CN105052205B - 提供无服务中断的备份网络拓扑 - Google Patents

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Abstract

一个实施例中，主根节点可基于从第一跳节点所接收到的信息来检测一个或多个相邻根节点，并可从相邻根节点中选择备份根节点。一旦被选择，该备份根节点可将网络标识和相应的分组网格密钥发送到主根节点，主根节点可将它们转发到第一跳节点，以当到主根节点的连接发生故障时，使得该第一跳节点迁移到备份根节点。此外，在到主根节点的连接被恢复时，第一跳节点可迁移回到该主根节点。

Description

提供无服务中断的备份网络拓扑
相关申请
本申请在35U.S.C.§119(e)下请求于2013年3月15日提交的、美国临时申请No.13/839,053的优先权，通过引用将其整体结合于此。
技术领域
本公开一般地涉及计算机网络，并且更具体而言，涉及提供一种无服务中断的备份网络拓扑。
背景技术
诸如传感器网络之类的低功率有损网络(LLN)具有大量的申请，例如智能电网和智能城市。向LLN提出了各种挑战，例如有损链路、低带宽、电池操作、低存储和/或处理能力等。LLN挑战的一种示例路由解决方案是被称为LLN路由协议或“RPL”的协议，它是一种在限制控制流量、支持本地(和慢速)修复等的一系列特征之外，建立起面向目的节点的无环有向图(DODAG，或简称DAG)的距离向量路由协议。该RPL架构提供了一种灵活的方法，通过该方法每个节点执行DODAG发现、构建和维护。
此外，DAG上的流量路由通常被导向至(或来自)LIN中的场区路由器(FAR)，其中该FAR进而可在例如到管理系统的回程链路上对流量进行导向。当FAR经历连接故障时，例如，由于有计划的维护或故障的原因，路由拓扑中出现中断，对LLN拓扑的重建可能是耗时的。特别地，重建处理重建在连接故障之前预先存储在FAR中的所有状态(如与其网络的特征有关的有用信息)，导致恢复连接的进一步延迟。
附图说明
通过参考以下说明并结合所附附图能够更好地理解此处的实施例，附图中相同的参考标记指示相同或功能类似的元件，其中：
图1示出了示例通信网络；
图2示出了示例网络设备/节点；
图3示出了图1的通信网络中的示例路由拓扑(如无环有向图或“DAG”)；
图4示出了共享媒体通信网络中的主根节点的示例视图，该主根节点检测相邻根节点并从所选择的备份根节点接收网络标识和相应的分组网格密钥。
图5A-5B示出了在到主根节点的连接故障之后第一跳节点迁移到备份根节点的示例视图；
图6示出了第一跳节点响应于到主根节点的恢复连接而迁移回到主根节点的示例视图；
图7示出了用于选择备份根节点以及使得迁移到备份根节点的示例简化过程；
图8示出了用于到主根节点连接故障之后迁移到备份根节点的示例简化过程。
具体实施方式
概述
根据本公开的一个或多个实施例，共享媒体通信网络中的主根节点可基于从第一跳节点所接收的信息来检测一个或多个相邻根节点。响应于检测相邻根节点，主根节点可选择备份根节点并可从该备份根节点接收网络标识和相应的网格组密钥。主根节点然后可向第一跳节点通知该备份根节点以及网络标识和相应的网格组密钥，以在到主根节点的连接出现故障时促使第一跳节点迁移到备份根节点。
根据本公开的一个或多个附加实施例，共享媒体通信网络中的第一跳节点可向主根节点发送识别一个或多个相邻根节点的信息。向主根节点发送信息之后，该第一跳节点可从主根节点接收指示备份根节点连同与该备份根节点相关联的网络标识以及相应的网格组密钥的消息。该第一跳节点可确定到主根节点的连接故障，并响应于此可迁移到该备份根节点。
说明
计算机网络是地理上分布的通过通信链路互联的节点以及用于在末端节点(例如个人计算机和工作站，或其他设备，例如传感器等)之间传输数据的部分的集合。从局域网(LAN)到广域网(WAN)范围内，许多类型的网络是可用的。LAN典型地在专用的私有通信链路上连接位于同一一般物理位置(例如建筑物或者校园)上的节点。另一方面，WAN典型地在长距离通信链路(例如公共载波电话线路、光路、同步光网络(SONET)、同步数字体系(SDH)链路或电力线通信(PLC)，例如IEEE 61334、IEEE P1901.2，或其他)上连接地理上分散的各节点。此外，移动自组织网络(MANET)是一种无线自组织网络，其通常被认为是通过无线链路连接的移动路由器(和相关联的主机)的自配置网络，它们的联合形成任意拓扑。
