CN106455135A - 一种分布式节点地震仪网络通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及网络通信领域，特别涉及一种分布式节点地震仪网络通信方法。该方法包括如下的步骤：设置一服务器作为监控中心，监控中心与汇聚节点间通过广域网通信，传感节点与汇聚节点建立多跳网通信；在网络初始状态，监控中心架设服务器并等待汇聚节点和传感节点的入网申请，汇聚节点上电后通过LTE链路使用TCP/IP协议族向服务器发出入网申请，并完成客户与服务器的连接；汇聚节点作为衔接服务器和传感节点的网关，通过Wi‑Fi链路使用私有网络协议栈与传感节点进行通信。构建了广域网和多跳网的分层架构通信网络并设计了组网路由协议和数据传输协议。多跳的数据转发方式解决了无线局域网技术通信距离短与无线广域网技术在复杂地形下信号覆盖率低的矛盾。

Description

一种分布式节点地震仪网络通信方法

技术领域

本发明涉及网络通信领域，特别涉及一种分布式节点地震仪网络通信方法。

背景技术

有线地震勘探仪器带道能力强、数据质量保障性高，占据地震勘探仪器市场的绝大份额。但有线地震设备施工作业成本高，且不能应用于山区、沟壑、河流、铁路等复杂地形。节点地震仪摒弃了沉重的线缆，不受地形和道距的限制，是地震勘探装备长期发展的趋势。

通信技术是地震勘探工作中的关键技术之一，直接影响采集系统的规模与施工效率。在有线地震仪器中，电缆系统与外界隔离，因此有线地震仪器通信系统具有排列稳定、抗干扰等优越性。节点仪器与此不同，其核心是无线通信技术。质量监控系统的设计实现了采集系统的可控可测，完成了节点式仪器从“盲采”到“半盲采”的过渡。按照所使用的通信技术，可将其分为无线局域网监控系统和无线广域网监控系统。局域网监控系统(Wi-Fi/Bluetooth)实现了终端设备对采集站的近程控制，广域网监控系统(3G/4G/北斗短报文技术)实现了监控中心与采集站的远程通信。

地震勘探仪器通常以测线的方式分布在勘探区域，且每条测线长度通常为几千米甚至上万米。IEEE 802.15信号的最大覆盖范围为100米；狭义的Wi-Fi协议指的是IEEE802.11b协议，其信号最大覆盖范围为300米。从信号覆盖范围来看，常用的无线局域网技术在地震勘探设备上的应用存在距离短的缺陷，施工人员需要徒步行走较远路程通过手持终端设备来依次监测勘探区域中采集站的工作状态。为增强信号的覆盖范围以同时监测多个采集站，通常的做法是架设AP设备。但AP设备功率大，在野外架设比较困难，且AP设备尚不能实现勘探区域信号的全覆盖。无线广域网技术的引用实现了主控中心与采集站的远程通信，然而卫星网络的通信速率有限，且广域网技术在复杂地形环境下存在障碍盲区。微地震监测和水力压裂监测等高实时性应用对采集系统提出了数据现场回收的要求，而无线通信技术在通信距离和链路带宽上相互制约使得单一的通信模式难以解决大范围海量数据回收问题。

节点地震仪器无法在大规模、高密度的深部地震探测中实现数据的现场回收是制约其发展的主要原因。因此，无线通信技术的网络化在节点式地震仪上的运用与改善迫在眉睫。为实现海量数据的实时回传，必须将采集工区中的仪器全互联，并设计专用的通信方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种分布式节点地震仪网络通信方法，解决无线局域网技术通信距离短与无线广域网技术在复杂地形下信号覆盖率低的矛盾，为节点地震仪器提供灵活、可靠的远程质量监控服务，同时为大规模地震数据的实时回传建立网络模型。

本发明是这样实现的，

一种分布式节点地震仪网络通信方法，该方法包括如下的步骤：

步骤101：节点地震仪以静态矩阵拓扑的方式分布在采集工区，节点地震仪作为汇聚节点和传感节点以全无线的方式覆盖整个勘探区域，设置一服务器作为监控中心，监控中心与汇聚节点间通过广域网通信，传感节点与汇聚节点建立多跳网通信；

步骤102：在网络初始状态，监控中心架设服务器并等待汇聚节点和传感节点的入网申请，汇聚节点上电后通过LTE链路使用TCP/IP协议族向服务器发出入网申请，并完成客户与服务器的连接；

