CN102624929B

CN102624929B - 一种基于虚拟网关的无线传感网网关冗余方法

Info

Publication number: CN102624929B
Application number: CN201210118274.1A
Authority: CN
Inventors: 郝俊瑞; 桑梓勤; 徐凤; 王静; 刘方磊; 别剑
Original assignee: Wuhan Research Institute of Posts and Telecommunications Co Ltd
Current assignee: Wuhan Research Institute of Posts and Telecommunications Co Ltd
Priority date: 2012-04-20
Filing date: 2012-04-20
Publication date: 2015-04-08
Anticipated expiration: 2032-04-20
Also published as: CN102624929A

Abstract

本发明涉及一种基于虚拟网关的无线传感网网关冗余方法，本方法用于无线传感网的树状拓扑中，本方法将两个网关节点（两台网关设备）虚拟成一个虚拟网关设备，传感器节点把该虚拟网关作为无线传感网的根节点，传感器节点并不知道有两个互为主备的网关节点存在，两个网关节点一个是主节点（Master），一个是备份节点（backup）。主节点（Master）负责传感数据的转发和路由表的更新，而备份节点（backup）负责监听主节点（Master）的状态。当主节点（Master）工作失效时，备份节点（backup）主动接管主节点的工作，传感器节点不需要再重新加入另一个传感网络，该倒换过程对传感器节点来说是透明的。

Description

一种基于虚拟网关的无线传感网网关冗余方法

技术领域

本发明涉及物联网及无线传感网技术领域，具体说是一种基于虚拟网关的无线传感网网关冗余方法。

背景技术

无线传感网(Wireless Sensor Network，WSN)是由大量的、布设在特定区域且具有无线通信与计算能力的微小传感器节点形成的，是一种能够完成指定任务的测控与通信网络系统。对于许多应用而言，无线传感网一般不以孤立网络的形式存在，其目的是协作地感知、收集和处理无线传感网所覆盖的地理区域中感知对象的信息，并传递给观测者。因此，要求无线传感网能通过网关与电信网、互联网或者其他外部网络互联，以便通过外部网络上的设备和数据中心方便地对其进行管理、控制与访问。

在实际工程应用中，无线传感网多采用树形拓扑，树状拓扑的无线传感网的常用拓扑如图1所示，在树形拓扑中通常设有一个根节点，该根节点就是无线传感网接入其他网络的网关节点（简称为网关）。无线传感网接入其他网络时需要经过网关节点，一个网关节点有时可能负责上百个传感器节点的接入，因此网关节点的作用和地位显得非常重要。因为一旦网关节点失效，那么该网关节点负责管理的所有传感器节点都将无法将数据传回到外部网络上的数据中心，同时也可能会失去对这些传感器节点的管理和控制。因此网关节点这种关键设备的冗余机制就显得十分重要。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于虚拟网关的无线传感网网关冗余方法，解决了树状拓扑的无线传感网网关节点失效问题，使得树状拓扑的无线传感网在网关失效的情况下实现业务无感知的主备倒换。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种基于虚拟网关的无线传感网网关冗余方法，其特征在于：所述无线传感网采用树状拓扑，由两台负责连接无线传感网和IP网络的网关设备分别作为网关节点RootA和RootB，所述网关节点为树状拓扑的根节点，网关节点RootA和RootB互为备份，传感器节点按树状拓扑与网关节点RootA连接，

网关节点RootA和RootB都设有工作在IEEE802.15.4的MAC层以上的虚拟网关模块，该虚拟网关模块运行在两个网关的无线传感侧之间的链路上，该链路采用IEEE802.15.4，

网关节点RootA和RootB之间首先要通过虚拟网关模块进行主备状态的协商，两者的主备关系确定后才进行整个无线传感网网络的建立。

在上述技术方案的基础上，当网关节点RootA和RootB之间通过虚拟网关模块进行主备状态的协商时，各网关节点分别至少包括以下状态标记：

LocalStatus：表示本网关处于什么状态，有三种状态，down表示初始状态，Master表示主节点，backup表示备份节点；

PeerStatus：表示对端网关的状态，同样有三种状态，down表示初始状态，Master表示主节点，backup表示备份节点；

LocalWSNPortStatus：表示本网关连接无线传感网的端口的状态，有两种状态，down表示端口失效，up表示端口工作正常；

PeerWSNPortStatus：表示对端网关连接无线传感网的端口的状态，有两种状态，down表示端口失效，up表示端口工作正常；

VirtualGatewayID：表示虚拟网关ID，需要配置；虚拟网关ID采用EUI-64的格式；

MasterID：表示作为主节点的网关的ID，初始为空。

在上述技术方案的基础上，通过虚拟网关模块进行主备状态协商时的报文采用IEEE802.15.4的帧格式，报文发送间隔为100ms，帧格式中包含媒体访问控制子层报头、协议类型、协议报文三个部分；其中：

