包括：网络域地址和末端节点地址；所述网络域地址位于所述虚拟地址的前段，用于表示所述网络数据需要送达的子网络，包括本地域网络和广域网络；所述末端节点地址位于所述虚拟地址的后段，用于表示每一个子网络下的终端设备的主机地址。

所述步骤(3)中所述提取虚拟地址进行网络寻址，通过地址映射表完成网关协议的转换具体为：提取所述虚拟地址中的网络域地址，通过所述地址映射表将所述网关协议数据格式表示的网络数据绑定至对应的接收端上，并把数据操作句柄分配给相应的数据处理任务。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种异构接入网关，采用上述的面向物联泛在接入网关的异构网络接入及转换方法实现物联网网关中的多接口和多协议转换。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明在有效数据判断的处理过程中，在消息有效字段的前端增加一段可变帧头，通过这种方式能够过滤掉网关中的无效数据流，增强网关系统对网络数据包的识别和辨析能力，同时可变帧头中包括一个接口地址值，以此来区分网关硬件资源中的不同端口，通过该字段有利于对数据的溯源和追踪，同时能够降低网关系统的耦合性。对于数据多源化的特点，本发明还通过一种通用的网关协议数据格式对接入网络模组的通信数据进行标准化和规范化，实现了异构网络下的数据融合。然后提取网络域地址段内容，通过地址映射表完成网关协议的转换。

附图说明

图1是松耦合融合模型示意图；

图2是本发明第一实施方式的流程图；

图3是本发明第一实施方式中可变帧头的结构示意图；

图4是本发明第一实施方式中网关协议数据格式示意图；

图5是本发明第二实施方式的结构方框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

在松耦合融合模型下，异构网络的融合依托于网络中间件技术的实现，通过在网络间增加第三方系统，实现网络间的互联互通。如图1所示，在这种融合模型下，彼此独立的终端A和终端B是分属不同网络组织架构下的子网络，它们无法直接与对方进行数据通信；在被称为中间件C的设备中，首先需要在接入层分别实现与每一个独立子网的接入通信，其次，通过协议转换等技术进行子网间的数据互通。在异构的子网中，是以一种逻辑上的连接与其他子网进行通信。这种模型维持了子网结构的独立性和稳定性，对子网内部设计上的修改较少，在结构设计上也相对简单，实现上也较为灵活。

本实施方式中的中间件C可以使用物联网多模网关实现，物联网多模网关由多种通信制式的异构网络构成，每一个子网络下都有其自身的通信数据格式，这种格式可能是带有厂商规定的帧格式或者是约定俗成的一种编码形式，当网络模组通过终端接口接入物联网多模网关后，系统首先需要对其收到的网络数据进行数据解析(数据解析是对初始数据的一种预处理)，之后网关根据报文格式的规范以及数据解析的结果，确定网络数据包的具体传输策略，并将数据包进行应用层的通信协议转换，最后交付于对应的传输端口。

本发明的第一实施方式涉及一种面向物联泛在接入网关的异构网络接入及转换方法，如图2所示，包括以下步骤：接收网络数据，并在所述网络数据的消息有效字段前增加一可变帧头，并根据所述可变帧头判断所述网络数据的有效性；在所述网络数据有效时，根据所述可变帧头对所述网络数据进行有效字段提取；将提取出的有效字段采用网关协议数据格式进行表示实现异构网络下的数据融合，提取虚拟地址进行网络寻址，通过地址映射表完成网关协议的转换；向目标设备交付协议转换后的网络数据。

当网关系统的接入规模扩大时，在通信过程中网络数据间出现相互干扰的几率也随着增加，因此有效数据的判断是数据解析的一个重要步骤。在本实施方式中，除了网络模组和接口协议自身所具有的纠错和校验能力外，还通过对数据长度校验、数据格式规范的检测进一步完善有效数据的辨别和判断机制。

为了增强网关系统对网络数据包的识别和辨析能力，在接入的异构数据汇集的过程中，系统会从消息层面上在消息有效字段的前端增加一段含有消息长度、终端信息、接口信息等标识的可变帧头，如图3所示。在这种识别机制中，系统会根据终端驱动程序所提供的基本信息，为每一个数据流附加信息参数。通过这种方式能够有效过滤网关系统中的无效数据流，为数据包的解析和提取提供有利的条件。