特别地，智能对象网络(例如传感器网络)是具有空间上分布式的自主设备(例如传感器、执行器等)的特定类型的网络，这些设备互相协调地监控不同位置上的物理或环境条件，例如，如能量/功率消耗、资源消耗(如用于高级量测基础设施或“AMI”应用的水/气/等)、温度、压力、振动、声音、辐射、移动、污染物等。其他类型的智能对象包括例如负责打开/关闭发动机或执行任何其他动作的执行器。传感器网络，是一种智能对象网络，典型地是共享媒体网络，例如无线或PLC网络。也就是说，除了一个或多个传感器之外，传感器网络中的每个传感器设备(节点)通常可装备有无线收发器或其他通信端口(例如PLC、微控制器)，以及能量源(例如电池)。通常，智能对象网络被认为是场区网络(FAN)，邻区网络(NAN)等。一般地，对智能对象节点(如传感器)的尺寸和成本限制导致了对相应的资源(例如能量、存储、计算速度和带宽)的限制。
图1是示例计算机网络100的示意框图，说明性的包括通过各种通信方法互连的节点/设备200(如所示出的标记为“FAR”(根节点)、“11”、“12”、...“45”以及如下面图2中所描述的)。例如，链路105可以是有线链路或共享媒体(如无线链路、PLC链路等)，其中诸如路由器、传感器、计算机等之类的特定节点200可基于距离、信号强度、当前工作状态、位置等与其他节点200通信。本领域技术人员将会明白，在计算机网络中可使用任意数量的节点、设备、链路等，且在此所示的视图是为了简化。此外，本领域技术人员还将明白尽管该网络是以特定的方向示出，尤其是具有“根”节点(场区路由器，FAR)，网络100仅仅是示例说明，并非旨在限制本公开。
数据分组140(如设备/节点之间发送的流量和/或消息)可在计算机网络100的节点/设备之间使用预先定义的网络通信协议交互，例如某些已知的有线协议、无线协议(如IEEE Std.802.15.4、WiFi、蓝牙等)、PLC协议或其他合适的共享媒体协议。由此而论，协议包括一系列定义节点怎样彼此互相作用的规则。
图2是可以用在此描述的一个或多个实施例的方式使用的示例节点/设备200的示意框图，如以上图1所示的任一个节点。该设备可包括通过系统总线250互连的一个或多个网络接口210(如有线的、无线的、PLC等)、至少一个处理器220和存储器240，以及电源260(如电池、插接件等)。
网络接口210包含用于在连接到网络100的链路105上传递数据的机械、电气和信令电路。网络接口可被配置成使用各种不同的通信协议来发送和/或接收数据。注意，进一步地，这些节点可具有两个不同类型的网络连接210(例如，无线和有线/物理连接)，并且此处的视图仅仅用于说明。此外，尽管网络接口210与电源260被分离地示出，但对于PLC，网络接口210可通过电源260进行通信，或可以是电源的整体组件。在一些特定配置中，PLC信号可被连接到供电到电源的电力线。
存储器240包括多个可由处理器220和网络接口210寻址以用于存储与在此描述的实施例相关联的软件程序和数据结构的存储位置。注意某些设备可具有有限的存储器或没有存储器(如除了设备上运行的程序/处理和相关联的缓存之外没有存储器用于存储)。处理器220可包括适应于执行软件程序和操作数据结构245的硬件元件或硬件逻辑。操作系统242部分典型地驻留在存储器240中并由处理器执行，尤其通过调用支持在设备上执行的软件进程和/或服务的操作而功能性地组织该设备。这些软件进程和/或服务可包括如在此描述的路由进程/服务244、有向无环图(DAG)进程246、以及说明性的迁移进程248。
对本领域技术人员来说显而易见的是，包括各种计算机可读介质的其他处理器和存储器类型也可用于存储和执行与在此描述的技术有关的程序指令。此外，尽管说明解释了各种进程，可清楚地考虑到各种进程可体现为被配置成根据此处的技术(如根据类似进程的功能)来操作的模块。而且，尽管这些进程已分离地示出，本领域技术人员将理解这些进程可以是其他进程内部的程序或模块。
路由进程(服务)244包含由处理器220执行的计算机可执行指令以执行一个或多个路由协议所提供的功能，如本领域技术人员将会明白的先应式或反应式路由协议。在有能力的设备上这些功能可被配置为管理包含如用于做出路由/转发决策的数据的路由/转发表(数据结构245)。特别地，在先应式路由中，连接被发现并且在计算到网络中任何目的地的路由之前就已经知道，如链路状态路由，例如开放式最短路径优先(OSPF)，或中间系统到中间系统(ISIS)，或最优链路状态路由(OLSR)。另一方面，反应式路由发现邻居(即不具有网络拓扑的先验知识)，响应于到目的地所需要的路由而将路由请求发送到网络中，以确定哪个相邻节点可用于到达想要的目的地。示例反应式路由协议可包括自组织按需距离向量(AODV)、动态源路由(DSR)、动态MANET按需路由(DYMO)等。尤其在不能或未被配置成存储路由入口的设备上，路由进程244可单独包括提供源路由技术所必需的机制。也就是说，对于源路由，网络中的其他设备可确切地告知能力较低的设备将分组发送到哪里，能力较低的设备如所示简单地将分组转发。