媒体访问控制子层报头的目的地址Dst MAC为8个字节，采用EUI-64格式，媒体访问控制子层报头的源地址Src MAC为8个字节；

协议类型字段采用0x3F，用于区别于6LowPAN中的其他类型的报文；

协议报文包括以下字段：

Status字段：表示发送方的状态；0代表初始状态，1代表主节点；2代表备份节点；0xF代表错误报文；

Priority字段：表示发送方的优先级；

VirtualGatewayID字段：表示虚拟网关ID；

MasterID字段：表示主节点的ID；

SenderID字段：表示发送方的ID。

在上述技术方案的基础上，互为备份的两个网关节点RootA和RootB的虚拟网关模块中，配置相同的虚拟网关ID；网关节点RootA和RootB在建立无线传感网以及与传感器节点通信过程中，都是以虚拟网关ID来代替网关本身的ID的；

传感器节点在加入无线传感网以及和网关节点通信时只需知道虚拟网关ID，这样无论是网关节点RootA还是网关节点RootB处于主节点Master的状态，对于传感器节点来说都是一样的，即使倒换发生，因为虚拟网关ID不变，所以传感器节点也无需做任何改动，网关倒换对于传感器节点是透明的；

两个网关节点RootA和RootB的虚拟网关模块的初始状态如下：

LocalStatus= down； PeerStatus=down； MasterID=NULL；

LocalWSNPortStatus =up；PeerWSNPortStatus=up；

VirtualGatewayID=配置的虚拟网关ID。

在上述技术方案的基础上，网关节点RootA和RootB在启动虚拟网关模块后，互相发送Status字段为down的报文，报文的VirtualGatewayID字段为配置的虚拟网关ID，MasterID字段为空，SenderID字段为发送报文的网关自己的ID；

网关节点RootA和RootB收到对端发来的报文后的处理过程是相同的，处理过程如下：

（1）首先判断收到的报文的虚拟网关ID和本网关配置的虚拟网关ID是否相同，如果不相同，则发出警告，要求重新进行配置；并发送给对端网关Status字段为错误的报文；当本网关为网关节点RootA，则对端网关为网关节点RootB，或当本网关为网关节点RootB，则对端网关为网关节点RootA，

（2）如果收到的报文的虚拟网关ID和本网关配置的虚拟网关ID相同，则继续解析报文的Status字段，根据报文的Status字段和本网关本地的LocalStatus状态标记来决定报文的处理：

（2.1）如果报文的Status字段=0，本网关的状态标记LocalStatus=down，则说明本网关和对端网关都是初始状态，则开始进行主节点Master的选举：

在主节点Master的选举过程中，首先比较报文的Priority字段和本网关的优先级，优先级高者为主节点Master，优先级低者为备份节点backup；如果优先级相同，则比较报文中Sender ID字段和本网关的ID，ID值大者为主节点Master；

（2.2）如果报文的Status字段=0，本网关的LocalStatus =Master，则本网关状态不变，仍然是主节点Master；本网关发送报文给对端网关，报文的Status字段为1代表主节点，报文的MasterID为本网关的ID，报文的SenderID为本网关的ID；

（2.3）如果报文的Status字段=1，本网关的LocalStatus=down，则本网关为备份节点backup，设置本网关的LocalStatus=backup，设置本网关的MasterID为对端网关的ID；并发送报文给对端网关，报文的Status字段=2，报文的MasterID为对端网关的ID，报文的SenderID为本网关的ID；

（2.4）如果报文的Status字段=2，本网关的LocalStatus=Master；则本网关状态不变，仍然是主节点Master，本网关发送报文给对端网关，报文的Status字段为1代表主节点，报文的MasterID为本网关的ID，报文的SenderID为本网关的ID。

