CN101179478A - 面向工业监测应用的无线网状网络组播通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种面向工业监测应用的无线网状网络组播通信方法，在考虑工业监测应用特点的前提下，充分利用能力较强的设备来协助资源受限的现场设备维护和管理组播。采用这种基于中心控制的组播方法后，首先，现场设备无需记录和维护组播组成员列表，所以可以节约现场设备有限的存储空间；其次，现场设备不需要进行组播路由发现和维护从而节约了现场设备的通信开销；再次，组播的维护和管理在能力较强的中心设备上以集中的方式进行，易于实现和管理。
Description
技术领域
本发明属于无线网络通信领域，具体是面向工业监测应用的无线网状(Mesh)网络中组播通信方法。
背景技术
近年来，随着微处理器技术和低能耗无线通信技术的飞速发展，在商用领域取得成功的无线网络技术开始进入工业控制领域，成为工业自动化产品未来新的增长点。显而易见，在配置、安装、修改和扩展等方面，无线网络的成本都低于有线网络；而且，相对于星型和树型拓扑结构，Mesh网络具有高可靠性、高可扩展性、更大的吞吐量和更好的网络能耗均衡性。所以，无线Mesh网络技术将成为未来用于工业监测的一项主流通信技术。
用于工业监测的无线Mesh网络结构如图1所示，相对于其它应用(如军事和商业应用)具有一些新的特点：首先，网络中用于数据采集和通信转发的节点是各类现场设备，它们的通信、存储能力非常有限，而且由于应用环境和成本的限制，大部分的节点依靠电池供电，这决定了网络通信中可用的资源非常有限；其次，工业监测应用的数据通信特点是：现场设备将采集到的数据通过能力较强的网关设备发送到工厂的有线主干网络中，用户的指令也需要通过网关设备发送到现场设备中，这决定了网络信息传输的模式相对固定。
网络通信模式可以分为三种：单播、广播和组播。其中，根据应用需求将某些节点划分到同一组，每次通信都是向一组节点发送报文的方式就称为组播，又称多播，它是一对多的通信模式，即报文仅发送给属于组播组的成员节点。组播处于单播和广播之间。组播对需要将报文传给多个接收者的应用来说非常重要，如网络配置、设备维护、设备组内通信等等。组播成员的记录和维护需要耗费大量的存储空间，组播路由的发现和维护需要较高的能耗和通信开销，但是在工业无线Mesh网络中，现场设备的存储能力、通信能力和可用能量都非常有限，所以，如何在有严格资源约束的条件下实现高效的组播通信是一个挑战性问题。
目前，无线Mesh网络的组播策略基本上都是直接采用Internet的组播方法，开销非常大，不适用于资源受限的工业现场无线网络中。近期有人针对无线Mesh网络提出通过增加专用于组播的接入点来降低组播通信开销，但是显然它需要增加额外的接入点，会提高网络运营成本而且效果并不理想。
本发明专门针对工业监测应用中现场设备能力受限的约束，提出一种低开销的网络组播方法，目标是降低现场设备组播的能耗、存储以及通信开销。
发明内容
针对面向工业监测应用的无线Mesh网络资源严格受限的特点，本发明的目的在于提供一种低开销、易于使用和管理的组播通信方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案：一种面向工业监测应用的无线网状网络组播通信方法，其特征在于：基于中心控制模式，由中心设备(如网关设备)来完成组播的存储和维护工作；所有的组播报文都是首先发送给中心设备，由中心设备通过查询组播表获得组成员信息，然后将单个组播报文拆分成多个单播报文，分别发送到组内各个成员；具体过程包括创建组播组及组播通信。
所述组播组的创建包括：
1)由发起组播的现场设备将要创建的组播组编号插入组播组集合中，然后将组播组创建请求报文通过上行路由发送给网关设备；
