CN109151947A - 用于在异构协议上形成自组织网络的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种用于在设备之间形成自组织网络的系统，包括：无线设备，其使用一个或多个通信协议；协议桥接机制，其在从以下组中选择的一个或多个通信层上操作：应用程序层、传输层、数据链路层、物理层和网络层，其中所述一个或多个通信协议通过所述协议桥接机制连接到其他无线设备；以及控制器，其存储在所述无线设备内。该系统还包括：存储器，其包括可由该控制器执行的程序指令，使得该控制器通过第一通信协议连接到第一附近无线设备；通过第二通信协议连接到第二附近无线设备；和通过协议桥接机制在第一附近无线设备和第二附近无线设备之间传输数据。

Description

用于在异构协议上形成自组织网络的方法和系统

技术领域

本主题一般涉及用于在设备之间形成网络的方法和系统。更具体地，本发明涉及形成自组织(ad-hoc)网络的方法和系统。

背景技术

在正常使用期间，无线设备通过使用无线网络的蜂窝塔和其他接入点彼此通信。无线网络由多个接入点组成，每个接入点广播无线信号，计算机和其他无线设备可以检测和加入。接入点可以连接到有线网络，例如因特网连接。支持无线网络的无线技术包括Wi-Fi、蓝牙、3G和4G蜂窝网络。

当用户无法加入网络时，无线技术给用户带来问题。虽然城市通常具有足够的覆盖，但是一些农村地区可能还没有被无线网络覆盖。另外，在自然灾害或其他紧急情况期间，接入点可能会受到损坏或危害。其他可能的无线电干扰可能源自天气、其他无线设备或混凝土墙壁等障碍物。

在没有无线技术的情况下，无线设备可以通过由彼此直接通信(即，不通过中心点)的各个设备组成的无线自组织网络进行通信。设备对设备(D2D)或点对点(P2P)通信使用诸如蓝牙的无线技术。然而，使用许多设备来创建网络也意味着一个设备的失去会破坏连接中的链路。每个无线信道的带宽也受到限制。自组织网络还受到任何单独链路的电池寿命的限制。

目前，只有获得最高权限(rooted)的设备才能在多个中继段(hop)上的D2D通信中起作用。获得最高权限的设备是用户有权对其上的各种Android子系统进行控制的运行Android移动操作系统的设备。“获得最高权限(rooting)”的处理使用户能够更改或替换系统应用程序和设置，运行专门的应用程序或执行普通用户不可用的其他操作。获得手机最高权限的不利一面是丧失了供应商提供的操作系统的安全性和完整性，并且使供应商的保修失效。此外，获得智能手机的最高权限和在手机上启用网络功能需要关于软件编程和计算机架构的广泛知识，这对普通用户而言是不常见的。此外，由于获得最高权限仅针对Android设备，所以基于获得最高权限的设备的自组织网络不能包含非Android设备。

因此，需要一种如本文所述的在对各设备没有任何要求的情况下自形成的动态无线自组织网络。

发明内容

为了满足上述和其他需求，本公开提供一种在不对设备进行任何预先配置的情况下自形成和自修复的设备网络；该设备可以配备有在异构网络协议上操作的网络接口。

本发明详细描述一种执行必要的协议或计算操作以使得能够在异构协议上操作的网段之间通信的机制。该机制可涉及OSI模型中的多个层，包括但不限于物理层、链路层、网络层或传输层。PBM操作包括但不限于端口转发、隧道、重构和解码以及重新格式化。

本发明的目的是提供一种具有动态拓扑的网络，其中设备可以离开和加入该网络而不影响其余设备之间的通信。

实施例的其它目的、优点和新颖特征将在下面的描述中部分地阐述，并且在本领域技术人员查阅以下描述和附图时而部分地将变得显而易见，或者可以是通过生产或操作实施例来了解。所述概念的目的和优点可以通过所附权利要求中具体指出的方法、手段和组合来实现和获得。

