CN107528786B - 基于平行处理的智能路由器及以此构建的物联网应用系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于平行处理的智能路由器，包括若干路由器执行单元，各路由器执行单元之间通过第一高速总线传输数据、状态信息及可执行的软件模块；路由器执行单元上安装有第一基本输出入系统、第一操作系统和第一应用程序；所述路由器执行单元执行物联网通讯协议或向下兼容执行互联网通信协议；各路由器执行单元用于采集特定数据，平行处理特定数据，并将处理结果分别送至外部终端设备；路由器控制单元，路由器控制单元上安装有第二基本输出入系统、第二操作系统、网路操作系统和第二应用程序，用于控制各路由器执行单元对高速总线的占用时间；网路出入口，用作各路由器执行单元的信息出入通道。本发明的智能路由器中安装有专用软件，应用范围广，适于构建物联网应用系统。

Description

基于平行处理的智能路由器及以此构建的物联网应用系统

技术领域

本发明属于互联网及物联网技术领域，具体涉及一种基于平行处理的智能路由器及以此构建的物联网应用系统。

背景技术

路由器(Router)、网关(Gateway)和交换机(Switch)是目前互联网(Internet)网络中不可或缺的主要设备。它们的主要功能是指导网路信息的流动方向，但是由于互联网原始设计的随机性，它们对网络本身几乎没有控制能力。

互联网的设计目的是以人为使用主体。使用者可以在网络的任何一个端口，通过Porter入网。这种方式符合网络的原始设计，也使得在操作运行时对哪一个使用者会通过哪一个Porter入网，完全无法预测。使用者入网以后希望连接哪一个网站，也是网络无法预测的。换句话说，使用者入网的时间与将要使用的链接网路是网络本身无法预测和管理的。由于目前在任何时段内同时使用互联网的人数仍然不大(最多约十多亿人)，以目前网路的负载能力，仅造成为时不长的延时，在用户可以忍受的范围。

但是物联网(IoT)是以传感器为主要入网设备的网络。全面发展后，其数量将以千亿、万亿或甚至更大数量计算，而且会以惊人的速度成长。为了降低网路布线的财务压力，提高利用效率，应该寻求最合理的解决方案。

基于成本的考虑，市场上用于物联网的传感器普遍缺乏针对网路安全的设计。自2016年起，国际上已经发生数次巨量传感器被“黑客”恶意篡改、劫持的事件，造成重大经济损失，并成为国家安全的隐患。

从市场经济角度来看，要求以后上市的所有传感器提供保障网路安全的功能，超出了一般用户承受的意愿和能力范围。而且，对目前已经装置的、上千万的传感器，因为没有有效升级的方法，这种隐患始终存在。

中国专利201610537763.9于2016年10月26日公开了一种基于智能路由器的分级式互联网架构及其构建方法，该发明依据互联网上流通的物联网数据流的特点(分级属性)，通过分级设置能够独立完成数据处理的智能路由器，智能路由器在进行数据转发前，首先根据数据类型来判断自身是否能够对数据进行处理。通过该发明所提供给的分级式互联网架构及其构建方法，能够有效控制物联网数据的传输路径，避免了一些非必需但大量的物联网数据占用过多的网路，有效降低了快速增长的物联网数据对网路负荷的冲击，提高网路上数据传输的效率，避免了数据传输堵塞的问题。

所以，最合理的解决方案是：配合上述网路升级的专利201610537763.9已经公开的技术方案，创造一种智能路由器(Smart Router)，不但取代目前路由器(Router)、网关(Gateway)和交换机(Switch)的所有功能，并且彻底改进网路安全的认证方式，同时注意到与互联网的向下兼容性。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的之一是提供一种基于平行处理的智能路由器，该智能路由器中安装有专用软件，应用范围广，适于构建可扩展性好及智能化的物联网应用系统。

本发明另一目的是提供一种扩展性好及智能化的物联网应用系统，该物联网应用系统对市场现有的路由器(Router)、网关(Gateway)和交换机(Switch)进行创造性的升级，更符合物联网(IoT，Internet of Things)的信息特性，在提高网络效率的同时，增加网络安全。

为达到以上目的，一方面，本发明采用的技术方案是：一种基于平行处理的智能路由器，包括：

若干路由器执行单元，各所述路由器执行单元间通过第一高速总线连接，各所述路由器执行单元之间通过所述第一高速总线传输数据、状态信息及可执行的软件模块；所述路由器执行单元上安装有第一基本输出入系统、第一操作系统和第一应用程序；所述路由器执行单元执行物联网通讯协议或向下兼容执行互联网通信协议；各所述路由器执行单元用于采集特定数据，平行处理所述特定数据，并将处理结果分别送至外部终端设备；

路由器控制单元，所述路由器控制单元通过高速控制总线连接至各所述路由器执行单元，所述路由器控制单元上安装有第二基本输出入系统、第二操作系统、网路操作系统和第二应用程序，用于控制各所述路由器执行单元对所述第一高速总线的占用时间；

