CN101682541B - 使用有向图在网络上路由包的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种在通信网络上的第一节点和第二节点之间路由数据包的方法，包括：定义通过第一节点、第二节点和零个或更多中间节点的第一图，将属于该通信网络的若干个节点与该第一图进行关联，将第一唯一图标识符与该第一图进行关联，以及将该第一图的至少局部定义和该第一唯一标识符提供给与该第一图相关联的节点中的至少某些节点。该方法然后从该第一节点发送具有该图标识符的数据包，并使用该图标识符经由零个或更多中间节点将该数据包引导向第二节点。该方法可包括：在中间节点和该中间节点的邻居节点是与该第一图相关联的节点且该中间节点和该邻居节点通过至少一个直接通信连接相连接的情况下，将该包转发到该邻居节点。

Description

使用有向图在网络上路由包的方法和设备

技术领域

本专利总的来说涉及通信协议，更具体地说，涉及在网状网络或星型网状网络的节点间路由包的方法。 

背景技术

通信协议依赖于各种路由技术以在通信网络上的通信端点之间传输数据。通常鉴于网络拓扑的知识、网络的大小、用作信号载波的介质的类型、安全性和可靠性要求、可容许的发送延迟以及形成网络的设备的类型这一类因素，来选择通信或网络协议和相应的路由策略。由于大量这类因素，典型的路由技术满足了某些设计目标，而以牺牲其他设计目标为代价。例如，某种路由技术可以在数据数据输送上提供高水平的可靠性，但是也可能需要相对高的开销。因此，尽管有许多已知方法来进行路由以及许多与这些路由方法相兼容的协议，但是仍然存在有特定要求的通信网络，而这些特定要求没有被任何可用的路由方法和协议完全满足。而且，由于各种工业和商业应用中涌现出了对效率、吞吐量和可靠性的要求日益增长的新型通信网络，设计师和开发者经常遇到凭借现有协议和相关联的路由技术无法轻易解决的新问题。 

一般而言，通信网络包括节点，这些节点是在连接这些节点的通信路径(硬线或无线通信路径)上发送的数据的发送方和接收方。另外，通信网络通常包括负责在节点间引导业务的专用路由器，并且可选地包括负责配置和管理该网络的专用设备。某些或所有这些节点也可以适用于充当路由器，以便引导在其它网络设备之间发送的业务。网络设备可以采用有线或无线的方式相互连接，并且网络设备可以具有与该网络内的某些节点相比不同的路由 和传输能力。例如，专用路由器可能能够进行高容量的传送，而某些节点在相同的时段内可能只能够发送和接收相对很少的业务。另外，网络上的节点之间的连接可具有不同的吞吐能力和不同的衰减特性。由于在介质的固有物理限制上的差别，例如光纤电缆可能能够用于提供比无线链路高几个数量级的带宽。 

为了使节点在典型的网络上向另一节点发送数据，必须知道从源到目的地的完整路径或者该路径的直接相关部分。例如，万维网(WWW)允许计算机主机对在没有任一主机在发送信息之前知道完整路径的情况下在长距离上进行通信。相反，主机被配置以关于它们的被指派的网关和专用路由器的信息。具体来说，网际协议(IP)提供到WWW的网络层连通性。IP定义被称为地址解析协议(ARP)的子协议，该子协议在每个主机处提供指定路由规则的本地表。因此，连接到WWW或类似的广域网(WAN)的典型主机可以知道将具有与预先配置的模式相匹配的预定地址的所有包路由至主机A并且将其余包路由至主机B。类似地，转发这些包直接主机或“跳”还执行部分路由决策并通常在目的地的大致方向上引导数据。 

在大多数网络协议中，大多数或所有网络设备被充分地指派以唯一地址以使主机能够以明确的方式交换信息。至少在单播(一对一)传送的情况下，必须在源指定目的地址。出于这个原因，网络协议通常定义严格的寻址方案。如本领域普通技术人员将认识到的，修改或扩展寻址方案是个复杂而昂贵的过程。例如，从IP协议的版本4(IPv4)到版本6(IPv6)的转变需要对大量支持IPv4的基础设施进行重要更新。另一方面，为小网络定义具有大容量的寻址方案产生了不必要的开销。因此，理想地适应特定应用的网络协议提供了足够数目的可能地址而不会在数据传送中有过多的开销。 

简而言之，有大量因素影响在特定行业中的特定协议的实现。在过程控制行业中，已知的是，使用标准通信协议使得由不同制造商制出的设备能够以易于使用和实现的方式与彼此通信。过程控制行业中使用的一个众所周知的通信标准是可寻址远程发射机高速通道(HART)通信基础协议，通常称 为 

协议。一般而言， 

协议支持专用导线或导线组上的数字和模拟混合信号，在专用导线或导线组上，在线过程信号(如控制信号、传感器测量结果等)作为模拟电流信号(例如范围从4到20毫安)被提供，并且诸如设备数据、对设备数据的请求、配置数据、报警以及事件数据等等之类的其它信号，作为叠加或复用到与模拟信号相同的导线或导线组上的数据信号被提供。然而，HART协议当前需要使用专用、硬线通信线路，这导致需要在加工厂内大量布线。 

在过去几年里，已经存在一种将无线技术结合到以某些有限方式包括过程控制行业的各种行业中的发展趋势。然而，在过程控制行业中，存在限制无线技术的完全结合、接受和使用的巨大障碍。具体来说，过程控制工业需要十分可靠的过程控制网络，因为信号的丢失失可能导致工厂失去控制，从而导致灾难性的后果，包括爆炸、致命化学制剂或气体的释放等等。例如，Tapperson等人的美国专利No.6,236,334公开了在过程控制行业中将无线通信作为副的或备用通信路径使用或用于发送非关键性的或冗余的通信信号。而且，在通常可以适用于过程控制行业的无线通信系统的使用上已经取得了许多进展，但是该无线通信系统尚未以在加工厂内允许或提供可靠的并且在某些情况下完全无线的通信网络的方式应用于过程控制行业。例如，美国专利申请公开No.2005/0213612、2006/0029060和2006/0029061公开了与一般无线通信系统相关的无线通信技术的各个方面。 

与有线通信类似，无线通信协议被期望提供高效、可靠和安全的信息交换方法。当然，由于介质的共享和开放特征，在有线网络中被开发以解决这些重要问题的大多数方法并不适用于无线通信。进一步，除了在有线通信协议之后的典型客观事实外，无线协议还面临关于使用无线电频谱的同一部分的若干网络的干扰和共存的问题的其它要求。而且，某些无线网络在无许可证的或向公众开放的频段中运行。因此，为这种网络服务的协议必须能够检测或解决与频率(信道)争用、无线电资源共享和协商等等相关的问题。 

在过程控制行业中，无线通信协议的开发者面临另外的挑战，例如，实 现与有线设备的向后兼容、支持协议的先前有线版本，为改装了无线通信机的设备提供转变服务，并且提供可同时保证可靠性和有效性的路由技术。同时，仍然存在相当多的过程控制应用，在这些过程控制应用中存在即使有也很少的原地测量。当前，这些应用依赖于观测的测量结果(例如，水位正在上升)或检查(例如，空调单元、泵、风机等等的周期性维护)来发现异常情况。为了采取措施，操作员经常需要面对面的讨论。如果使用测量和控制设备，这些应用中的许多的应用可能被大大简化；然而，当前的测量设备通常需要电力、通信基础设施、配置以及简直是不可用的支持基础设施。 

根据又一方面，过程控制行业要求为特定过程控制网络提供服务的通信协议能够可靠和高效地路由数据。另一方面，通信协议应当优选地对于发送不同类型的数据允许充分的灵活性。具体来说，过程控制网络可发送与设备诊断相关的数据、过程变量测量值、警报或报警、设备或回路配置数据、网络管理数据等。这些类型的数据可具有不同的等待时间和可靠性要求，并且可与每单位时间发送的不同量的信息相关联。 

发明内容

驻留于包括若干个网络设备的通信网络内部或外部的硬件或软件管理实体通过分析网络的拓扑、定义用于在该网络的各种各样的节点之间路由或发送数据的一组图(graph)，开发出针对该网络的路由方案，并为每个图指派唯一的图标识符，其中每个图包括一个或更多网络设备对之间的通信路径。在某些实施例中，该网络是无线网络，这些图是有向图，并且相应地，这些通信路径是单向通信路径。在某些实施例中，该网络是网状网络，该网络网状包括发起数据和代表其它网络设备路由数据的网络设备。在另一实施例中，网络符合星型网状拓扑，其中某些网络设备仅能接收数据或发起数据，而某些网络设备能接收数据、发起数据且在其它网络设备之间中继数据。 

在定义该组图时，管理实体将相关路由信息传达到一些所有的网络设备(节点)，以便从一个网络设备发送到另一网络设备的包能够根据包括在该 数据包的包头或包尾中的图标识符通过该网络被适当地路由。根据一方面，该管理实体通过不向某些或所有网络设备通知该网络的完整拓扑来改进该网络的安全性。在另一实施例中，分析网络和获取该网络的拓扑的功能分布于至少若干个网络设备中，以便一个或更多网络设备参与定义单向或双向图。在又一实施例中，传达到各个网络设备的相关路由信息包括图标识符列表，并且对于各个图标识符，还包括在已标识的通信路径(或“路由”)中充当可能的下一跳的邻居设备中的一个或更多邻居设备。在该实施例中，网路设备可通过将图标识符与数据包进行关联来参与“图路由”，将图标识符包括在该数据包的包头或包尾，并在无需指定任何附加路由信息的情况下将该数据包发送到目的设备。通信路径中的中间设备或“跳”，可通过仅处理利用数据包提供的图标识符来适当地路由该数据包。在一个实施例中，在某些或所有设备对之间定义多个不同的图，以提供冗余和提高的可靠性。在一个实施例中，部分负责定义单向图的该管理实体是专用网络管理器，并且可用在驻留于网络内部或外部的主机上运行的软件模块来实现。在另一实施例中，该网络管理器可以是以可通信方式连接到该网络的专用物理设备。在又一实施例中，该网络管理器可以分布在驻留于网络内部或外部的若干个设备中。 

在一个实施例中，通信设备对可包括网关，该网关除了与网络设备通信之外，还适于与另一网络或非网络主机通信。根据该实施例，在(从网关到设备的)下游方向和(从设备到网关的)上游方向中定义有向图。在某些实施例中，包括从网关到网络设备的下游路径的图和从网络设备到网关的上游路径的图是不对称的。在某些实施例中，该网络可包括多个网络接入点和冗余网关。另外，由路由定义的路径可与不同的发送调度表相兼容，并且可采用独立于为发送和侦听设备分配无线资源的方式被配置。 

如果需要的话，该无线网络可在过程控制环境下运行以支持无线现场设备、连接到无线适配器的遗留现场设备、便携式检测设备、提供对一个或更多操作员工作站的访问权限的网关设备以及其它设备之间的通信。参与无线 网络的某些或所有设备报告过程控制测量值、诊断数据、设备管理数据、配置数据、网络管理数据等的一种、所有或任意组合。如果需要的话，该无线网络将同样的路由技术应用于每种类型的数据，将每种类型的数据格式化为数据包，并使用相应协议栈的同一层来路由每种类型的数据包。 