低功率有损网络(LLN)(如某些传感器网络)可用在大量申请中，例如用于“智能电网”和“智能城市”。LLN中已经显现出一些挑战，例如：
1)链路通常是有损的，导致分组递交速率/比例(PDR)由于各种干扰源而剧烈变化，例如大大影响比特错误率(BER)；
2)链路通常是低带宽，导致控制平面流量通常必须受到限制，并且与低速率数据流量相比微不足道；
3)有许多应用实例需要指定一系列链路和节点度量，它们中的一些是动态的，因此需要特定平滑功能以避免路由不稳定，相当耗尽带宽和能量；
4)一些应用要求限制路由，例如建立将会避免非加密链路的路由路径，低能量运行的节点等；
5)网络的规模可变得非常大，如大约几千到几百万节点；以及
6)节点可使用低存储、降低的处理能力、低电源(如电池)来限制。
换言之，LLN是一类路由器和它们的互连都受约束的网络：LLN路由器典型地使用约束来工作，如处理功率、存储器和/或能量(电池)，且它们的互连说明性地以高损耗率、低数据速率和/或不稳定为特征。LLN由从几十到几千甚至上百万的任意个LLN路由器组成，支持点到点流量(LLN内部的设备之间)、点到多点流量(从中心控制点到LLN内部的设备的一个子集)以及多点到点流量(从LLN内部设备到中心控制点的设备)。
LLN的一种示例实施方式是“物联网”网络。宽松地，本领域技术人员可使用术语“物联网”或“IoT”指代基于网络的架构中的唯一可识别对象(事物)和它们的虚拟表示。特别地，互联网发展的下一个前沿是连接不仅仅计算机与通信设备的能力，而且连接一般而言的“对象”的能力，例如光、家电、车辆、HVAC(暖通空调)、窗户和窗帘以及百叶窗、门、锁等。“物联网”因此通常是指对象(如智能对象)(例如传感器和执行器)在计算机网络(如IP)上的互连，它可能是公共互联网或私有网络。这种设备已经在工业中使用了数十年，通常是以非IP或私有协议的形式通过协议转换网关的方式连接到IP网络。随着大量申请的出现，例如智能电网、智能城市、楼宇和工业自动化以及汽车(如能将上百万的对象互连用于感测类似电力质量、轮胎气压和温度以及能够致动发动机和光)，始终极其重要的是扩展适用于这些网络的IP协议。
Winter等人(2012年3月)提出的名称为“RPL：针对低功率和有损网络的Ipv6路由协议”的、在互联网工程任务组(IETF)提议标准、请求评论(RFC)6550中详细说明的一种示例协议，提供了一种支持从LLN内部设备到中心控制点(一般地如LLN边界路由器(LBR)或“根节点/设备”)的多点到点(MP2P)流量，以及从中心控制点到LLN内部设备的点到多点(P2MP)流量(还有点到点或“P2P”流量)的机制。RPL(读音为“ripple”)可通常被描述为距离向量路由协议，其在定义一系列限制控制流量、支持修复等的特征之外，建立有向无环图(DAG)以用于路由流量/分组140。尤其是可以如本领域技术人员所理解的，RPL还支持多拓扑路由(MTR)概念，由此根据个体需要可建立多个DAG来承载流量。
DAG是具有这样特性的有向图：所有边(和/或顶点)以期望不存在任何循环(环路)的方式被定向。所有边被包含在朝向并且终止在一个或多个根节点(如“簇头节点”或“汇聚节点”)的路径中，通常将DAG设备用更大的基础设施(例如互联网、广域网或其他域)进行互连。此外，面向目的地的DAG(DODAG)是一种植根在单个目的地上的DAG，即，在单个DAG根上没有外出的边。DAG内特定节点的“父”节点是朝向DAG根的路径上该特定节点的直接后继，以使该父节点比该特定节点本身具有更低的“等级”，其中一个节点的等级标识该节点相对于DAG根的位置(如，一个节点距离根越远，该节点的等级越高)。进一步地，在某些实施例中，DAG内节点的同级可被定义为在该DAG内处于同一等级的任何相邻节点。注意这些同级并不需要共享共同的父节点，同级之间的路由通常并不是DAG的一部分，这是因为不存在转发进度(它们等级相同)。还应注意树是一种DAG，其中DAG中的每个设备/节点通常具有一个父节点或一个优选父节点。
通常可基于目标函数(OF)来创建DAG(如由DAG进程246创建)。目标函数的角色通常是规定怎样建立DAG的规则(如父节点、备份父节点等的数量)。