网路出入口，所述网路出入口一端连接至外部终端设备，另一端通过输出入通道连接至各所述路由器执行单元，用作各所述路由器执行单元的信息出入通道。

进一步，所述第一高速总线通过第二高速总线连接至所述路由器控制单元，所述路由器控制单元适于通过所述第二高速总线将被禁止使用的所述路由器执行单元与所述第一高速总线断开，将被授权使用的所述路由器执行单元与所述第一高速总线连接。

进一步，所述输出入通道为矩阵形式的多入口多出口的信息分配装置，其通过第三高速总线连接至所述路由器控制单元，所述路由器控制单元通过所述第三高速总线将预置的矩阵连接关系送至所述输出入通道，以便在所述输出入通道与各所述路由器执行单元之间建立连接关系。

进一步，当其中一个所述路由器执行单元发生故障时，其上的所述应用程序适于转置于另一个负担最轻的所述路由器执行单元，同时所述路由器控制单元根据故障路由器执行单元反馈的状态动态调整所述输出入通道与各所述路由器执行单元之间的连接关系。

进一步，各所述路由器执行单元适于热插拔，以便动态增减所述路由器执行单元的数量。

进一步，所述路由器执行单元包括：

第一处理器，用于执行所述第一应用程序；

第一内存储器，用于支持所述第一处理器的运行；

第一外存储器，用于存储所述第一操作系统和第一应用程序；

第一总线接口，用于连接所述第一高速总线；

第二总线接口，用于连接所述高速控制总线；

左串行接口和右串行接口，用于连接串行总线；

第一以太网接口，用于连接所述网路出入口；

所述第一处理器、第一内存储器、第一外存储器和第一总线接口通过内设的第一系统总线连接在一起，所述第一系统总线包括第一数据总线和第一地址总线。

进一步，相邻的两个所述路由器执行单元之间，第一路由器执行单元的所述右串行接口和第二路由器执行单元的所述左串行接口之间连接有所述串行总线，所述串行总线用于在所述第一高速总线失效情况下维持所述路由器执行单元之间的通讯连接，并适于所述路由器执行单元之间进行平行操作。

进一步，所述路由器控制单元包括：

第二处理器，用于执行所述第二应用程序；

第二内存储器，用于支持所述第二处理器的运行；

第二外存储器，用于存储所述第二操作系统、网路操作系统和第二应用程序；

第三总线接口，用于系统扩展；

第四总线接口，用于连接所述高速控制总线；

第二以太网接口，一方面用于连接所述输出入通道，传递所述矩阵连接关系；另一方面用于通过所述输出入通道连接所述网路出入口来获取所属网路的运行信息；

所述第二处理器、第二内存储器、第二外存储器和第三总线接口通过内设的第二系统总线连接在一起，所述第二系统总线包括第二数据总线和第二地址总线。

若干外设接口，用于连接外部终端设备，所述外部终端设备包括WiFi设备、蓝牙设备、Can总线、USB总线等通讯设备，还可以包括云存储、数据库等存储设备；

进一步，所述第一操作系统属于先占中断操作系统，用于调度所述第一处理器和第一内存储器的运算负载。

进一步，所述第一应用程序用于采集和处理特定数据；

所述第一应用程序适于由其他应用程序替换，以采集和处理不同的特定数据。

进一步，所述第二操作系统属于先占中断操作系统，用于调度所述第二处理器和第二内存储器的运算负载。

进一步，所述网路操作系统适于为每一个虚拟特殊网路创建一个个别的网路链接表，所述网路链接表覆盖所述虚拟特殊网路、以其为中心的上、下行网路实时状况及若干级代替网路路径；

所述网路链接表适于通过智能化分析时段、事件、不同虚拟特殊网路的网路链接表和大数据，对特定的网路链接表进行预测和修正。

另一方面，本发明采用的技术方案是：基于智能路由器构建的物联网应用系统，包括：

若干底层传感器，分别用于实时检测不同的特定数据；

至少一层智能路由器，每层中所述智能路由器的数量至少为一个，各所述智能路由器分别用于采集各所述底层传感器检测到的所述特定数据，并对所述特定数据进行处理；

至少一层云服务器，每层中所述云服务器的数量至少为一个，最下面一层所述云服务器的层级比最下面一层所述智能路由器高至少一个层级；各层所述云服务器分别连接至低其一层的所述智能路由器，形成不同层级的云。

进一步，顶层所述云服务器连接于顶层所述智能路由器，顶层所述云服务器用作顶层所述智能路由器的周边设备；

其它层级的所述云服务器分别连接于对应层级的所述智能路由器作为其周边设备，形成不同层级的云。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明的智能路由器中安装有专用App软件，应用范围广，由其构建的物联网应用系统可扩展性好，智能化程度高，更符合物联网的信息特性，在提高网络效率的同时，增加网络安全。本发明所述的物联网应用系统对市场现有的路由器(Router)、网关(Gateway)和交换机(Switch)进行创造性的升级，更符合物联网(IoT，Internet of Things)的信息特性，在提高网络效率的同时，增加了网络安全。