附图说明

附图仅通过示例的方式而不是限制的方式来描绘根据本概念的一个或多个实施方式。在附图中，相同的附图标记表示相同或相似的元件。

图1是根据本申请的移动自组织网络的示例性实施例的示意图。

图2A是示出本申请的网络的集群(cluster)中的关系的图。

图2B是示出本申请的网络的网关构件与各种集群的之间的关系的图。

图3是本申请的网络内的一系列协议桥接机制(protocol bridging mechanism,PBM)连接的示意图。

图4是由本申请的网络内的设备执行的协议的示意图。

图5是示出图4的协议的广播会话的流程图。

图6是示出图4的协议的连接会话的流程图。

图7是示出图4的协议的角色确定会话的流程图。

图8是示出图4的协议的路由表和PBM设置的流程图。

具体实施方式

图1示出本申请中描述的自形成的移动自组织网络100的示例。该自组织网络包括多个现成的设备，每个设备通过各种连接手段如Wi-Fi链系(tethering)和Wi-Fi P2P彼此连接。每个设备可以按照标准TCP/IP协议发送数据。每个节点之间的传输方法是Wi-Fi标准传输。

在图1所示的实施例中，网络100包括九个设备102a-102j(分别标记为设备1-设备9)。每个设备102a-102j通过连接手段104a-104j，如Wi-Fi、Wi-Fi P2P或其他合适的连接手段，连接到一个或多个其他设备102a-102j。设备102a-102j可以是支持本文描述的直接有线/无线连接的任何终端，包括但不限于智能电话、可穿戴设备、传感器、打印机、计算机等。

在任何给定时刻，如图1所示的网络100的各个设备102a-102j可以被分组成设备的集群106a-106d，每个集群包括三个以上的设备102a-102j，它们通过单个链路层连接104a-104j彼此连接。每个集群106a-106d包括至少一个集群头(cluster head,CH)设备，其连接至少两个集群成员(cluster member,CM)设备。此外，每个集群106a-106d还包括网关设备，网关设备使用两个以上的不同连接手段与两个以上的设备连接。每个设备102a-102j可以作为CH设备、CM设备和/或网关设备承担不只一种职责。例如，单个设备可以充当第一集群的CM设备、第二集群的CH设备以及相邻集群之间的网关设备。

图2A示出CH设备、CM设备和就信号范围来说的不相关设备之间的关系。图2A的网络200包括五个设备202a-202e。CH设备202b为CM设备202a和CM设备202c提供链路层连接。CM设备202a在CM设备202c的信号之外，反之亦然。CH设备202b的信号在CM设备202a和CM设备202c二者的信号之内。因此CM设备202a和CM设备202c通过CH设备202b通信。非集群设备1202d不具有该集群的通信手段(即，未形成无线连接)，但是可被CH设备202b和CM设备202a和202c的信号检测到；因此，它是可以检测到的，但是不在该集群中。非集群设备2 202e不具有该集群的通信手段(即，未形成无线连接)，并且不能被CH设备202b和CM设备202a和202c的信号检测到；因此，它是不可检测到的并且不在该集群中。

在图2B中，网络300示出网关设备302与集群1、2和3 306a-306c之间的关系。网关设备302包括多个集群的接口上的IP，使得它与集群1、2和3 304a-304c中的每个相连。网关设备302通过Wi-Fi链系304a连接到集群1 304a。网关设备302通过Wi-Fi P2P 304b连接到集群2304。网关设备302通过第三网络协议304c连接到集群3 304c。

返回参考图1，网络100的设备102a-102j形成四个集群，集群1-4，106a-106d。在下面的表1提供每个集群106a-106d内的设备102a-102j之间的关系。