此外，路由协议可通知一个或多个度量/约束来针对优化该DAG。而且路由协议允许包括约束的可选集来计算约束路径，例如如果一个链路或节点并不满足所要求的约束，在计算最佳路径时它将从候选列表中被“修剪”掉。(可选地，这些约束和度量可与OF分开)此外，路由协议可包括定义了一个或一系列主机的“目标”，例如用作数据采集点的主机，或提供到外部基础设施连接的网关，其中DAG的主要目标是使DAG内的设备能够到达该目标。在节点不能遵循目标函数或不明白或不支持所通知的度量的情况下，其可被配置成加入该DAG作为叶节点。如在此使用的，各种度量、约束、策略等都被认为是“DAG参数”。
说明性地，用于选择路径(如优选父节点)的示例度量可包括成本、延迟、等待时间、带宽、期望传输次数(ETX)等，但是可置于路径选择上的示例约束可包括各种可靠性阈值、电池工作限制、多路径分集、带宽要求、传输类型(如有线、无线等)。该OF可提供定义负载均衡要求的规则，例如所选择父节点的数量(如单亲树或多亲DAG)。特别地，获得路由度量和约束的方式的一个示例可在IETF RFC中、Vasseur等人提出的名称为“用于低功率和有损网络中的路径计算的路由度量”<RFC 6551>(2012年3月版本)中得到。进一步地，示例OF(如默认OF)可在IETFRFC中、Thubert提出的名称为“RPL目标函数0”<RFC 6552>(2012年3月版本)以及O.Gnawali等人提出的名称为“具有磁滞的最低等级目标函数”<RFC 6719>(2012年9月版本)中得到。
建立DAG可利用发现机制来建立网络的逻辑表示以及利用路由传播来建立网络内的状态，以使路由器知悉如何将分组转发到它们的最终目的地。注意“路由器”是指可转发并产生流量的设备，而“主机”是指可产生但不能转发流量的设备。此外，“叶子”可通常用于描述通过一个或多个路由器连接到DAG的非路由器，但其不能自身将DAG所接收的流量转发到DAG上的另一个路由器。控制消息可在创建DAG时在网络内的设备之间发送以用于发现和路由传播。
根据该说明性的RPL协议，DODAG信息对象(DIO)是一种DAG发现消息，其携带使节点发现RPL实例、获知其配置参数、选择DODAG父节点集并维护该向上路由拓扑的信息。此外，目的地广告对象(DAO)是一种DAG发现应答消息，其沿着DODAG向上传递目的地信息以使DODAG根(以及其他中间节点)能够提供向下路由。DAO消息包括用以标识目的地的前缀信息，用以纪录支持源路由的路由能力以及用以确定特定广告的新鲜度的信息。特别地，“向上的”或“向上”路径是指引从叶节点到朝向DAG根的方向上的路由，如沿着DAG内的边的方向。相反地，“向下的”或“向下”路径是指引从DAG根到朝向叶节点的方向的路由，如通常与DAG内向上消息的反方向上移动。
一般地，DAG发现请求(如DIO)消息从DAG根设备向下朝着叶子发送，通知每个后继接收设备怎样到达根设备(即，从接收到请求的方向通常就是根的方向)。因此，DAG是在向上的方向上朝向根设备创建。DAG发现应答(如DAO)可随后从叶子返回到根设备(除非不需要，例如仅用于向上的流)，通知其他方向上的每个后继接收设备怎样到达叶子以向下路由。能够维护路由状态的节点可以在发送DAO消息之前将它们所接收的DAO消息中的路由进行聚合。然而，不能维护路由状态的节点可附加下一跳父节点的地址。DAO消息然后直接被发送到DODAG根，其可顺次建立拓扑并本地计算到DODAG中所有节点的向下路由。则这些节点在DAG的不能存储向下路由状态的区域上可使用源路由技术到达。此外，RPL还规定了一种在特定环境下发送的称作DIS(DODAG信息征集)消息的消息，以发现DAG邻居并加入DAG或恢复连接。
图3示出了在图1的网络100内可通过例如以上描述的技术来创建的示例简化DAG。例如，可为每个节点选择特定链路105以与特定父节点通信(因此，反之，与子节点进行通信(如果存在子节点的话))。这些被选择的链路构成DAG 310(示出为加粗线)，从根节点向一个或多个叶节点(不存在子节点的节点)扩展。流量/分组140(图1所示)可随后在朝向根的向上方向或朝向叶(或主机)节点的向下方向上通过路由节点而遍历DAG 310。
如以上指出的，在共享媒体通信网络中的流量通常被路由到FAR/从该FAR路由，该FAR存储了关于网络中的状态的信息。当FAR经历了连接故障时，所存储的信息可能丢失，因此，当连接恢复后，所存储的信息必须重新聚集。已经提出了某些状态性的方法，但是这些方法需要相当大量状态的存储和通信。
动态选择备份根节点