附图说明

图1是本发明所述的智能路由器的原理框图；

图2是本发明所述的路由器执行单元的典型硬件方框图；

图3是本发明所述的路由器控制单元的典型硬件方框图；

图4是本发明所述的路由器执行单元的软件结构示意图；

图5是本发明所述的路由器控制单元的软件结构示意图；

图6是本发明所述的物联网应用系统一个实施例消防云的结构示意图；

图7是本发明所述的物联网应用系统另一个实施例健康云的结构示意图；

图8是互联网平面拓扑结构示意图；

图9是物联网立体拓扑结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。

实施例1

如图1所示，图1是本发明的智能路由器(Smart Router)的原理框图，其以平行处理技术为主要的设计核心。而目前通用的路由器，是以高速中央处理器(CPU)为处理核心。

本实施例中，所述的一种基于平行处理的智能路由器，包括若干路由器执行单元102，各所述路由器执行单元102间通过第一高速总线103连接，各所述路由器执行单元102之间通过所述第一高速总线103传输数据、状态信息及可执行的软件模块；所述路由器执行单元102上安装有第一基本输出入系统、第一操作系统和第一应用程序；所述路由器执行单元执行物联网通讯协议或向下兼容执行互联网通信协议；各所述路由器执行单元102用于采集特定数据，平行处理所述特定数据，并将处理结果分别送至外部终端设备；

路由器控制单元101，所述路由器控制单元通过高速控制总线104连接至各所述路由器执行单元102，所述路由器控制单元101上安装有第二基本输出入系统、第二操作系统、网路操作系统和第二应用程序，用于控制各所述路由器执行单元对所述第一高速总线的占用时间；

网路出入口107，所述网路出入口107一端连接至外部终端设备，另一端通过输出入通道连接至各所述路由器执行单元102，用作各所述路由器执行单元102的信息出入通道。

智能路由器的基本路由器功能是由路由器执行单元102所组成。每一个路由器执行单元102的基本功能和传统的路由器类似：将输入的信息依照通信协议(如TCP/IP)，以最快的方式，送到下一个路由器或终端。

本发明的特征之一是：它的设计结构允许以路由器执行单元102为构建单元，依网路负载的需要，按照平行处理的技术原则，选择适当数量的路由器执行单元102组建最佳的智能路由器(Smart Router)，并且允许在任何时候依需要予以增减。它的另外一个特征是：配合物联网，本发明允许同一类信息(例如消防监测信息为一类或水表信息为另一类)的所有者，通过在路由器执行单元102上安装APP(应用)形式的控制组件，组成各自专用的虚拟3D网路，通向各自的收集终端，如消防信息到消防单位，水表信息到供水单位。对没有对应APP的信息，则遵守向下兼容原则，以互联网方式处理。

这种本质上的差异是源于物联网(IoT,Internet of Things)与互联网(Internet)的结构性的差异。从使用方面来看，互联网是一种随机性的网路。不管是上网搜寻、下载、通话、阅读或观看视频，使用者是“人”。所以入网的地点是网路管理无法预测的。上网以后，用户拜访的网站也是网路管理无法预测的。所以，互联网是一种随机性的网路，除了一些简单的特性(如使用的尖峰时段)，网路管理者无法予以预测。这使得网路的每一个节点的应用特性处在同一高度，从拓扑逻辑来看，参考图8互联网平面拓扑结构示意图，互联网的终端设备803通过底层路由器802进入互联网，底层路由器802通过和机房路由器801连接而搭建成互联网的基础，机房路由器801是构成互联网远程通讯的骨干。在互联网的应用中，用户使用终端设备803，通过底层路由器802进入互联网，信息则流过机房路由器801到达远程底层路由器802，最后抵达远程终端803完成访问网站的活动。从图8中可以很明显的看出互联网是依靠平面拓扑结构所搭建的通讯网络。物联网的使用者不是以“人”为主。它的大量使用者是包括传感器在内的设备，而且这些设备最终在数量上会超过人的数量百倍或千倍。但是物联网的极大一部分是非随机性的网路。这是因为设备或传感器和“人”不一样，它通常被安装在一个固定物理位置，不会移动。所以它的入网地点也是固定的，是网路管理可以预期的。对于个别数据收集者所安装的各个设备或传感器，它们所采集的数据通常需要最终流向一个固定的收集终端或网站。在这个流向过程中，数据也可能流过一个或几个不同层级的固定中间终端或子网站。这个过程同样是网路管理可以预期的。