2)网关设备收到由现场设备发出的组播组创建请求报文后，提取请求报文中的组播组信息并插入到组播信息表中；
3)网关设备通过下行路由，向组内除了发起组播组创建请求的现场设备之外的所有其他成员发送一个加入组播组的命令报文；
4)组播组内的其他成员收到加入组播组命令后，将组编号加入到组播组集合中并向网关设备返回一个确认报文来表示是否成功加入该组播组；
5)如果组播组内所有成员都成功加入，网关设备就通过下行路由通知发起组播的现场设备组播组创建成功；
所述组播通信包括：
1)组播组创建成功后，由需要进行组播通信的现场设备先将组播请求报文通过上行路由发送给网关设备；
2)网关设备收到组播请求报文后，提取请求报文网络层负载中的信息，获得组编号和组播内容；
3)网关设备根据组编号，查询组播组信息表获得组内成员列表，然后将组播内容作为网络层负载，通过下行路由单播模式分别发送给组内除了发起组播请求的设备之外的所有成员；
所述单播报文的源地址要指定为发起组播请求的设备地址，而非网关设备地址；目的地址是各个组内成员设备地址；其中组播请求报文包括网络层头部和网络层负载两部分，网络层负载上加入帧类型(标记这是一个组播请求报文)及组播负载(包括目的组编号和组播内容)；其中组播组创建请求报文格式定义：包括网络层头部和网络层负载两部分，网络层负载中加入帧类型(标记这是一个组播组创建请求报文)及组播组信息(包括组编号和组内成员地址列表)；其中组播信息表中每条组播组信息包括：组编号及组内成员设备地址列表。
本发明的优点：
本发明中提出的组播策略，在充分考虑工业监测应用特点的前提下，利用能力较强的中心设备(如网关设备)来协助资源受限的现场设备进行组播的维护和管理；可实现在不需要增加额外的接入点的情况下降低网络运营成本且效果理想之目的。采用本发明中提供的组播方法，首先，现场设备无需记录和维护组播组成员列表，所以可以节约现场设备有限的存储空间；其次，现场设备不需要进行组播路由发现和维护从而节约了现场设备的通信开销；再次，组播的维护和管理在能力较强的中心设备上以集中的方式进行，易于实现和管理。
附图说明
图1为工业监测无线Mesh网络结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步详细说明。
具体的实施分为如下两个步骤：
1.组播组的创建：
组播组是网络中现场设备的子集，每个现场设备都维护一个自己所属的组播组集合(如表1，包括组播组编号；可以为空，表示该设备不属于任何组播组)用来记录目前参与的组播通信；网关设备在启动后创建一个组播信息表(格式如表3)来集中管理和维护网络中的所有组播组信息；现场设备在启动组播通信前首先需要创建组播组，具体步骤如下：
1)发起组播的现场设备将要创建的组播组编号插入组播组集合中，然后将组播组创建请求报文(格式如表2)通过上行路由发送给网关设备；
2)网关设备收到由现场设备发出的组播组创建请求报文后，提取请求报文中的组播组信息并插入到组播信息表(格式如表3)中，每条组播组信息包括：
a)组编号；
b)组内成员设备地址列表；
3)网关设备通过下行路由，向组内除了发起组播组创建请求的现场设备之外的所有其他成员发送一个加入组播组的命令报文；
4)组播组内的其他成员收到加入组播组命令后，将组编号加入到组播组集合中并向网关设备返回一个确认报文来表示是否成功加入该组播组；
5)如果组播组内所有成员都成功加入，网关设备就通过下行路由通知发起组播的现场设备组播组创建成功；
其中组播组创建请求报文格式定义如下(具体参见表2)：包括网络层头部和网络层负载两部分，网络层负载中加入帧类型(标记这是一个组播组创建请求报文)及组播组信息(包括组编号和组内成员地址列表)。
表1 设备所属的组播组集合
| 设备所属的组播组 |
| 所属组播组1的编号 |