步骤103：汇聚节点作为衔接服务器和传感节点的网关，通过Wi-Fi链路使用私有网络协议栈与传感节点进行通信；

所述私有网络协议栈从上至下分为应用层、运输层、内容层、链路层和物理层，应用层直接为用户提供服务，处理应用数据并提供人机接口；运输层和内容层由数据传输协议和组网路由协议构成；作为协议栈底层的链路层和物理层由网络适配器填充，汇聚节点连入服务器后加载私有网络协议栈，广播Hello包并侦听未入网传感节点的入网请求消息；传感节点上电后运行私有网络协议栈，并通过无线适配器定时广播入网请求消息；汇聚节点通过识别请求入网节点网络适配器的SSID以判定其是否属于该测线，若判定传感节点属本测线节点，则汇聚节点和传感节点按照内容层组网路由协议中的四次握手机制完成入网认证，在第二次握手中，汇聚节点将向传感节点分配ID。

进一步地，四次握手机制的步骤为：将节点分为子节点与父节点，子节点加载网络协议栈后广播入网请求MAC帧；

当父节点收到入网请求包后，先判断是否可容纳后裔节点，若不可容纳后裔，则在内容层直接丢弃此数据报；

若可容纳后裔的父节点收到此MAC帧后，立即在内容层计算子节点的ID并创建入网应答消息，链路层回复的地址为子节点的MAC地址；

子节点收到入网应答包后，保存父节点分配的ID信息，并将父节点加入路由表中，随后向父节点发送入网确认包；

父节点收到子节点发送的入网应确认后，判定子节点已成功加入网络，并向子节点发送入网完成包；

子节点收到入网完成消息后将判定四次握手完成，并正式加入网络。

进一步地，还包括：汇聚节点与传感节点建立父子节点关系，汇聚节点作为父节点，传感节点作为子节点，汇聚节点向服务器发送新入网节点的信息；传感节点加入网络后定时广播Hello包以维持与汇聚节点的链路连通，其他未入网传感节点均按照四次握手机制完成入网认证，入网后的节点均定时广播Hello包，每个新节点的加入，其ID信息将被多跳转发至服务器，待勘探区域中的传感节点全部入网后，仪器实现全互联，多跳网搭建完成。

进一步地，加入网络的传感节点与为未加入的传感节点将建立接力式的父子节点关系，按照四次握手机制，未加入的传感节点入网。

进一步地，所有节点入网后均定时广播Hello包，若5次均未收到邻居节点的Hello包，则判定对方断网；断网节点的后裔节点将跨越故障节点连入残余网络。

进一步地，还包括：

步骤104：勘探作业之前，监控中心向全网节点发出下行命令以查询所有仪器的工作状态并对仪器参数进行统一配置，数据发生交换时，接收节点首先检测网络是否拥塞，若判定拥塞，收发节点将启动运输层跳间拥塞控制机制，待拥塞缓解后数据开始传递，数据包将遍历源节点、目的节点和所有中间节点的运输层，并在运输层完成数据可靠保障传输交付，以此实现数据传输的跳间保障；应用数据在节点内部传递时，运输层将应用层数据分组后封装成报文并向下交付至内容层；内容层对应用层首部索引后将数据传递至下一跳，以此实现路由。

进一步地，所述步骤104还包括：在跳间拥塞控制中，控制过程分为拥塞检测、拥塞通知和拥塞解除三阶段。数据交换之前，接收节点通过设定缓冲区占有率的阈值并检测接收队列缓存量以判断是否产生了拥塞；若节点发生拥塞，接收节点向发送节点发送拥塞通知以控制收发速率；待拥塞解除后，收发节点协调数据正常传输。

进一步地，所述步骤104还包括：在数据可靠保障传输中，若发送的数据为单包或最后一包，则接收节点在缓存发送节点的数据包后立即向发送节点回复ACK消息；若发送节点在定时时间内未收到接收节点回复的ACK消息，则判断数据包丢失并发起重传；若发送的数据为多个包，接收节点在定时时间内未完整收到数据，则向发送节点发送NACK消息，请求数据包的重传。

进一步地，监控中心对地震仪发出的监控命令为下行数据：子节点在收到父节点转发的数据时，判断自身是否为目的节点，若自身为目的节点，则拆开报文并向应用层交付；若自身非目的节点，则重新封装首部并向子节点转发；

地震仪向监控中心传输的状态数据为上行数据：父节点在收到子节点转发的数据时，判断自身是否为汇聚节点，若自身为汇聚节点，则进一步将数据转发至服务器；若自身非汇聚节点，则重新封装首部并向父节点转发。