该无线网络可另外实现允许源网络设备指定到目的网络设备的完整确定性通信路径的源路由。根据该特征，诸如网络管理器之类的管理实体将网络的局部或完整拓扑传达给网络设备，以便该网络设备可在到目的设备的通信路径中指定每个中间设备。如果需要的话，配置为即可应用图路由又可应用源路由的网络设备可根据包的等待时间要求在图路由和源路由之间进行选择。作为补充或替代地，这些网络设备可根据该数据包的可靠性要求在图路由和源路由之间进行选择。如果需要的话，当该网络在过程控制环境下实现时，该网络可基于数据包是与过程控制数据相关联还是与管理数据相关联来在图路由和源路由之间进行选择。 

附图说明

图1示意性地示出了通过网关设备连接到工厂自动化网络的无线网络，该无线网络提供现场设备和路由器设备之间的通信，并使用本公开内容的路由技术。 

图2是可在图1中示出的无线网络中使用的无线HART协议的各层的示意图。 

图3是在无线网状网络中通过使用本公开内容的路由技术在油库中的现场设备间提供通信的特定示例。 

图4示意性地示出诸如图1或图3示出的网络之类的无线网络可以遵照的星型网络拓扑。 

图5示意性地示出了诸如图1或3示出的网络之类的无线网络可以遵照的网状网络拓扑。 

图6示意性地示出了诸如图1或3示出的网络之类的无线网络可以遵照 的星型网状网络拓扑。 

图7是示出利用本公开内容的某些图路由技术的无线网络中的冗余上游数据路径的框图。 

图8是示出利用本公开内容的某些图路由技术的无线网络中的冗余下游数据路径的框图。 

图9是示出利用本公开内容的某些源路由技术的无线网络中的下游和上游数据路径的框图。 

图10是可被在图1或3中示出的无线网络中运行的设备执行以向该无线网络中的另一设备发送数据包的示例程序。 

图11是可被在图1或3中示出的无线网络中运行的设备执行以对由该无线网络中的另一设备发送的数据包进行路由的示例程序。 

具体实施方式

图1示出示例性通信网络10，在示例性通信网络10中，可以使用这里所描述的通信路由技术。具体来说，网络10可以包括与无线通信网络14连接的工厂自动化网络12。工厂自动化/控制网络12可以包括通过通信骨干20连接的一个或更多固定工作站16和一个或更多便携式工作站18，其中通信骨干20可以利用以太网、RS-485、Profibus DP或任何其它适合的通信硬件和协议来实现。这些工作站16、18和形成工厂自动化网络12的其它装置可以向工厂员工提供各种控制和监督功能，包括提供对无线网络14中的设备的访问权限。工厂自动化/控制网络12和无线网络14可以经由网关设备22进行连接。更为具体地，网关设备22可以采用有线方式连接到骨干20并且可以利用任何适合的(例如已知的)通信协议与工厂自动化/控制网络12进行通信。可以采用任何其它想要的方式(例如，作为单机设备、可插入主机工作站16或18的扩展槽的卡、作为基于PLC或基于DCS的系统的输入/输出(I/O)子系统的一部分等等)来实现的网关设备22可以提供在网络12上运行且具有对无线网络14的各种设备的访问权限的应用程序。除了 协议和命令转换，网关设备22还可以提供与在无线网络14中实现的无线协议相关联的调度方案的时隙和超帧(在时间上均匀分隔开的通信时隙组)所使用的同步计时。 

在一些配置中，网络10可以包括多于一个网关设备22以提高网络10的效率和可靠性。具体来说，多个网关设备22可以提供用于无线网络14和工厂自动化网络12以及外部世界之间的通信的额外带宽。另一方面，网关设备22可根据无线网络14内的网关通信需要向适当的网络服务请求带宽。网关设备22可以在该通信系统在运行的同时进一步重新评价需要的带宽。例如，网关设备22可以从驻留在无线网络14外部的主机接收请求以检索大量的数据。然后，网关设备22可以从专用服务请求额外的带宽以适应该事务。在该事务完成时，网关设备22还可以或稍后请求释放不必要的带宽。 

为了进一步增加带宽和改进可靠性，网关设备22可在功能上划分为虚拟网关24和一个或更多网络接入点25，网络接入点25可以是分立的物理设备，与网关设备22进行有线通信。然而，尽管图1示出部署在物理分离的网关设备22和接入点25之间的有线连接26，但是应当理解，元件22-26也可作为整体设备被提供。由于网络接入点25可与网关设备22物理分离，因此接入点25可在策略上放置在无线网络14的若干个不同的位置。除了增加带宽之外，使用多个接入点25可通过使用其它接入点25补偿在一个接入点25处的可能差的信号质量，来增加无线网络14的整体可靠性。在接入点25中的一个或更多接入点出现故障的情况下，具有多个接入点25还提供了冗余。 

除了分配带宽以及另外地，桥接网络12和14之外，网关设备22可在无线网络14中执行一项或更多管理功能。如图1所示，网络管理器软件模块27和安全管理器软件模块28可在网关设备22中被存储和执行。可替代地，网络管理器27和/或安全管理器28可在工厂自动化网络12中的主机16或18之一上运行。例如，网络管理器27可在主机16上运行，而安全管理器28可在主机18上运行。网络管理器27可负责无线网络14的配置、调度 无线设备之间的通信、管理与无线设备相关联的路由表、检测无线网络14的总体健康、向工作站16和18报告无线网络14的健康以及其它管理和监督功能。尽管在无线网络27中有单个有效的网络管理器27就已足够，但冗余网络管理器27可以类似地被提供以保护无线网络免受意料之外的设备故障。同时，安全管理器28可以负责保护无线网络14不受到未被授权的设备的恶意或无意入侵。为了这个目的，安全管理器28可以管理鉴权代码，验证由尝试加入无线网络14的设备提供的授权信息，更新诸如到期密钥之类的暂时性安全数据以及执行其它安全功能。 

继续参照图1，无线网络14可以包括一个或更多现场设备30-36。通常，像那些在化工、石油或其它加工厂中使用的过程控制系统包括诸如阀、阀定位器、开关、传感器(例如温度、压力和流速传感器)泵、风机等等之类的现场设备。一般而言，现场设备执行该过程内的物理控制功能，例如，开阀或关阀或获得过程参数的测量值。在无线通信网络14中，现场设备30-36为无线通信包的生成者和使用者。 

设备30-36可以利用无线通信协议进行通信，该无线通信协议提供了类似的有线网络的功能，具有类似或改进的运行性能。具体来说，该协议可以使得该系统能执行过程数据监测、关键数据监测(具有更严格的性能要求)、校准、设备状态和诊断监测、现场设备故障检修、试运转以及监督过程控制。然而，执行这些功能的应用程序通常要求无线网络14支持的协议在必要时提供快速更新，在需要时移动大量的数据，并且支持加入无线网络14的网络设备，即使仅仅暂时用于试运转和修护工作。 

在一个实施例中，支持无线网络14的网络设备30-36的无线协议是已知有线HART协议的扩展，这是一种被广泛接受的行业标准，其维护有线环境的简单工作流程和实践。在这种意义上，网络设备30-36可以被视为并且这里被称为无线HART设备，并且相应地，无线网络14被视为无线HART网络。通过简单增加新的设备描述文件，用于有线HART设备的相同工具可以容易地适用于无线设备30-36。以这种方式，该无线协议可以借助利用有 线HART协议获得的经验和知识的杠杆作用来使培训最少并简化维护和支持。一般而言，使协议适应于无线应用，以便在设备上运行的大多数应用程序没有“注意到”从有线网络到无线网络的转变可以是方便的。显然，这样的透明性大大减小了升级网络的成本，并且更为一般地，减小了与开发和支持可以和这样的网络一起使用的设备相关的成本。对众所周知的HART协议进行无线扩展的一些另外的好处包括：对用有线设备难以获得或需要昂贵的代价才能获得的测量结果的访问以及从可以安装在膝上型电脑、手持机、工作站等等上的系统软件配置和操作仪器的能力。另一个好处是有能力将诊断警告从无线设备返回通过通信基础设施送到在集中放置的诊断中心。例如，加工厂中的每个热交换器可能与无线HART设备安装在一起并且当交换器检测到问题时，可以警告终端用户和供应商。 

又一好处是有能力监测呈现严重健康和安全问题的状况。例如，无线HART设备可能放置在路上的洪水区并用于警告当局或司机有关水位的情况。其它好处包括：对宽范围的诊断警告的访问，和在无线HART设备处存储趋势值以及计算值的能力，以便当建立了与该设备的通信时，可以将这些值传输到主机。在这种方式下，无线HART协议可以提供使主机应用程序能够无线访问现有的HART使能现场设备的平台，并且该无线HART协议可以支持电池供电的、仅限无线的HART使能现场设备的部署。该无线HART协议可以用于建立过程应用的无线通信标准，并且可以进一步通过增强基本的HART技术以支持无线过程自动化应用，来扩展HART通信的应用以及该协议提供给过程控制行业的好处。 

再次参见图1，现场设备30-36可以是无线HART现场设备，每个现场设备30-36采用整体单元的形式并且支持无线HART协议栈的所有层。例如，在无线网络14中，现场设备30可以是无线HART流量计，现场设备32可以是无线HART压力传感器，现场设备34可以是无线HART阀定位器，现场设备36可以是无线HART压力传感器。重要的是，无线设备30-36可以支持用户已经从有线HART协议见到的所有的HART特征。如本领域技术 人员将会懂得的是，该HART协议的核心实力之一在于它的严格的协同工作能力要求。在一些实施例中，所有无线HART装置包括被设计为允许(例如，由不同厂商制造的)同等的设备类型被互换而不会危及系统运行的核心强制性能力。而且，无线HART协议向后兼容诸如设备描述语言(DDL)之类的HART核心技术。在优选实施例中，所有的无线HART设备应该支持DDL，其确保终端用户直接具有开始使用无线HART协议的工具。 

如果需要的话，无线网络14可以包括非无线设备。例如，图1的现场设备38可以是遗留4-20mA设备，并且现场设备40可以是传统的有线HART设备。为了在无线网络14内进行通信，现场设备38和40可经由无线HART适配器(WHA)50或50A连接到无线HART网络14。另外，WHA 50可以支持其它通信协议，例如， 

Fieldbus、PROFIBUS、DeviceNet等等。在这些实施例中，WHA 50支持在协议栈的较下层上的协议转换。另外，预计单个WHA 50也可以充当多路复用器并且可以支持多个HART或非HART设备。 

工厂员工另外可使用手持式设备进行网络设备的安装、控制、监测和维护。一般而言，手持式设备是便携式装置，该便携式装置可以直接连接到无线网络14或通过网关设备22连接到无线网络14作为工厂自动化网络12上的主机。如图1示出的，连接无线HART的手持式设备55可以直接与无线网络14进行通信。当与形成的无线网络14一起运行时，手持式设备55可以只是作为另一无线HART现场设备加入无线网络14。当与没有连接到无线HART网络的目标网络设备一起运行时，手持式设备55可以通过与该目标网络设备形成它自己的无线网络，作为网关设备22和网络管理器27的结合来运行。 