此处的技术提供了一种用于在主根节点上发生单点故障时提供备份根节点来管理的方法。例如，主根节点可基于从网络中一个或多个“第一跳”节点(即与主根节点相距一跳的节点)接收的信息来确定多个备份根节点，并可在选择备份根节点时使用一系列算法考虑性能度量。当第一跳节点检测出由于链路或主根节点故障引起的连接故障时，第一跳节点可在LLN不丢失所存储的状态和随着时间收集的信息的情况下迁移到所选择的备份根节点。
具体地，根据如在以下详细描述的本公开的一个或多个实施例，主根节点可基于从第一跳节点所接收的信息来检测一个或多个相邻根节点，并可基于所接收的信息从相邻根节点中选择备份根节点。一旦被选择，该备份根节点向主根节点发送网络标识和相应的分组网格密钥，主根节点可将它们转发到第一跳节点以使得第一跳节点在到主根节点的连接出现故障时迁移到该备份根节点。此外，第一跳节点可在到主根节点的连接恢复时迁移回到主根节点。
说明性地，在此描述的技术可由硬件、软件和/或固件来执行，根据说明性的迁移进程248，其可包含由处理器220(或接口210的独立处理器)执行的计算机可执行指令来执行与在此描述的例如结合路由进程244和/或DAG进程246(或作为其集成部分)的技术有关的功能。例如，此处的技术可被看作为传统协议的扩展，例如各种路由协议(如RPL)，并且正因为如此，它们可相应地由本领域所理解的执行这些协议的类似组件来处理。
在操作上，这些技术通常涉及主根节点动态选择备份根节点来防止在主根节点的操作故障时间或发生故障过程中状态信息丢失。此外，主根节点在连接恢复时可恢复该状态信息。特别地，如以下进一步描述的，当主根节点选择了备份根节点时，第一跳节点可在到主根节点的连接发生故障时迁移到该备份根节点，同时维护在不知道主根节点状态的情况下工作的下级网络的状态。
图4示出了共享媒体通信网络中的主根节点连同相邻根节点的示例视图。如图4所示，主根节点可例如基于从第一跳节点(如11...12...13)或从管理节点(如网络管理服务器或“NMS”)所接收的或者通过其自身发现的信息，检测一个或多个相邻根节点(如根A或根B)。一般来说，节点可基于到根节点的路由度量和/或约束而加入到特定网络，在该节点已经加入网络之后，该节点可将与其他相邻网络有关的信息与主根节点共享(如，以可用于第一跳节点的可选项以及可选地到达这些可选项的对应度量的形式)。
在一个实施例中，主根节点可通过从第一跳节点接收潜在备份根节点的通知而选择备份根节点，然后基于从最多第一跳节点所接收的潜在备份根节点而选择备份根节点。具体地，主根节点可具有“n”个直接子节点(如第一跳节点)并可确定出那些共享潜在备份根节点信息的直接子节点的列表“L”。而且，主根节点随后可选择具有最大数量的已选择备份根节点的子节点的备份根节点，max|L|(故障发生时选择备份根节点的子节点的数量)。可替换地，主根节点可确定与相邻根节点关联的总路径成本，并可根据所确定的总路径成本来选择备份根节点。此外，当主根节点检测到多个相似备份根节点时(如相似的总路径成本或被相似数量或直接子节点所选择的)，该主根节点可向相邻根节点发送消息来确定资源可用性。其后，主根节点可基于资源可用性来选择备份根节点。
一旦主根节点已经选择一个备份根节点(或多个节点)，例如根A，该主根节点可向所选择的(一个或多个)备份根节点发送带有其作为备份根节点工作的指令的消息。可替换地，该主根节点可向网络管理系统(如NMS)通知所选择的备份根节点，该网络管理系统可向该备份根节点发送带有其作为备份根节点工作的指令的消息。(注意该消息还可包括其他信息，例如感兴趣的状态，如计算的流量矩阵、所存储的来自设备/传感器/等的信息)。作为响应，该主根节点可随后从该备份根节点接收一确认消息，包括网络标识(ID)和相应的分组网格密钥，同样如图4所示。
响应于接收到网络标识和相应的分组网格密钥，主根节点可向第一跳节点通知所选择的备份根节点连同与该备份根节点相关联的网络标识以及相应的分组网格密钥。特别地，向第一跳节点的通知可使得该第一跳节点创建当(如果)到该主根节点的通信故障发生时将会被用于迁移到该备份根节点的状态。尤其是，该主根节点可经由网络管理系统向第一跳节点通知所选择的备份根节点连同网络标识以及相应的分组网格密钥。说明性地，该通知可包括被称为“备份存在”(BE)的类型长度值(TLV)，其包括备份根节点的地址，网络ID和分组网格密钥，以及可选地包括第一跳子节点的数量“B”(如当B＜n时)。