进一步地，父节点收与子节点之间数据传输方式包括：发送节点启动数据发送时，接收节点开始检测自身缓冲区占有率，若判断出自身拥塞，则立即向发送节点回复拥塞消息，并直接丢弃先前收到的数据包；发送节点收到拥塞消息后，暂停数据的发送并等待接收节点拥塞解除消息；若节点未发生拥塞或拥塞解除，则发送节点与接收节点启动数据的交接；接收节点收到数据流完成包后，开始扫描所有报文首部以判断数据是否完整；若数据发生丢失则向发送节点发送NACK消息；发送节点收到NACK后将重传丢失的分组，以此类推，直至所有分组完整传递；若数据完整传递，发送节点与接收节点将收发ACK消息，数据完整交付后，接收节点内容层判断此时数据是否到达目的节点，若已到达目的节点，运输层将拆掉报文的首部并拼接所有分组，最终向上交付至应用层；若未到达目的节点，运输层将报文拷贝至发送队列，并进一步将数据转发至下一跳。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

(1)构建了广域网和多跳网的分层架构通信网络方式。多跳的数据转发方式解决了无线局域网技术通信距离短与无线广域网技术在复杂地形下信号覆盖率低的矛盾。

(2)数据多跳的地震仪网络实现了“远程访问，无盲覆盖”的通信模式，完成了对仪器运行状态的监控，同时为大规模地震数据的实时回传建立了网络模型。

(3)多跳网是以数据为中心的网络，依据应用消息完成数据的转发。

(4)运输层跳间保障的数据传输协议实现了丢包快速恢复和拥塞的闭环控制。

(5)内容层组网协议的四次握手，保障了入网的准确与可靠。

(6)所有节点在勘探作业时无需人为控制，自组织成网和路由。

(7)多汇聚节点协调全网具有良好的扩充性，支持大规模节点互联，且网络具有较好的鲁棒性。

附图说明

图1为本发明的分布式节点地震仪通信网络结构图；

图2为本发明的私有网络协议栈结构图；

图3为本发明的运输层报文结构图；

图4为本发明的内容层数据报结构图；

图5为本发明的入网认证示意图；

图6为本发明的数据传输跳间可靠保障的流程图；

图7为本发明的数据传输拥塞控制过程示意图；

图8为本发明的父子节点间数据流传输流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明分布式节点地震仪通信方法是基于三维地震勘探拓扑结构：在二维地震勘探中，节点地震仪以测线的方式分布在勘探区域；三维地震勘探则是在二维施工排列的基础上平行部署多条测线进行采集，具有静态矩阵拓扑结构的特点。汇聚节点和传感节点均为节点地震仪，每个测线的数据均汇聚至汇聚节点，汇聚节点最后将数据发送至监控中心，具有4G模块和Wi-Fi模块的节点地震仪为汇聚节点，只有Wi-Fi模块的节点地震仪为传感节点。这里的测线指的为一条从监控中心至椭圆边缘的水平线，每条地震测线有且只有一个汇聚节点。

如图1所示，图1为本发明的分布式节点地震仪通信网络结构图。使用一台微机(PC)作为网络监控中心的服务器，汇聚节点配备4G和Wi-Fi通信模块，传感节点配备Wi-Fi通信模块；地震道间距(在一条测线中，任意两个节点地震仪之间的欧几里德距离为地震道间距)通常在25～75米，因此节点初始化后，相邻节点间保持链路连通，且无线信号覆盖所有采集工区。较远的区域设置LTE基站，与监控中心通过广域网通信，一个LTE基站设置多个汇聚节点与传感节点。

在网络初始状态，运行服务器监控软件以侦听汇聚节点入网请求消息和其余各传感节点入网消息；汇聚节点初始化所有外设后，创建流式套接字并绑定4G网卡，随后通过LTE链路使用TCP/IP协议族向服务器发出入网申请，并完成客户与服务器的连接。其他汇聚节点以相同的方式与服务器进行连接，汇聚节点全部如网后，广域网搭建完成。入网后的汇聚节点运行私有网络协议栈，通过Wi-Fi链路广播Hello包并侦听传感节点的入网申请消息。

本发明分布式节点地震仪通信方法的私有网络协议栈针对以下特征需求进行了设计：地震仪节点排布规则且几乎不需要移动、所有仪器同步采集且数据回传具有多对一的业务模式；无线链路稳定性差，数据成功到达目的节点的成功率低；地震数据必须保质保量地传输至监控中心。