连接工厂自动化网络的手持式设备(未示出)可以用于通过诸如Wi-Fi之类的已知组网技术连接到工厂自动化网络12。该设备采用与外部工厂自动化服务器(未示出)相同的方式，或者采用与工作站16和18和设备30-40的通信相同的方式，通过网关设备22与网络设备30-40进行通信。 

另外，无线网络14可以包括路由器设备60，该路由器设备60是从一个网络设备向另一个网络设备转发包的网络设备。正在充当路由器设备的网络设备使用内部路由表来指挥路由，即来决定特定的包应该被发送给哪个网络设备。在那些无线网络14上的所有设备都支持路由的实施例中，可以不需要诸如路由器60之类的单机路由器。然而，(例如为了扩展网络，或为了节省该网络中的现场设备的电力)添加一个或更多专用路由器60到网络14可以是有益的。 

直接连接到无线网络14的所有设备可以被称为网络设备。具体来说，无线现场设备30-36、适配器50、路由器60、网关设备22、接入点25以及无线手持式设备55是为了路由和调度目的的网络设备，这些网络设备中的每一个形成无线网络14的节点。为了提供非常健壮的和容易扩展的无线网络，网络中的所有设备可以支持路由并且每个网络设备可以用诸如HART协议地址之类的实质上唯一的地址来进行全局标识。无线网络14中的某些或所有网络设备可包括处理器和用于存储数据、可编程指令以及其它信息的存储器。该网络的处理和存储能力可发生巨大的变化。应当认识到，该网络设备可由不同的制造商制造，或者可表示特定设备的不同版本或不同代。 

网络管理器27可以包含网络设备的完整列表，并且可以指派给每个设备短的、网络唯一的别名。另外，每个网络设备可以存储与更新速率、连接会话以及设备资源相关的信息。简而言之，每个网络设备可维护与无线网络14内的路由和调度相关的最新信息。每当新的设备加入该网络时或每当网络管理器27检测到或发起无线网络14的拓扑或调度的改变时，网络管理器27可以将该信息传达到网络设备。 

进一步，每个网络设备可以存储并维护该网络设备在侦听操作期间已经识别的邻居设备的列表。一般而言，网络设备的邻居是潜在能够根据由相应的网络强制实行的标准建立与该网络设备的通信连接的任何类型的另一个网络设备。在为无线HART网络14的情况下，该连接是直接无线连接。然而，将会理解的是，邻居设备还可以是以有线方式连接到该特定设备的网络 设备。如稍后将要讨论的，网络设备通过广告或在指定的时段发出的特殊消息来促进其它网络设备发现它们。可操作地连接到无线网络14的网络设备具有一个或更多邻居，这些网络设备可以根据广告信号的强度或根据一些其它原则选择这些邻居。 

在如图1示出的实例中，由直接无线连接65连接的一网络设备对中的每个设备将另一个识别为邻居。无线网络14的网络设备可以形成大量的设备间连接65。建立两个网络设备之间的直接无线连接65的可能性和愿望由诸如这些节点之间的物理距离、这些节点(设备)之间的障碍、这两个节点中的每一个节点处的信号强度等等若干因素来确定。因此每个无线连接65可由与发送频率、接入无线电资源的方法等有关的一个大的参数组特征化。本领域普通技术人员将认识到的是，通常，无线通信协议可以在指定频率上运行，例如由美国的联邦电信委员会(FCC)指派的那些频率，或运行于无许可证的无线电频段(例如，2.4GHz)。尽管这里讨论的系统和方法可以应用于在任何指定频率或频率范围上运行的无线网络，但是下面讨论的示例性实施例涉及与运行于无线电频谱上的无许可证的或者共享部分的无线网络14。根据这个实施例，无线网络14可以被容易地驱使或调整为根据需要在特定的无许可证的频率范围中运行。 

继续参照图1，两个或更多直接无线连接65可以形成在不能形成直接无线连接65的节点之间的通信路径。例如，无线HART手持式设备55和无线HART设备36之间的直接无线连接65A，连同无线HART设备36和路由器60之间的直接无线连接65B，可以形成设备55和60之间的通信路径。如以下更加详细讨论的，这些通信路径中的至少一些可以是有向通信路径(即仅允许一对设备之间沿一个方向传输数据)。同时，无线HART设备36可以直接连接到网络设备55、60、32中的每一个，并且连接到网络接入点25A和25B。一般而言，在无线网络14中运行的网络设备可以发起数据包、中继由其它设备发送的数据包或执行这两种类型的操作。如这里所使用的，术语“终端设备”指不中继由其它设备发送的数据包的网络设备，而术语 “路由设备”指中继在其他网络设备之间传播的数据包的网络设备。当然，路由设备还可以发起它自己的数据。因此，一个或若干终端设备和路由设备，连同若干直接连接65，可以形成网状网络的一部分。 

因为加工厂可以具有成百或者甚至上千个现场设备，所以在该工厂中运行的无线网络14可以包括大量的节点，并且在许多工作情况下包括更大量的节点对之间的直接连接65。结果，无线网络14可能具有复杂的网状拓扑，并且不共享直接连接65的一些设备对可能必须通过执行这些设备之间的通信的许多中间跳来进行通信。因此，在数据包离开源设备之后到达目的设备之前，可能有时需要沿许多直接连接65进行传播，并且每个直接连接65可能对该数据包的总传递时间添加一延迟。而且，这些中间设备中的某些中间设备可以位于网状网络的许多通信路径的交叉点处。同样，可能除了发起它自己包之外，这些设备还可能要负责中继由许多不同设备发起的大量的包。因此，相对忙的中间设备可以不马上转发瞬变的数据包，而是在相应的通信路径上向下一个节点发送该包之前，可以将该包排入队列等待相对长的时间。当数据包最终到达该目的设备时，该目的设备可以用确认包进行回复，该确认包也可能遇到类似的延迟。在该包传播到目的设备以及相应的确认包从该目的设备传播回到该发起设备期间，该发起节点可能不知道该数据是否已经成功到达该目的设备。而且，设备可能由于调度维护和升级或由于意外故障而离开无线网络14，从而改变了该网状网络的拓扑并破坏了这些通信路径中的某些路径。类似地，这些设备可以加入无线网络14，从而添加了另外的直接连接65。如果不以高效且及时的方式进行处理的话，无线网络14的拓扑的这些或其它改变可能会大大影响节点对之间的数据发送。 

然而，重要的是，传递数据包的效率可以在很大程度上决定工厂运行的可靠性、安全性和总体质量。例如，包括指示反应器的过高温度的测量值的数据包应该快速并可靠地到达另一节点，例如手持式设备55，以便操作员或控制器可以马上采取适当的措施并且如果必要的话致力于解决危险情况。为了高效利用可用的直接无线连接65并完全适应频繁改变的网络拓扑，网 络连接器27可以维护完整的网络地图(network map)67，可定义连接至少某些网络设备对30-50的路由方案，并且可将该路由方案的相关部分传达给参与该路由方案的每个网络设备。 

具体来说，网络管理器27可以定义包括一个或更多单向通信路径的一组有向图，将图标识符指派给每个定义的有向图，并且可以将每个图定义的相关部分传达给每个相应的网络设备，每个相应的网络设备而后可以更新特定设备的、在本地存储的连接表69。如以下更详细的说明，网络设备30-50接着可以基于包括在数据包的包头或包尾的图标识符来路由这些数据包。如果需要的话，每个连接表69可以仅仅存储与相应的网络设备直接相关的路由信息，这样该网络设备不知道包括该网络设备的有向图的完整定义。换句话说，该网络设备可能无法“看到”其直接邻居之外的网络，并且在这种意义上，该网络设备可能不知道无线网络14的完整拓扑。例如，在图1中示出的路由器设备60可以存储连接表69A，其可以仅仅指定与相邻网络设备32、36、50和34相关的路由信息。同时，WHA 50A可以存储连接表69B，其相应地可以指定与WHA 50A的邻居相关的路由信息。 

在某些情况下，网络管理器27可以在网络设备对之间定义双重通信路径，以确保在主通信路径的直接连接65之一变得不可用的情况下，数据包仍然可以沿副通信路径到达目的设备。然而，直接连接65中的一些可以在特定的网络设备对的主路径和副路径之间被共享。而且，网络管理器27在某些情况下可以将要使用的整个通信路径传达给某一网络设备，该网络设备接着可以发起数据包并且将完整的路径信息包括在该数据包的包头和包尾中。优选地，针对无严格的等待时间要求的数据，网络设备使用这种路由方法。如下详细讨论的，该方法(这里称为“源路由”)可以不提供相同程度的可靠性和灵活性，并且，一般而言，可以具有传递延迟较长的特征。 

网络管理器27还可管理可用的无线电资源。具体来说，网络管理器27可将为无线网络14分配的无线电带宽划分成独立的通信信道，并且进一步以例如时分多址(TDMA)通信时隙为单位在每个信道上测量发送和接收时 机。具体来说，无线网络14可以在某一频带内运行，该频带在大多数情况下可以安全地与若干截然不同的载波频率相关联，以便以一个频率进行的通信可以与以该频带内的另一频率进行的通信同时发生。本领域普通技术人员将会理解的是，在典型应用中的载波频率(例如公共无线电)被充分地分隔开以防止相邻载波频率之间的干扰。例如，在2.4GHz频带中，IEEE指派频率2.455给信道号21，指派频率2.460给信道号22，从而允许2.4GHz频带的两个相邻段之间隔开5KHz。完整网络地图67可以因此将每个通信信道与截然不同的载波频率相关联，该载波频率可以是该频带的特定段的中心频率。 

同时，如使用TDMA技术的行业中通常所用的，术语“时隙”指特定的持续时间段，较大的时段被分成该特定的持续时间段以提供受控的带宽共享方法。例如，一秒可以分成10等分的100毫秒时隙。虽然完整网络地图67优选地以单个固定持续时间的时隙分配资源，但是只要无线网络14的每个相关节点都被适当地通知了这种改变，那么改变这些时隙的持续时间也是可能的。继续10个100毫秒时隙的实例定义，两个设备可以每秒交换一次数据，在每秒的第一个100ms时段(即第一时隙)期间一个设备进行发送，在每秒的第四个100ms(即第四时隙)期间，另一设备进行发送，而剩下的时隙未被占用。因此，在无线网络14上的节点可以通过发送频率以及相应的设备可以在其间发送和接收数据的时隙来标识被调度的发送时机和接收时机。 

以上概括描述的支持无线网络14的通信协议在这里被称为无线HART协议70，并且参照图2更详细地讨论该协议的操作。然而，应当注意到，无线HART协议70在这里仅作为示例呈现，也可以在不与现有HART技术共享一个或更多层的情况下定义适合的协议。根据下面描述的示例协议栈，直接无线连接65中的每一个可以根据无线HART协议70的物理和逻辑要求来传输数据。同时，无线HART协议70可以高效地支持在时隙内并且沿由网络管理器27定义的有向图的通信路径进行的通信。 