图5A-5C示出了在到主根节点的连接出现故障之后第一跳节点迁移到备份根节点的示例视图。具体地，共享媒体通信网络中的第一跳节点可检测出到主根节点连接故障。在一个实施例中，为确定(确认)连接故障，该第一跳节点可首先检测到主根的直接通信，但可向一个或多个相邻节点(如其他第一跳节点)发送消息以测试到主根节点的连接。然后该第一跳节点可通过确认来自相邻节点的通信故障来检测到主根节点的通信故障。换言之，为确定到主根节点的连接故障是由于链路还是主根节点故障，该第一跳节点可向共享媒体通信网络中的节点发送“TRY”消息。该TRY消息可请求其他B节点检查到主根节点的连接。
此外，在发送TRY消息后，第一跳节点可设置定时器并可在该定时器到时时做出通信故障的确认。此外，第一跳节点可在节点向该第一跳节点发送消息指示B或更少被接收的TRY消息时确定通信故障。
当检测到主根节点的连接时，如图5A-5C所示，可产生到对应备份根节点的迁移。具体地，第一跳节点可使用与备份根节点相关联的网络标识和相应的分组网格密钥来迁移到所选择的备份根节点。
在一个实施例中，如图5A所示，第一跳节点可在维护下级网络的状态(如路由状态、流量矩阵、动态等)的同事并且不需要重新认证或动态主机配置协议(DHCP)检修的情况下全部迁移到所选择的备份根节点(根A)，由此保证了第一跳节点在备份根网络中的类似等级。因此，迁移并不要求整个网络树都迁移到备份根节点。换言之，第一跳节点可将该备份根节点用作为父节点，而下级节点在不知晓主根节点状态(即，它们仍旧使用相同的网络ID和网格密钥以向上与第一跳节点11-13通信，而节点11-13将该通信转换成该备份根节点的网络ID和网格密钥)的情况下保持同样的父节点选择。由此，整个拓扑树并不因为迁移到备份根节点而要求重建。此外，备份根节点可接受该第一跳节点到其网络的迁移，这是因为该备份根节点先前与该主根节点共享了相关联的网络标识和分组网格密钥。
在另一个实施例中，如图5B所示，第一跳节点(如节点11)可决定使用所选择的备份根节点(节点A)，但可经由另一个第一跳节点(如12)而到达所选择的备份根节点。由此该第一跳节点11必须将消息转发到另一个第一跳节点12以到达所选择的备份根节点。以这种方式，第一跳节点11等级上变低了(对于备份连接状态)且必须将消息转发到下一个第一跳节点12以到达由主根节点所选择的备份根节点。在又一示例实施例中，如图5C所示，当到所选择的备份根节点(根A)的迁移发生时，第一跳节点11可维护其自身的替换备份根节点(根B)(如，带有来自主根节点的个性化网络ID和网格密钥协作)。节点可响应于各种因素，包括但不限于度量、约束、可靠性(如可能节点11不能看见节点A)等来选择其自身的备份根节点。同时，一种强制配置可要求使用所选择的备份根节点(如节点A)，并且如以上图5B所提到的，此时节点11可经由另一个第一跳节点而与根A通信。
此外，一旦到主根节点的连接被恢复，第一跳节点可迁移回到该主根节点，如图6所示。此外，当迁移回到主根节点发生时，下级网络的状态并不需要被重建，这是因为仅仅第一跳节点迁移到该备份根节点。特别地，第一跳节点可从主根节点接收指示到主根节点的恢复连接的消息，并且作为响应，该第一跳节点可迁移回到该主根节点。可替换地，第一跳节点可接收与该备份根节点有关的选择度量，促使迁移回到该主根节点。例如，当主根节点检测到被恢复的连接时，它可发送被第一跳节点识别的DIO消息，这可使得第一跳节点迁移回到主根节点。
可替换地，当主根节点确定到主根节点恢复连接时，它可向网络管理系统通知恢复连接。作为响应，该网络管理系统可向备份根节点通知到到主根节点的恢复连接，该备份根节点可公告高预期传输计数并推进第一跳节点迁移回到主根节点。
图7示出根据在此描述的一个或多个实施例的用于选择备份根节点并使得迁移到备份根节点的示例简化过程700。过程700可在步骤705开始，继续到步骤710，其中如以上更详细描述的，主根节点可基于从共享媒体通信网络中的第一跳节点所接收的信息来检测一个或多个相邻根节点。如步骤715中所示，然后主根节点可从相邻根节点中选择备份根节点。进一步地，在步骤720，主根节点可如上所述从备份根节点接收网络标识和相应的网格组密钥。响应于接收该网络标识和相应的网格组密钥，该主根节点在步骤725可向第一跳节点通知该备份根节点连同该网络标识和相应的网格组密钥以在到主根节点的连接出现故障时使用。当主根节点在步骤730确定出恢复连接时，主根节点可在步骤735向第一跳节点发送消息指示恢复连接，以触发迁移回到主根节点。当主根节点已经触发第一跳节点迁移回到该主根节点时，该过程可说明性地在步骤740结束。