表1：网络100的集群

图1的网络还表明集群1 106a内的连接类型104a-104c不同于集群2 106b内的连接类型104d、104e。设备3 102c和设备4 102d与集群1106a和集群2 106b交互，因此是网关设备。类似地，设备2 102b是网关设备，因为它与使用不同连接手段的集群2 106b和集群3106c二者接合。最后，设备8 102h是使用不同连接手段的集群3 106c和集群4106d的网关设备。下面参考图3描述各种连接类型。因为每个网关设备与两个不同连接手段相联系，所以一个通信方向的优选连接手段可能不同于另一个通信方向的优选连接手段。

通常，PBM是由运行不同协议的多个通信网络或网段创建单个集成网络的机制。参考图4，网络100基于因特网5层网络模型400，表征电信或计算系统的通信功能的概念模型。该5层网络模型包括表2中描述的通信层402-410。PBM 412使数据能够在不同通信层402-410上操作的不同协议之间传输。

表2：5层网络模型的各层

如前所述，连接类型可以是Wi-Fi、Wi-Fi链系、Wi-Fi P2P、蓝牙以及3G和4G蜂窝网络等。Wi-Fi连接，包括Wi-Fi，Wi-Fi链系和Wi-FiP2P，发生在网络层406上。端口连接类型发生在传输层404上。PBM412用于连接通过不同通信协议通信的设备。

图3示出网络500内相邻的不同协议之间的路径。网络500包括设备A-E，它们被分组为分别运行第一协议和第二协议的集群A和集群B。集群A包括设备A-C，而集群B包括设备C-E。如图3所示，在第一协议上操作的设备A向在第二协议上操作的设备E发送数据包。

具体地，设备A、B、D和E中的每一个使用第一协议或第二协议来传输数据。设备C用作集群A和集群B之间的网关设备，运行第一和第二协议二者。数据在每个设备的各连接层下降和上升。在设备C，数据通过在通信404-410上操作的PBM 412被路由。

如图4所示，当在PBM 400的层402-410上对设备进行连接时，设备上的处理器执行三个主要功能：(1)网络设置500，(2)角色执行502，和(3)路由和转发504。每个设备102从网络设置500开始，以便为设备102分配角色。网络设置500包括三个重复的有序会话：(a)广播会话506，(b)连接会话508和(c)角色确定会话510。在网络设置500之后，设备102前进到角色执行功能502以分配所分配的角色特定的协议。最后，在路由和转发功能504中，该设备构建路由表，以标识特定设备102之间的信息路由。

更具体地，自组织网络中的每个设备包括控制器和存储器，该存储器包括指令，该指令被控制器执行时，使控制器运行本文所描述的算法和协议，以创建自形成自修复的网络。功能500、502和504中的每一个在每个设备上不断地或重复地运行，使得当所连接的设备之一失去连接时，整个网络100被维持。如果一设备失去连接，则本申请的网络的协议不断地更新每个设备的广播消息(在广播会话506中)、建立网络内的设备之间的每个连接(在连接会话508中)、确定每个设备的角色(在角色确定会话510中)、执行每个角色的协议(在角色执行功能502中)以及更新每个设备的路由表和PBM设置(在路由和转发504中)。这意味着在网络内连接的所有设备都互通最新的信息，以便在网络中添加和移除设备时，保持整个网络的连接。

参考图5所示的网络设置500的广播会话506，设备102将广播信号发送到设备102想要连接的任何附近网络或设备。该广播消息可以包括其他设备确定可以进行什么类型的连接所需的信息。该信息可以包括但不限于电池电平、哪一个(如果有的话)附近设备被检测到但尚未连接、信号强度和优先权。

在图5的广播会话506的第一步骤600中，设备102输入该设备的角色。该设备的角色可以是以下之一：无角色、集群头设备、集群成员设备和网关设备。在下一步骤602中，设备102确定设备102是否需要集群头来连接到网络。如果是，则在前进到下一步骤606之前，在步骤604中向广播消息中添加对集群头的请求，以设置该广播消息。如果否，则该设备前进到步骤606，设置广播消息。在随后的步骤608中，该设备发送该广播消息。