图2示意性地示出了无线HART协议70的一个示例性实施例的各层，与众所周知的通信协议的ISO/OSI7层模型的各层近似对齐。作为比较，图2另外示出现有的“有线”HART协议72的各层。将会理解的是，无线HART协议70不一定要具有有线对等体。然而，如下面将要详细讨论的，无线HART协议70可以通过与现有协议共享该协议栈的一个或更多上层来大大方便其实现。如以上所指示的，如以上所指示的，与为类似网络提供服务的有线协议72相比，无线HART协议70可以提供相同或更高程度的可靠性和安全性。同时，通过消除安装有线的需要，无线HART协议70可以提供若干重要的优点，例如降低与安装网络设备相关的成本。还将会理解的是，虽然图2将无线HART协议70表现为HART协议72的无线对等体，但这种特定的对应在这里仅仅是作为实例被提供。在其它可能的实施例中，无线HART协议70的一或更多层可以对应于其它协议，或如以上所提及的，无线HART协议70可以不与现有协议中的任何一个共享甚至最上面的应用层。 

如图2中示出的，HART技术的无线扩展可以将至少一个新物理层(例如，IEEE802.15.4无线电标准)和两个数据链路层(例如，有线和无线网格)添加给已知的HART实施。一般而言，无线HART协议70可以是安全的、在2.4GHz ISM无线电频带中运行的无线网格组网技术(块74)。如果需要的话，无线HART协议70可以在一个事务接一个事务的基础上利用可兼容IEEE 802.15.4b的直接序列扩频通信(DSSS)无线电和信道跳频。可以利用TDMA对该无线HART通信进行调停以调度链路活动(块76)。同样，优选地，所有通信在指定的时隙内执行。一个或更多源设备和一个或更多目的设备可以被调度以在给定时隙中进行通信，并且每个时隙可以专门用于来自单个源设备的通信，或者这些源设备可以被调度为利用像CSMA/CA那样的共享通信接入模式进行通信。源设备可以发送消息到一个或更多特定的目标设备或者可以将消息广播到被指派时隙的所有目标设备。 

因为这里描述的无线HART协议允许部署网状拓扑，所以也可以指定重要的网络层78。具体来说，网络层78可以使得单独的设备之间能够建立 直接无线连接65，并且使得无线网络14的特定节点(例如设备34)和网关22之间能够通过一个或更多中间跳来路由数据。在某些实施例中，网络设备对30-50可以建立包括一个或若干跳的通信路径，而在其它实施例中，所有数据可以要么向上游传播到网关设备22，要么从网关设备22向下游传播到特定的节点。 

为了增强可靠性，无线HART协议70可以将TDMA与一种将多个无线电频率与单个通信源相关联的方法(例如，信道跳频)相结合。信道跳频提供了最小化干扰并减少多径衰落影响的频率分集。具体来说，数据链路76可提供供网络设备在相同或不同的发送会话期间在多个载波频率间循环的机制。例如，网络设备38可在10毫秒时隙中每秒一次传输某种类型的数据给网络接入点25A。在某个1秒间隔期间，网络设备38可以在频率F1传输该数据，在接下来的1秒间隔期间，网络设备38可以在频率F2等发送类似的数据。鉴于无线网络14在运行期间可能遇到的各种各样的干扰源，信道跳频可通过有效地“防范(hedging)”在差质量信道中进行发送的风险来提供更高级别的可靠性。 

在一个实施例中，网络管理器27另外负责分配、指派并调整与数据链路层76相关联的时隙资源。如果网络管理器27的单个例子支持多个无线HART网络14，网络管理器27可以为无线HART网络14的每个例子生成总体调度表。 

无线HART协议70可以进一步定义链路或链路对象以便在逻辑上统一调度和路由。具体来说，链路可以与具体的网络设备、具体的超帧、相对隙数、一个或更多链路选项(发送、接收、共享)以及链路类型(正常、发现、广播、加入)相关联。如图2中示出的，数据链路层76可以是频率捷变的。更为具体地，信道偏移量可以用于计算用于执行通信的具体的无线电频率。网络管理器27可以鉴于每个网络设备处的通信要求定义一组链路。然后，每个网络设备可以被配置以所定义的该组链路。所定义的该组链路可以确定该网络设备何时需要醒来，以及该网络设备是否应该在醒来后即进行发送、 接收或同时发送/接收。 

仍参照图2，无线HART协议70的传输层80允许有效的尽力而为的通信和可靠的、端到端确认式通信。如本领域技术人员将会认识到的，尽力而为的通信允许设备发送包而不进行端到端的确认，并且不保证目的设备处的数据顺序。用户数据报协议(UDP)是这种通信策略的一个众所周知的实例。在过程控制行业中，该方法可能对公布过程数据是有用的。具体来说，因为设备周期性地传播过程数据，所以端到端确认和重试已经限制了效用，特别是考虑到新数据是在定期的基础上产生的。相反，可靠的通信允许设备发送确认包。除了保证数据传递，传输层80还可以安排网络设备间发送的包。对于请求/响应业务，或者当发送事件通知时，这种方法可以是优选的。当使用传输层80的可靠模式时，通信可以变得同步。 

可靠的事务可以被建模为发出请求包的主设备和用响应包进行回复的一个或多个从设备。例如，主设备可以产生某一请求并且可以将该请求广播到整个网络。在某些实施例中，网络管理器27可以使用可靠的广播来告诉无线HART网络14中的每个网络设备激活新的超帧。可替代地，诸如传感器30之类的现场设备可以产生包并且将该请求传播到另一现场设备，例如传播到便携式HART通信装置55。作为另一实例，由现场设备34产生的警报或事件可以作为指向网关设备22的请求被发送。响应于成功接收到该请求，网关设备22可以产生响应包并且可以将该响应包发送到设备34，以对接收到该警报或事件通知进行确认。 

再参见图2，会话层82可以提供网络设备之间的基于会话的通信。可以用会话在该网络层上管理端到端通信。网络设备可以具有为给定对等网络设备定义的多于一个会话。如果想要的话，所有或几乎所有的网络设备都可以具有至少两个与网络管理器27建立的会话：一个用于成对通信，一个用于从网络管理器27进行的网络广播通信。另外，所有网络设备都可以具有网关会话密钥。这些会话可以通过指派给它们的网络设备地址来区分。每个网络设备可以跟踪该设备参与的每个会话的安全信息(加密密钥、当前计数 器)以及传输信息(可靠传输顺序号、重试计数器等)。 

最后，无线HART协议70和有线HART协议72可以支持公共HART应用层84。无线HART协议70的应用层可以另外包括子层86，其支持大数据组的自动分段传输。通过共享应用层84，协议70和72允许对HART命令和数据进行公共封装并且消除了在协议栈的最上层中进行协议转换的需要。 

除了通过分析该网络拓扑来优化路由，网络管理器27可以在调度期间，鉴于特定的网络设备可以发送的数据的类型以及针对每种类型的数据在每个特定的设备处的期望发送频率，来定义图并且分配资源。更为具体地，无线HART协议70可以支持若干种网络通信业务。现有的HART协议72和无线HART协议70都支持交换请求/响应数据、过程数据的公布、发送广播消息和大数据文件的块数据传输。无线HART协议70还可以支持使用同一协议以及同一资源池进行诸如网络配置数据之类的管理数据的发送和诸如由现场设备报告的周期性测量值之类的设备通信，从而允许更高效率的调度。 

因此，通过使用无线HART协议70或类似的协议，无线网络14可在多种工业应用中提供数据包的可靠和有效发送。图3提供了在油库130中形成无线网状网络的特定示例，以示出这里描述的路由技术的可用应用之一。在该特定示例中，油库130可利用若干个无线HART设备来进行油位监测。更具体地说，油库130包含作为现有设施的一部分的若干个库132。本领域普通技术人员将认识到，为了给油库130添加测量和监测能力，并且使每个库132在DCS 134上可见，当前已知的解决方案需要将线缆延伸到每个库以连接新安装的仪表或传感器。若现有的线缆长度范围内没有充足的备用容量，则该操作可能是个昂贵且耗时的选择。另一方面，这里描述的无线解决方案可利用自己供电的仪器来报告新的过程测量值。这些测量值可能例如来自容易安装的无线接触式温度监测设备136。此外，由于为该油库130提供服务的工程师和技术员不需要拉线缆或购买并安装控制器输入模块，因此最 终的成本节约使得添加若干个过程测量点以改进过程可视性经济可行。因此，如图3所示，压力传感器36可额外地添加到每个库。压力传感器36、无线接触式温度监测设备136、网关设备137以及未在图3中示出的另外的无线设备可形成无线网络140。 

如以上参照图1所讨论的，重要的是，考虑每个库132上的无线设备的位置，以便无线网络140可以以高效和可靠的形式建立它本身。在某些情况下，有必要在那些工厂装置可能阻塞或严重影响无线连接的地方上添加路由器60。因此在这种或类似情况下，期望无线网络140是“自修复”的，即能够自动处理传递故障中的至少一些故障。为了满足这种情况或其它设计要求，无线网络140可以定义冗余路径和调度表以便响应于检测到一个或更多直接无线连接65的故障，网络14可以经由备用路由对数据进行路由。而且，可以在不会关断或重启无线网络140的情况下添加和删除这些路径。因为在许多工业环境中的这些障碍或干扰源中的一些可以是暂时的或可移动的，因此，无线网络140可能够自动重新组织自己。更为具体地，响应于一个或更多预定的条件，现场设备对可以将彼此识别为邻居，从而生成直接无线连接65或者相反地，解除先前的直接无线连接65。另外，(在图3中示出为驻留于网关设备137中的)网络管理器142可以额外地生成、删去或暂时中止非邻居设备之间的路径。 

不管特定的网络配置是永久性还是暂时性的，无线网络140要求快速且可靠的在节点间路由数据的方法。在一个可用的实施例中，网络管理器142可以分析关于网络的布局、每个网络设备36、136和137的发送能力和更新速率的信息，以及其它相关信息。然后，网络管理器142可以鉴于这些因素定义路由和调度表。在定义路由和调度表时，网络管理器142可以将无线网络140识别为符合若干与本公开内容的路由和调度技术相兼容的网络拓扑之一。 

图4-6示意性地示出这些网络拓扑中的一些网络拓扑。为了清楚性起见，图4-6中的每一个示出设备对之间的双向连接。然而，将会理解的是，图4-6 中示出的拓扑中的每一个拓扑也与单向连接或双向和单向混合连接(即包括双向和单向连接)相兼容。而且，图4-6中示出的每个连接可以在一个或两个方向上支持若干单向连接，例如，每个单向连接与特定的发送时刻相关联。具体参见图4，网络150可以具有星型网络拓扑。星型网络150包括路由设备152和一个或更多终端设备154。路由设备152可以是被设置成对数据进行路由的网络设备，而终端设备154可以是被设置成仅仅为它自己发送数据以及仅仅接收(或解码)寻址到终端设备154的数据的网络设备。当然，路由设备152也可以是数据的接收方或发起方，并且除其它任务之外，还可以执行路由功能。如在图4中示出的，终端设备154可以具有到路由设备152的直接连接165，但是终端设备154不能采用星型拓扑直接连接。直接连接165可以是直接无线连接65或有线连接。 