如图2所示，图2为本发明的私有网络协议栈结构图。协议栈从上至下分为应用层、运输层、内容层、链路层和物理层五层。应用层完成节点间的逻辑通信；运输层和内容层分别由组网数据传输协议和组网路由协议组成；协议栈底层(协议栈底层指的是链路层和物理层，Wi-Fi模块填充了链路层和物理层)由无线网络适配器填充。在嵌入式实现时，协议栈应用层、运输层与内容层均在操作系统用户空间中构建，原始套接字(Raw Socket)作为内容层与链路层的桥梁，可跨越操作系统内核空间，实现数据的交接。协议栈每一层详述如下：

(1)应用层：应用层处于协议栈顶层，直接为应用进程提供服务。监控中心向节点地震仪发出的状态查询、状态设置、开始与停止采集命令等应用层命令。应用进程产生数据后，应用层封装应用层首部H1后向下传递至运输层；应用层以应用层首部H1来区分不同的消息类型。

(2)运输层：运输层为各节点间数据传递提供服务，运输层收到应用层交付的数据后加上运输层首部H2并向下传递至内容层，运输层首部H2用于区分不同传输数据类型以及检测数据是否丢包。

如图3所示，图3为本发明的运输层报文结构图。运输层报文由首部和数据两部分构成。其中，运输层数据为被分组后的应用层数据；运输层首部分为五部分：报文类型、报文序号、数据总长度、运输层数据长度和循环冗余校验码(Cyclic Redundancy Check,CRC)。

报文类型用于区分不同的数据流；应用层数据交付至运输层后是否被分组由Wi-Fi模块的缓存而定，若数据总长度超过缓存的最大传输单元则需在传输层进行分组，报文序号则表示应用层数据分组后的序号；数据总长度代表未分组应用数据总长度；运输层数据长度为本报文数据部分的长度；CRC校验码是整个运输层报文的32位循环校验值，用于检测运输层数据是否完整传递。

(3)内容层：内容层负责整个网络的维持并在源节点和目的节点间创建一个连接。内容层收到运输层交付的数据后加上内容层首部H3并向下传递至链路层，内容层首部H3用于区分不同网络消息、识别上行或下行数据并判断下一跳节点地址。内容层以数据信息为中心，对于不同类型的数据采用不同的传输策略。内容层数据的传输单元为数据报。一个内容层数据报由首部和数据两部分构成。内容层首部由数据报类型、ID_S、ID_D和数据长度四部分组成；内容层数据是运输层传递下来的报文。

如图4所示，图4为本发明的内容层数据报结构图。一个内容层数据报由首部和数据两部分构成。内容层首部由数据报类型、ID_S、ID_D和数据长度四部分组成；内容层数据是运输层传递下来的报文。

数据报类型分为8种：Hello、入网请求、入网应答、入网确认、入网完成、节点断网、数据上行数据和数据下行。其中，Hello、入网请求、入网应答、入网确认、入网完成和节点断网消息用于网络的组建与维持，由内容层直接发起。

数据报的逻辑通信需要源节点和目的节点的网络标识，定义ID_S与ID_D分别代表数据传递的源地址和目的地址(除下行数据包外)。ID_S和ID_D的值由数据报类型决定，详情见表1。

表1 ID_S和ID_D定义表

Hello的ID_D项为空，用于链路维持；入网请求、入网应答、入网确认和入网完成消息为网络认证时的握手消息，因此ID_S与ID_D为对应数据类型的ID值；节点断网消息定义为广播，因此ID_D为空。

数据上行包具有多对一的特点：数据消息均由各采集节点发送至监控中心，因此数据上行包中首部ID_S为各源节点ID，ID_D为0。路由节点收到数据包后，若检查到此内容层数据报为上行数据，则直接向上交付至运输层判断数据的完整性，待数据完整传递后重新封装各层首部并转发至下一节点。此后上行包被接力传递，最终到达监控中心。

数据下行包具有一对多的特点：数据消息均由监控中心发送至采集节点，因此下行数据首部中ID_S定义为被监控中心选中的节点中ID最小值，ID_D定义为被选中节点中ID最大值。当采集设备收到数据下行包时首先判断ID_D是否大于本机ID，若大于则立即向子节点转发。然后再判断ID_S是否等于本机ID，若相等则判定自身被监控中心选中。

(4)链路层：链路层收到运输层交付的数据后加上链路层首部H4和链路层尾部T并向下传递至物理层，链路层首部H4和链路层尾部T用于识别下一跳节点的MAC地址、检测MAC帧是否发生误码等等。

