CN111756639A - 一种基于默克尔树和广播自请求的镜像数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于默克尔树和广播自请求的镜像数据传输方法，应用于Mesh网络中，包含如下步骤：将待传输镜像数据分割为若干镜像数据块，并基于分割后的镜像数据块构造默克尔树；边界路由器以主动广播方式向子节点传输包含默克尔树根哈希值的镜像传输命令，子节点单播回应边界路由器，直至所有的子节点全部回复响应；子节点以自请求方式向边界路由器或相邻子节点广播请求默克尔树叶子节点信息，并基于默克尔树根哈希值对接收的默克尔树节点信息进行自校验；完成默克尔树校验的子节点以自请求方式向边界路由器或相邻子节点广播请求镜像数据块，并基于默克尔树对接收到的镜像数据块进行校验，直至完成镜像数据传输。提高镜像传输的可靠性和效率。

Description

一种基于默克尔树和广播自请求的镜像数据传输方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于默克尔树和广播自请求的镜像数据传输方法。

背景技术

默克尔树

默克尔树其叶子节点上的值通常为数据块的哈希值，而非叶子节点上的值则由叶子节点的哈希值两两运算得到，最后得到一个根哈希值。所以有时候默克尔树也表示为Hash tree。

无线Mesh网络

Mesh网络一般由一个边界路由器和若干个子节点组成，子节点包含路由节点和叶子节点，如图1所示。边界路由器具有外部网络和内部网络通信转换、Mesh网络管理等功能。路由节点作为网络中继，除了普通子节点的功能外，还能够路由Mesh网络中的信息，从而扩大网络的覆盖范围。绿色节点为叶子节点，与路由节点相比不具备数据路由功能。

在无线网络中，点对点通信受到发射功率，通信速率等因素制约，存在最远通信距离的限制。使用mesh组网技术，数据通过路由转发的方式在点与点之间中继传播，理论上可以无限扩大网络覆盖范围。

在Mesh网络中，网络节点需要固件版本更新的时候，为了实现远程在线固件升级，需要通过现有的Mesh网络，将存储在边界路由器的升级镜像传输到每一个Mesh网络子节点上。而无线Mesh网络的通信具有不稳定和低速率等特点。

传统的Mesh网络镜像传输，一般有两种方式：点对点单播传输，主动广播传输。

1、点对点单播传输

该方式是由边界路由器和目标子节点进行点对点单播数据传输，数据经过Mesh网络的多级路由转发达到目标节点。假设一个深度为N级的网络中，一个数据包的传输需要经过N-1次转发才能最终到达目标节点。

如图2所示，以一个4层的网络为例，一个数据包到达目标叶子节点需要3次的空中传输，在这个网络中，如果要将一个数据包发给所有节点，需要1+1+2+2+2+3+3共14次传输。不难想象这将花费大量的时间。由于所有节点需要的升级镜像是相同的，单播方式在中继转发镜像数据的时候，并没有有效利用该数据，造成效率低下。

2、主动广播传输

鉴于单播的低效率，Mesh网络主动广播传输是由边界路由器开始，自上而下的广播镜像数据。如图3所示，在同样的网络拓扑中，利用广播将数据包传输到所有的子节点，只需要4次，相比单播而言大大缩减了数据传输次数，而且网络规模越大，效果越明显。

主动广播传输情况下，由于节点不知道其子节点是否收到自己的数据，需要一直循环广播，直到Mesh网络中所有节点的镜像传输完成，这也将浪费大量的广播资源。特别是当遇到部分节点因为镜像验证错误或者重启导致部分数据重新传输的时候，将花费更多的时间。

现有的镜像传输方法是完整的镜像传输完毕后，对整个镜像进行哈希校验，然后和传输开始的时候边界路由器给出的哈希值进行比对。该方法的弊端是，当最终因为校验失败而发现镜像传输错误的时候，完整的镜像传输已经完成，但是不知道具体哪个部分出现错误，这使得我们需要重新进行完整镜像的传输，这使得升级效率非常的低。另一种情况，当升级过程中某个子节点发生了复位，则之前传输的进度信息丢失，也需要重新进行传输。