终端设备154可以是与路由设备152类型相同的物理设备，并且在物理上可能能够路由数据。在安装终端设备154期间或者在相应的网络(例如无线HART网络14)运行期间，终端设备154的路由能力可以被禁用。而且，终端设备154的路由能力可以被终端设备154自己禁用或者被诸如网络管理器27之类的专用服务禁用。在某种意义上，星型网络150对应于最简单的可用拓扑。它可能适合要求低功耗和低等待时间的小型应用。另外，将注意到的是，星型网络150是确定性的，因为在路由设备152和特定的终端设备154之间仅仅有一个可用的路由。 

现在参见图5，网络170被设置成网状网络拓扑。网状网络170的每个网络设备都是路由设备152。网状网络提供一种在各种设备之间具有多条路径的健壮性网络。在无线应用中，网状网络最好能适应于变化的无线电环境。例如，网络170的设备174可以经由中间跳178或中间跳180发送数据给设备176，只要相应的路径182-188允许在该方向上进行发送。如图5中示出的，路径182和路径184使得路由设备174能够发送数据到路由设备176，向网络170提供冗余和由此产生的提高的可靠性。 

在图6中示出了另一种类型的网络拓扑。网络190结合了星型拓扑和网 状拓扑的元素。具体来说，星型网状网络190包括若干路由设备152(标记为“R”)以及终端设备154(标记为“E”)。路由设备152可以采用网状结构进行连接并且可以支持冗余路径。特定拓扑的选择可以由诸如网络管理器27之类的网络部件自动执行，或者由配置该网络的用户来执行。具体来说，用户可以选择忽略由网络管理器27选择的拓扑或与无线HART协议70相关联的缺省拓扑。预计在大多数应用中，网状拓扑因为该拓扑内在的可靠性、有效性以及冗余性可以是缺省拓扑。显然，因为无线HART设备可以充当路由器设备，所以若干不同的配置可以与现场设备和路由器的同一物理部署相兼容。 

源路由和图路由可以适用于参照图4-6所讨论的拓扑。虽然在不同的情况下两种类型的路由可以是同等有用的，但是将首先讨论图路由。一般而言，在数学理论和应用中，图是一组顶点(诸如152和154之类的节点)和边(直接连接65和165)。例如，无线HART协议70或为无线网络14或140提供服务的另一协议可以使用图来配置将诸如设备30之类的通信端点的连接到图1中示出的网关22的路径。在一些实施例中，图和相关联的路径由网络管理器27来配置。网络管理器27还可以用局部图和路径信息来配置诸如现场设备30-40、路由器60等等之类的独立的网络设备，这些局部图和路径信息可以存储在连接表69中。无线网络14可以包含多个图，这些图中的一些图可以重叠。进一步，某一网络设备可以在多个图中具有经过该设备的路径，这些路径中的一些路径可将数据引导到该设备的同一个邻居。优选地，网络中的每个图与唯一的图标识符相关联。 

为无线网络14和140提供服务的协议(例如无线HART协议70)可以被配置为与许多不同的拓扑一起运行以支持各种应用要求。结果，无线网络14或140可以并发地支持诸如单向图路由和源路由之类的若干种路由方法。虽然无线网络的现有实例支持这两种方法，将会理解的是，无线网络14或140可以另外支持双向图路由或可以仅仅使用这些技术中的一种来路由数据。然而，不管并发路由技术的类型和数目如何，无线网络14或140上的 每个设备可以被指派唯一的网络地址。一旦数据的每个可能的接收机获知关于其它网络元件的某种形式的明确标识，可以由诸如现场设备30-40之类的独立设备、由网络管理器27之类的集中式专用服务或由该集中式服务与独立设备协作做出与路由相关的决策。如以上所指示的，无线网络14的至少一个可能实现可以依赖于网络管理器27来实现大多数或所有路由决策，并且将相关的数据传达到网络设备30-50以存储在连接表69中。进一步，可以在发起点(即在数据包的源)或在中央位置做出路由决策。而且，可以在包从源点到目的地的路径中的每个中间停留或“跳”处调整路由决策。 

在以下讨论的实例中，无线网络提供至少两种进行路由的方法，可以根据给定系统的具体要求和状况，例如组成该系统的网络元件的物理布局、元件的数目、待发送到每个元件的或从每个元件发送的数据的期望数量等等之类，来选择路由的方法。而且，这两种方法可以同时被该无线网络使用，并且每种方法可以，鉴于这两种方法中的每一种方法的性能的某些方面，被有选择性地应用于特定类型的数据或应用于特定的主机或主机组。例如，在传递中，过程变量的测量或打开阀门的命令可以容许相对小的延迟，并且无线网络14可以相应地应用这两种方法中更快更可靠的方法。同时，设备配置命令或响应可以容许较长的延迟并且可以适合于另一方法。 

如以上简单指示的，对于某些分布式控制网络，特别是对于连接过程控制行业中的设备的网络，出于管理、诊断、日志收集以及其它目的将数据引导至某种设备是常见的。图7-9示出无线网络200的几种透视图，无线网络200在两个大体方向上实现数据传输：朝向网关202(这里被称为“上游”方向)以及离开网关202(这里被称为“下游”方向)。出于安全性原因，网络200并不允许对等现场设备之间的直接数据传输，虽然如果需要的话，这里所描述的技术可以用于这种情况。 

图7示出在网络200中的上游路由。具体来说，网络管理器202A(或备用网络管理器202B)可以定义若干有向图，每个图包括作为终端节点的网络接入点205A或第二网络接入点205B。虚拟网关(未示出)可在例如连 接到通信骨干20的主机上运行，并且可与网络管理器202A或202B共享物理主机。在至少某些实施例中，在网络接入点205A或第二网络接入点205B处终止的各个图可以在逻辑上与网络200的虚拟网关相关联。换句话说，尽管在示例性网络200中的每个图的路径通往并终止在两个网络接入点205A或205B之一，但是这些图还定义了到虚拟网关的通信路径。具体来说，图210(用粗体实箭头表示)可以包括网络设备212、214、216、218以及网络接入点205A，其中与图210相关联的那些路径可以包括直接无线连接220、222、224、226和228。图240(用粗体虚箭头表示)可以包括网络设备212、216、218、242以及网络接入点205A，以及包括直接无线连接244、246、248、250以及252的路径。在有向图210中，网络设备212可以被称为有向图210的头而网络接入点205A可以被称为有向图210的尾。类似地，网络设备212是有向图240的头而网络接入点205B是有向图240的尾。网络管理器202A，或者在一定运行条件下备用网络管理器202B，可以定义图210和240，并且可以将这些图210和240的完整或局部定义传达给网络设备212-218和242。如以上参照图1所讨论的，网络设备212-218和242可以维护存储这些局部路径定义的连接表69的最新版本。在一些实施例中，如果相应的通信路径在网络接入点205A-B之一处终止，则网络接入点205A-B可以不要求关于图210和240的信息。然而，将会理解的是，虚拟网关也可以发起数据，并且可以存储与具有从网络接入点205A-B发起的路径的一个或更多图有关的信息。将会进一步注意到的是，通常某一图的路径可以穿过作为中间节点的网络接入点205A或205B；然而，示例性网络200定义总是要么从网络接入点205A或205B发起要么在网络接入点205A或205B终止的路径。 

通过结合虚拟网关使用多个网络接入点25A-B或205A-B，无线网络14或200可实现更高的可靠性。同样重要地，多个网络接入点25A-B或205A-B可用于定义多条到虚拟网关的通信路径，每条路径可与不同的无线(例如无线电)资源相关联，例如信道、时隙、载波频率等。 

为了沿某一图发送数据包，源网络设备可以将该图的标识符包括在数据包中的包头或包尾中。该数据包可以穿过与该图标识符对应的那些路径，直到要么达到它的目的地，要么被丢弃。例如，为了能够在图210中路由包，属于图210的每个网络设备的连接表69可包含条目，这些条目包括该图标识符和邻居网络设备的地址，该邻居网络设备(1)属于相同的图，而且(2)是离目的地更近的一跳。例如网络设备216可以存储下列连接表： 

图标识符	节点
		图_210	218
图_240	218
		图_240	242

而网络设备242可以在该连接表中存储下列信息： 

图标识符	节点
		图_240	205B

尽管以上示例性连接表只是列出与特定条目相关的设备，将会注意到的是，该连接表的节点列可以存储如网络200或无线HART网络14的寻址方案所定义的邻居设备的地址。 

在另一实施例中，节点列可以存储邻居设备的别名、指向存储这些邻居的完整地址或短地址的数组的索引或任何其它明确标识网络设备的手段。可替代地，该连接表可以存储如以下示出的图标识符/无线连接元组。 

图标识符	连接
		图_210	226
图_240	246
		图_240	248

换句话说，该连接表可以列出一个或更多与特定图对应的直接无线连接 65。例如，网络设备216可以询问该连接表并且经由直接无线连接246或248发送携带图标识符240的包。 

如图在7中和以上表中所示出的，可以通过将超过一个的邻居与同一图标识符相关联来建立冗余路径。因此，到达网络设备216并且将图标识符240包含在包头和包尾中的数据包可以被路由到网络设备218或路由到网络设备242。在执行路由操作的同时，网络设备216可以凭借图标识符240在该连接表中执行查找，并且发送包到网络设备218或242中的任一个(或两者)。而且，两个或更多可能的跳之间的路由选择可以是随机的或者根据预定算法来实施。例如，可以考虑负载均衡目的或者鉴于传递统计进行该选择。因此，网络设备216可以通过对等网络设备或从网络管理器27获知，在沿图240路由包时，选择网络设备218作为下一跳具有较低的成功传递该包的概率或者在传递中具有较长的预期或平均延迟。然后，网络设备216可以尝试将更多或可能所有与图240相关联的包路由到网络设备242。 

在一个实施例中，邻居设备通过发送确认包对接收到数据包进行确认。在以上实例中，一旦邻居网络设备218或242对接收到该包进行确认，则网络设备216可以马上释放它。另一方面，如果没有在预定时段内接收到该确认，则网络设备216可以尝试经由备用跳或路径来路由该包。另外，网络设备216可以收集成功传递尝试和失败传递尝试的统计值。接下来的路由决策，例如，在跳218和242之间进行选择，可以包括被调整的统计数据或基于被调整的统计数据。当然，网络设备216可以将涉及网络设备218和242的统计值应用到其它相关图，并且也可以直接或经由网络管理器27将这些统计值传达给其它网络设备。 

如以上所讨论的，在图路由方法中，网络设备沿一组去目的地的路径发送在网络包头中具有图标识符的包。重要的是，只有图标识符就足以对包进行路由，并且尽管其它路由信息也可以包括在该包头中，但仅基于该图标识符就可以正确地传递每个包。在去目的地的路上(即在该路径上)的所有网络设备可以被预先配置以图信息，该图信息指定这些包可以被转发到的邻 居。因为图路由要求为每个可能的目的地预先配置中间网络设备，因此图路由可以更好地适用于从网络设备到网关的通信以及从网关到网络设备的通信。 