| 所属组播组2的编号 |
| ... |
表2 组播组创建请求报文格式
表3 组播组信息表格式
2.组播通信：
1)组播组创建成功后，需要进行组播通信的现场设备先将组播请求报文(格式如表4)通过上行路由发送给网关设备；
2)网关设备收到组播请求报文后，提取请求报文网络层负载中的信息，获得组编号和组播内容；
3)网关设备根据组编号，查询组播组信息表获得组内成员列表，然后将组播内容作为网络层负载，通过下行路由单播模式分别发送给组内除了发起组播请求的设备之外的所有成员。注意：所有这些单播报文的源地址要指定为发起组播请求的设备地址，而非网关设备地址；目的地址是各个组内成员设备地址。
其中组播请求报文格式定义如下：(具体参见表4)包括网络层头部和网络层负载两部分，网络层负载上加入帧类型(标记这是一个组播请求报文)及组播负载(包括目的组编号和组播内容)。
表4 组播请求报文格式
本发明工作原理：
1.组播组的构建和维护：每个组成员只需要记录自己所在的组编号，并不记录组内其他的成员，也不记录到这些组成员的路由信息，维护工作放到网关设备去做。网关设备维护一张组播信息表，包括组编号以及组成员列表。当某个现场设备要创建一个组播组的时候，首先由发起设备将该组的信息发送给网关设备，网关设备将新的组信息添加到组播信息表中，然后利用下行路由通知该组内的所有成员加入到该组中。
2.组播方法：当某个现场设备要发送组播报文的时候，首先将该组播报文发送给网关设备，网关设备查询组播表获得组成员列表以及到这些组成员的路由信息，然后将一个组播报文拆分成到各个组成员的单播报文发送给这些组成员。
为了更清楚明确地说明该组播通信方法，请看下面的例子：
1.组播组的创建
设备1要创建组播组1，组成员为：(1，2，4)，其创建步骤如下：
1)设备1将组播组1插入自己所属的组播组集合(如表5所示)，然后将组播组创建请求报文(如表6所示)通过上行路由发送给网关设备；
表5 设备1所属的组播组集合
| 设备1所属的组播组 |
| 组播组1 |
| 所属其他组播组的编号... |
表6 组播组1创建请求报文格式
2)网关设备收到由现场设备发出的组播组创建请求报文后，提取请求报文中的组播组信息并插入到组播信息表中(如表7所示)；
表7 插入组播组1后的组播组信息表
3)网关设备通过下行路由，向组内除了发起组播组创建请求的现场设备之外的所有其他成员(设备2和设备4)发送一个加入组播组1的命令报文；
4)组播组内的其他成员(设备2和设备4)收到加入组播组1的命令后，将组播组1加入到其所属的组播组集合中(如表8，9所示)并向网关设备返回一个确认报文来表示是否成功加入该组播组；
表8 设备2所属的组播组集合
| 设备2所属的组播组 |
| 组播组1 |
| 所属其他组播组的编号... |
表9 设备4所属的组播组集合
| 设备4所属的组播组 |
| 组播组1 |
| 所属其他组播组的编号... |
5)如果组播组内所有成员(设备2和设备4)都成功加入，网关设备就通过下行路由通知设备1组播组1创建成功；
同理，设备5可以创建组播组2，组成员为：(2，3，5)，创建成功后，设备2、3、5所属的组播组集合以及网关设备的组播组信息表如表10、11、12、13所示：
表10 设备2所属的组播组集合
| 设备2所属的组播组 |
| 组播组1 |
| 组播组2 |
| 所属其他组播组的编号... |
表11 设备3所属的组播组集合
| 设备3所属的组播组 |
| 组播组2 |
| 所属其他组播组的编号... |
表12 设备5所属的组播组集合
| 设备5所属的组播组 |
| 组播组2 |
| 所属其他组播组的编号... |
表13 插入组播组2后的组播组信息表
2.组播通信
在组播组创建成功后，就可以进行组播通信了。例如，设备2要向组播组1发送报文：“组播组2的朋友们你们好，我是设备2！”，步骤如下：