在上述技术方案的基础上，步骤（2.1）中，

a）如果本网关确定为主节点Master，则本网关做如下处理：

设置本网关的LocalStatus=Master，设置MasterID=本网关的ID；主节点开始建立无线传感网的工作；

b）如果本网关确定为备份节点backup，则本网关做如下处理：

设置本网关的LocalStatus=backup，设置MasterID=对端网关的ID；并开始设置监听器，监听从对端网关发送来的报文，同时向对端网关发送报文，报文的Status字段为backup，报文的MasterID字段为对端网关的ID，SenderID为本网关的ID。

本发明所述的基于虚拟网关的无线传感网网关冗余方法，针对传统的树状拓扑无线传感网只有一个网关节点的不足，为了解决树状拓扑的网关的单点失效问题，在树状拓扑中增加一个网关节点，形成双网关节点的树状拓扑（也可看成是双根节点的树状拓扑），两个网关节点之间是互为主备的关系（互为备份的关系）；并且通过虚拟网关技术手段，将两个网关节点虚拟成一个虚拟网关设备，这样对无线传感网中的传感器节点来说仍然只有一个网关设备。

附图说明

本发明有如下附图：

图1：树状无线传感网的常用拓扑；

图2：本发明采用的拓扑图；

图3：本发明采用的报文格式；

图4：本发明的状态迁移图；

图5：本发明中路由更新的报文。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明的应用环境约定如下：针对树状拓扑无线传感网，在网关的无线传感网侧主要是IEEE802.15.4的这种短距离无线通信方式，而IP网络侧的网络连接可以是多种方式，有光纤、无线蜂窝通信等方式。

本发明所述的基于虚拟网关的无线传感网网关冗余方法，所述无线传感网采用树状拓扑，树状拓扑的拓扑图如图2所示，

由两台负责连接无线传感网和IP网络的网关设备分别作为网关节点RootA和RootB，所述网关节点为树状拓扑的根节点，

网关节点RootA和RootB互为备份（即互为主备的关系，其中一个为主节点，另一个为备份节点），

传感器节点按树状拓扑与网关节点RootA连接，图2中的A1～A3、B1～B9、C1～C3都是传感器节点，

VirtualGatewayID：表示虚拟网关ID（身份标识号码），需要配置；虚拟网关ID采用EUI-64的格式；

MasterID：表示作为主节点的网关的ID，初始为空。

在上述技术方案的基础上，通过虚拟网关模块进行主备状态协商时的报文采用IEEE802.15.4的帧格式，所述虚拟网关模块采用的报文格式如图3所示，报文发送间隔为100ms，帧格式中包含媒体访问控制子层报头、协议类型、协议报文三个部分；其中：

协议报文包括以下字段：

Status字段：表示发送方的状态；0代表初始状态，1代表主节点Master；2代表备份节点backup；0xF代表错误报文；

Priority字段：表示发送方的优先级；

VirtualGatewayID字段：表示虚拟网关ID；

MasterID字段：表示主节点的ID；

SenderID字段：表示发送方的ID。

本发明的状态迁移图如图4所示。

1．初始状态：互为备份的两个网关节点RootA和RootB的虚拟网关模块中，配置相同的虚拟网关ID；网关节点RootA和RootB在建立无线传感网以及与传感器节点通信过程中，都是以虚拟网关ID来代替网关本身的ID的；

两个网关节点RootA和RootB的虚拟网关模块的初始状态如下：

LocalStatus= down； PeerStatus=down； MasterID=NULL；

LocalWSNPortStatus =up；PeerWSNPortStatus=up；

VirtualGatewayID=配置的虚拟网关ID。

2．工作过程：网关节点RootA和RootB在启动虚拟网关模块后，互相发送Status字段为down的报文，即报文的Status字段值为0，报文的VirtualGatewayID字段为配置的虚拟网关ID，MasterID字段为空（值为NULL），SenderID字段为发送报文的网关自己的ID；

网关节点RootA和RootB收到对端发来的报文（指Status字段为down的报文）后的处理过程是相同的，以下以网关节点RootA为例来说明收到报文后的处理过程：

