CN103036795A - 一种树状拓扑的信道共享网络路由方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种树状拓扑信道共享网络路由方法，包括：按照路由标识码的编码方法对树状拓扑信道共享网络结构中的结点进行编码；源结点发送包含目标结点标识码的数据包，接收到数据包的结点成为的候选转发结点；根据目标结点标识码的数据包与候选结点标识码的数据包比较结果选择路由方式；通过以上技术手段，网络环境好的情况下，数据包覆盖范围大，候选转发结点多，跳转次数减少；网络环境变差时间，数据包覆盖范围变小，候选转发结点变少，跳转次数增多。该路由算法能够适用变化频繁的不稳定网络。即使在网络环境最差的情况下，会选择非优化路径完整路由，以最多的跳转次数，将数据包转发到目标结点。

Description

一种树状拓扑的信道共享网络路由方法及系统

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种树状拓扑的信道共享网络的路方法及系统。

背景技术

无线传感器网络、无线自组织网络、低压电力载波网络以及超宽带通信网络等许多无线或有线信道共享网络，由于通信信道容易受到随机干扰影响，网络状态常常发生变化，出现不稳定不可靠问题。要解决网络的稳定性问题，单纯的从提高物理层通信能力，解决点的对点通信是不够的，需要从网络层入手研究网络的中继路由等方法，通过优化路由策略来提高网络的可靠性和路由效率。

路由方法与网络拓扑结构密切相关，不同的拓扑结构其路由策略不同。由于实际现场中树状拓扑是其中较为常见的一种结构，特别是在低压电力载波网络中，几乎百分之百低压电力载波网络是树状拓扑。本发明专利路由方法基于树状拓扑网络。

目前国内外对树状拓扑网络中继路由协议有大量的研究成果，归纳起来有如下四类：

(1)人工中继或静态路由

组网时人工设置一条或多条路由或者由路由器穷举遍历搜寻和建立中继路径，路由器记忆一条或多条路径。

该方法缺点非常突出，当网络通信环境发生变化，不能有效的进行数据传输，抗干扰能力差；当网络通信环境好时，不能使用最佳路径，实时性差；数据包中包含路由路径信息，增加无效负荷。

(2)学习路由

学习路由、预测路由、智能路由、ROLL RPL路由原理基本相同，数据传输前，路由器不断收集网络状态变化，根据历史信息和前一时刻的网络状态建立路由，确定通信路径。结点根据确定的完整路径转发数据。

与上一路由策略相比，学习路由具有一点的智能化，可以适用网络状态变化较慢的网络。其缺点是路由基于上一时刻确定，不能反映当前网络状态，对状态随机频繁变化的网络，网络状态变差常常出现路由无效，通信失败问题；网络状态变好，不能即时改变路由策略，无法保证路径最佳，实时性不高；数据包中包含路径信息，增加无效负荷。

(3)洪泛路由

洪泛路由基本原理是结点发出数据包，收到数据包的结点全部同时把数据包转发出去。接着，接收的转发数据包的结点又全部同时把刚接收的转发数据包再次转发，如此反复，数据包像波浪一样一层一层向外围传递出去，直到规定的转发次数为止。

洪泛路由优点是只要数据包转发次数足够大，一定能够找到目标结点；中继路径的建立过程是由结点边转发边完成，数据包中不需包含中继地址，不需增加无效负荷。

洪泛路由缺点也非常明显：多个转发结点间需要严格同步，否则转发结点间发生冲突，导致相互干扰。然而，在许多信道共享网络中实现结点间同步非常困难，冲突非常严重，路由成功率极低；转发次数设置困难，该参数是洪泛路由的关键参数，该参数与信道共享网络的通信环境质量有密切关系，网络好时参数应该设置小，效率才高，网络差时参数应该大，数据包才达到目标结点。相反如果参数设置太小，数据包不能转发到目标结点，设置太大，数据包到达目标结点后，其他分支上数据仍然在继续转发；数据包朝不同的方向大量盲目转发，大量浪费能源，对网络造成二次污染；

(4)改进洪泛路由

改进洪泛路由对洪泛路由转发结点同步困难，转发结点容易产生冲突问题进行改进。具体而言就是对洪泛路由中接收到数据包的结点全部同时进行数据包转发机制进行改进，使得转发结点不再全部同时转发数据，而是采用p-persistent CSMA或其他机制为转发结点转发数据提供随机时延，错开发送时隙，避免了冲突。改进的洪泛路由降低了冲突的概率，提高了路由成功率。