此外，图8示出了根据在此描述的一个或多个实施例的用于在主根节点故障之后迁移到备份根节点的示例简化过程800。过程800可在步骤805开始，并继续到步骤810，其中如以上更详细描述的，第一跳节点可向主根节点发送识别一个或多个相邻根节点的消息。在步骤815，第一跳节点可从主根节点接收指示备份根节点连同与该备份根节点相关联的网络标识和相应的网格组密钥的第一消息。如步骤820中所示，第一跳节点可确定到主根节点的连接是否出现故障。如果到主根节点的连接故障并未失效，在步骤825第一跳节点可继续留在主根节点上直到检测到故障。可替换地，如果在步骤820第一跳根节点检测出到主根节点的连接故障，响应于该连接故障，第一跳节点可在步骤830在保持下级网络的状态的同时迁移到该备份根节点。进一步地，在步骤835，第一跳节点可从主根节点接收指示到主根节点的恢复连接的第二消息。响应于接收该第二消息，在步骤840第一跳节点可迁移回到该主根节点。该第一跳节点可停留在该主根节点上直到在步骤820中检测到另一个连接故障。可替换地，第一跳节点可返回到810中向主根节点发送识别一个或多个相邻根节点的信息，且该过程可如上所述继续。
应当注意尽管程过程700-800内的某些步骤可以如上所述是可选的，图7-8中所示的步骤仅仅是用于说明的示例，根据需要可包括或者去除一些其他步骤。进一步地，尽管示出了步骤的特定次序，但是这种排序仅仅是说明性的，在不脱离此处的实施例的范围的前提下，可利用这些步骤的任何合适的布置。而且，尽管过程700-800是分开描述的，每个过程中的特定步骤可被包括在彼此的过程中，这些过程并不意味着是互相排斥的。
因此，在此描述的技术提供了在共享媒体通信网络中没有(具有最小)服务中断的备份网络拓扑。特别地，此处的技术动态地使主根节点能基于使用从第一跳节点接收的信息所检测的一个或多个相邻根节点来选择备份根节点。这种技术还可随后以允许第一跳节点向下级节点“掩盖”该迁移的方式触发从第一跳节点到备份根节点的迁移，达到允许网络维持其最初状态的效果。因此可在到主根节点的连接故障出现时避免网络状态信息的丢失，改善了网络可靠性。换句话说，当第一跳节点迁移到备份根节点时，下级网络节点可在不知晓到主根节点的连接损失的情况下保持同样的状态，因此，在网络状态信息丢失时，在主根节点连接故障之后路由拓扑不需要被重建。与基于固定系列标准选择替换根节点并且整个路由拓扑迁移到该替换根节点的当前技术相反，此处的技术提供了一种仅将第一跳节点路由到备份根节点的方法，以为最大数量的节点提供最优性能。
尽管已经示出和描述了在共享媒体通信网络中提供了无服务中断的备份网络拓扑的说明性实施例，但是应当明白在此处的实施例的精神和范围内可作出各种其他调整和修改。例如，在此已经关于LLN和RPL协议示出和描述了实施例。但是，更宽泛意义上的实施例并不受此限制，并且事实上以其他类型的共享媒体网络和/或协议(如，无线)使用。此外，尽管示出特定协议，例如RPL，也可相应地使用其他合适的协议。
前述的说明书是针对特定实施例。然而，显而易见的是在达到它们的一些或全部优点的情况下，可对所描述的实施例做出其他变形和修改。例如，明显地可考虑到此处描述的组件和/或元件可实施为在有形(非易失性)计算机可读介质(如硬盘/CD/RAM/EEPROM/等)上存储的具有计算机上执行的程序指令的软件，硬件，固件或它们的组合。相应地这一说明仅仅是采取示例的方式，而并不限制此处实施例的范围。因此，所附的权利要求的目标是覆盖落入此处实施例的真实精神和范围之内的所有这些变形和修改。

Claims (20)

1.一种用于提供无服务中断的备份网络拓扑的方法，包括：
由主根节点基于从共享媒体通信网络中的第一跳节点所接收的信息来检测一个或多个相邻根节点；
从相邻根节点中选择备份根节点；
从所述备份根节点接收网络标识和相应的网格组密钥；以及
向所述第一跳节点通知所述备份根节点以及所述网络标识和所述相应的网格组密钥，以使得在维持下级状态的同时，所述第一跳节点在到所述主根节点的连接出现故障时迁移到所述备份根节点。
2.如权利要求1所述的方法，还包括：
确定对所述主根节点的恢复连接；以及
向所述第一跳节点发送指示所述恢复连接的消息，以触发返回到所述主根节点的迁移。
3.如权利要求1所述的方法，其中选择所述备份根节点还包括：
从所述第一跳节点接收对潜在备份根节点的通知；以及
基于从最多的第一跳节点所接收的潜在备份根节点来选择所述备份根节点。
4.如权利要求1所述的方法，其中选择所述备份根节点还包括：
确定与所述一个或多个相邻根节点相关联的总路径成本；以及
基于所确定的总路径成本来选择所述备份根节点。
5.如权利要求1所述的方法，其中选择所述备份根节点还包括：
向所述一个或多个相邻根节点发送用于确定资源可用性的消息；以及基于所述资源可用性来选择所述备份根节点。