（1）首先判断收到的报文的虚拟网关ID和本网关（网关节点RootA）配置的虚拟网关ID是否相同，如果不相同，则发出警告，要求重新进行配置；并发送给对端网关（网关节点RootB）Status字段为错误的报文；当本网关为网关节点RootA，则对端网关为网关节点RootB，或当本网关为网关节点RootB，则对端网关为网关节点RootA，

a）如果本网关确定为主节点Master，则本网关做如下处理：

设置本网关的LocalStatus=Master，设置MasterID=本网关的ID（例如：MasterID=RootA）；主节点开始建立无线传感网的工作：

设置无线传感网的根节点的ID为虚拟网关ID，而非本网关的ID，在建立无线传感网时，主节点上的无线传感网侧的接口作为整个无线传感网事实上的根节点，负责建立和维护整个无线传感网，主节点在给传感器节点发送无线传感网基本信息时，将虚拟网关ID作为根节点的ID发送给传感器节点，传感器节点认为自己是加入了以虚拟网关为根节点的无线传感网，这样就可以保证无论是网关节点RootA还是网关节点RootB中的任何一个网关作为该无线传感网的根节点，对于下面的传感器节点来说是相同的，这样网关的主备倒换对于传感器节点来说是透明的，就像没有发生倒换一样，因为虚拟网关ID并没有改变；

由于无线传感网的根节点是虚拟网关节点，所以在传感器节点发送的数据报文中的目的节点也都是虚拟网关ID，当然网关发送给传感器节点的报文的源地址也是虚拟网关ID；

主节点接收到目的地址为虚拟网关ID的报文后，接收下来进行正常的转发处理，并负责维护路由表；

主节点向备份节点发送的报文有两种：一种是维护主备之间的状态报文，一种是路由更新报文；状态报文的发送间隔为100ms，而路由更新报文则在网关节点路由表建立时以及发生路由改变时发送，路由更新报文的格式如图5所示；

b）如果本网关确定为备份节点backup，则本网关做如下处理：

设置本网关的LocalStatus=backup，设置MasterID=对端网关的ID（例如：MasterID=RootB）；并开始设置监听器，监听从对端网关发送来的报文，同时向对端网关发送报文，报文的Status字段为backup，报文的MasterID字段为对端网关的ID，SenderID为本网关的ID；

备份节点对于数据报文的处理：备份节点接收到数据报文后，记录该报文的相关路由信息；根据该报文的源地址，以及是从哪个节点发送来的，得到该报文的路由表，使得备份节点的路由表保持和主节点的同步；

3．监测过程：两个网关在确定主节点Master和备份节点backup之后，通过互发报文进行监测。两端以100ms的间隔发送报文。每当主节点和备份节点收到彼此的报文时，就会重置检测时间定时器，保持状态。

4．倒换过程：

（1）如果在检测时间内备份节点backup没有收到报文，则首先要判断是本地端口出了问题，还是远端的主节点的端口的问题；

如果本地端口没有linkdown发生，则认为是远端的主节点发生了问题，这时备份节点的状态由backup变成Master，同时做如下处理：

改变备份节点的MasterID，使MasterID=备份节点的ID；

改变备份节点的状态，使状态标记LocalStatus=Master；PeerStatus=down；

发送带有新MasterID的状态报文；开始接收传感器节点发来的报文；更新路由表，并进行转发；

如果是本地端口发生linkdown事件，则直接设置本地的LocalStatus=down，不做其他处理；

（2）如果在监测时间内主节点Master没有收到报文，则首先要判断是本地端口出了问题，还是远端的备份节点端口的问题；

如果本地端口发生linkdown，则将本地状态标记LocalStatus设置为down，这时无法接收数据报文，

如果远端端口发生linkdown，则将本地状态标记PeerStatus=down；并正常接收数据报文。

采用本发明所述的基于虚拟网关的无线传感网网关冗余方法，在建立无线传感网时，将两个网关节点（两台网关设备）虚拟成一个虚拟网关设备，传感器节点把该虚拟网关作为无线传感网的根节点，传感器节点并不知道有两个互为主备的网关节点存在，两个网关节点一个是主节点（Master），一个是备份节点（backup）。主节点（Master）负责传感数据的转发和路由表的更新，而备份节点（backup）负责监听主节点（Master）的状态。当主节点（Master）工作失效时，备份节点（backup）主动接管主节点的工作，传感器节点不需要再重新加入另一个传感网络，该倒换过程对传感器节点来说是透明的。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims

1.一种基于虚拟网关的无线传感网网关冗余方法，其特征在于：所述无线传感网采用树状拓扑，由两台负责连接无线传感网和IP网络的网关设备分别作为网关节点RootA和RootB，所述网关节点为树状拓扑的根节点，网关节点RootA和RootB互为备份，传感器节点按树状拓扑与网关节点RootA连接，