而且在镜像传输过程中，由于无线Mesh网络的传输不稳定性，在传输过程中很可能出现数据错误而导致镜像错误。如果使用数据出错的镜像对子节点进行固件升级，将会导致子节点升级失败而无法使用。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提供了一种基于默克尔树和广播自请求的镜像数据传输方法，提高了镜像传输的可靠性和传输效率，节省广播资源，具有最佳的带宽表现。

本发明采用如下技术方案实现：一种基于默克尔树和广播自请求的镜像数据传输方法，应用于Mesh网络中，包含如下步骤：S10，将待传输镜像数据分割为若干镜像数据块，并基于分割后的镜像数据块构造默克尔树；S20，边界路由器以主动广播方式向子节点传输包含默克尔树根哈希值的镜像传输命令，子节点单播回应边界路由器，直至所有的子节点全部回复响应，边界路由器停止广播；S30，子节点以自请求方式向边界路由器或相邻子节点广播请求默克尔树节点信息，并基于默克尔树根哈希值对接收的默克尔树节点信息进行自校验；S40，完成默克尔树校验的子节点以自请求方式向边界路由器或相邻子节点广播请求镜像数据块，并基于默克尔树节点信息对接收到的镜像数据块进行自校验，直至完成镜像数据传输。

进一步的，S30中，子节点基于默克尔树根哈希值对接收的默克尔树节点信息进行自校验具体包含：子节点将接收到的默克尔树自默克尔树叶子节点向上两两校验，验证默克尔树传输的正确性；若校验错误，丢弃校验失败的默克尔树节点，并向边界路由器或相邻子节点以自请求方式重传校验失败的默克尔树节点，直至完成默克尔树的传输和校验。

进一步的，S30还包含，若子节点在传输默克尔树的过程发生异常，则恢复正常后，子节点以自请求方式向边界路由器或相邻子节点广播请求默克尔树数据。

进一步的，子节点以自请求方式向边界路由器或相邻子节点广播请默克尔树节点信息具体包含：S31，不包含该数据的相邻子节点收到广播请求时，忽略请求；S32，边界路由器或包含该数据的相邻子节点收到广播请求时应答；S33，发出请求的子节点收到应答，并保存和校验接收的默克尔树数据。

进一步的，还包含S34，未发出请求子节点收到应答的默克尔树节点信息时，若子节点已有该应答数据，则忽略应答，否则，将收到的数据保存并标记。

进一步的，S40中，所述子节点基于默克尔树对接收到的镜像数据块进行校验具体包含：子节点对接收到的镜像数据块进行哈希校验并与默克尔树相应叶子节点的哈希值比对，若比对结果匹配，则存储校验通过的镜像数据块；若比对结果不匹配，则子节点向边界路由器或相邻子节点自广播请求重传镜像数据块。

进一步的，S40还包含：若子节点在传输镜像数据块的过程发生异常，则恢复正常后，子节点以自请求方式向边界路由器或相邻子节点广播请求默克尔树数据并进行自校验；子节点将已有的镜像数据块进行哈希校验，并与默克尔树的叶子节点比对，若比对结果匹配，则将镜像数据块标记为已传；以及，子节点以自请求方式向边界路由器或相邻子节点广播请求比对不匹配的镜像数据块。

进一步的，子节点以自请求方式向边界路由器或相邻子节点广播请求镜像数据块具体包含：S41，不包含该数据的相邻子节点忽略该请求；S42，边界路由器或者是包含该数据的相邻子节点收到广播请求时应答；S43，发出请求的子节点收到应答，并保存和校验接收的镜像数据块。

进一步的，还包含S44，未发出请求的子节点收到应答的镜像数据块时，若子节点已有该镜像数据块，则忽略应答，否则，将收到的镜像数据块保存并标记。

进一步的，镜像数据块为大小相同的数据块。

本发明的有益效果为：

1.在镜像传输完毕后对镜像进行校验，提高镜像传输的可靠性和传输速率。

2.镜像数据块传输错误，将会在第一时间被发现并进行重传，无需整个镜像进行重传，缩短了发生错误情况下的镜像传输时间。

3.发现掉电复位等异常情况，恢复正常后，可实现断点续传。

4.边界路由器主动广播镜像传输命令，所有子节点全部回复响应后，边界路由器停止主动广播，从而节省广播资源。

5.子节点只有在自己需求数据的时候主动请求，或者收到其他节点请求的时候并且拥有这部分数据的时候进行广播回复，保证了镜像传输效率的同时，大大减少了数据的传输次数，并且对镜像断点续传和偶发数据错误有很好的支持。在大规模Mesh网络的镜像传输测试中，该方法具有最佳的带宽表现。