本实施方式中可变帧头长度为8个字节，表1给出了可变帧头各个字段的具体说明，在满足较小通信开销的同时，能够包含本次通信数据包的关键信息。其中，消息长度字段占有为2个字节，代表了该数据报文的总长度，通过该字段能够正确判断数据包是否完整有效，并且根据该字段报文长度在网关中为有效数据分配合理的存储空间。终端类型字段用于标记数据的来源类型，异构网络下的无线终端在上报数据时，接口驱动会根据该网络类型设置对应的标识符，通过1个字节大小的标识符能够表示多达256种终端类型设备，足够满足实际的应用需求。设备类型字段表征了网络设备的无线网络类型，例如蓝牙、WiFi等，接口类型字段说明了该消息来源的网络模组与网关系统之间的连接方式，如SPI、I2C、USART等。该可变帧头还设置有保留字段，通过该保留字段可以留作其他功能的扩展备用。

在本实施方式中还额外增加一个接口地址值来区分网关硬件资源中的不同端口，通过该接口地址值有利于对数据的溯源和追踪，也降低了网关系统的耦合性。该接口地址值包括两个字段，分别为：接口地址字段和接口参数字段，其中，接口地址字段，用于表示示所述网络数据的发送端与所述网关系统的接口的物理地址；接口参数字段，用于表示所述网络数据的发送端与所述网关系统的接口的参数。不同的接入端口会根据接入模块的具体要求配置不同的参数，例如工作模式、传输选项等，并映射到接口参数字段中。

表1可变帧头字段说明表

数据的解析是通过上述帧首所提供的数据流相关信息，对缓存在存储器中的通信数据进行有效字段提取的过程。内容提取器首先会根据数据流的长度信息确定有效字段在内存中的偏移量，随后设置新的数据操作指针指向网络数据的有效片段，同时在这个过程中释放无效数据包的存储空间。经由数据解析和提取后来自终端设备传输的网络数据会传入协议转换程式中进行处理。

本实施方式设计了一种终端网络的网关协议数据格式，通过对网关接入的多源化通信数据进行标准规范化，实现了异构网络下的数据融合，该网关协议数据格式如图4所示。该网关协议数据格式中的起始字段为自定协议格式的版本号，在对节点数据格式进行版本更新迭代时能够提供全局和验证，并将结果交由管理层处理，通信双方需使用相同的协议版本号进行数据交换，否则网关系统将抛出消息格式错误提示。在一般情况下，网络中的传输数据量不大，但为了使网关系统具有较高的兼容性，仍需要考虑传输长数据帧时可能出现的问题。为此，在协议格式中增加了一个表示网络数据发送先后顺序的消息序列号；发送终端根据自身的数据量设置该序列号，而接收终端在接收到不同序列号的数据包时根据定义的格式进行数据的整合和拼接。在网络终端设备运行期间，还需要根据功能区分每一种数据源，这种表示数据源类型的标识会在控制字段中体现，控制字段用于规定该消息帧的具体控制类型，包括数据帧、命令帧、起始帧、结束帧等类型，如表2所示。

表2控制字段设置表

一方面，通过对数据类型的区别有助于为网关处理异构网络数据提供决策依据，能够支持针对不同功能控制命令或数据分发操作的实现，另一方面，终端设备通过对控制类型的识别进一步执行设备内的相关操作，如根据命令帧的具体命令数据，对网络设备的参数进行配置。

异构网络之间的互操作性依赖于不同节点数据之间的互联互通，而地址映射在这个过程中起着关键性的作用。在消息层面上的协议转换就是建立一种终端网络映射关系，将不同类型的网络利用统一的地址标准进行相互连接。在本实施方式中，通过对每一种异构网络下的智能终端设置一个虚拟地址来进行网络寻址，虚拟地址段如表3表示。