1)设备先将组播请求报文(如表14)通过上行路由发送给网关设备；
表14 组播请求报文
2)网关设备收到组播请求报文后，提取请求报文网络层负载中的信息，获得组编号和组播内容；
3)网关设备根据组编号，查询组播组信息表(如表13)获得组内成员列表为(1、2、4)，然后将组播内容作为网络层负载，通过下行路由单播模式分别发送给组内除了发起组播请求的设备之外的所有成员(设备1、4)，如表15、16。
表15 发送给设备1的报文
表16 发送给设备4的报文
综上，本发明在考虑工业监测应用特点的前提下，充分利用能力较强的设备来协助资源受限的现场设备维护和管理组播。采用这种基于中心控制的组播方法后，首先，现场设备无需记录和维护组播组成员列表，所以可以节约现场设备有限的存储空间；其次，现场设备不需要进行组播路由发现和维护从而节约了现场设备的通信开销；再次，组播的维护和管理在能力较强的中心设备上以集中的方式进行，易于实现和管理。
Claims (7)
1.一种面向工业监测应用的无线网状网络组播通信方法，其特征在于：基于中心控制模式，由中心设备(如网关设备)来完成组播的存储和维护工作；所有的组播报文都是首先发送给中心设备，由中心设备通过查询组播表获得组成员信息，然后将单个组播报文拆分成多个单播报文，分别发送到组内各个成员；具体过程包括创建组播组及组播通信。
2.按照权利要求1所述面向工业监测应用的无线网状网络组播通信方法，其特征在于：所述组播组的创建包括：
1)由发起组播的现场设备将要创建的组播组编号插入组播组集合中，然后将组播组创建请求报文通过上行路由发送给网关设备；
2)网关设备收到由现场设备发出的组播组创建请求报文后，提取请求报文中的组播组信息并插入到组播信息表中；
3)网关设备通过下行路由，向组内除了发起组播组创建请求的现场设备之外的所有其他成员发送一个加入组播组的命令报文；
4)组播组内的其他成员收到加入组播组命令后，将组编号加入到组播组集合中并向网关设备返回一个确认报文来表示是否成功加入该组播组；
5)如果组播组内所有成员都成功加入，网关设备就通过下行路由通知发起组播的现场设备组播组创建成功。
3.按照权利要求1所述面向工业监测应用的无线网状网络组播通信方法，其特征在于：所述组播通信包括：
1)组播组创建成功后，由需要进行组播通信的现场设备先将组播请求报文通过上行路由发送给网关设备；
2)网关设备收到组播请求报文后，提取请求报文网络层负载中的信息，获得组编号和组播内容；
3)网关设备根据组编号，查询组播组信息表获得组内成员列表，然后将组播内容作为网络层负载，通过下行路由单播模式分别发送给组内除了发起组播请求的设备之外的所有成员。
4.按照权利要求1所述面向工业监测应用的无线网状网络组播通信方法，其特征在于：所述单播报文的源地址要指定为发起组播请求的设备地址，而非网关设备地址；目的地址是各个组内成员设备地址。
5.按照权利要求2所述面向工业监测应用的无线网状网络组播通信方法，其特征在于：其中组播请求报文包括网络层头部和网络层负载两部分，网络层负载上加入帧类型(标记这是一个组播请求报文)及组播负载(包括目的组编号和组播内容)。
6.按照权利要求2所述面向工业监测应用的无线网状网络组播通信方法，其特征在于：其中组播组创建请求报文格式定义：包括网络层头部和网络层负载两部分，网络层负载中加入帧类型(标记这是一个组播组创建请求报文)及组播组信息(包括组编号和组内成员地址列表)。
7.按照权利要求2所述面向工业监测应用的无线网状网络组播通信方法，其特征在于：其中组播信息表中每条组播组信息包括：组编号及组内成员设备地址列表。
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