附图说明

图1为Mesh网络拓扑示意图；

图2为Mesh网络中点对点单播传输数据示意图；

图3为Mesh网络中主动广播传输数据示意图；

图4为本发明一种基于默克尔树和广播自请求的镜像数据传输方法流程图；

图5为本发明一种基于默克尔树和广播自请求的镜像数据传输方法实施例的默克尔树结构图；

图6为本发明中子节点以自请求方式向相邻子节点广播请求数据的方法流程图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种基于默克尔树和广播自请求的镜像数据传输方法，主要应用于Mesh网络中，如图4所示，基于默克尔树和广播自请求的镜像数据传输方法包含：

S10，将待传输镜像数据分割为若干镜像数据块，并基于分割后的镜像数据块构造默克尔树。

其中，在镜像数据传输之前，先构造和传输默克尔树,完整的镜像数据被分割为若干大小相等的数据块，然后分别使用校验算法对每个数据块进行校验，生成每个数据块的对应的校验哈希值，将每个数据块计算的哈希值两两配对计算得到上一层哈希值，直至最后计算得到根哈希值。如果数据块为奇数个数，则计算得到的哈希值也为奇数个数，最后一个哈希值与自己配对。其中默克尔树的叶子节点上的数据为基于数据块的哈希值。

一种可选方案中，镜像数据被分割成大小为1KB的数据块，对每个镜像数据块进行校验的算法采用sha256。

需要说明的是，完整的镜像数据被划分为2ⁿ个大小相等的镜像数据块，其中n为正整数。当被划分的镜像数据块的个数不足2的n次幂，则需要补齐缺少的镜像数据块，直到总的镜像数据块个数为2的n次幂，其中补齐镜像数据块的内容可以为约定好的值，例如全0。另外，对镜像数据块进行校验也可采用其他哈希算法，例如SHA家族除sha256外的其他算法。

在本发明的一个具体实施例中，如图5所示，例如完整的镜像数据大小为4KB，将其分割4个1KB大小的镜像数据块，分别为B1～B4，Hash0-0、Hash0-1，Hash1-0，Hash1-1基于数据块B1～B4得到的哈希值，为构造默克尔树的叶子节点。将叶子节点两两配对并计算，Hash0-0和Hash0-1配对计算出上一层哈希Hash0，Hash1-0和Hash1-1配对计算出上一层哈希Hash1，Hash0和Hash1为默克尔树的节点，运算得到根哈希值Top Hash，从而完成默克尔树的构建。

S20，边界路由器以主动广播方式向子节点传输包含默克尔树根哈希值的镜像传输命令，子节点单播回应边界路由器，直至所有的子节点全部回复响应，边界路由器停止广播。

在本发明的一个具体实施例中，镜像数据开始传输后，边界路由器主动广播镜像传输命令，将构建的默克尔树传输到Mesh网络中的每个子节点。其中广播的镜像传输命令中包含构建默克尔树的根哈希值。广播命令经过广播转发到达每一个子节点。子节点通过点对点单播传输方式回应边界路由器可以开始镜像传输，当所有子节点全部回复响应，边界路由器停止主动广播。

现有镜像数据主动广播传输方式，从边界路由器开始，自上而下广播镜像数据，直至Mesh网络中所有的节点镜像数据传输完成后，才会停止广播，浪费了大量的广播资源。

本发明相对于现有的主动广播传输方式，所有子节点回复广播镜像传输命令后，边界路由器就停止广播，节省了广播资源。特别是在大规模Mesh网络的镜像传输测试中，本发明具有最佳的带宽表现。