(5)物理层：物理层的任务是将链路层交付下来的数据转化为物理信号。在无线网络中，物理层将MAC帧转化为相应的比特流，完成不同网络接口卡间的电磁波传递。

应用数据在网络协议栈中的流动过程如下：应用进程产生数据后，应用层为应用数据封装首部并向下传递；每一协议层在收到数据后，封装该层首部并向下层传递；数据到达物理层后以电磁波的形式发送至接收节点。接收节点收到比特流数据后从协议栈底部向上传递；每一协议层接收到数据后，解析数据包并向上层递交；应用层收到数据后，拆开应用层首部并执行相应程序段。

本发明所述通信网络中，多跳网的组建包括传感节点入网认证和链路维持两部分，均由内容层完成，详细组网过程如下：

传感节点初始化所有外设并运行私有网络协议栈，随后在操作系统用户空间调用Raw Socket直接操作网络适配器，并通过无线适配器定时广播入网请求消息。汇聚节点通过识别请求入网节点网络适配器的服务集标识SSID以判定其是否属于该测线。为了区别不同的测线，每个子网拥有自组网中唯一的SSID。若汇聚节点判定申请入网的传感节点属本测线节点，则汇聚节点和传感节点按照内容层路由协议中的四次握手完成入网认证。

如图5所示，图5为本发明的入网认证示意图。汇聚节点与传感节点建立父子节点关系，汇聚节点作为父节点，传感节点作为子节点，入网认证全程将经历四次握手：子节点加载网络协议栈后广播入网请求MAC帧；当父节点收到入网请求包后，先判断是否可容纳后裔节点。若不可容纳后裔，则在内容层直接丢弃此数据报；若可容纳后裔的父节点收到此MAC帧后，立即在内容层计算子节点的ID并创建入网应答消息，链路层回复的地址为子节点的MAC地址；子节点收到入网应答包后，保存父节点分配的ID信息，并将父节点加入路由表中，随后向父节点发送入网确认包；父节点收到子节点发送的入网应确认后，判定子节点已成功加入网络，并向子节点发送入网完成包。子节点收到入网完成消息后将判定四次握手完成，并正式加入网络。加入网络后的子节点定时广播Hello包，并等待下一节点的入网申请；父节点则创建一个新站入网上行数据包，并转发到该条测线的汇聚节点，汇聚节点进一步将数据转发到服务器，为人机接口提供最新的网络拓扑结构。

其他未入网的传感节点均按照四次握手机制完成入网认证，加入网络的节点将建立接力式的父子节点关系，例如：在单条测线中，若是汇聚节点在测线的最左端，传感节点由左至右分布。汇聚节点加入网络后作为父节点，离汇聚节点最近的传感节点加入网络后作为子节点，入网的传感节点最近的入网未传感节点申请入网后，入网的传感节点为父节点，入网未传感节点为子节点。因此相邻的节点间构成父子关系，依次类推。在ID的分配机制中，已入网的节点依次递增地为请求入网的子节点分配网络地址，即子节点的ID为父节点ID加1。每个节点只能与自身的父子节点完成直接的信息传递，与邻居节点的通信需经过父子节点的转发。每一个新节点加入网络后，其节点信息将被多跳转发至监控中心。采集工区所有传感节点全部入网后，多跳网搭建完成。多跳网搭建完成后，所有节点均定时广播Hello消息；Hello确认了父子节点间的连通性，间接保证局域网的连通。

本发明所述私有网络协议栈的运输层针对以下特征需求进行了设计：为了实现数据可靠、及时的回收，数据传输协议必须为所有的数据提供保障，且丢失的数据能够被快速的恢复；所有采集站的状态数据均多跳传输至子网的汇聚节点，且越靠近汇聚节点传输负荷越大，而网络一旦超负荷运作就会发生拥塞。拥塞将产生大量的丢包，加剧了传播时延，同时增加了节点的能量消耗。为了提高网络整体的传输性能，数据传输协议需具备拥塞控制机制，避免并缓解网络拥塞。

如图6所示，图6为本发明的数据传输跳间可靠保障的流程图。其中N_S表示发送节点、N_R表示接收节点，下同。发送节点N_S将报文依次发送至接收节点N_R后，立即发送数据完成包并等待接收节点N_R的ACK/NACK消息。接收节点N_R每接收到一个报文，就将分组放入缓冲区，并等待数据完成包。当接收节点N_R收到数据完成包后，立即判断本段数据是否接收完整。

