CN101720134B - 一种基于无线虚拟设备协议的工业无线数据传输方法 - Google Patents

Abstract

一种基于无线虚拟设备协议的工业无线数据传输方法，属于计算机网络通讯领域。本发明提出并设计了一种用于工业无线网络环境中的无线虚拟设备协议WVDP，在虚拟设备组中有一个或者多个设备提供冗余备份功能，正常情况下，主设备负责接收处理网络中的数据包，在主设备无法正常工作时，接替主设备的任务继续提供网络服务，解决了工业无线网络环境中单点故障的问题，大大的提高了工业无线网络的可靠性。

Description

一种基于无线虚拟设备协议的工业无线数据传输方法

技术领域

本发明属于计算机网络通讯领域，特别涉及一种基于无线虚拟设备协议的工业无线数据传输方法。 

背景技术

工业无线网络环境恶劣，且设备的工作环境也较为恶劣，单一设备正常运行的可靠性大为降低，整个网络的可用性也受到影响，因此工业的无线网络环境相比日常生活使用的无线网络环境要求具有更高的可靠性和容错性。 

传统工作模式中，采用如图1所示的网络拓扑结构，这种拓扑存在单点故障问题，如果作为中间一层的设备出现问题，所有下联设备便不能正常工作。为保证在工业无线环境中整个系统的高可用性，现行的解决方案多侧重通过在单一的网络设备上提供缓存，寻找多路径的方法来解决路径故障问题。然而对于一些关键点设备使用信息缓存、多路径等方法仍不能解决单点故障问题。 

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出一种当主设备出现问题，备份设备能够自动接替主设备的运行而不影响整个系统的运行的基于无线虚拟设备协议的工业无线数据传输方法。 

本发明的基于无线虚拟设备协议的工业无线数据传输方法，包括如下步骤： 

步骤一：设定无线虚拟设备协议WVDP； 

步骤二：建立虚拟设备组，具体方法如下：设备按照本身的MAC地址大小相互协商，推荐一个设备为主设备，主设备的虚拟设备ID VDID为0，虚拟设备组的其他备份设备则按照MAC地址从小到大分配VDID； 

步骤三：备份设备对主设备的信息资源进行备份，包括路由信息，邻居信息和信道占用信息； 

步骤四：当主设备不能正常工作时，由VDID最小的设备接替主设备的业务； 

步骤五：在一定的时间内，如果原本的主设备不能恢复重新加入虚拟设备组，则通知VDID最接近它的设备降低自己的VDID； 

步骤六：当主设备不能正常工作时，备份设备从监听状态转至运行状态，自动接管主设备的网络功能，当主设备修复错误，由初始化转为监听状态时，此时的主设备将设备应用信 息传递给原本主设备之后，恢复到监听状态，原本的主设备从监听状态转换至运行状态。 

步骤一所述的无线虚拟设备协议WVDP，英文全称为：Wireless Virtual Device Protocol，WVDP协议由8个字段组成，分别是： 

1)版本字段，用来标识WVDP协议的版本； 

2)类型字段，WVDP协议类型分为两种：一种是主设备广播报文；另一种是主设备向备份设备同步信息时所用报文，其中主设备广播报文用0000标识，主设备向备份设备同步信息时所使用报文用0001标识； 

3)虚拟设备组ID字段，用来标识设备所在的虚拟设备组； 

4)虚拟设备字段，用来标识组内的设备ID，一个组最大拥有256个设备； 

5)优先级字段，用来标识设备的优先级； 

6)通告时间间隔字段，用来标识主设备发送通告信息的时间间隔； 

7)校验字段，用来标识验证数据包的完整性； 

8)载荷字段，用来标示主设备向备份设备发送的信息数据。 

有益效果：本发明提出并设计了一种用于工业无线网络环境中的无线虚拟设备协议WVDP，解决了在恶劣的工业无线环境中网络设备可靠性低的问题。通过采用对无线网络环境中可能存在单点故障的高危设备提供一个虚拟设备组的方法，组内通常有一个或者多个设备对高危设备进行信息热备，由组内的主设备向外系统网络服务的方法，解决了工业无线网络环境中单点故障的问题，大大的提高了工业无线网络的可靠性。 