在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

改进的洪泛路由依然存在以下缺点：仅仅降低了冲突的概率，但冲突无法避免，特别在信道共享网络状态变化频繁的情况下，冲突更加严重；依然无法解决转发次数参数值设置困难问题，转发参数无法即时随着网络状态的变化而变化，路由效率低；数据包依然朝不同的方向盲目转发，大量浪费能源，对网络造成二次污染；在双向对等网络、双向分布式网络中，改进的洪泛路由协议无法有效的控制与冲突避免，必然导致网络阻塞、振荡进而使得网络瘫痪。

发明内容

为了解决相关技术的上述缺点，本发明提出了一种树状拓扑的信道共享网络路由方法及系统，该共享网络包含树状拓扑结构和具有有限功能的结点

一种树状拓扑的信道共享网络路由方法，包括以下步骤：1)按照路由标识码的编码方法对树状拓扑信道共享网络结构中的结点进行编码；2)源结点发送包含目标结点标识码的数据包，接收到数据包的结点成为的候选转发结点；3)候选节点根据数据包中目标结点标识码与候选结点标识码的比较结果选择路由方式。

优选地，所述步骤1)中具体包括步骤：11)对树状拓扑信道共享网络结构中的子网所在层及子网所在层分支、子网成员号进行编码，生成子网层编码、子网层分支编码及子网成员号；12)根据子网编码、子网成员号两部分对每个结点进行编码标识，所述子网编码由子网层编码、子网层分支编码生成，生成方式为：结点的子网编码单元位数，由结点所在的子网层编码决定，每一层用一位表示，其位数从高到低排序(或从低到高排列或其他排列，为方便叙述，下面默认为从高到低排序)；并在该结点所在层对应的位上，表示子网层分支编码；并在该结点所在层的父子网所对应的位上，表示结点的父子网编码；所述子网成员号，由该结点在子网中的成员号编码组成。

优选地，所述步骤12)中所述子网编码、子网成员号可以用十六进制表示，并可以根据编码要求通过增位的方式累加。

优选地，所述步骤3)，具体包括：3A)判断目标结点标识码的数据包与候选结点标识码是否一致，若是，则目标结点广播发出目标结点收到的响应信息，终止转发；3B)否则，各候选转发结点将目标结点路由标识码与自身路由标识码比较，其中最小值对应结点为的转发结点，比较值较大的其他节点为候选转发结点，转发结点对接收的数据进行转发。候选转发结点收到转发结点转发数据包后，取消候选转发状态，成为普通节点。

优选地，所述3B)中的具体步骤包括：3B1)候选节点将目标节点路由标识码与自身路由标识码左对齐进行减运算得差a；3B2)选取最小差a值，所对应候选节点为候选转发结点，对接收的数据进行转发。

本发明提供一种树状拓扑的信道共享网络路由系统，包括：结点编码生成单元、数据包发送单元、数据包比较单元、路由单元；所述结点编码生成单元对结点编码后，数据包发送单元进行数据包发送，之后，路由单元根据数据包比较单元的比较结果决定路由方法。

其中，结点编码生成单元，用于根据路由标识码的编码方法对树状拓扑信道共享网络结构，对每个结点进行编码；所述数据包发送单元，用于将源结点数据包发送到各候选结点，其中，源结点发送包含目标结点路由标识码；所述数据包比较单元，用于对目标结点标识码的数据包与候选结点标识码的数据包进行比较；所述路由单元，用于根据数据包比较单元结果确定是否转发数据包。

其中，所述中结点编码生成单元，用于对每个结点进行编码，具体方法为：对树状拓扑信道共享网络结构中的子网所在层及子网所在层分支、子网成员号进行编码，生成子网层编码、子网层分支编码及子网成员号；根据子网编码、子网成员号两部分对每个结点进行编码标识，所述子网编码由子网层编码、子网层分支编码生成，生成方式为：结点的子网编码单元位数，由结点所在的子网层编码决定，每一层用一位表示，其位数从高到低排序(或从低到高排列或其他排列，为方便叙述，下面默认为从高到低排序)；并在该结点所在层对应的位上，表示子网层分支编码；并在该结点所在层的父子网所对应的位上，表示结点的父子网编码。所述子网成员号，由该结点在子网中的成员号编码组成。

其中，所述路由单元的具体实现方法包括：判断目标结点标识码的数据包与候选结点标识码是否一致，若是，则目标结点广播发出目标结点收到的响应信息，终止转发；否则，各候选转发结点将目标结点路由标识码与自身路由标识码比较，选择其中最小值对应结点为的转发结点，进行数据包转发。比较值较大的其他节点为候选转发结点，转发结点对接收的数据进行转发。候选转发结点收到转发结点转发数据包后，取消候选转发状态，成为普通节点。