数据完整性检查的过程如下所示：若接收节点N_R判断本段数据接收完整，则向发送节点N_S发送ACK消息，并进一步将数据转发至下一跳；若接收节点N_R检查到该段数据有丢失，则将缺失报文的序号添加至NACK的数据部分，并向发送节点N_S发送NACK消息。发送节点N_S收到NACK后，判断出丢失的报文并再次向接收节点N_R发送，最后发送数据流完成包。以此类推，直到发送节点N_S收到接收节点N_R的ACK消息。

如图7所示，图7为本发明的数据传输拥塞控制过程示意图。在拥塞控制过程中，接收节点N_R收到发送节点N_S数据后，扫描运输层报文首部中的数据总长度项，若关系式：

报文长度+队列已缓存数据长度>缓冲队列容量

成立，则判定网络拥塞。

接收节点N_R判定网络拥塞后，将接收的报文加入拥塞队列并向发送节点N_S发出拥塞通知。若因不可预料因素，发送节点N_S未收到拥塞通知继续发送数据时，接收节点N_R将接收数据直接丢弃并再次发送拥塞通知。发送节点N_S收到拥塞通知后，暂停数据的发送。当接收节点N_R发送队列的数据转发完毕后，判定拥塞解除。拥塞解除后，接收节点N_R将拥塞队列中的数据拷贝至发送队列并将拥塞队列清空，随后向发送节点N_S发送空闲消息。发送节点N_S收到空闲通知后，继续发送先前暂停的数据。

如图8所示，图8为本发明的父子节点间数据流传输流程图。跳间数据传输包括数据流队列、拥塞控制和可靠保障三部分，且数据流传输仅发生在相邻的父子节点间，其详细流程下：发送节点N_S启动数据发送时，接收节点N_R开始检测自身缓冲区占有率，若判断出自身拥塞，则立即向N_S回复拥塞消息，并直接丢弃先前收到的数据包。发送节点Ns收到拥塞消息后，暂停数据的发送并等待接收节点N_R拥塞解除消息；若节点未发生拥塞或拥塞解除，则N_RN_S启动数据的交接。接收节点N_R收到数据流完成包后，开始扫描所有报文首部以判断数据是否完整。若数据发生丢失则向发送节点N_S发送NACK消息。发送节点N_S收到NACK后将重传丢失的分组，以此类推，直至所有分组完整传递；若数据完整传递，N_RN_S将收发ACK消息。数据完整交付后，接收节点N_R内容层判断此时数据是否到达目的节点。若已到达目的节点，运输层将拆掉报文的首部并拼接所有分组，最终向上交付至应用层；若未到达目的节点，运输层将报文拷贝至发送队列，并进一步将数据转发至下一跳。

本发明所述私有网络协议栈中，路由和数据传输的实现需要使用大量的定时器。若为每一个和时间相关的事件都开辟一个定时器会影响进程切换的粒度。为实现同一节点内部进程间与不同节点间的高效通信，本发明配合定时器链表与非阻塞函数以实现时间管理和多个外部事件的侦听。

网络组建之前，监控中心架设网络服务器并等待汇聚节点入网。汇聚节点连接服务器后，创建Hello定时器。若定时时间到，则广播Hello包。Hello包用于父子节点间的链路维持，若5次定时时间内均未收到Hello包，则判定链路失效。

出于无线链路不稳定的考虑，组网认证采用时间短和能耗小的折中方案：为保障数据包的可靠传达，父子节点发出某一入网认证消息(入网请求/入网应答/入网确认)后创建相应定时器并等待应答。若在定时时间内收到对方的回应，则立即将该定时器删除；若定时时间内未收到应答，则在超时时启动重发。对申请定时器的入网认证消息而言，若连续3次定时时间内均未收到对方的应答，则判定入网失败，待满足通信条件后重新认证。

子节点加载私有协议栈后广播入网请求消息并创建入网请求定时器。父节点收到入网请求包延时一段时间后(选择最佳子节点)回复入网应答包，并创建入网回复定时器。子节点收到入网应答后删除入网请求定时器，发送入网确认消息并创建入网确认定时器。父节点收到入网确认消息后删除入网应答定时器并回复入网完成消息。子节点收到入网完成消息后删除入网确认定时器，四次握手完成，广播Hello包并开启Hello定时器。

数据可靠性传输过程中，收发节点申请定时器过程如下：发送节点数据流发送完毕后随即发送数据流完成包，并创建数据流完成定时器。数据流完成定时器时间到时，判断自身是否收到接收节点回应的ACK消息或NACK消息。若收到消息ACK消息，则删除数据流完成定时器；若收到NACK消息则重发丢失分组，再次发送数据流完成包并重置数据流完成定时器。以此类推，直至收到ACK消息；若ACK消息和NACK消息均未收到，则再次发送数据流完成包并重置数据流完成定时器，直至收到ACK消息。