然后设备102前进到图6所示的连接会话508，在此设备102确定其是否可以作为集群头或集群成员连接到现有集群106。在第一步骤700中，该设备扫描附近设备，并且如果在下一步骤702中没有找到，则设备102返回到步骤700并继续扫描。如果在步骤702中找到附近设备，则在步骤704中，设备102构建附近设备列表并检查每个附近设备在集群中的角色。在下一步骤706中，设备102确定第一附近设备是否已经加入了集群。如果否，则在步骤708中设备102运行集群头选择算法，然后在步骤710中确定该设备是否被选为集群头。如果是，则在步骤712中将设备102设置为集群头，并且创建集群。如果否，则在步骤714中设备102确定附近设备列表是否具有任何剩余的附近设备以检查连接。如果设备102确定不再有附近设备以检查连接，则设备102返回到步骤700并扫描附近设备。如果有，则该设备选择下一个附近设备并返回到步骤706。

返回到步骤706，如果第一附近设备已经加入了集群，则在步骤716中设备102确定该附近设备是否是集群头。如果是，则在下一步骤718中设备102加入集群，然后在步骤720中确定加入是否成功。如果否，则设备102重复步骤718，直到在步骤720中其加入集群或在步骤722中超时。如果在步骤720中加入成功，则设备102被设置为集群成员。如果在步骤722中设备102超时，则设备102前进到步骤714以确定附近设备列表是否具有任何剩余的附近设备以检查连接。

返回到步骤716，如果该设备确定该附近设备不是集群头，则在步骤724中设备102确定该附近设备是否需要集群头。如果是，则在步骤726中设备102将自身设置为集群头，并且创建集群。如果否，则在步骤714中设备102确定附近设备列表是否为空。如果否，则在步骤728中设备102选择附近设备列表中的下一个附近设备，并返回到步骤706，查询该新附近设备。

在连接会话508之后，设备102运行角色确定会话510以进一步设置其角色，如图7所示。在第一步骤800中，设备102输入其作为以下之一的角色：无角色、集群头设备、集群成员设备和网关设备。在第二步骤802中，设备102确定其是否愿意加入集群。如果否，则设备102返回到步骤800。如果是，则在步骤804中设备102确定其是否连接到多个集群接口。如果是，则在步骤806中将角色设置为“网关设备”。如果否，则在步骤808中设备102确定其是否作为集群成员或集群头连接到集群。如果否，则在步骤810中将该角色被分配为“无角色”。如果是，则在步骤812中该设备确定是否将其设置为集群头。如果是，则在步骤814中将角色分配为“集群头”。如果否，则在步骤816中将角色分配为“集群成员”。

当网络设置500的进程已经确定网络100中每个设备102的角色时，每个设备102基于该特定设备102被分配了哪个角色来实现角色执行功能502。例如，如果设备102被分配为集群头，则它需要运行集群头协议，如对附近设备可见，允许附近设备连接，将数据路由到附近设备等。

在实现角色执行功能502之后，每个设备102基于网络拓扑来实现路由和转发功能504以构建路由表。该网络是动态的，所以该拓扑以及该路由表可能改变。数据将按照数据到达设备时的路由表被路由。如果在传输期间路由表发生变化，则路由路径将相应地改变。

在使用期间，每个无线设备识别自组织网络中的所有设备之间的路由信息。更具体地，每个无线设备识别该无线设备与无线设备网络中的其他无线设备之间的多个协议间路由路径，用于生成路由表。当在自组织网络中添加或移除无线设备时，网络中无线设备之间的信息路由被更新以反映路由变化。类似地，在两个或更多个不同通信协议之间传输数据的每个网关设备也识别分别用于在两个以上的集群的两个以上的通信协议之间传送数据的多个协议间路由路径。在每个网关设备的PBM表中提供协议间信息，并且当在自组织网络中添加或移除无线设备时，所述多个协议间路由路径被持续更新。