网关节点RootA和RootB都设有工作在IEEE802.15.4的MAC层以上的虚拟网关模块，该虚拟网关模块运行在两个网关的无线传感侧之间的链路上，该链路采用IEEE802.15.4，互为备份的两个网关节点RootA和RootB的虚拟网关模块中，配置相同的虚拟网关ID；网关节点RootA和RootB在建立无线传感网以及与传感器节点通信过程中，都是以虚拟网关ID来代替网关本身的ID的；

网关节点RootA和RootB之间首先要通过虚拟网关模块进行主备状态的协商，两者的主备关系确定后才进行整个无线传感网网络的建立；

当网关节点RootA和RootB之间通过虚拟网关模块进行主备状态的协商时，各网关节点分别至少包括以下状态标记：

MasterID：表示作为主节点的网关的ID，初始为空；

网关节点RootA和RootB在启动虚拟网关模块后，互相发送Status字段为down的报文，报文的VirtualGatewayID字段为配置的虚拟网关ID，MasterID字段为空，SenderID字段为发送报文的网关自己的ID；

(1)首先判断收到的报文的虚拟网关ID和本网关配置的虚拟网关ID是否相同，如果不相同，则发出警告，要求重新进行配置；并发送给对端网关Status字段为错误的报文；当本网关为网关节点RootA，则对端网关为网关节点RootB，或当本网关为网关节点RootB，则对端网关为网关节点RootA，

(2)如果收到的报文的虚拟网关ID和本网关配置的虚拟网关ID相同，则继续解析报文的Status字段，根据报文的Status字段和本网关本地的LocalStatus状态标记来决定报文的处理：

(2.1)如果报文的Status字段＝0，本网关的状态标记LocalStatus＝down，则说明本网关和对端网关都是初始状态，则开始进行主节点Master的选举：

(2.2)如果报文的Status字段＝0，本网关的LocalStatus＝Master，则本网关状态不变，仍然是主节点Master；本网关发送报文给对端网关，报文的Status字段为1代表主节点，报文的MasterID为本网关的ID，报文的SenderID为本网关的ID；

(2.3)如果报文的Status字段＝1，本网关的LocalStatus＝down，则本网关为备份节点backup，设置本网关的LocalStatus＝backup，设置本网关的MasterID为对端网关的ID；并发送报文给对端网关，报文的Status字段＝2，报文的MasterID为对端网关的ID，报文的SenderID为本网关的ID；

(2.4)如果报文的Status字段＝2，本网关的LocalStatus＝Master；则本网关状态不变，仍然是主节点Master，本网关发送报文给对端网关，报文的Status字段为1代表主节点，报文的MasterID为本网关的ID，报文的SenderID为本网关的ID。

2.如权利要求1所述的基于虚拟网关的无线传感网网关冗余方法，其特征在于：通过虚拟网关模块进行主备状态协商时的报文采用IEEE802.15.4的帧格式，报文发送间隔为100ms，帧格式中包含媒体访问控制子层报头、协议类型、协议报文三个部分；其中：

协议报文包括以下字段：

Priority字段：表示发送方的优先级；

VirtualGatewayID字段：表示虚拟网关ID；

MasterID字段：表示主节点的ID；

SenderID字段：表示发送方的ID。

3.如权利要求2所述的基于虚拟网关的无线传感网网关冗余方法，其特征在于：

两个网关节点RootA和RootB的虚拟网关模块的初始状态如下：

LocalStatus＝down；PeerStatus＝down；MasterID＝NULL；

LocalWSNPortStatus＝up；PeerWSNPortStatus＝up；

VirtualGateway ID＝配置的虚拟网关ID。

4.如权利要求1所述的基于虚拟网关的无线传感网网关冗余方法，其特征在于：步骤(2.1)中，

a)如果本网关确定为主节点Master，则本网关做如下处理：

设置本网关的LocalStatus＝Master，设置MasterID＝本网关的ID；主节点开始建立无线传感网的工作；

b)如果本网关确定为备份节点backup，则本网关做如下处理：

设置本网关的LocalStatus＝backup，设置MasterID＝对端网关的ID；并开始设置监听器，监听从对端网关发送来的报文，同时向对端网关发送报文，报文的Status字段为backup，报文的MasterID字段为对端网关的ID，SenderID为本网关的ID。