对一种特定数据收集的网路应用而言，它所使用的网路通道及流通过程描述如下：散布在网路各处固定位置的设备或传感器产生原始数据，通过半固定的网路通道(由于网路流量变化，最佳通道并非一成不变)流向不同层级的固定中间终端或子网站，然后再流向固定的收集终端或网站。这种操作方式可以看作是在平面网络上形成的金字塔形虚拟特殊网路，是拓扑逻辑中的一个3D网络结构，参考图9物联网立体拓扑结构示意图，物联网的网路终端设备905包括用户终端如计算机、手机，还包括各种传感器如消防用的烟雾传感器、实验室用的温度、湿度传感器等。用户可以用它们访问网站，也可以用它们收集各种信息。这些终端设备通过底层智能路由器904进入物联网。底层智能路由器904上运行前述的第一和第二应用程序，有效的规范了信息的流向，使它确定地流向中层智能路由器903。中层智能路由器903运行类似的应用程序，规范信息流向至顶层智能路由器902，最后达到专用云901。这个流程很明显的显示出一种通过软件规范所搭建出的立体拓扑结构通讯网络。

采用这种结构，每一个特定数据收集的网路应用，都可以形成自己的(符合扑逻辑中3D网络结构的)金字塔形虚拟特殊网路。这种结构可以使每一个特定数据收集的网路应用使用自己专用的金字塔形虚拟特殊网路，避免不同特定数据收集的网路之间的网路争夺，更高效率的利用网路带宽。

从系统工程的角度来看，各种特定数据收集网路之间存在着高度的平行处理空间。因为这些数据的性质及使用的网络资源从根本上不相同，而网路管理对它们都能做到有效预测，所以创造“智能网路操作系统”变成一件工程上可以实现的目标。

本发明中路由器执行单元102是这种平行处理技术的基础单元。为了更有效支持物联网运行，它具备以下的特性：

首先，它允许特定数据收集的网路应用者以APP方式植入专用软件模块，依照金字塔形虚拟特殊网路的特性，专案处理特定的数据，增加网路效率。对无植入APP的信息，依照向下兼容的原则，以普通TCP/IP信息处理。

其次，依据物联网的平行特性，本发明的设计允许依照网路负载，以热插拔的方式增加或减少(通常是增加)路由器执行单元102的数量，更有效的发挥智能路由器的功能。

此外，在一个具有多个路由器执行单元102的智能路由器之中，如果某一个路由器执行单元102发生故障，它所服务的APP可以被转置于另一个负担最轻的路由器执行单元102，所以服务不至于中断。

路由器执行单元102的硬件和软件设计参考“硬件说明”和“软件说明”。

为了使路由器执行单元102能够支持真正的平行架构，就必须有所有单元共同连接的高速数据总线和地址总线。路由器执行单元间高速总线103就是为满足这项需要所设置。符合这个条件的标准总线例如有PCI系列或CCIX的C-6系列。这个总线物理位置是在智能路由器的背板上(Motherboard)，路由器执行单元102用适当的连接器(方式)，插入并稳固的固定在背板上(Motherboard)。

路由器执行单元间高速总线103主要功能是让智能路由器上所有的路由器执行单元102之间，能够随时依照需要传递数据、状态信息甚至可执行软件模块，使智能路由器的操作更具备弹性和效率。

所有的总线都有多个相同或者不同的器件挂接其上。为顺利完成通讯，总线都具备仲裁(Arbitration)机制，避免一个以上的器件同时占用总线。路由器执行单元间高速总线103连接多个路由器执行单元102。路由器控制单元101为它提供仲裁机制，并且用两种方式提供总线控制(Bus Control)。一种是通过高速控制总线104通知个别的路由器执行单元102，它被授权使用或被禁止使用路由器执行单元间高速总线103；然后由路由器执行单元102按照指令执行。另一种是通过路由器执行单元间高速总线103的控制总线109，对路由器执行单元间高速总线103进行直接控制，直接将被禁止使用的各个路由器执行单元102与路由器执行单元间高速总线103断开，只留下被授权使用的和它连接；各个路由器执行单元102自行从连接状态来判断是否被授权使用总线。

物联网的信息通过网路出入口107与智能路由器通讯。它通常是一组符合以太网(Ethernet)标准的RJ45物理接口。进入的信息通过输出入通道106流向个别对应的路由器执行单元102，启动适当的APP做进一步的处理。

在这个过程中，输出入通道106是一个矩阵(Matrix)形式的多入口多出口的信息分配装置。输入的信息依据它的虚拟网路特性(包括入口位置)被导向与适当的路由器执行单元102连接的接口，输出到该路由器执行单元102。决定这个输出入通道106的矩阵连接方法有两种：一种是由路由器控制单元101在智能路由器启动时即依据已知的状态，通过输出入通道106控制及通讯总线108予以预设置。另一种是在信息进入后进行动态调整。后面这种通常是发生在物联网状态产生波动，或者智能路由器中某个路由器执行单元102发生异常，使得信息处理工作必须由其它的路由器执行单元102承担。

