CN101502074A - 用于无线数据传输的网络 - Google Patents

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Abstract

为了在用于无线传输数据的网络(其工作模式由协议栈根据OSI参考模型来确定)中除了现有标准(例如IEEE 802.15.4/ZigBee)之外还能够实现在数据传输时的专用的变化，而不必放弃有关的标准或违反这些标准，在该协议栈中在位传输层之后的数据链路层和建立于该数据链路层之上的其它的协议层(例如在ZigBee中的网络层)之间插入互操作层(IO)，在该互操作层上可以建立以并行的独立的栈(栈#1，栈#n)的形式的、具有不同的接口的其它协议层。

Description

用于无线数据传输的网络
技术领域
本发明涉及一种用于无线传输数据的网络，其工作模式由协议栈根据OSI参考模型来确定。此外，本发明还涉及一种用于这种网络的网络用户和一种用于在这种网络中无线传输数据的方法。
背景技术
OSI参考模型由七个协议层构成。
最底层的位传输层(物理层Physical Layer)提供了机械的、电的和其它功能性的辅助设备，以激活或去激活物理连接，或维持物理连接，并通过该连接传输位元。
下一个较高的数据链路层(Data Link Layer)的任务在于，确保安全的、也就是无错误的传输并且调整对传输媒质的存取。数据链路层根据IEEE分为两个子层，也就是逻辑链路控制层和媒质存取控制层(Media Access Control Layer)，其中后者调整网络用户对传输媒质的竞争式存取。
接下来的网络层(Network Layer)的任务是建立和更新路由表以及控制流量。网络地址也属于该层。因为通信网络可以由不同技术的多个子网构成，因此在该层中也设有转换功能，该功能对于在子网之间的传输来说是必要的。
下一个较高的传输层(Transport Layer)为建立于其之上的针对应用的层直至最上面的应用层(Application Layer)提供了统一的存取，从而使这些层不需顾及通信网络的性能。
对于在工业自动化技术、家庭和楼宇自动化以及许多其它的应用中的无线数据传输来说，基于IEEE 802.15.4标准的无线网络由于其便捷性、能源效率以及成本低廉性是非常具有吸引力的。ZigBee联盟的ZigBee协议也建立在该标准之上，该联盟是一个世界范围的公司的联盟，这些公司共同合作以开发出可靠的、成本低廉的和无线联网的监视和控制产品，这些产品基于国际性的和开放的标准。
在许多出版物中已对IEEE 802.15.4/ZigBee标准进行了详尽的描述，因此该标准的细节视为都是已知的，在这里不再进一步详细说明。例如由下面的出版物所述：
Michael Buerge：“无线传输标准：从蓝牙至IEEE802.15.4/ZigBee(Standards drahtloser Uebertragung：von Bluetooth zuIEEE 802.15.4/ZigBee)”，苏黎世联邦理工学院(ETH Zuerich)-信息科学技术系，针对智能环境主题的分布式系统的讨论会，SS2004，于2006年7月14日在互联网上按下列地址可找到：http://www.vs.inf.ethz.ch/edu/SS2004/DS/reports/09 zigbee reDort.pdf，
Rudi Latuske：“ZigBee-协议软件和开发环境(ZigBee-Protokollsoftware und Entwicklungsumgebung)”，2004年9月，于2006年7月14日在互联网上按下列地址可找到：httD://www.ars2000.com/ZigBee-White-Paper.pdf，或者
Axel Sikora教授：“利用IEEE802.15.4和ZigBee的短程无线联网：可能性和挑战(Short-Range Wireless Networking mit IEEE802.15.4und ZigBee：Moeglichkeiten und Herausforderungen)”，设计和电子技术研发者论坛，2004年6月7日于慕尼黑，于2006年7月14日在互联网上按下列地址可找到：http://www.stzedn.de/uploads/media/stz zigbee de entwicklerforum 0 40706.pdf。
依据OSI参考模型，IEEE 802.15.4标准仅仅定义了位传输层以及位于其之上的媒质存取层。然而那些涉及到在媒质存取控制层中的安全性的功能虽然在标准中提及，但是却扩展到更高的层中。
根据专家意见，ZigBee可以不必满足工业环境的所有要求，从而使得对在ZigBee协议栈中进行确定的修改被视为是有意义的。然而这与可使用的或者说被采纳的ZigBee协议栈的一致性相矛盾。
发明内容
因此本发明的目的在于，除了现有标准、例如IEEE802.15.4/ZigBee标准之外还能够实现在数据传输中的专用的变化，而不必放弃有关的标准或违反这些标准。
根据本发明该目的由此实现，即在协议栈中在位传输层之后的数据链路层和建立于该数据链路层之上的其它的协议层之间插入互操作层，在该互操作层上可以建立以并行的独立的栈的形式的其它协议层。互操作层能够使较高层的独立的栈分别与较低层的栈逻辑上连接。
互操作层在不同的应用(Applications)和共同的通信基础架构之间是众所周知的，但在根据本发明的结构中则不是。
协议栈的位传输层(物理层Physical Layer)和数据链路层(DataLink Layer)可以例如由IEEE 802.15.4标准、由扩展了针对工业要求的特殊功能的IEEE 802.15.4标准或者由可替换的标准来定义。独立的栈则建立在媒质存取控制层(Media Access Control Layer)上。作为独立的栈也可以考虑其它协议，例如Dust(Dust Networks)、Millenial(Millenial Net)或Zensys。
插入附加的互操作层创建了被终止的接口，该接口具有确定的通向其下层的协议层的接入点，并能够实现：例如在其上层的协议层中同时地或有选择地应用不同的通信协议。互操作层转接了请求、例如转接发送数据包的请求，以及转接了对更高层的存取，将其预处理成不依赖于操作平台的格式并向下面的层输送。这些可以在自身的硬件上实现，从而将互操作层分布到不同的硬件子系统上。
传输层(Transport Layer)定义为互操作层的部分，其能够将媒质存取控制层(Media Access Control Layer)连接至主机通信层(网络层Network Layer)。此外，传输层提供了机构，从而能够使该连接越过MAC硬件接口。传输层的任务尤其在于，将较高层的服务原语继续传输至所对应的媒质存取控制层。此外可以在传输层中预设通用的机构，其可以实现例如对一个或多个协议栈的动态配置。例如在此为：
-能够实现管理应用的搜寻机构，其能够查明媒质存取控制层的哪些变量是可以使用的。对应于该信息，一个确定的较高层就能对应于一个确定的较低层。这种对应关系可以随时变化。
-流量控制机构，其使得硬件接口的可使用的带宽能够确定地分布到并行运行的协议栈上。
由此，传输层(Transport Layer)使得网络层(Network Layer)能够不依赖于其下的MAC硬件(模块或者说芯片特性的)、MAC硬件接口(例如UART，SPI，USB)以及所应用的物理层(无线技术、频率、调制方法)。相应地，可以不依赖于通信层(网络层NetworkLayer)实现MAC子系统。
各自的协议栈的或多或少的整体式架构，如当今所使用的或商业化的协议，例如ZigBee，由于插入的传输层(Transport Layer)而被放弃或者规避，并且取而代之的是，在一个和相同的目标硬件上实现最不同的协议栈的可替换的或完全并行的操作方式。
附图说明
下面参照附图详细说明本发明。图中示出：
图1是根据本发明的网络的例子，以及
图2是网络的协议栈。
具体实施方式
图1示例性地示出用于根据本发明的网络的ZigBee网络，其拓朴结构可以构建为星形网络，但是也可以构建为树形或环形网络。单个的网络节点1至6在此由具有全功能性的设备1、2、3、5(Full-Function-Devices＝FFDs)和具有减少的功能性的设备4、6(Reduced-Function-Devices＝RFDs)构成。同时，设备1至6在此分别扮演以下角色之一：网络协调器、交变协调器、路由器或终端设备。每个角色也可以包含各自从属角色的任务。RFD始终需要FFD作为通信伙伴，并因此可以始终仅仅承担终端设备的角色。在每个网络中刚好具有一个协调器1，而没有、或具有一个或多个交变协调器，后者在协调器失效的情况下承担其任务。FFDs和RFDs的区别还在于，怎样能够在不同的网络-拓朴结构中使用它们。FFDs仅仅可以应用在环形网络中。如已经描述过的那样，RFDs始终在网络-拓朴结构中占据端点位置。RFDs通常设计用于特殊的任务，并因此比FFDs成本更低廉和更节省能源。当在这里也被称为网络用户的设备2至6中的任一个在网络中登录时，由网络协调器1为其指派一个识别符，则该网络用户通过该识别符来响应。
如图2在示意图中所示，IEEE 802.15.4/ZigBee的协议栈由下列单元构成：
由位传输层(物理层Physical Layer-PHY Layer)和媒质存取控制层(Media Access Control Layer-MAC Layer)构成的协议栈的底层安置在自身的硬件子系统(MAC-Subsystem)中。通信层(网络层Network Layer)和所有在其上的层都在其它的硬件子系统(主机子系统)中实现。
在MAC子系统中的下协议层和主机子系统中的上协议层之间插入有互操作层(Interoperability Layer)IO。传输层(Transport Layer)作为该互操作层IO的部分将这两个硬件子系统逻辑上相互连接起来，并同时分布到这两个硬件子系统上。为传输层定义了传输协议，该传输协议除了确定服务原语(Service Primitive)的传输之外还确定了通用的机构例如流量控制的功用(Abhandlung)。传输层本身又建立在MAC硬件接口上，其中通常也为MAC硬件定义了协议(MAC-HW协议)。
在主机子系统方面，在传输层(Transport Layer)上面设有不同的协议栈的更高层级栈#1、栈#n，例如ZigBee，DUST等等，其中各自的服务接口的特定的执行通过适配器与传输层的统一的服务接口相匹配。
在MAC子系统方面，在传输层下面(在附图中是上面)设有例如根据IEEE 802.15.4的不同协议栈的下级层。