表3虚拟地址段设计表

该虚拟地址大小为2个字节，由两部分组成：网络域地址、末端节点地址。网络域地址位于虚拟地址的前段，占据4个bit的大小，用来指明该数据包需要送达的子网络，包括本地域网络和广域网络；网络域区分了网关系统的每一个接入网络，并通过系统内部的网络地址映射表格进行网络寻址；虚拟地址的后段是末端节点地址，共12bit，该地址代表了每一个子网络下的终端设备的主机地址；每一个终端节点可能具有相同的网络域地址，但其主机地址必定是唯一的，因此通过末端节点地址能够寻找到位于相同网络域下的不同终端节点。网关虚拟地址在网络终端接入网关和信息注册的过程中完成分配，并确定地址映射关系。

基于上述网关节点虚拟地址的设计方法，表4是LoRa、BLE、WiFi等异构网络在网关地址池中的地址分配。

表4网关节点地址池分配表

在网关协议转换的具体过程中，网络域地址段首先被提取使用，转换程序通过自建的映射表将该协议数据包绑定至对应的网络终端上，并把数据操作句柄分配给相应的数据处理任务。在每种网络的数据处理任务中，根据对应的节点地址值设置数据发送目标，倘若目标未在已注册节点内，则中止任务并抛出错误提示。

不难发现，本发明在有效数据判断的处理过程中，在消息有效字段的前端增加一段可变帧头，通过这种方式能够过滤掉网关中的无效数据流，增强网关系统对网络数据包的识别和辨析能力，同时可变帧头中包括一个接口地址值，以此来区分网关硬件资源中的不同端口，通过该字段有利于对数据的溯源和追踪，同时能够降低网关系统的耦合性。对于数据多源化的特点，本发明还通过一种通用的网关协议数据格式对接入网络模组的通信数据进行标准化和规范化，实现了异构网络下的数据融合。然后提取网络域地址段内容，通过地址映射表完成网关协议的转换。

本发明的第二实施方式涉及一种异构接入网关，其可以采用上述的面向物联泛在接入网关的异构网络接入及转换方法实现物联网网关中的多接口和多协议转换。如图5所示，物联网系统一般使用多种不同的通信技术从传感终端设备上获取所需的数据，这些异构网络下的通信端口会在终端适配模块中接入，从而建立起传感域，即每个异构网络内部的连接，以及子网与网关系统之间的通信连接。在终端适配模块中，需要提供节点设备驱动和数据传输接口，其他模组的数据将通过终端适配模块发至对应的异构网络当中；网络配置模块与多接口模块会在建立网络连接阶段收集并存储异构网络的具体信息，例如网络接口信息和网络配置项信息，多接口模块借助这些异构网络信息，建立数据与网络接口之间的映射表，这对路由的决策起着关键性作用。上述信息会在协议转换及数据转发模块中汇集，在该模块中，会对接受到的终端设备数据以及网络接口相关信息进行分析，并根据数据流方向以及相关的映射关系，对数据帧执行封包或解压操作，同时将标准化的数据传输至对应的通信端口上；服务支撑模块与应用配置模块为了满足物联网多场景应用的特点而设计，这两者协同处理具体应用下的数据请求，使用者可将网关系统抽象为一个黑匣子，并借助服务模块提供的相关应用接口，执行对每个异构网络下设备的数据交互操作，从而能够降低用户的使用成本。最后，随着对数据安全性和系统的可管理性需求的不断上升，网关系统需要部署对应的安全模块提供一定的数据安全服务，例如数据访问控制或身份验证等，而且由于物联网异构网络融合规模的扩大，系统复杂性上升，网关系统需要借助管理模块来对网关系统内部组件的信息以及接入网中的设备信息等进行管理监测。

由此可见，本发明提出了物联网多模网关系统的功能模块设计方案，分析和设计了一种异构网络节点的轻量寻址方法与协议数据包格式，并对网关系统的域内和域间通信机制进行了说明。通过微型嵌入式系统即可搭建该物联网多模网关，该物联网多模网关具备基本的异构网络融合能力，与传统网关设备相比，具备可接入网络类型多样化、设备兼容性强、部署成本较低的优势，能够满足多数情况下物联网系统的组网需求。