由路由器执行单元102处理完成的信息将循着相反的流向，通过输出入通道106，自适当的网路出入口107进入物联网适当的网路分支。其中路由器控制单元101的作用是相同的。

其实路由器控制单元101的主要功能除了前述的路由器执行单元间高速总线103的仲裁和控制(Arbitration and Control)，以及输出入通道106矩阵(Matrix)的静态和动态定义；更重要的是能够安装、运行“网路操作系统(Network Operating System)”，参与动态网路管理，使用于特定数据收集的虚拟特殊网路更有效率，也更安全。配合分层可控的网路架构，其安全性可达到接近绝对安全的地步。

路由器控制单元101及路由器执行单元102的硬件和软件设计参考“硬件说明”和“软件说明”。

为了进一步增加智能路由器的容错性能，特别设计了相邻路由器执行单元串行通道105。它存在的一个作用是当其它总线都失效以后，这种相邻CPU之间的直接串行通讯，有可能提供足够的冗余能力，维持一部分的智能路由器功能。它的另外作用是提供CPU间的平行操作性能，可能在某些特殊操作状态发挥平行操作的效果。

智能路由器除了这个核心结构之外，还可以通过网路出入口107连接周边设备(Peripheral Equipment)。这些设备包括(但不限于)WiFi、蓝牙(Bluetooth)、Can总线、USB总线等通讯设备，还可以包括云存储、数据库等存储设备。

硬件说明

图2是路由器执行单元102的硬件方框图。

图中第一处理器CPU 201是路由器执行单元102的执行核心。由于是采用平行处理设计，所以对CPU 201的要求不高。不需要选用昂贵的超高速CPU，因为当处理能力不能满足需求时，可以用增加路由器执行单元102的方法，提高处理能力。

Flash 202是路由器执行单元102的外存储器。它主要存储的是操作系统软件。此外它还留有空间存储APP模块并在操作系统注册，所以来自物联网的适当输入信息，可以快速启动运行APP模块，完成针对这个信息的路由器操作。

DRAM 203是支持CPU 201正常运行的在线内存储器。

第一总线接口PCI 204是管理外接快速总线(地址总线和数据总线)的物理接口。依照目前的状况，选用PCIe标准的硬件最适合需要。

在此，CPU 201，Flash 202，DRAM 203和PCI 204接口通过系统的地址总线和数据总线绑定在一起。

为实现真正的平行处理系统，路由器执行单元102必须能够和其它的同一种类单元，以平行通讯结构互相关联，并且和路由器控制单元101保持密切联系。

左邻SPI 205和右邻SPI 206是对应于相邻路由器执行单元串行通道105的设备。

第二总线接口SPI 207是支持高速控制总线104的设备，属于被控制端的信息入口。

以太网接口SPI208是支持网路出入口107的设备，功能是从网路输入或向网路输出由路由器执行单元102处理的信息。

备用USB 209,210正如标示，是预留的备用通讯端口，可以支持以后对外挂设备的拓展。

图3是路由器控制单元101的硬件方框图。它的硬件结构和路由器执行单元102基本相同。只是由于应用不同，所以各模块被赋予的功能不一样。

图中第二处理器CPU 301是路由器控制单元101的执行核心。和路由器执行单元102平行处理设计不同，路由器控制单元101必须独立处理整个智能路由器的控制及维持网路操作系统(Network Operating System)运行，所以对CPU 301的要求比较高。因此最好选用多核高速的CPU。

Flash 302是路由器控制单元101的外存储器。它主要存储的是操作系统软件和网路操作系统软件。此外它还留有空间定时备份网路链接表。

DRAM 303是支持CPU 301正常运行的在线内存储器。

备用的第三总线接口PCI 304是预留给将来扩展用。

在此，CPU 301，Flash 302，DRAM 303和备用PCI 304接口通过系统的地址总线和数据总线绑定在一起。

备用SPI 305,306是预留给将来扩展用。。

第四总线接口SPI 307是支持104高速控制总线的设备。相当于高速总线SPI 207，这是主控制端信息的出口。

以太网接口SPI 308支持网路出入口107的设备，一方面控制输出入通道106的矩阵结构，另一方面通过网路出入口107获取网路运行信息，协助网路操作系统(NetworkOperating System)为每一个虚拟特殊网路建立实时网路通讯表。

备用USB 309,310正如标示，是预留的备用通讯端口，可以支持以后对外挂设备的拓展。

软件说明

本实施例中，所述的智能路由器中路由器执行单元102上所运行的软件结构如图4所示。它的软件结构共分四层，最底层是智能路由器执行单元的硬件401，它的主要功能元件可参考图2。