参考图8中的路由表和PBM设置流程图，在步骤900中该设备首先执行角色检查以确认其角色。如果角色检查未被确认，则在步骤902中该设备确定其角色是什么。如果角色是“无角色”，则设备102返回到步骤900。如果角色是“网关设备”，则在步骤904中该设备请求每个所连接的群集头发送更新的路由表信息。在步骤906中设备102等待从每个集群头接收更新的路由表信息。在步骤908中设备102确定是否已经接收到更新的路由表信息。如果否，则设备102返回到步骤906。如果是，则在步骤910中设备102基于更新的路由表信息构建PBM表。然后，在步骤912中设备102基于在步骤910中构建的PBM表构建路由表。最后，在步骤914中设备102将来自步骤912的更新的路由表信息发送到每个所连接的集群头。

如果在步骤902中该设备确定其角色为“集群头”，则在步骤916中该设备基于当前连接构建路由表。在步骤918中设备102等待来自一个或多个网关设备的新信息。在下一步骤920中设备102确定已经接收到什么类型的信息。如果没有接收到信息，则设备102返回到步骤918。如果新信息是路由表更新请求，则在步骤922中该设备向每个集群成员发送更新的路由表信息。如果新信息是来自所连接的设备的更新的路由表信息，则在步骤924中设备102更新其路由表信息，然后前进到步骤922，将更新的路由表信息发送到每个所连接的设备。

如果在步骤902该设备确定其角色为“集群成员”，则在步骤926中该设备请求其集群头发送更新的路由表信息。在随后的步骤928中，设备102等待来自其集群头的更新的路由表信息。在步骤930中设备102确定是否已经接收到更新的路由表信息。如果否，则设备102返回到步骤928。如果是，则设备102更新其路由表。

应当注意，本文描述的当前优选的实施例的各种变更和修改对于本领域技术人员将是显而易见的。在不脱离本发明的精神和范围并且不减少其伴随的优点的情况下，可以进行这种变更和修改。

Claims (12)

1.一种用于在设备之间形成自组织网络的系统，包括：

无线设备，使用第一和第二通信协议；

协议桥接机制PBM，其在从应用程序层、传输层、网络层、数据链路层和物理层的组中选择的一个或多个通信层上操作，其中所述第一和第二通信协议中的每一个在不同的通信层上操作，并且其中所述第一和第二通信协议通过所述协议桥接机制相连；

控制器，其存储在所述无线设备内；

存储器，其在所述无线设备内并且与所述控制器通信，所述存储器包括由所述控制器执行的程序指令，所述程序指令在由所述控制器执行时使所述控制器：

广播信号以连接到第一附近无线设备和第二附近无线设备，其中所述信号指示所述无线设备的所述第一和第二通信协议；

通过所述第一通信协议连接到所述第一附近无线设备；

通过所述第二通信协议连接到所述第二附近无线设备；和通过所述协议桥接机制在所述第一附近无线设备和所述第二附近无线设备之间传输数据。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括形成多个集群的无线设备网络，每个集群在所述第一通信协议、所述第二通信协议和第三通信协议之一上操作；

其中所述无线设备网络包括所述无线设备、所述第一附近无线设备和所述第二附近无线设备。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述存储器包括路由表和PBM表，所述路由表标识所述无线设备与所述无线设备网络中的其他无线设备之间的多个路由路径，所述PBM表分别标识两个以上的集群的两个以上的通信协议之间的一个或多个路由路径。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述无线设备网络被更新以添加或移除一个或多个额外无线设备，并且其中所述无线设备的所述PBM表中标识的不同通信协议之间的信息路由被持续更新以反映所述无线设备网络中的变化。