S30，子节点以自请求方式向边界路由器或相邻子节点广播请求默克尔树节点信息，并基于默克尔树根哈希值对接收的默克尔树节点信息进行自校验。

其中，子节点以自请求方式向边界路由器或相邻子节点广播请求默克尔树节点信息,具体包含：S31，不包含该数据的相邻子节点收到广播请求时，忽略请求；S32，边界路由器或包含该数据的相邻子节点收到广播请求时应答；S33，发出请求的子节点收到应答，并保存和校验接收的默克尔树数据；S34，未发出请求默克尔树节点信息的子节点收到应答时，若包含该应答数据，则忽略应答，否则，将收到的数据保存并标记；其中子节点向相邻子节点广播请求默克尔树节点信息流程图如图6所示。

在本发明的一个具体实施例中，整个镜像数据的开始阶段，仅是边界路由器有默克尔树节点信息，所以子节点发出广播自请求默克尔树节点信息后，默克尔树节点信息是自上而下的广播传输。

若未发出请求的子节点收到应答的默克尔树节点信息，并且该节点不包含该数据，则接收默克尔树节点信息，并将该数据标记为已接收，减少网络中的请求数量。

请求默克尔树节点信息的子节点收到边界路由器的应答后，将收到的默克尔树进行自叶子节点向上的两两校验。如果校验正确，则执行S40。如果校验期间发现错误，则丢弃校验失败的默克尔树节点，子节点则继续以广播自请求的方式请求校验失败的默克尔树节点。

当接收默克尔树子节点发生错误导致哈希验证失败或者部分子节点掉电重启导致默克尔树数据丢失，则该子节点以广播自请求的方式请求默克尔树数据传输，包含该数据的相邻子节点应答请求，不包含该数据的子节点静默，无需整个网路进行广播传递。

S40，完成默克尔树校验的子节点以自请求方式向边界路由器或相邻子节点广播请求镜像数据块，并基于默克尔树节点信息对接收到的镜像数据块进行自校验，直至完成镜像数据传输。

其中，子节点以自请求方式向边界路由器或相邻子节点广播请求镜像数据块具体包含：

S41，不包含该数据的相邻子节点忽略该请求；S42，边界路由器或者是包含该数据的相邻子节点收到广播请求时应答；S43，发出请求的子节点收到应答，并保存和校验接收的镜像数据块；S44，未请求镜像数据块的子节点收到应答时，若包含该应答镜像数据块，则忽略应答，否则，将收到的镜像数据块保存并标记。其中子节点以自请求方式向相邻子节点广播请求镜像数据块的流程图可参考图6所示。

在本发明的一个具体实施例中，完成默克尔树传输并且校验通过的子节点以自请求的方式请求镜像数据块。子节点从边界路由器接收1KB大小的镜像数据块，接收后进行哈希校验，并且和接收到的默克尔树的叶子节点的哈希值比对，如果比对匹配，则子节点保存该镜像数据块至自身的存储单元中，如果比对不匹配，则重新请求传输该镜像数据块。一旦发生镜像数据块传输错误，将会在第一时间被发现并进行重传，无需整个镜像进行重传，大大缩短了发生错误情况下的镜像传输时间。

若请求镜像数据块的子节点，在镜像数据块传输到一半的时候，发生系统复位或者断电等故障，复位后或者恢复正常后的子节点以自请求方式请求默克尔树传输。当完成默克尔树的传输和验证后，将存储单元中现有的数据按照1KB分块进行哈希校验，并与接收的默克尔树的叶子节点比对，如果相同则标记这些镜像数据块为已传数据。接着自请求传输比对未通过的数据块，可实现掉电后断点续传。

其中，子节点以自请求方式请求镜像数据块，包含该镜像数据块的相邻子节点广播应答，不包含该镜像数据块的子节点忽略请求。其他未发出请求子节点如果不包含该数据块，则对该应答数据进行存储和标记，若包含该数据块的子节点则忽略应答。

本发明相对于现有的镜像数据传输方式，虽然引入了额外的默克尔树传输内容，但是由于默克尔树的数据结构相对于传统镜像较小，但对于发生错误传输和系统掉电的场景下，能够大大的提高镜像传输的可靠性和效率。