直接控制底层硬件的软件是第二层的基本输出入系统402(BIOS，Basic InputOutput System)。这层软件介于上层软件和硬件之间，主要功能是使得上层软件能够按需要调动硬件设备，如硬盘、显示器、按键等，执行所赋予的任务。

第三层是操作系统403(OS，Operating System)。主要功能是调度内部资源如内存和CPU的运算负载。操作系统可大致分为先占中断操作系统(Preemptive Strike OS)和非先占中断操作系统(Non-Preemptive Strike OS)两类。对于智能路由器而言，先占中断操作系统的性能更为合适。因为智能路由器所处理的网路信息通常是不定时发生，而且信息的优先级别也无法事先预测，更加上路由器执行单元102可能不定时的收到路由器控制单元101的紧急控制信息，需要立即处理，所以先占中断操作系统能够更及时的处理输入信息，降低CPU运算负载，节省能源。至于非先占中断操作系统，因为它的设计并非针对随机事件，所以不适合做为智能路由器的第一选择。

由于智能路由器是基于平行运算架构而设计，所以第三层的操作系统403必须提供高效率的平行处理能力。一方面是能与相邻的路由器执行单元102快速通讯，另一方面是能与智能路由器内所有的路由器执行单元102，通过路由器执行单元间高速总线103个别通讯。这种通讯能力在发生特殊状况时，可以增加应用(APP)软件模块的可用性。

最顶层是注册安装的应用(APP)软件模块404。它可以安装的数量受到两方面制约，一是CPU处理能力与应用(APP)软件模块404的运算负载和执行频繁度的对比；其次是内存空间大小和应用(APP)软件模块404所占用内存的对比。

本发明的这项特征(允许注册安装应用(APP)软件模块404)使它的性能大幅超越目前通用的路由器。这是因为：首先，目前通用的路由器不能够安装应用(APP)软件模块，所以它对于出入的网路信息只能无差别处理。这样对于物联网上绝大部分有固定来源、固定流向、固定接收终端的传感器信息是一种浪费。如果能够安装应用(APP)软件模块404，通过差别处理可以大幅提高通讯效率并增强网路安全。

其次，由于没有差别处理能力，迫使目前通用的路由器只能使用高性能的CPU和大容量的内存。在大多数接近消费者的路由器之中，这些能力多数时间被闲置，造成投资浪费。本发明可以按照操作需要注册安装应用(APP)软件模块404，如果当前的路由器执行单元102能力不足，可以增加平行处理的路由器执行单元102数量。这样每一个路由器执行单元102不需要采用昂贵的高性能CPU和大容量内存，能够减少投资浪费。

智能路由器中路由器控制单元101上所运行的软件结构如图5。

它的软件结构共分四层，最底层是智能路由器控制单元的硬件501，它的主要功能元件可参考图3。第二层是基本输出入系统502(BIOS，Basic Input Output System)。第三层是操作系统503(OS，Operating System)。这三层和前述的路由器执行单元102的软件基本上相同，或极为类似。

它的顶层主要是网路操作系统504(NOS，Network Operating System)，另有空间预留给限量的、可注册安装的应用(APP)软件模块505。这些应用(APP)软件模块505主要是用来协助网路操作系统504(NOS，Network Operating System)增加网路操控能力或增强网路安全。应用(APP)软件模块505的内容将依照所需要服务的特殊情况开发，这样不但增加了智能路由器的功能弹性，同时也由于随时升级的可能性和不定性增加了系统的安全性。

网路操作系统504(NOS，Network Operating System)的概念已经存在相当久的时间。但是由于互联网的随机性，使得目前的网路操作系统除了网路链接表以外，无法有什么实质的进展。

本发明配合物联网的特性，引用分层可控的架构及虚拟特殊网路的结构，能够构建一种具有高度可预测、可规划的网路操作系统504(NOS，Network Operating System)。这种网路操作系统可以为每一个虚拟特殊网路创建一个个别的网路链接表。这个网路链接表覆盖这个虚拟特殊网路内，以这个节点为中心的上行和下行的网路实时状况；甚至还可以覆盖一级至多级代替路径的实时状况。这个网路链接表还可以通过智能化分析时段、事件、不同虚拟特殊网路的网路链接表等参数和大数据，对特定的网路链接表进行预测和修正。

实施例2

本发明依据物联网特性而设计，它首先被应用于消防云系统网络。在所有的物联网上，它们的信息和连接都有很强的针对性及一致性，消防云也不例外。它虽然连接在现有的、以互联网为基础的网络上，甚至也大量借用互联网的光纤和电缆，但是从它本身的通道逻辑来看，它完全可以成为矗立于平面(2D)互联网之上的一个立体(3D)的金字塔物联网结构。