以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

上述算法能够根据网络环境的变化，即时的调整路由路径。在网络环境好的情况下，数据包覆盖范围大，候选转发结点多，跳转次数减少；网络环境变差时间，数据包覆盖范围变小，候选转发结点变少，跳转次数增多。该路由算法能够适用变化频繁的不稳定网络。即使在网络环境最差的情况下，会选择非优化路径完整路由，以最多的跳转次数，将数据包转发到目标结点。因此，该路由算法能够在保证路由可靠性的同时提高路由实时性。

附图说明

从下面结合附图对实施例的说明，本发明在技术效果上的优点将变得更清楚，并且更容易被理解，其中：

图1是表示根据本发明实施例中的树状拓扑信道结点的示意图；

图2是表示根据本发明实施例中的树状拓扑信道子网结构示意图；

图3是表示根据本发明实施例一中的数据接收结点的示范步骤的流程图；

图4是表示根据本发明实施例一中的数据接收结点另一种的示范步骤的流程图；

图5是表示根据本发明实施例二中的系统组成示意图；

具体实施方式

现在将详细参照本发明实施例，并已显示在附图中，其中相同的参考标记始终表示相同的元件。为了解释本发明，以下参考附图说明实施例。

在进行详细的说明之前，先说明术语的定义：

树状拓扑信道是指：一种类似于总线拓扑的局域网拓扑。树型网络可以包含分支，每个分支又可包含多个结点。在树型拓扑中，从一个结点发出的信息要传播到物理介质的部分，并被所有其他结点接收。

路由是使用在源结点和目的结点之间进行通信的中间结点建立的。

根结点即主结点：在一个树状拓扑信道中，只有一个跟结点；它负责组网和路由，其余结点分布于各分支线路上称为从结点。

父结点即：在树结构中，每一个节点只有一个前件，成为父结点。

子结点即：每个结点的子树的根结点称为该结点的子结点。

实施例一：

根据本发明的第一实施例，数据接收结点的示范步骤的流程图；

首先，结合图1说明实施例中的树状拓扑信道子网结构示意图；以主结点为根结点的树状拓扑信道共享网络是一个多层次多分支的树形结构，图中所示网络有3层，第一层有A，B，C 3条大分支，其中“Z”节点为主节点。

结合图2将在物理位置上邻近，通信时不需通过中继或路由跳转而能直接通信的结点形成子网。子网中结点称为成员，依据成员离主结点(或上一子网)物理距离远近进行成员编号，距离最近的结点为子网头，为方便叙述，规定01成员，依次定为02、03……成员；整个网络由一个主结点和众多的子网组成，每个子网由一个或多个成员组成。

参照图3所示为本发明一种树状拓扑信道共享网络路由方法，包括以下步骤：

首先，按照路由标识码的编码方法对树状拓扑信道共享网络结构中的结点进行编码；，

路由标识码是一种可以反映结点在网络物理拓扑结构中位置关系的编码，要对树状拓扑的信道共享网络中的结点作出正确标识。

首先，要对对树状拓扑信道共享网络结构中的子网所在层及子网所在层分支、子网成员号进行编码，生成子网层编码、子网层分支编码及子网成员号；如图2所示，如子网2中的02结点，因子网所在层为第二层，因此子网层编码为2，因子网所在层分支为二层一分支，因此子网层分支编码为01(十六进制编码，因子网成员号为02，因此子网成员号为02；

之后，根据子网编码、子网成员号两部分对每个结点进行编码标识，

所述子网编码是由子网层编码、子网层分支编码生成，已子网2中的02结点为例，其结点的子网编码生成方式为：

首先，根据结点的子网编码单元位数，由结点所在的子网层编码决定，子网2中的02结点的子网层编码为2，因此，用00 00两位表示，每一层用一位表示，其位数从高到低排序；

之后根据在该结点所在层对应的位上，表示子网层分支编码，第1分支就编码为1，第2分支就编码为2，……依次类推，第255分支编码为FF。若分支数大于255可用2个字节进行编码，若分支少，也可以采用若干位进行编码，子网2中的02结点的子网分支编码为01，因此，填充子网分支编码后的子网编码为00 01；

之后在该结点所在层的父子网所对应的位上，表示结点的父子网编码，子网2中的02结点的父子网编码为01，因此子网2中的02结点的子网编码为01 02。所述子网成员号，由该结点在子网中的成员号编码组成，为了方便叙述子网的成员号用1字节编码，即01-FF，成员头编码01，最大支持编码255个簇成员。当网络中出现一子网超过255个结点情况时，可增加成员字段长度，或采用子网分裂(即子网一分为二)的办法来解决。子网2中的02结点的子网成员号为02，以上子网编码、子网成员号可以用十六进制表示，并可以根据编码要求通过增位的方式累加。