现在参见图8，网络管理器202A或202B也可以支持关于网关205A-B中的一个或两者的下游路由。具体来说，图280(用粗体实箭头表示)可以包括节点215、214和212，以及直接无线连接282-286。网络接入点205A是图280的头，并且无线设备212是图280的尾。同时，图290(用粗体虚箭头表示)可以类似地将网络接入点205A连接到无线设备212，并且网络接入点205A作为图290的头。然而，图290可以包括节点205A、218、242、216和212，以及直接连接292-298。因此，为了发送数据包到无线设备212，网络接入点205A可以将对应于图280或290的图标识符包括在该数据包的包头或包尾中。将会理解的是，图280或290中的每一个也可以包括双重连接路径以确保可靠性，并且一般而言，网络管理器202A或202B可以使用类似于以上参照图7所讨论的技术。同样，将会注意到的是，无线设备212-218以及242中的每一个无线设备的连接表69可以包括与用于路由目的的下游图和上游图相关的图路由信息。 

另外，如在图9中示出的，无线网络200可以使用源路由。在源路由中，没有必要对中继设备进行预先配置。为了使用源路由发送该包到它的目的地，该源网络设备可以在数据包的包头中包括例如设备的有序列表，该数据包必须通过有序列表上的设备进行传播。设备的有序列表可以有效地定义该数据包的通信路径。当该包穿过该指定的路径时，每个路由设备可以从该包提取出下一个节点地址以确定该数据包接下来应该传播到哪里，即在下一跳中下一个数据包应该被发送到哪里。因此，源路由要求提前知道该无线网络14的拓扑。然而，如果某一网络设备在该路由列表上没有发现它自己，则该网络设备可将该包发送回到源路由列表中指定的第一设备。源路由允许包在没有中间设备的明确或预先配置设置的情况下去往任意目的地。 

例如，网络设备212可以通过在包头或包尾中指定该完整路径来发送包 到网络接入点205A。如在图9中示出的，网络设备212可以产生包含网络设备214、215和205A的地址的路由列表310并且将该列表310连同该包发送到该列表上的第一跳或设备，即网络设备214。网络设备214接着可以遍历列表310、定位网络设备214的身份(identity)、从列表310中提取该字段、将网络设备215标识为接收包的下一跳并且最后发送该数据包到网络设备215。源路由列表可以驻留在网络包头的可选区域中，并且可以具有依赖于到目的地的跳数的可变大小。类似地，网络设备215可以遍历表310，定位它自己的地址和身份，并且发送该数据包到列表310中的下一跳或设备(在这种情况下，为网络接入点205A)。 

一般而言，仅仅那些已从网络管理器27、142或202A-B获得的完整网络信息的网络设备使用源路由，因为仅仅网络管理器27、142或202A-B知道该网络的完全拓扑。源路由的另外的限制在于它不在中间网络设备中提供冗余，因为以明确指定每个中间跳的包头或包尾的方式发起每个包并且不提供任何路由备选项。因此，如果由包头或包尾指定的中间网络设备之一未能中继包，则沿指定的源路由对该包的传递失败。不过，检测到源路由失败的中间节点仍可尝试通过推迟图路由来传递该数据包。因此，在包头和包尾中指定源路由的各个数据包优选地包括图标识符作为路由备用。当源路由出现失败时，中间(或在某些情况下为源)节点将路径故障消息通知给网络管理器27、142或202A-B。然后，由网络管理器27、142或202A-B用备用路由重新编程或重新配置该源。为了方便检测这些错误情况，无线网络设备14、140或200要求网络设备发送路由故障通知到网络管理器27、142或202A-B。相应地，诸如无线HART协议70之类的协议可以在该协议定义中提供消息类型或信息元素以报告这种或其它类型的传递故障。在另一实施例中，路由列表310(参见图9)可以指定备用路由，作为对由发送方选择的路由的补充。在又一实施例中，主路由以及一个或更多备用路由可以局部合并以避免在包头和包尾中重复该路径的公共部分。 

优选但不是必需地，路由列表310包括定义从源到目的地的完整路由的 完整路径定义。可替代地，数据包可在没有完整列表310的情况下被发送，并且可仅指定到达某一中间设备的通信路径。如以上所论述的，中间设备然后可使用图路由技术将该数据包路由至最终目的地。 

总体参见图1、3以及7-9，网络管理器27、142或202A-B可以维护该网络中所有设备的列表。网络管理器27、142或202A-B也可以包含整个网络拓扑，整个网络拓扑包括该网络的完整图以及该图的已经被传达到每个设备的最新部分。网络管理器27可以使用网络管理器27从网络设备30-40、50、60、55等等接收的信息来产生路由和连接信息。网络管理器27、142或202A-B可以接着根据网络设备和由每个网络设备报告的邻居的列表来建立该网络的图。再参见图1，例如，网络设备50B可以报告“看到”邻居设备60和34。网络管理器27、142或202A-B也可以负责产生和维护相应网络的所有路由信息。在一个实施例中，总是有一个完整网络路由和若干特定目的的路由，其用于从网络管理器202A或202B发送设定点和其它设定到控制命令的接收方(图7-9)。此外，广播路由(其流过该网络中的大多数或所有设备)可以用于从网络管理器27、114或202A-B发送广播消息到网络14或200的所有设备。更进一步，一旦知道了路由信息和突发模式更新速率，网络管理器27、114或202A-B还在可以实施对网络资源的调度。 

当设备最初被添加到网络14、140或200时，相应的网络管理器可以存储从每个网络设备报告的所有邻居条目。网络管理器27、114或202A-B可以使用该信息建立最初的完整网络图并且在运行期间修改这些图。该网络图被合并起来，优化了若干属性，这些属性包括：如由以上讨论的统计值采集反映的跳计数、报告速率、功率使用、以及总的业务流。该拓扑的一个关键方面是将设备连接在一起的连接列表。因为独立连接的存在和健康可以随时间而变化，所以网络管理器27、114或202A-B可以被另外编程或配置以更新总的拓扑，这可以包括在每个网络设备中添加和删除信息。在一些实施例中，仅仅网络管理器27、114或202A-B以及网关22或202A-B可以知道足够的信息来使用源路由。更为具体地，可能期望出于安全目的而阻止任何两 个任意设备之间的对等通信。 

简而言之，图路由可以针对网络管理器27或网关22向上游和下游引导业务，并且图路由和源路由都可以被优化以满足等待时间要求低的应用，其包括从网络设备传输到该网关的测量信息以及从网关设备传输到诸如调节阀、开关阀、泵、风机、档板以及采用许多其它方式使用的马达之类的最终控制指挥部的控制信息。 

在一些实施例中，路径冗余可能是网络管理器27、114或202A-B的策略问题，而非图的巧合重叠。换句话说，网络27、114或202A-B可以尝试为每个设备定义至少两个邻居。因此，网络管理器27、114或202A-B可以被配置为主动追求网状拓扑或星型网状拓扑。因此，诸如无线HART协议70之类的支持协议可以提供很高的端到端的数据可靠性。从物理角度来看，每个现场设备或其它网络设备应该在可以从该现场设备接收消息并转发这些消息的至少两个其它设备的通信范围内。 

网络管理器27、114或202A-B可以另外验证每个图定义，以便确保还没有形成回路。在网络管理器27、114或202A-B主动追求路径冗余并定义许多各种大小的图的实施例中，通信路径有时可能被错误地定义为将数据包从源引导回到同一个源。根据这样的错误图定义，可能将包从该源直接路由回到该源或者可以在回到该源之前访问一个或更多中间跳。每当例如由于添加或去除设备而使相关网络的拓扑变化时，或每当网络管理器27出于任何原因调整路由图和调度表时，可以执行回路验证。可替代地，网络管理器27可以周期性地执行回路检查作为后台任务。 

如以上所指示的，为了传递和适当地中继数据包，路由中涉及的设备参考图路由、源路由或目的地址。各个网络设备的地址必须是全局唯一的，以便使无线HART网络14适当地与可包括有线HART设备的更大网络协作。出于这个原因，无线HART协议70可另外提供明确的寻址方案并另外提供到更大的网络场景的地址有效映射。 

图10和11示出与可被无线网络14、140或200中的网络设备在发起或 中继数据包时分别执行的路由相关的示例程序。具体来说，网络设备可将程序350存储为网络设备的存储器中的一组计算机指令，或者用专用电子电路(ASIC)来实现该程序250。 

在块352中，程序350取回用于发送到目的地或“目标”网络设备的数据包。具体来说，该程序可接收净荷(playload)，该净荷包括过程控制数据(例如开阀命令、压力测量值等)、网络配置数据(例如分配更多带宽的请求、已发现新邻居的指示等)或其它类型的数据。该程序可通过用充足的路由信息填充数据包的包头、包尾或其它相关部分以允许该数据包到达目的设备来准备数据包。在图10中示出的示例实施例中，在块354中，程序350可检查数据包是否要求低的等待时间。如果数据包没有低等待时间要求，那么程序350可选择通过源路由而非图路由来发送数据包，以便更好地允许更高优先级的数据使用时间关键性(time-critical)资源。如以上所论述的，程序350可例如将过程控制数据标识为低等待时间数据，而将网络管理数据标识为非低等待时间数据。当然，程序350在块354中也可执行其它类型的检查，例如检查数据包是否与高优先级警报相关。 

如果块352中接收的数据包没有低等待时间要求，则程序350可检查网络设备是否有关于该网络的拓扑的充足信息以指定到目的地的完整路径(块355)。再参见图1，例如，假设网络设备对34和32、32和50A以及50A和25A之间的直接连接65支持在所需方向上的连接，则为了使网络设备34指定到网关设备22的完整路径，网络设备34可能需要对这些连接有所了解。因此，程序350可在块355中确定到目标设备的完整路径不能被完全识别，并且可通过图路由发送该数据包。 

另一方面，如果程序350在块354中确定该数据包具有低等待时间要求(或者如果程序350在块355中确定到目标设备的完整路径是未知的)，则程序350可在块356中标识适当的图。再参见图7，例如，无线设备216可将图240标识为到网络接入点205B的可用路径。如以上所论述的，无线设备216可在连接表69中存储足以做出该确定的信息。接下来，在块358中， 程序350可将图240的图标识符附在数据包的包头或包尾。应当认识到，通常，为无线网络提供服务的协议(例如无线HART协议70)可提供各种将路由信息与数据包相关联的有效手段。因此，本领域普通技术人员将认识到，将图标识符插入数据包的包头或包尾的特定示例仅作为示例被提供，其它替代手段也能够被想到。 

程序350然后可标识与在块358中所选择的图相关联的通信路径中的下一跳(块360)。再参见图7，无线设备216的特定设备连接表69可存储以下条目： 

图标识符	节点
		图_240	218
图_240	242

在这种特定情况下，网络设备252可在两个选项之间选择，这两个选项都适合沿图240路由数据包。如以上所论述的，程序350在块360中可使用若干种方法来进行可用选项之间的选择。最后，程序350可在块362中将该包发送到下一跳。为了继续以上参照图7的网络设备216论述的示例，程序350可将该包发送到节点218。 