Claims (6)

1.一种用于无线传输数据的网络，其工作模式由协议栈根据OSI参考模型来确定，其特征在于，在所述协议栈中在位传输层(物理层Physical Layer)之后的数据链路层(Data Link Layer)和建立于所述数据链路层之上的其它的协议层之间插入互操作层(IO)，在所述互操作层上可以建立以并行的独立的栈(独立的栈#1，...，独立的栈#n)的形式的其它协议层。
2.根据权利要求1所述的网络，其特征在于，所述协议栈的所述位传输层和所述数据链路层由IEEE 802.15.4标准定义，以及所述独立的栈(独立的栈#1，...，独立的栈#n)中的任一个由ZigBee标准定义。
3.根据权利要求1或2所述的网络，其特征在于，一方面所述位传输层(物理层Physical Layer)和所述数据链路层(Data LinkLayer)而另一方面建立于所述数据链路层之上的所述其它协议层实现在不同的硬件系统上，其中所述互操作层(IO)分布到两个硬件系统上，并且所述两个硬件系统由标准化的硬件接口相互连接。
4.根据权利要求3所述的网络，其特征在于，所述互操作层(IO)具有分布到这些所述硬件系统上的传输层(Transport Layer)，所述传输层在每个硬件系统中分别通过接口驱动器与所述硬件接口连接。
5.一种用于根据权利要求1或2中任一项所述的网络的网络用户。
6.一种用于在根据权利要求1或2中任一项所述的网络中无线传输数据的方法。
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