拥塞控制过程中，若拥塞队列不为空，则向发送节点发送空闲消息并创建空闲定时器。若定时时间内接收节点未收到发送节点暂停发送的数据，则在超时时启动空闲通知的重发，以此类推，直至收到发送节点先前暂停的数据流。接收节点收到数据后，移除该定时器。

本发明所述通信网络针对节点仪器和无线网络的特点进行了鲁棒性设计：地震勘探规模越来越大，节点数量的急剧上升给网络组建带来了极大的考验。同时，无线链路的稳定性远低于有线链路，节点存在离开网络的很大可能。为适应拓扑结构的动态变化，网络必须具有较强的鲁棒性。

拓扑结构的动态变分为两种情况：子节点断网和父节点断网。入网后的节点每隔固定时间广播一次Hello包。父子节点间均维持一个断网超时定时器，如果父节点连续5次没有接收到来自其子节点的Hello包，那么父节点则认为子节点失去连接，并创建一个类型为节点断网的上行应用数据；该上行数据被发送到测线的汇聚节点并由汇聚节点转发至监控中心，监控中心将默认该节点及其后裔节点均离开网络；同时，该父节点将路由表中子节点的信息清空，并成为该测线最末端的采集站(ID数值最大)；如果作为子节点的采集站连续5次没有接收到其父节点的Hello包，那么子节点则认为其父节点已经离开网络。

发生断网后，断网节点的子节点广播掉线包以申请重连入网。如果广播掉线包的后裔节点(ID>发送掉线包节点ID)收到掉线包时，直接将包丢弃；如果断网节点的祖父节点(ID≤断网节点ID-2)收到掉线包时，直接将包丢弃；如果断网节点的父节点(此时可容纳子节点)收到掉线包时，则向广播掉线包的节点发送入网应答包。此后，断网节点的原父节点及其子节点按照正常入网的过程进行认证并重连入网。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种分布式节点地震仪网络通信方法，其特征在于，该方法包括如下的步骤：

步骤101：节点地震仪以静态矩阵拓扑的方式分布在采集工区，节点地震仪作为汇聚节点和传感节点以全无线的方式覆盖整个勘探区域，设置一服务器作为监控中心，监控中心与汇聚节点间通过广域网通信，传感节点与汇聚节点建立多跳网通信；

步骤102：在网络初始状态，监控中心架设服务器并等待汇聚节点和传感节点的入网申请，汇聚节点上电后通过LTE链路使用TCP/IP协议族向服务器发出入网申请，并完成客户与服务器的连接；

步骤103：汇聚节点作为衔接服务器和传感节点的网关，通过Wi-Fi链路使用私有网络协议栈与传感节点进行通信；

所述私有网络协议栈从上至下分为应用层、运输层、内容层、链路层和物理层，应用层直接为用户提供服务，处理应用数据并提供人机接口；运输层和内容层由数据传输协议和组网路由协议构成；作为协议栈底层的链路层和物理层由网络适配器填充，汇聚节点连入服务器后加载私有网络协议栈，广播Hello包并侦听未入网传感节点的入网请求消息；传感节点上电后运行私有网络协议栈，并通过无线适配器定时广播入网请求消息；汇聚节点通过识别请求入网节点网络适配器的SSID以判定其是否属于该测线，若判定传感节点属本测线节点，则汇聚节点和传感节点按照内容层组网路由协议中的四次握手机制完成入网认证，在第二次握手中，汇聚节点将向传感节点分配ID。

2.按照权利要求1所述的分布式节点地震仪网络通信方法，其特征在于，

四次握手机制的步骤为：将节点分为子节点与父节点，子节点加载网络协议栈后广播入网请求MAC帧；

当父节点收到入网请求包后，先判断是否可容纳后裔节点，若不可容纳后裔，则在内容层直接丢弃此数据报；

若可容纳后裔的父节点收到此MAC帧后，立即在内容层计算子节点的ID并创建入网应答消息，链路层回复的地址为子节点的MAC地址；

子节点收到入网应答包后，保存父节点分配的ID信息，并将父节点加入路由表中，随后向父节点发送入网确认包；

父节点收到子节点发送的入网应确认后，判定子节点已成功加入网络，并向子节点发送入网完成包；

子节点收到入网完成消息后将判定四次握手完成，并正式加入网络。

3.按照权利要求2所述的分布式节点地震仪通信方法，其特征在于，还包括：汇聚节点与传感节点建立父子节点关系，汇聚节点作为父节点，传感节点作为子节点，汇聚节点向服务器发送新入网节点的信息；传感节点加入网络后定时广播Hello包以维持与汇聚节点的链路连通，其他未入网传感节点均按照四次握手机制完成入网认证，入网后的节点均定时广播Hello包，每个新节点的加入，其ID信息将被多跳转发至服务器，待勘探区域中的传感节点全部入网后，仪器实现全互联，多跳网搭建完成。