如果在块354中，程序350确定有足够的用于为该数据包指定完整路径的信息可用，则该程序350可继续进行块364并获取路径信息。例如，当无线设备214(图7)向网络接入点205A发送数据包时，设备214可检索包括网络设备218和205A的地址以及其它类型的标识符的列表。接下来，为了以同样的示例继续，类似于以上论述的步骤358，程序350可将完整的路径信息附在该数据包上作为指定网络设备218和205A的有序列表。然后，该程序可在如在图9的列表310所示的生成列表中查找下一跳。程序350然后或继续进行到块362，其中该网络设备将该数据包发送到在块360或块368中标识的邻居。 

在接收到数据包后，该邻居可接下来执行路由程序400(图11)以接收 和处理发送到该邻居的数据包，或将该数据包转发到该通信路径中的下一跳。程序400可在块402中接收包括包头、包尾或其它与优先级相关的和路由相关的信息的数据包，并在块404中检查路由的类型。为了指示路由的类型(图路由、源路由等)，该无线协议可使用例如包头中的标志，或者任何其它已知或期望的发信号通知该包中所跟随的信息的类型的手段。如果程序400确定使用图路由，则程序400然后可检查在该数据包的包头或包尾标识的图是否在该设备中终止(块406)。再参见图8，无线设备242可例如接收包括与该图290相关联的图标识符的数据包。在程序400的块406中，无线设备242可检查该特定设备路由表69以看看是否无线设备242作为该图290的尾部被列出。换句话说，无线设备242可确定携带该图290的标识的数据包被发送到无线设备242还是仅仅经由无线设备242被发送到另一网络设备。如果程序400确定执行程序400的网络设备不是块404中所标识的图的尾部，则如以上参照图6或10所论述的，网络设备242可通过检查特定设备连接表69来在列表中确定下一跳(块408)。否则，程序400可在块410中继续进行处理或“使用(consuming)”该数据包。 

可替代地，在块404中将路由类型标识为源路由后，程序400可继续进行到块412。在这种情况下，程序400可遍历该列表以定位执行程序400的设备的身份。如早先参照图9所论述的，列表310可顺序地列出对应通信路径中的每个中间网络设备和可能终止的网络设备。在定位它自己的身份之后，执行程序400的设备然后可检查该标识信息是否是列表310中的最后一个身份(块414)。应当认识到，也可使用其它表示目标或目的网络设备的方法。例如，除了列表310或图标识符之外，各个数据包还可包括目的地信息。然而，示例程序400可从设备标识相对于列表310末端的位置获得目标信息。如果在列表310中该设备身份后面没有跟随任何标识更多的跳的信息，则程序400可处理或使用该数据包。否则，程序400可尝试提取下一跳的地址(块416)，并且如果程序400找到与该地址，并识别出与该地址相对应的邻居设备(块417)，则程序400可将数据包发送到所识别的网络节 点(块418)。另一方面，如果程序400在块417中无法成功提取下一跳信息，则程序400可尝试使用适当的图路由作为替代。在至少某些实施例中，包括诸如列表310之类的源路由信息的数据包可另外包括图标识符。在这个意义上，数据包可将源路由指定为主路由方法，并将图路由指定为副路由方法。 

在某些实施例中，程序400可在各个中间跳处对列表310进行额外操纵。例如，程序400可将当前跳的身份从列表310中删除以降低包头的大小。因此，如果使用源路由，列表310可在每次对应的数据包穿过一条链路时缩小一次。 

将会理解的是，以上讨论的方法中的一些不需要限于数据包，而是可以应用于其它通信技术。例如，网络可以使用电路交换方法并且不是用有限大小的包进行传播，该数据可以作为通信端点之间的专用信道上的流进行发送。在这种情况下，诸如图身份或完整路径信息之类的路由信息可与例如专用信道上的路线分开提供。 

尽管上述内容详细说明了多个不同的实施例，应该理解本发明的范围由本专利的末尾处提出的权利要求书中的语句来限定。因为说明每一种可能的实施例即使不是不可能的，也是不切实际的，所以上述详细说明应该被解释为仅用于说明目的，但并没有说明每一种可能的实施例。许多可替代实施例可以用当前的技术或本专利的申请日之后开发的技术来实施，这将仍然落入这些权利要求的范围内。 

Claims (51)

1.一种在运行于过程控制环境下的多节点通信网络中路由数据的方法，该方法包括：

定义第一图，包括：

将第一节点与该第一图的源进行关联，该第一图的源是该第一图的唯一源，

将第二节点与该第一图的目的地进行关联，

将该多节点通信网络的一个或更多中间节点与该第一图进行关联，以及

将第一图标识符与该第一图进行关联；

定义第二图，包括：

将该第一节点与该第二图的源进行关联，该第二图的源是该第二图的唯一源，

将第三节点与该第二图的目的地进行关联，以及

将第二图标识符与该第二图进行关联；

从该第一节点发送第一数据包；

利用该第一数据包发送该第一图标识符或该第二图标识符中的一项；以及

基于该第一图标识符沿该第一图路由该第一数据包或基于该第二图标识符沿该第二图路由该第一数据包。

2.如权利要求1所述的方法，其中从该第一节点发送该第一数据包包括：发送测量数据或控制数据中的一种，并且其中该第一节点、该第二节点或该第三节点中的至少一个节点是运行于该过程控制环境下的现场设备。

3.如权利要求2所述的方法，其中从该第一节点发送该第一数据包进一步包括：将所述测量数据或所述控制数据中的一种发送到网关设备，或从该网关设备发送所述测量数据或所述控制数据中的一种，该网关设备将该多节点通信网络与外部网络连接起来。

4.如权利要求1所述的方法，其中定义该第一图包括：将该第一图的主通信路径与该多节点通信网络的节点对之间的多个直接无线连接进行关联。

5.如权利要求4所述的方法，其中定义该第一图包括：定义有向图，使得数据沿与该第一图相关联的各个直接无线连接在仅仅一个方向上传播。

6.如权利要求5所述的方法，其中该第一图具有唯一一个目的地节点。

7.如权利要求4所述的方法，其中定义该第一图包括：将该第一图的第一局部定义提供给与该第一图相关联的所述一个或更多中间节点中的一个中间节点，其中该第一局部定义包括关于邻居网络节点的信息，该邻居网络节点与该第一图相关联并通过与该第一图相关联的所述多个直接无线连接中的第一直接无线连接连接到所述一个或更多中间节点中的该一个中间节点，并且该第一局部定义包括该主通信路径的一部分的标识。

8.如权利要求7所述的方法，其中将该第一图的第一局部定义提供给所述一个或更多中间节点中的该一个中间节点进一步包括：提供至少一个不同于该邻居网络节点的冗余邻居网络节点，其中该至少一个冗余邻居网络节点与该第一图相关联，并在与该第一图相关联的次通信路径上通过所述多个直接无线连接中的第二直接无线连接连接到所述一个或更多中间节点中的该一个中间节点；并且其中基于该第一图标识符路由该第一数据包包括在考虑通过该邻居网络节点路由的能力之后在所述一个或更多中间节点中的该一个中间节点处选择该至少一个冗余邻居网络节点。

9.如权利要求8所述的方法，其中在所述一个或更多中间节点中的该一个中间节点处选择该冗余邻居网络节点包括：基于指示通过该邻居网络节点成功传递该第一数据包的概率的统计数据，选择该冗余邻居网络节点。

10.如权利要求1所述的方法，其中定义该第二图包括：

将该多节点通信网络的另一组一个或更多中间节点与该第二图进行关联；该第二图指定另一主通信路径，沿该另一主通信路径，通信包通过该另一组中间节点中的至少某些中间节点在与该第二图的源相关联的该第一节点和与该第二图的目的地相关联的该第三节点之间路由。

11.如权利要求1所述的方法，进一步包括：

从与该第一图的源相关联的该第一节点发送第二数据包；

利用该第二数据包发送完整的中间节点列表；

基于该完整的中间节点列表将该第二数据包路由至与该第一图的目的地相关联的该第二节点。

12.如权利要求11所述的方法，进一步包括：向该第一节点提供该多节点通信网络的至少局部拓扑，使得该第一节点知道至少一条从该第一节点到该第二节点的完整通信路径。

13.如权利要求11所述的方法，其中发送该第一数据包包括：发送与第一等待时间要求或第一可靠性要求中的至少一项相关联的数据；并且其中发送该第二数据包包括：发送与第二等待时间要求或第二可靠性要求中的至少一项相关联的数据。

14.如权利要求12所述的方法，其中发送该第一数据包包括：发送过程控制信息，并且其中发送该第二数据包包括：发送网络管理信息。

15.如权利要求1所述的方法，其中定义该第二图包括：

将一个或更多另外的中间节点与该第二图进行关联，该第二图指定预定的路径，沿该预定的路径，通信包通过所述一个或更多另外的中间节点从与该第二图的源相关联的第一节点路由至与该第二图的目的地相关联的该第三节点；以及

其中该第一节点和该第三节点是运行于该过程控制环境下的现场设备，并且其中与该第一图的目的地相关联的该第二节点是将该多节点通信网络连接到外部网络的网关设备，并且所述网关设备包括在所述一个或更多另外的中间节点中；该方法进一步包括：

从与该第一图的源相关联的该第一节点向与该第二图的目的地相关联的该第三节点发送第二数据包，包括：

在与该第一图的源相关联的该第一节点处利用该第二数据包发送该第一图标识符；

基于该第一图标识符将该第二数据包路由至与该第一图的目的地相关联的该第二节点；

在与该第一图的目的地相关联的该第二节点处利用该第二数据包发送该第二图标识符；以及

基于该第二图标识符将该第二数据包路由至与该第二图的目的地相关联的该第三节点。

16.如权利要求1所述的方法，其中发送该第一数据包、发送该第一图标识符或该第二图标识符中的一项以及路由该第一数据包中的每一项都被该多节点通信网络的通信协议支持，其中该通信协议进一步支持高速可寻址远程变送器(HART)协议的命令。

17.如权利要求1所述的方法，进一步包括：

利用该第一数据包发送中间节点列表，其中该中间节点列表以在该数据包的目的地方向上遇到的顺序指定从与该第一图的源相关联的该第一节点到该数据包的目的地的完整路径；并且

其中基于该第一图标识符路由该第一数据包包括：

根据该中间节点列表将该数据包转发至该中间节点列表中所包括的中间节点；

检测在根据该中间节点列表从该中间节点向该数据包的目的地转发该数据包时的错误；以及

响应于检测到错误，使用该第一图标识符将该数据包路由至该数据包的目的地。

18.如权利要求17所述的方法，其中检测错误包括在该中间节点处检测在该中间节点列表中跟随该中间节点的下一个节点的不可用性。

19.一种在过程控制环境下运行且包括多个网络节点的多节点网状网络，该多节点网状网络包括：

所述多个网络节点中的网络节点对之间的多个直接连接；

网络管理器，定义一组图，该组图中的各个图指定所述多个网络节点中的相应网络节点对之间的通信路径以用于在相应网络节点对之间发送数据，各个图与唯一的图标识符相关联，并且各相应网络节点对包括公共源节点和相应目的地节点；