附图说明

图1为本发明传统拓扑结构图； 

图2为本发明WVDP基本包格式图； 

图3为本发明热备拓扑结构图； 

图4为本发明WVDP协议状态转换图； 

图5为本发明运行状态的设备流程； 

图6为本发明监听状态设备流程图； 

图7为本发明没有运行WVDP协议与运行WVDP协议的设备性能对比图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明： 

步骤一：设定无线虚拟设备协议WVDP，如图2所示，WVDP协议的由8个字段组成，分别是：1、版本字段，大小为4个比特位；2、类型字段，大小为4个比特位；3、虚拟设备组 ID字段，大小为1个字节；4、虚拟设备字段，大小为1字节；5、优先级字段，大小为1个字节；6、通告时间间隔字段，大小为2个字节；7、校验字段，大小为1个字节；8、载荷字段，字段为可变长； 

步骤二：图3为本发明热备拓扑结构图，设备运行在初始化态时，接收广播信息，同时计时器开始计时，如果五个通过时长内没有收到WVDP报文，则设备设置自己的优先级，设置自己的VDID为0，进入运行状态；如果收到WVDP报文，则向此虚拟设备组的主设备发送加入虚拟设备组的请求，收到确认回应后，进入监听状态。如果加入请求没有被允许，则持续监听，等待加入其他虚拟设备组。用来冗余备份的多个设备，称它们在同一个虚拟设备组里，这个组有自己的ID称为VPID(VirtualGroupID)，在同一个虚拟设备组内每个设备有独立的虚拟设备标识VDID(VirtualDeviceID)，VDID的范围一般为0-255，VDID值越小，在这个虚拟设备组内它的优先权越高； 

步骤三：备份设备对主设备的信息资源进行备份，包括路由信息，邻居信息和信道占用信息； 

步骤四：当主设备不能正常工作时，由VDID最小的设备接替主设备的业务； 

步骤五：在五个通过时长内，如果原本的主设备不能恢复重新加入虚拟设备组，则通知VDID最接近它的设备降低自己的VDID； 

步骤六：图4为WVDP协议状态转换图，WVDP协议包括三种状态，分别为初始化状态、运行状态和监听状态。 

在WVDP中，处在运行状态的设备为主设备，此设备向外提供如下服务： 

·设置通告定时器； 

·用WVDP虚拟的MAC地址响应网络中其它设备的物理层数据请求； 

·接收并处理目的地址是WVDP虚拟的外部短地址的数据包； 

·设备信息更新时将信息传递给备份设备； 

·当收到关闭事件时删除定时通告定时器，通知备份设备进入初始化状态； 

·如果定时通告定时器超时，发送WVDP通告信息； 

·当组内有设备的优先权大于此设备时进入到监听状态； 

·当有新的备份设备加入时，向此备份设备更新全部应用信息； 

运行状态的设备流程如图5所示，包括如下步骤： 

步骤1：接收申请加入请求； 

步骤2：主设备判断是否同意加入，如同意加入，则执行步骤3，否则执行步骤1； 

步骤3：主设备发送确认信息，确认信息中包括分配给申请设备的组内ID以及组内设备 的其他信息； 

步骤4：主设备收到数据； 

步骤5：判断接到的数据是否是停止信号，如不是停止信号则执行步骤6，否则执行步骤7； 

步骤6：向组内设备同步信息，执行步骤4； 

步骤7：结束。 

在WVDP中，处在监听状态的设备为备份设备，此设备作为冗余备份设备备份主设备的应用信息，并在主设备不能正常工作时，接替主设备的业务。 

·设置主机超时定时器； 

·接收由主发送过来的设备应用信息，并更新自己的设备应用信息； 

·丢弃目的MAC地址是WVDP虚拟MAC地址的数据包； 

·当收到主设备关闭事件的信息时，进入初始化状态； 

·当主设备的优先权低于此设备时进入到运行状态，并设置的VDID为0； 

·监听主设备的WVDP通告信息，当主设备正常工作时，只缓存一次同外部设备通信的数据，如果等待主设备的WVDP通告信息超时，则缓存5个主通告定时器时长，如果超过5个时长，仍旧没有收到WVDP通告信息，则接替主的业务，并处理虚拟设备组对外的业务。 