因此，子网2中的02结点的编码由子网编码、子网成员号两部分组成，其中子网编码为01 02，子网成员号为02，因此子网2中的02结点的路由标识码为01 02 02；

如图2，结点G所属子网编码为：010102。编码长度为3个字节表示该子网位于第3层，第3字节值为02，表示在第3层位于第2分支，其前字节0101表示其父子网0101，子网成员号为02，因此结点G的的路由标识码为01010202

在对结点进行编码定义后，在树状拓扑的信道共享网络中，每一个结点都将有特定的编码，从而路由标识码非常巧妙的描述了结点在物理拓扑中具体位置关系。

当树状拓扑网络中结点进行路由时，数据包中只需包含源结点和目标结点的路由标识码。

此时会出现在两种情况，当网络的信息覆盖效果较好时，第一种情况请参照图3，接收到的结点为子网1中的01、02、03结点、子网2中的01、02、03结点，因此，子网1与子网2中的全部结点为候选结点。

将候选结点分别和目标结点路由标识码与自身路由标识码进行运算比较，其运算比较的方法可以为：标识码左对齐进行减运算得差a，a的绝对值越小，则说明离目标结点越近，通过比较各个差值，获取绝对差值中最小值，如：子网1中的01、02、03结点、子网2中的01、02、03结点其中，子网2的03结点是所有结点中绝对差值中最小的，因此成为转发结点，而其他节点为候选转发节点，完整转发路径为：子网2的03结点(010103)→子网3的01结点(01010101)→子网3的02结点(01010102)→子网4的01结点(01010201)，其中转发(子网2的03结点)结点转发后将同时发出数据包路由转发广播信息，向其他候选结点广播转发已经进行的信息，则其他候选转发结点(子网1中的01、02、03结点、子网2中的01、02结点)取消候选转发状态，成为普通节点；当转发结点(子网2的03结点)，并没有进行转发时，并没有向其他候选结点广播转发已经进行的信息，则需要其他候选转发结点中，确定新的转发结点，此时，选择次大结点(子网2的02结点)为新的转发结点，并按以上转发结点相同的转发过程进行转发，此转发持续到转发节点数据包中目标结点标识码与候选结点标识码的数据包一致，则目标结点向其他候选节点广播发出目标结点收到的响应信息，终止转发，路由结束。

当网络的信息覆盖效果不好时，第二种情况请参照图4，没有子网接收到数据包，因此数据包从主结点开始传递，则数据包中携带目标结点的路由标识码。通过数据包中的路由标识码根据路由标识编码原则就能推算出一条从源结点到目标结点之间的完整的非优化的可靠路由路径。如主结点发送数据到子网4的01结点，目标结点路由标识码为01010201，非优化完整路径为主结点→子网1的01结点(0101)→子网1的02结点(0102)→子网1的03结点(0103)→子网2的01结点(010101)→子网2的02结点(010102)→子网2的03结点(010103)→子网3的01结点(01010101)→子网3的02结点(01010102)→子网4的01结点(01010201)。

整个路由路径通过路由编码规则推算而来，数据包中不需包含中继结点或跳转结点信息。因此，能够减少路由附加负荷，提高传输效率，适用环境状态变化频繁的网络。

实施例二：

如图5所示另外一种树状拓扑信道共享网络路由系统，

包括：结点编码生成单元、数据包发送单元、数据包比较单元、路由单元；所述结点编码生成单元对结点编码后，数据包发送单元进行数据包发送，之后，路由单元根据数据包比较单元的比较结果决定路由方法，所述：

结点编码生成单元，用于根据路由标识码的编码方法对树状拓扑信道共享网络结构，对每个结点进行编码；所述数据包发送单元，用于将源结点数据包发送到各候选结点，其中，源结点发送包含目标结点标识码；所述数据包比较单元，用于对目标结点标识码的数据包与候选结点标识码的数据包进行比较；所述路由单元，用于根据数据包比较单元结果按照路由算法根据路由算法进行路由。