5.根据权利要求2所述的系统，其中所述无线设备网络内的每个无线设备被分配以下组中的角色：

没有角色；

集群成员设备，其连接到一个或多个集群头设备；

集群头设备，其连接到集群的一个或多个集群成员；和

网关设备，其连接到两个或更多个集群头设备。

6.根据权利要求5所述的系统，其中所述存储器包括另外的程序指令，该程序指令在由所述控制器执行时使所述控制器：

检测额外无线设备；

确定所述额外无线设备是否是集群的一部分；

如果所述额外无线设备不是集群的一部分，则将集群头设备的角色分配给所述无线设备和所述额外无线设备之一以创建集群；

如果所述额外无线设备是集群的一部分，则确定所述额外无线设备是否是所述集群的集群头设备；和

如果所述额外无线设备是所述集群的集群头设备，则加入所述集群。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述存储器包括另外的程序指令，该程序指令在由所述控制器执行时使所述控制器：

如果所述额外无线设备是所述集群的集群成员设备，则确定所述额外无线设备是否需要集群头设备；

如果所述额外无线设备需要集群头设备，则将集群头设备的角色分配给所述无线设备以创建集群。

8.根据权利要求5所述的系统，其中所述存储器包括另外的程序指令，该程序指令在由所述控制器执行时使所述控制器：

确定所述无线设备是否使用两个以上的通信协议；

如果所述无线设备使用两个以上的通信协议，则将网关设备的角色分配给所述无线设备；

如果所述无线设备不使用两个以上的通信协议，则确定所述无线设备是否在一个通信协议上连接到集群；

如果所述无线设备未在一个通信协议上连接到集群，则将无角色的角色分配给所述无线设备；

如果所述无线设备在一个通信协议上连接到集群，则确定所述无线设备是否被配置为在一个通信协议上连接到两个以上的额外无线设备；

如果所述无线设备被配置为在一个通信协议上连接到两个以上的额外无线设备，则将集群头设备的角色分配给所述无线设备；和

如果所述无线设备未被配置为在一个通信协议上连接到两个以上的额外无线设备，则将集群成员的角色分配给所述无线设备。

9.根据权利要求8所述的系统，其中所述存储器包括另外的程序指令，该程序指令在由所述控制器执行时使所述控制器：

构建路由表，所述路由表标识所述无线设备和所述无线设备网络中的其他无线设备之间的多个路由路径；

如果所述无线设备是集群的集群成员，则向所述集群的集群头设备请求一个或多个路由更新；

接收所述一个或多个路由更新；

使用所述一个或多个路由更新来更新所述路由表。

10.根据权利要求8所述的系统，其中所述存储器包括另外的程序指令，该程序指令在由所述控制器执行时使所述控制器：

构建路由表，所述路由表标识所述无线设备和所述无线设备网络中的其他无线设备之间的多个路由路径；

如果所述无线设备是集群的集群头设备，则接收来自所述集群的集群成员的对一个或多个路由更新的请求和来自所述集群的网关设备的路由更新中的一个；

如果接收到来自所述集群成员的对一个或多个路由更新的请求，则向所述集群成员发送一个或多个路由更新；和

如果接收到来自网关设备的路由更新，则使用所述一个或多个路由更新来更新所述路由表。

11.根据权利要求8所述的系统，其中所述存储器包括另外的程序指令，该程序指令在由所述控制器执行时使所述控制器：

如果所述无线设备是两个以上的集群的网关设备，则向所述两个以上的集群的每个集群头请求一个或多个路由更新；

接收所述一个或多个路由更新；

识别分别用于在两个以上的集群的两个以上的通信协议之间传输数据的多个协议间路由路径；

生成PBM表，所述PBM表标识两个以上的通信协议之间的所述一个或多个路由路径；

识别所述无线设备和所述无线设备网络中的其他无线设备之间的多个协议间路由路径；

生成路由表，所述路由表标识所述无线设备网络内的无线设备之间的所述一个或多个路由路径；和

将所述路由表发送到所述两个以上的集群的每个集群头。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所述无线设备网络被更新以添加或移除一个或多个额外无线设备，并且其中所述存储器包括另外的程序指令，该程序指令在由所述控制器执行时使所述控制器：

基于所述无线设备网络的变化，持续更新所述PBM表。