第一网络节点，包括存储第一图路由表的第一存储单元，所述第一图路由表包括与所述第一网络节点所属的相应的一个或多个图相对应的一个或多个图标识符，其中所述第一网络节点基于在所述第一图路由表中存储的一个或多个图标识符来路由数据包；以及

第二网络节点，包括存储第二图路由表的第二存储单元，所述第二图路由表包括与所述第二网络节点所属的相应的一个或多个图相对应的一个或多个图标识符，其中所述第二网络节点基于在所述第二图路由表中存储的一个或多个图标识符来路由数据包，并且其中该第一图路由表和该第二图路由表存储不同的信息。

20.如权利要求19所述的多节点网状网络，其中该第一网络节点包括适于向该第二网络节点发送第一数据包的网络接口，该第一数据包包括：

数据净荷；以及

指定该组图中与该第二网络节点相关联的图所对应的图标识符的路由信息。

21.如权利要求20所述的多节点网状网络，其中该第一数据包的数据净荷包括：过程控制信息、网络管理信息、设备状态信息或设备管理信息中的至少一种。

22.如权利要求20所述的多节点网状网络，其中该第一网络节点包括适于向该第二网络节点发送第二数据包的网络接口，该第二数据包包括：

数据净荷；以及

指定与从该第一网络节点到该第二网络节点的通信路径相关联的各个网络节点的路由信息。

23.如权利要求19所述的多节点网状网络，其中该网络管理器包括存储该多节点网状网络的拓扑的第三存储单元。

24.如权利要求19所述的多节点网状网络，进一步包括：

网关主机，包括：

提供与所述多个网络节点中的至少一个网络节点的直接连接的第一接口；

在该多节点网状网络与外部网络之间发送数据的第二接口。

25.如权利要求19所述的多节点网状网络，其中该组图中的各个图都是单向图。

26.如权利要求19所述的多节点网状网络，其中该第一网络节点是在该过程控制环境下执行控制功能或测量功能中的至少一种的现场设备。

27.一种在通信网络上的第一节点和第二节点之间路由数据包的方法，该方法包括：

建立多个直接连接，其中所述多个直接连接中的各个直接连接连接该通信网络的一节点对；

定义多个图，包括定义所述多个图中的各个图以包括仅该第一节点作为源节点以及包括相应目的地节点；

定义所述多个图中的第一图，包括将多个节点与该第一图进行关联，其中：

所述多个节点中的各个节点属于该通信网络，

该第二节点与该第一图的该相应目的地节点相关联，以及

所述多个节点包括该第一节点和该第二节点，以及

将第一图标识符与该第一图进行关联；

将该第一图的局部定义和该第一图标识符提供给与该第一图相关联的所述多个节点中的至少某些节点；

确定与该数据包的净荷相关联的数据的类型；

从该第一节点发送该数据包；

在确定与该数据包的净荷相关联的数据是第一类型的数据的情况下：

利用该数据包发送该第一图标识符，以及

经由中间节点将该数据包引导向该第二节点，包括将该数据包转发到该中间节点的邻居节点，其中该中间节点和该邻居节点是与该第一图相关联的节点，并且其中该中间节点和该邻居节点通过所述多个直接连接中的至少一个直接连接相连接；以及

在确定与该数据包的净荷相关联的数据是第二类型的数据的情况下：

不利用该数据包发送该第一图标识符。

28.如权利要求27所述的方法，其中该第一图是有向图，其中与该第一图相关联的多个节点中的各个节点和与该第一图相关联的至少一个另一节点共享至少一个直接连接，并且其中定义该第一图进一步包括：

定义从该第一节点到该第二节点的路径，其中该路径包括节点对之间的多个直接连接。

29.如权利要求27所述的方法，其中建立所述多个直接连接包括建立多个无线连接。

30.如权利要求27所述的方法，其中建立所述多个直接连接包括建立单向连接。

31.如权利要求30所述的方法，其中将该第一图的局部定义提供给与该第一图相关联的所述多个节点中的至少某些节点包括，针对所述多个节点中的至少某些节点中的各个节点：

定义第一路由条目，其中该第一路由条目存储该第一图标识符和第一随后节点的地址，该第一随后节点与该第一图相关联，并是距离该第二节点更近的一跳。

32.如权利要求31所述的方法，其中将该第一图的局部定义提供给与该第一图相关联的所述多个节点中的至少某些节点进一步包括：

定义第二路由条目，其中该第二路由条目存储该第一图标识符和第二随后节点的地址，该第二随后节点与该第一图相关联，并且是距离该第二节点更近的一跳，其中该第二随后节点不同于该第一随后节点。

33.如权利要求32所述的方法，其中将该数据包转发到该中间节点的邻居包括：

鉴于与该第一随后节点相关联的第一统计指示和与该第二随后节点相关联的第二统计指示，在该第一路由条目和该第二路由条目之间进行选择；以及

向与所选择的路由条目相关联的节点发送该数据包。

34.如权利要求32所述的方法，其中将该数据包转发到该中间节点的该邻居节点包括：

响应于经由与该第一路由条目相关联的节点传递该数据包失败，选择该第二路由条目；以及

向与所选择的第二路由条目相关联的节点发送该数据包。

35.如权利要求30所述的方法，其中将该第一图的局部定义提供给与该第一图相关联的所述多个节点中的至少某些节点包括：针对所述多个节点中的至少某些节点中的各个节点：

定义第一路由条目，其中该第一路由条目存储该第一图标识符和直接连接的标识符，其中该直接连接将该节点连接到与该第一图相关联的下一个节点，其中该下一个节点是距离该第二节点更近的一跳。

36.如权利要求30所述的方法，其中该第一节点是现场设备，并且其中该第二节点是将该通信网络连接到第二网络的网关设备，其中该通信网络是过程控制网络，并且其中建立所述多个直接连接包括在无线链路上交换按照

通信协议格式化的消息，并且其中定义该第一图是定义上游图。

37.如权利要求36所述的方法，进一步包括：

定义所述多个图中的第二图，包括定义从该第二节点到该第一节点的路径，其中该第二图是下游图，并且其中该第一图和该第二图是不对称的。

38.如权利要求27所述的方法，其中将该数据包转发到该中间节点的该邻居节点包括：

将该数据包发送到该邻居节点；

在该中间节点处保留该数据包的副本，直到从该邻居节点接收到确认为止；

在接收到该确认的情况下，删除该数据包；以及

在没有接收到该确认的情况下，将该数据包发送到该中间节点的第二邻居节点，其中该第二邻居节点是与该第一图相关联的节点。

39.如权利要求27所述的方法，进一步包括：

将该第一图的完整定义提供给该第一节点；以及

在确定与该数据包的净荷相关联的数据是第二类型的数据的情况，该方法进一步包括：

利用该数据包发送完整路由的定义，其中该完整路由的定义包含沿该完整路由顺序列出的各个节点的地址列表。

40.如权利要求39所述的方法，其中响应于确定与该数据包的净荷相关联的数据是第二类型的数据而利用该数据包发送完整路由的定义包括：在各个中间节点处：

将该中间节点的地址从该列表中删除，以产生缩减的列表；以及

将该数据包和该缩减的列表发送到在该列表中该中间节点之后紧接着列出的节点。

41.如权利要求27所述的方法，其中建立所述多个直接连接包括建立多个无线连接，并且其中定义该第一图包括：

分析该通信网络的拓扑；以及

从该通信网络的节点中的至少一个节点中采集统计数据，其中该统计数据指示传播延迟或传递成功率中的至少一项。

42.如权利要求27所述的方法，其中定义该第一图包括测试该第一图中定义节点对之间的循环路径的回路的存在。

43.如权利要求27所述的方法，其中经由中间节点将该数据包引导向该第二节点包括：不利用该数据包发送除了该第一图标识符之外的任何路由信息。

44.如权利要求27所述的方法，其中该第一类型的数据与比该第二类型的数据高的可靠性要求相关联。

45.一种在运行于过程控制环境下且具有多个网络设备之间的多个直接无线连接的多节点无线网络中路由数据的方法，其中所述多个网络设备的各个网络设备是该多节点无线网络中的节点，该方法包括：

使用图标识符在网络设备处路由第一类型的数据包，其中：

在发起网络设备处将所述图标识符附在第一类型的数据包上，以在多个网络设备对之间发送该第一类型的数据包，

所述图标识符中的各个图标识符对应于多个图中的相应一个图，

所述多个图中的各个图与所述多个节点中的两个或更多节点和所述多个直接无线连接中的一个或更多直接无线连接进行关联，

所述多个图中的各个图包括目的地节点和作为源节点的该发起网络设备，以及

所述多个图中的至少两个图在至少一个节点上不同。

46.如权利要求45所述的方法，进一步包括定义所述多个图，包括定义多个有向图，其中各个有向图与该源节点、相应目的地节点以及零个或更多中间节点相关联。

47.如权利要求45所述的方法，其中所述多个网络设备对是所述多个网络设备中的第一组网络设备对，所述多个节点中的所述两个或更多节点是所述多个节点中的第一两个或更多节点，所述多个直接无线连接中的所述一个或更多直接无线连接是所述多个直接无线连接中的第一一个或更多直接无线连接，并且该方法进一步包括：

在该发起网络设备处将完整路径定义附在第二类型的数据包上，以在所述多个网络设备中的第一组网络设备对的各部件之间发送该第二类型的数据包或在所述多个网络设备中的第二组网络设备对的各部件之间发送该第二类型的数据包；以及

使用所述完整路径定义在中间网络设备处路由该第二类型的数据包，其中各个完整路径定义对应于包括所述多个节点中的所述第一两个或更多节点或者第二两个或更多节点以及所述多个直接无线连接中的所述第一一个或更多直接无线连接或者第二一个或更多直接无线连接的通信路径；并且其中该通信路径指定与该通信路径相关联的该源节点、相应目的地节点以及各个中间节点。

48.如权利要求47所述的方法，进一步包括：

在该发起网络设备处分析所述数据包以确定哪个数据包与该第一类型相关联，哪个数据包与该第二类型相关联，包括分析等待时间要求或可靠性要求中的至少一项。

49.如权利要求45所述的方法，其中使用图标识符在网络设备处路由第一类型的数据包包括：基于所述图标识符在中间网络设备处定位相对应的路由条目，其中与特定图标识符相对应的路由条目中的各个路由条目指定与由该特定图标识符标识的特定图相关联的下一个节点。

50.如权利要求49所述的方法，其中基于所述图标识符在所述中间网络设备处定位相对应的路由条目包括：在所述中间网络设备处定位局部图定义，其中各个局部图定义指定与由该特定图标识符所标识的特定图相关联的一个或更多直接邻居节点。

51.如权利要求45所述的方法，进一步包括：

在该发起网络设备处将完整的中间节点列表附在该第一类型的特定数据包上，该完整的列表指定到目的网络设备的完整路径；其中该发起网络设备和该目的网络设备对应于与附在该特定数据包上的特定图标识符相关联的一特定网络设备对；

根据所述完整的中间节点列表从该发起网络设备往该目的网络设备路由该特定数据包；以及

响应于根据所述完整的中间节点列表路由该特定数据包失败，使用该特定图标识符在中间网络设备处路由该数据包。

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