监听状态设备流程图如图6所示，包括如下步骤： 

步骤1：备份设备开始监听，向主设备发送加入请求； 

步骤2：判断主设备是否同意加入，如同意则执行步骤3，否则执行步骤1； 

步骤3：更新WVDP组信息，即更新虚拟设备信息； 

步骤4：监听组通告； 

步骤5：判断广播报文是否超时，如超时则执行步骤6，否则执行步骤4； 

步骤6：接替主设备工作切换至运行态； 

步骤7：结束。 

使用WIA-PA协议仿真平台测试协议可用性，如图7所示。 

对于仿真实验的物理层协议、MAC协议均采用IEEE 802.15.4标准，仿真参数如下 

·仿真时间600s 

·布置区域800米*600米 

·信道2.4GHz 

·带宽250Kbps 

·信道错误率0.03％ 

·射频辐射范围200米 

从实验数据可看出，运行WVDP协议的设备可用性随着设备的出错率增大时系统的故障率下降幅度很小，而传统的系统出错率下降幅度较大。 

在实验中，还发现随着主设备通告时间间隔增大，从设备接替主设备所需时间增大，主设备的能源消耗较少，但引起网络通信的间断时间增减。 

随着主设备通告时间间隔减小，主能源消耗增大，对网络通信正常运行影响较低。 

从设备设定通告超时时长越大，对网络通信正常运行的影响越大，对主设备失效的误判率降低。 

在实际的工业无线网络环境中，应该根据网络环境设定主设备的通告时间间隔和从设备的通告超时时长。 

Claims (1)

1.一种基于无线虚拟设备协议的工业无线数据传输方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：设定无线虚拟设备协议WVDP，英文全称为：Wireless Virtual Device Protocol；

步骤二：建立虚拟设备组，具体方法如下：设备按照本身的MAC地址大小相互协商，推荐一个设备为主设备，主设备的虚拟设备ID VDID为0，虚拟设备组的其他备份设备则按照MAC地址从小到大分配VDID；

步骤三：备份设备对主设备的信息资源进行备份，包括路由信息，邻居信息和信道占用信息；

步骤四：当主设备不能正常工作时，由VDID最小的设备接替主设备的业务；

步骤五：在一定的时间内，如果原本的主设备不能恢复重新加入虚拟设备组，则通知VDID最接近它的设备降低自己的VDID；

步骤六：当主设备不能正常工作时，备份设备从监听状态转至运行状态，自动接管主设备的网络功能，当主设备修复错误，由初始化转为监听状态时，此时的主设备将设备应用信息传递给原本主设备之后，恢复到监听状态，原本的主设备从监听状态转换至运行状态；

其中，步骤一所述的无线虚拟设备协议WVDP由8个字段组成，分别是：

1)版本字段，用来标识WVDP协议的版本；

2)类型字段，WVDP协议类型分为两种：一种是主设备广播报文；另一种是主设备向备份设备同步信息时所用报文，其中主设备广播报文用0000标识，主设备向备份设备同步信息时所使用报文用0001标识；

3)虚拟设备组ID字段，用来标识设备所在的虚拟设备组；

4)虚拟设备字段，用来标识组内的设备ID，一个组最大拥有256个设备；

5)优先级字段，用来标识设备的优先级；

6)通告时间间隔字段，用来标识主设备发送通告信息的时间间隔；

7)校验字段，用来标识验证数据包的完整性；

8)载荷字段，用来标示主设备向备份设备发送的信息数据。

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