6.如权利要求1所述的方法，还包括：
向所述备份根节点发送作为备份根节点进行操作的指令；以及
从所述备份根节点接收确认消息，其中向所述第一跳节点通知所述备份根节点是响应于所述确认消息的。
7.如权利要求1所述的方法，还包括：
向管理节点发送指示所选择的备份根节点的消息，以使得所述管理节点向所述备份根节点发送作为备份根节点进行操作的指令；以及
接收所述备份根节点已接收到所述指令的确认消息，其中向所述第一跳节点通知所述备份根节点是响应于所述确认消息的。
8.一种用于提供无服务中断的备份网络拓扑的装置，包括：
一个或多个网络接口，所述一个或多个网络接口用于与共享媒体通信网络进行通信；
处理器，所述处理器被耦合到网络接口并适应于执行一个或多个进程；以及
存储器，所述存储器被配置为存储可由所述处理器执行的进程，所述进程在被执行时能操作来执行以下各项操作：
基于从共享媒体通信网络中的第一跳节点所接收的信息来检测相邻根节点；
从所述相邻根节点中选择备份根节点；以及
响应于接收来自所述备份根节点的网络标识以及相应的网格组密钥，向所述第一跳节点通知所述备份根节点以及所接收的网络标识和所述相应的网格组密钥，以使得所述第一跳节点在到主根节点的连接出现故障时迁移到所述备份根节点。
9.如权利要求8所述的装置，其中所述进程在被执行时还能操作来执行以下各项操作：
确定对所述主根节点的恢复连接；以及
向所述第一跳节点发送指示所述恢复连接的消息，以触发返回到所述主根节点的迁移。
10.如权利要求8所述的装置，其中所述进程在被执行时还能操作来执行以下各项操作：
从所述第一跳节点接收对潜在备份根节点的通知；以及
基于从最多第一跳节点所接收的潜在备份根节点来选择所述备份根节点。
11.如权利要求8所述的装置，其中所述进程在被执行时还能操作来执行以下各项操作：
确定与一个或多个相邻根节点相关联的路径成本；以及
根据所确定的总路径成本来选择所述备份根节点。
12.如权利要求8所述的装置，其中所述进程在被执行时还能操作来执行以下各项操作：
向所述一个或多个相邻根节点发送用于确定资源可用性的消息；以及
基于所述资源可靠性来选择所述备份根节点。
13.一种用于提供无服务中断的备份网络拓扑的方法，包括：
向主根节点发送识别一个或多个相邻根节点的信息；
从所述主根节点接收第一消息，所述第一消息指示备份根节点连同与所述备份根节点相关联的网络标识和相应的网格组密钥；
确定到所述主根节点的连接故障；以及
响应于确定所述连接故障，在保持下级网络的状态的同时迁移到所述备份根节点。
14.如权利要求13所述的方法，还包括：
从所述主根节点接收第二消息，所述第二消息指示到所述主根节点的恢复连接；以及
响应于接收所述第二消息，迁移返回到所述主根节点。
15.如权利要求13所述的方法，其中确定到所述主根节点的连接故障还包括：
向一个或多个相邻节点发送用于测试到主根节点的连接的消息；
检测到所述主根节点的通信故障；以及
通过所述一个或多个相邻节点确认所述通信故障。
16.如权利要求14所述的方法，还包括：
接收与所述备份根节点有关的选择度量，以使得迁移返回到所述主根节点。
17.一种用于提供无服务中断的备份网络拓扑的装置，包括：
一个或多个网络接口，所述一个或多个网络接口用于与共享媒体通信网络进行通信；
处理器，所述处理器被耦合到网络接口并适应于执行一个或多个进程；以及
存储器，所述存储器被配置为存储可由所述处理器执行的进程，所述进程在被执行时能操作来执行以下各项操作：
向主根节点发送识别一个或多个相邻根节点的信息；
响应于从所述主根节点接收指示备份根节点连同与所述备份根节点相关联的网络标识和相应的网格组密钥的第一消息，来确定到所述主根节点的连接故障；以及
响应于确定所述连接故障，在保持下级网络的状态的同时迁移到所述备份根节点。
18.如权利要求17所述的装置，其中所述进程在被执行时还能操作来执行以下各项操作：
响应于从所述主根节点接收指示到所述主根节点的恢复连接的第二消息，迁移返回到所述主根节点。
19.如权利要求17所述的装置，其中所述进程在被执行时还能操作来执行以下各项操作：
向一个或多个相邻节点发送用于测试到主根节点的连接的消息；
检测到所述主根节点的通信故障；以及
通过所述一个或多个相邻节点确认所述通信故障。
20.如权利要求17所述的装置，其中所述进程在被执行时还能操作来执行以下各项操作：
响应于接收与所述备份根节点有关的选择度量，使得迁移返回到所述主根节点。
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