如图6所示，作为一个基于智能路由器构建的物联网应用系统的实施例，是一个消防云的结构示意图，消防云的最底层是传感器601(在此，传感器601至少包括烟雾探测传感器、火焰探测传感器等，甚至还包括喷淋头等灭火设备)。这些传感器601以有线或无线方式和智能路由器602连接并进行通信。在智能路由器602之中，则安装了APP应用软件，专门支持这种消防云系统的传感器601(智能路由器602还可以安装其它的APP应用软件，支持其它的云系统，见后述)。在此位置的智能路由器602是本发明所指的智能路由器中，功能最简单的一种。

如果只是为了支持消防云，这个智能路由器可以简单到只具备图1之中的一个路由器执行单元102。甚至路由器控制单元101的功能都可以暂时归并到路由器执行单元102之中。这样安排可以将初期成本保持在最低，由于智能路由器具有可扩充性，所以这并不防碍在系统需要时，增加路由器执行单元102和路由器控制单元101，以配合系统扩容的需要。而扩容的次数，在理论上没有限制。

在智能路由器602之上安装有另一层的智能路由器603。在此，智能路由器603所占据的网络节点位置，可以通过两种方法获得。一种是通过安放新的光纤，设置新的节点；另一种在现有的互联网上寻找合适的节点，将节点所用的普通路由器换成本发明所涵盖的智能路由器。

在这两层的路由器之中，各自安装了对应的APP应用软件。这种对应的APP应用软件，限制了双方通信的方式。所以，可以增加通信效率，同时还可以增加通信的安全程度。如有需要，可以将云服务器(虚线框内所示)连接到智能路由器603，形成一个小范围的地区性消防云，分担和支持更高端的全国消防云。

安装智能路由器603的方式可以按照需要予以复制，使消防云的层级不断升高，覆盖范围不断扩大，直到完成全国消防云610的部署。

通过对消防云的设计和部署，可以更明确的了解本发明在实际应用上的三种实质利益。首先，由于采用APP应用软件的设计，使得这一类型专用云系统变得相对封闭。一方面因为信息具有明确的流向而增加了网路的传输效率，另一方面由于APP应用软件可以定制两层路由器之间的安全通讯协议和规则，进一步增强了网络安全。第二，本发明的平行处理设计使各级路由器都具备了随需要扩容或裁减的弹性。所以，在初期并不需要巨额投资，路由器随时间发展所需要的额外设备，可以随容量增加逐步进行扩容，提供一种有利的商业模式。第三，本发明允许在不启动APP应用软件的情况下，路由器操作模式可以向下兼容，回到互联网模式。这样就能够兼容未升级的互联网设备在物联网的标准下运行，维持现有网路的正常运作。

本发明的弹性及兼容性还表现在不同的专用云系统之间，如下。

实施例3

如图7所示，作为另一个基于智能路由器构建的物联网应用系统的实施例，是一个健康云的结构示意图。其中传感器701是人体健康专用的传感器，如血压、心跳、呼吸等。这些传感器701以有线或无线方式和智能路由器702连接并进行通信。在智能路由器702之中，则安装了APP应用软件，专门支持这种健康云系统的传感器701。

如果这是一家医院设立用来支持它的长期病患的健康云，那么它所覆盖的面积不会非常广，层级数量不会很多，假设健康云(甲)703是它的金字塔顶点。

如果这个地区已经安装了消防云，那么大部分居民已经安装了智能路由器602。这种情况下，需要连接健康云(甲)703的用户，完全不需要安装智能路由器702。他们只要在智能路由器602上安装健康云(甲)703专用的APP应用软件，就能够享受到专用健康云(甲)703金字塔的便利。

甚至在他们需要使用另一种健康传感器(例如：血糖)连接到另外一个健康云时，也只要安装它的专用APP应用软件，就能达到目的。

本领域技术人员应该明白，本发明所述的方法和系统并不限于具体实施方式中所述的实施例，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围，本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (14)

1.基于平行处理的智能路由器，其特征在于，包括：

若干路由器执行单元，各所述路由器执行单元间通过第一高速总线连接，各所述路由器执行单元之间通过所述第一高速总线传输数据、状态信息及可执行的软件模块；所述路由器执行单元上安装有第一基本输出入系统、第一操作系统和第一应用程序；所述路由器执行单元执行物联网通讯协议或向下兼容执行互联网通信协议；各所述路由器执行单元用于采集特定数据，平行处理所述特定数据，并将处理结果分别送至外部终端设备；

路由器控制单元，所述路由器控制单元通过高速控制总线连接至各所述路由器执行单元，所述路由器控制单元上安装有第二基本输出入系统、第二操作系统、网路操作系统和第二应用程序，用于控制各所述路由器执行单元对所述第一高速总线的占用时间；

网路出入口，所述网路出入口一端连接至外部终端设备，另一端通过输出入通道连接至各所述路由器执行单元，用作各所述路由器执行单元的信息出入通道。

2.如权利要求1所述的基于平行处理的智能路由器，其特征在于，所述第一高速总线通过第二高速总线连接至所述路由器控制单元，所述路由器控制单元适于通过所述第二高速总线将被禁止使用的所述路由器执行单元与所述第一高速总线断开，将被授权使用的所述路由器执行单元与所述第一高速总线连接。