4.按照权利要求2所述的分布式节点地震仪通信方法，其特征在于，加入网络的传感节点与为未加入的传感节点将建立接力式的父子节点关系，按照四次握手机制，未加入的传感节点入网。

5.按照权利要求4所述的分布式节点地震仪通信方法，其特征在于，

所有节点入网后均定时广播Hello包，若5次均未收到邻居节点的Hello包，则判定对方断网；断网节点的后裔节点将跨越故障节点连入残余网络。

6.按照权利要求1或2所述的分布式节点地震仪通信方法，其特征在于，还包括：

步骤104：勘探作业之前，监控中心向全网节点发出下行命令以查询所有仪器的工作状态并对仪器参数进行统一配置，数据发生交换时，接收节点首先检测网络是否拥塞，若判定拥塞，收发节点将启动运输层跳间拥塞控制机制，待拥塞缓解后数据开始传递，数据包将遍历源节点、目的节点和所有中间节点的运输层，并在运输层完成数据可靠保障传输交付，以此实现数据传输的跳间保障；应用数据在节点内部传递时，运输层将应用层数据分组后封装成报文并向下交付至内容层；内容层对应用层首部索引后将数据传递至下一跳，以此实现路由。

7.按照权利要求6所述的分布式节点地震仪通信方法，其特征在于，收发节点之间数据传输方式包括：发送节点启动数据发送时，接收节点开始检测自身缓冲区占有率，若判断出自身拥塞，则立即向发送节点回复拥塞消息，并直接丢弃先前收到的数据包；发送节点收到拥塞消息后，暂停数据的发送并等待接收节点拥塞解除消息；若节点未发生拥塞或拥塞解除，则发送节点与接收节点启动数据的交接；接收节点收到数据流完成包后，开始扫描所有报文首部以判断数据是否完整；若数据发生丢失则向发送节点发送NACK消息；发送节点收到NACK后将重传丢失的分组，以此类推，直至所有分组完整传递；若数据完整传递，发送节点与接收节点将收发ACK消息，数据完整交付后，接收节点内容层判断此时数据是否到达目的节点，若已到达目的节点，运输层将拆掉报文的首部并拼接所有分组，最终向上交付至应用层；若未到达目的节点，运输层将报文拷贝至发送队列，并进一步将数据转发至下一跳。

8.按照权利要求6所述的分布式节点地震仪通信方法，其特征在于，所述步骤104还包括：

在跳间拥塞控制中，控制过程分为拥塞检测、拥塞通知和拥塞解除三阶段。数据交换之前，接收节点通过设定缓冲区占有率的阈值并检测接收队列缓存量以判断是否产生了拥塞；若节点发生拥塞，接收节点向发送节点发送拥塞通知以控制收发速率；待拥塞解除后，收发节点协调数据正常传输。

9.按照权利要求6所述的分布式节点地震仪通信方法，其特征在于，

所述步骤104还包括：在数据可靠保障传输中，若发送的数据为单包或最后一包，则接收节点在缓存发送节点的数据包后立即向发送节点回复ACK消息；若发送节点在定时时间内未收到接收节点回复的ACK消息，则判断数据包丢失并发起重传；若发送的数据为多个包，接收节点在定时时间内未完整收到数据，则向发送节点发送NACK消息，请求数据包的重传。

10.按照权利要求6所述的分布式节点地震仪通信方法，其特征在于，

监控中心对地震仪发出的监控命令为下行数据：子节点在收到父节点转发的数据时，判断自身是否为目的节点，若自身为目的节点，则拆开报文并向应用层交付；若自身非目的节点，则重新封装首部并向子节点转发；

地震仪向监控中心传输的状态数据为上行数据：父节点在收到子节点转发的数据时，判断自身是否为汇聚节点，若自身为汇聚节点，则进一步将数据转发至服务器；若自身非汇聚节点，则重新封装首部并向父节点转发。