其中，所述中结点编码生成单元，用于对每个结点进行编码，具体方法为：

对树状拓扑信道共享网络结构中的子网所在层及子网所在层分支、子网成员号进行编码，生成子网层编码、子网层分支编码及子网成员号；

根据子网编码、子网成员号两部分对每个结点进行编码标识，

所述子网编码由子网层编码、子网层分支编码生成，生成方式为：结点的子网编码单元位数，由结点所在的子网层编码决定，每一层用一位表示，其位数从高到低排序；

并在该结点所在层对应的位上，表示子网层分支编码；

并在该结点所在层的父子网所对应的位上，表示结点的父子网编码。

所述子网成员号，由该结点在子网中的成员号编码组成。

其中、判断目标结点标识码的数据包与候选结点标识码是否一致，若若是，则目标结点广播发出目标结点收到的响应信息，终止转发；否则，各候选转发结点将目标结点路由标识码与自身路由标识码比较，选择其中最小值对应的结点作为转发节点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种树状拓扑的信道共享网络路由方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)按照路由标识码的编码方法对树状拓扑信道共享网络结构中的结点进行编码；

2)源结点发送包含目标结点标识码的数据包，接收到数据包的结点成为的候选转发结点；

3)所述候选转发结点根据数据包中目标结点标识码与候选结点标识码比较结果选择路由方式。

2.如权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中具体包括步骤：

11)对树状拓扑信道共享网络结构中的子网所在层及子网所在层分支、子网成员号进行编码，生成子网层编码、子网层分支编码及子网成员号；

12)根据子网编码、子网成员号两部分对每个结点进行编码标识，

所述子网编码由子网层编码、子网层分支编码生成，生成方式为：结点的子网编码单元位数，由结点所在的子网层编码决定，每一层用一位表示，其位数从高到低排序；

并在该结点所在层对应的位上，表示子网层分支编码；

并在该结点所在层的父子网所对应的位上，表示结点的父子网编码。

所述子网成员号，由该结点在子网中的成员号编码组成。

3.如权利要求2中所述的方法，其特征在于，所述步骤12)中所述子网编码、子网成员号可以用十六进制表示，并可以根据编码要求通过增位的方式累加。

4.如权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述步骤3)，具体包括：

3A)判断目标结点标识码的数据包与候选结点标识码的数据包是否一致，若是，则目标结点广播发出目标结点收到的响应信息，终止转发；

3B)否则，各候选转发结点将目标结点路由标识码与自身路由标识码比较，其中最小值对应结点为转发结点，并根据路由标识码进行路由。

5.如权利要求4中所述的方法，其特征在于，所述3B)中的具体步骤包括：

3B1)候选节点将目标节点路由标识码与自身路由标识码左对齐进行减运算得差a；

3B2)a值最小所对应候选节点作为转发结点，所述转发结点根据路由标识码进行路由，并发出数据包路由转发广播信息，比较值较大的其他节点仍为候选转发结点。

6.如权利要求5中所述的方法，其特征在于，所述步骤3B)中还可以包括：

3B3)判断转发节点是否发出数据包转发广播信息，若转发，则其他候选转发结点取消候选转发状态，成为普通节点，否则，比较值次大的结点作为转发结点，进行转发。

7.一种树状拓扑的信道共享网络路由系统，其特征在于，包括：结点编码生成单元、数据包发送单元、数据包比较单元、路由单元；

所述结点编码生成单元对结点编码后，数据包发送单元进行数据包发送，之后，路由单元根据数据包比较单元的比较结果决定路由方法。

8.如权利要求7中所述的系统，其特征在于，所述：

结点编码生成单元，用于根据路由标识码的编码方法对树状拓扑信道共享网络结构，对每个结点进行编码；

所述数据包发送单元，用于将源结点数据包发送到各候选结点，其中，源结点发送包含目标结点标识码；

所述数据包比较单元，用于对目标结点标识码的数据包与候选结点标识码的数据包进行比较；

所述路由单元，用于根据数据包比较单元结果按照路由算法根据路由算法进行路由。

9.如权利要求7中所述的系统，其特征在于，所述中结点编码生成单元，用于对每个结点进行编码，具体方法为：

对树状拓扑信道共享网络结构中的子网所在层及子网所在层分支、子网成员号进行编码，生成子网层编码、子网层分支编码及子网成员号；

根据子网编码、子网成员号两部分对每个结点进行编码标识，

所述子网编码由子网层编码、子网层分支编码生成，生成方式为：结点的子网编码单元位数，由结点所在的子网层编码决定，每一层用一位表示，其位数从高到低排序；

并在该结点所在层对应的位上，表示子网层分支编码；

并在该结点所在层的父子网所对应的位上，表示结点的父子网编码。

所述子网成员号，由该结点在子网中的成员号编码组成。

10.如权利要求7中所述的系统，其特征在于，所述路由单元的具体实现方法包括：

判断目标结点标识码的数据包与候选结点标识码是否一致，若若是，则目标结点广播发出目标结点收到的响应信息，终止转发；否则，各候选转发结点将目标结点路由标识码与自身路由标识码比较，选择其中最小值对应的结点作为转发节点。

Images