3.如权利要求2所述的基于平行处理的智能路由器，其特征在于，所述输出入通道为矩阵形式的多入口多出口的信息分配装置，其通过第三高速总线连接至所述路由器控制单元，所述路由器控制单元通过所述第三高速总线将预置的矩阵连接关系送至所述输出入通道，以便在所述输出入通道与各所述路由器执行单元之间建立连接关系。

4.如权利要求3所述的基于平行处理的智能路由器，其特征在于，当其中一个所述路由器执行单元发生故障时，其上的所述应用程序适于转置于另一个负担最轻的所述路由器执行单元，同时所述路由器控制单元根据故障路由器执行单元反馈的状态动态调整所述输出入通道与各所述路由器执行单元之间的连接关系。

5.如权利要求1所述的基于平行处理的智能路由器，其特征在于，各所述路由器执行单元适于热插拔，以便动态增减所述路由器执行单元的数量。

6.如权利要求4所述的基于平行处理的智能路由器，其特征在于，所述路由器执行单元包括：

第一处理器，用于执行所述第一应用程序；

第一内存储器，用于支持所述第一处理器的运行；

第一外存储器，用于存储所述第一操作系统和第一应用程序；

第一总线接口，用于连接所述第一高速总线；

第二总线接口，用于连接所述高速控制总线；

左串行接口和右串行接口，用于连接串行总线；

第一以太网接口，用于连接所述网路出入口；

所述第一处理器、第一内存储器、第一外存储器和第一总线接口通过内设的第一系统总线连接在一起，所述第一系统总线包括第一数据总线和第一地址总线。

7.如权利要求6所述的基于平行处理的智能路由器，其特征在于，相邻的两个所述路由器执行单元之间，第一路由器执行单元的所述右串行接口和第二路由器执行单元的所述左串行接口之间连接有所述串行总线，所述串行总线用于在所述第一高速总线失效情况下维持所述路由器执行单元之间的通讯连接，并适于所述路由器执行单元之间进行平行操作。

8.如权利要求3所述的基于平行处理的智能路由器，其特征在于，所述路由器控制单元包括：

第二处理器，用于执行所述第二应用程序；

第二内存储器，用于支持所述第二处理器的运行；

第二外存储器，用于存储所述第二操作系统、网路操作系统和第二应用程序；

第三总线接口，用于系统扩展；

第四总线接口，用于连接所述高速控制总线；

第二以太网接口，一方面用于连接所述输出入通道，传递所述矩阵连接关系；另一方面用于通过所述输出入通道连接所述网路出入口来获取所属网路的运行信息；

所述第二处理器、第二内存储器、第二外存储器和第三总线接口通过内设的第二系统总线连接在一起，所述第二系统总线包括第二数据总线和第二地址总线。

9.如权利要求7所述的基于平行处理的智能路由器，其特征在于，所述第一操作系统属于先占中断操作系统，用于调度所述第一处理器和第一内存储器的运算负载。

10.如权利要求9所述的基于平行处理的智能路由器，其特征在于，所述第一应用程序用于采集和处理特定数据；

所述第一应用程序适于由其他应用程序替换，以采集和处理不同的特定数据。

11.如权利要求8所述的基于平行处理的智能路由器，其特征在于，所述第二操作系统属于先占中断操作系统，用于调度所述第二处理器和第二内存储器的运算负载。

12.如权利要求11所述的基于平行处理的智能路由器，其特征在于，所述网路操作系统适于为每一个虚拟特殊网路创建一个个别的网路链接表，所述网路链接表覆盖所述虚拟特殊网路、以其为中心的上、下行网路实时状况及若干级代替网路路径；

所述网路链接表适于通过智能化分析时段、事件、不同虚拟特殊网路的网路链接表和大数据，对特定的网路链接表进行预测和修正。

13.基于权利要求1-12任一项所述的智能路由器构建的物联网应用系统，其特征在于，包括：

若干底层传感器，分别用于实时检测不同的特定数据；

至少一层智能路由器，每层中所述智能路由器的数量至少为一个，各所述智能路由器分别用于采集各所述底层传感器检测到的所述特定数据，并对所述特定数据进行处理；

至少一层云服务器，每层中所述云服务器的数量至少为一个，最下面一层所述云服务器的层级比最下面一层所述智能路由器高至少一个层级；各层所述云服务器分别连接至低其一层的所述智能路由器，形成不同层级的云。

14.如权利要求13所述的物联网应用系统，其特征在于，顶层所述云服务器连接于顶层所述智能路由器，顶层所述云服务器用作顶层所述智能路由器的周边设备；

其它层级的所述云服务器分别连接于对应层级的所述智能路由器作为其周边设备，形成不同层级的云。