Mesh网络中的所有子节点都是根据自身的升级状态而主动请求数据，或者收到其他子节点请求并且拥有这部分数据的时候进行广播回复，其他时间保持静默，这种方式在保证了镜像传输效率的同时，大大减少了数据的传输次数。并且对镜像数据断点续传和偶发数据错误有很好的支持，Mesh网络中的所有子节点都可以处于镜像传输中的不同阶段，数据可以是不同阶段对应的数据，十分灵活。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种基于默克尔树和广播自请求的镜像数据传输方法，应用于Mesh网络中，其特征在于，包含如下步骤：

S10，将待传输镜像数据分割为若干镜像数据块，并基于分割后的镜像数据块构造默克尔树；

S20，边界路由器以主动广播方式向子节点传输包含默克尔树根哈希值的镜像传输命令，子节点单播回应边界路由器，直至所有的子节点全部回复响应，边界路由器停止广播；

S30，子节点以自请求方式向边界路由器或相邻子节点广播请求默克尔树节点信息，并基于默克尔树根哈希值对接收的默克尔树节点信息进行自校验；

S40，完成默克尔树校验的子节点以自请求方式向边界路由器或相邻子节点广播请求镜像数据块，并基于默克尔树节点信息对接收到的镜像数据块进行自校验，直至完成镜像数据传输。

2.根据权利要求1所述的镜像数据传输方法，其特征在于，S30中，所述子节点基于默克尔树根哈希值对接收的默克尔树节点信息进行自校验具体包含：

子节点将接收到的默克尔树自默克尔树叶子节点向上两两校验，验证默克尔树传输的正确性；

若校验错误，丢弃校验失败的默克尔树节点，并向边界路由器或相邻子节点以自请求方式重传校验失败的默克尔树节点，直至完成默克尔树的传输和校验。

3.根据权利要求2所述的镜像数据传输方法，其特征在于，S30还包含，若子节点在传输默克尔树的过程中发生异常，恢复正常后，子节点以自请求方式向边界路由器或相邻子节点广播请求默克尔树数据。

4.根据权利要求1至3任一所述的镜像数据传输方法，其特征在于，所述子节点以自请求方式向边界路由器或相邻子节点广播请默克尔树节点信息具体包含：

S31，不包含该数据的相邻子节点收到广播请求时，忽略请求；

S32，边界路由器或包含该数据的相邻子节点收到广播请求时应答；

S33，发出请求的子节点收到应答，并保存和校验接收的默克尔树数据。

5.根据权利要求4所述的镜像数据传输方法，其特征在于，还包含：

S34，未发出请求的子节点收到应答的默克尔树节点信息时，若子节点已有该应答数据，则忽略应答，否则，将收到的数据保存并标记。

6.根据权利要求1所述的镜像数据传输方法，其特征在于，S40中，所述子节点基于默克尔树对接收到的镜像数据块进行校验具体包含：

子节点对接收到的镜像数据块进行哈希校验并与默克尔树相应叶子节点的哈希值比对，

若比对结果匹配，则存储校验通过的镜像数据块；

若比对结果不匹配，则子节点向边界路由器或相邻子节点自广播请求重传镜像数据块。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，S40还包含：

若子节点在传输镜像数据块的过程发生异常，则恢复正常后，子节点以自请求方式向边界路由器或相邻子节点广播请求默克尔树数据并进行自校验；

子节点将已有的镜像数据块进行哈希校验，并与默克尔树的叶子节点比对，

若比对结果匹配，则将镜像数据块标记为已传；

以及，子节点以自请求方式向边界路由器或相邻子节点广播请求比对不匹配的镜像数据块。

8.根据权利要求1、6和7任一所述的方法，其特征在于，所述子节点以自请求方式向边界路由器或相邻子节点广播请求镜像数据块具体包含：

S41，不包含该数据的相邻子节点忽略该请求；

S42，边界路由器或者是包含该数据的相邻子节点收到广播请求时应答；

S43，发出请求的子节点收到应答，并保存和校验接收的镜像数据块。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包含：

S44，未发出请求的子节点收到应答的镜像数据块时，若子节点已有该镜像数据块，则忽略应答，否则，将收到的镜像数据块保存并标记。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述镜像数据块为大小相同的数据块。

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