CN112654103A - 一种增强可靠用于mesh智能家居自组网方法 - Google Patents

Abstract

一种增强可靠用于mesh智能家居自组网方法，属于电通信技术领域，包括以下步骤：步骤S100，建立以与外网连接的网格入口节点MPP为源节点的二元树结构：步骤S200，二元树结构中所有的合法节点中预先存储自身的位置、私钥、公钥；步骤S300，新节点的加入；步骤S400，依照节点连线的时长与设备健康度实时与局网状态服务器连线，动态调整mesh自组网中各个节点的权重阀值，并根据节点的权重阀值，定时重组网络。由于网络中具有主节点，方便了mesh网络的管理，解决了mesh网络天生的缺陷，防止mesh网络组成一个无效网络。

Description

一种增强可靠用于mesh智能家居自组网方法

技术领域

本发明属于电通信技术领域，具体涉及为一种增强可靠用于mesh智能家居自组网方法。

背景技术

现在越来越多的设备开始使用无线协议来通讯，无线相对于有线有很多优点，但自组网后的设备连接稳定度一直是无线之殇。

Mesh网络，就是一个多对多网络(Many to Many)。 每个设备节点都可以和别的节点自由通讯。在这种拓扑中，因为很多节点可以中继（relay）收到的消息(Message)，所以端对端的通信可以比原来单点之间的通讯距离要远很多。就好像小组讨论自由发言，如果做的太远听不见的话，别人也可以代为传话。

透过mesh网路自组网的智能设备固然方便，但真实使用上会遇到如下问题：因每个设备节点的状况不同导致连线稳定度难以被保障。

发明内容

本发明的目的在于克服上述提到的缺陷和不足，而提供一种增强可靠用于mesh智能家居自组网方法。

本发明实现其目的采用的技术方案如下。

一种增强可靠用于mesh智能家居自组网方法，包括以下步骤：

步骤S100，建立以与外网连接的网格入口节点MPP为源节点的二元树结构：

步骤S200，二元树结构中所有的合法节点中预先存储自身的位置U（Li,j）、私钥（Li,j）、公钥（Li,j）；其中，Li表示节点所在的第i个层级，j表示该结点在 Li层中从左到右的顺序编号；

步骤S300，新节点的加入：

如果当前的二元树为满二元树，则二元树中最低层的最左侧的节点负责连接新节点；如果当前的二元树不是满二元树，则二元树中倒数第二层的最右侧的节点负责连接新节点；

步骤S400，依照节点连线的时长与设备健康度实时与局网状态服务器连线，动态调整mesh自组网中各个节点的权重阀值，并根据节点的权重阀值，定时重组网络。

步骤S100中，包括以下步骤：

S101、由源节点向自身的邻居节点进行第一次广播，所述邻居节点向源节点发送确认信号，源节点接收自身的邻居节点返回的确认信号，然后进行预设时间的延时判断；如果再无返回的确认信号，则源节点为返回确认信号的邻居节点分配节点ID号，并将被分配完ID号的源节点的邻居节点记为第1层节点，且将这些ID号保存在源节点的数据栈中；其中，所述预设时间为任意两个节点间通信一次的最大时间，源节点的子节点数目为2个；

S102、第1层节点继续向下进行广播，寻找自身的邻居节点，将第1层节点的所有邻居节点的数量返回给源节点，源节点分配相应数量的ID号给第1层节点，然后第1层节点将这些ID号分配给自身的邻居节点，并将被分配完ID号的第1层节点的邻居节点记为第2层节点，且将这些ID号保存在源节点的数据栈中；每个节点的子节点数目不超过2个。

步骤S300中，包括以下步骤：

步骤S301，创建节点U（L_a,b）的两个子节点，该节点U（L_a,b）负责连接新节点；其中，左侧子节点为U（L_a+1,2b-1），右侧子节点为U（L_a+1,2b）并将右侧节点作为新加入的节点；

步骤S302，左侧子节点U（L_a+1,2b-1）和右侧子节点为U（L_a+1,2b）进行密钥协商，获取它们之间的会话密钥K；

步骤S303，更新节点U（La,b）到源节点的最短路径上所有节点的会议密钥；

步骤S303a，假设有随机数x和双倍虚拟随机数生成器G，G_L(x)及G_R(x)分别为G(x)的左右两半部；选取任意一随机数x，代入到双倍虚拟随机数生成器G(x)，得到G_L(x)及G_R(x)；

步骤S303b，将G_R(x)作为节点U（La,b）的随机数，代入到双倍虚拟随机数生成器G，得到G_L(G_R(x))及G_R(G_R(x))，将G_L(G_R(x))作为节点U（La,b）的会议密钥；并将G_R(G_R(x))作为节点U（La,b）的父节点的随机数；

步骤S303c，重复步骤S303b，直到密钥路径上的所有节点均更新了会议密钥；密钥路径为节点U（La,b）到源节点的最短路径；

步骤S303d，广播密钥路径上的更新后的会议密钥；

步骤S303e，节点U（L_a+1,2b-1）将更新后的二元树结构进行广播。

步骤S400中，包括以下步骤：

步骤S401，确定统计时间点时的每个节点的权重阀值A=（B+C/D）*（F-E）/F；

其中，A为权重阀值；B为预置参数，根据对应节点的重要性在[0,1]内人为选定，不选时采用默认值为0.5；C为截至统计的时间点该终端智能化设备的在线时长；D为截至统计的时间点的系统运行总时长；E为终端智能化设备的使用时长；F为终端智能化设备的使用寿命；

步骤S402，计算综合权重G＝∑(Ai*Li)；选取综合权重G最小的模型建立平衡叉元树密钥结构；

其中，G为二元树模型的综合权重；Ai为节点i的权重；Li为节点在二元树中的从顶部往下的层级。

一种增强可靠用于mesh智能家居自组网方法，通过获得网络中所有节点的级别信息，确定网络中的主节点，使得网络中的其余节点成为从节点。由于网络中具有主节点，方便了mesh网络的管理，解决了mesh网络天生的缺陷，防止mesh网络组成一个无效网络。

附图说明

图1为mesh组网中节点权重阀值的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。

蓝牙Mesh是一种新的网络技术，能够与多个节点之间建立通信。如果一个设备成为了蓝牙mesh网络的一部分，就把它叫做节点(node)。反之，就把它叫做“待配网的设备”(unprovisioned devices)。把待配网的设备变成节点的过程叫做“配网”(provisioning)。

本申请实施例将蓝牙mesh网络中的任一设备都可以称为节点。节点可以包括终端设备。在本申请的一个具体实施例中，Mesh网络组网方法可以基于BLE(BluetoothLowEnergy，蓝牙低功耗)协议，可以理解，本申请实施例对所述BLE协议的版本不加以限制。

mesh网络每个节点的地位是对等的，不存在类似AP和终端(station)这样的对立角色。

图1标注了mesh组网中节点的级别。在mesh组网中，与外网连接的网格入口节点MPP(Mesh Portal point)具有支持网关功能，可配置为具有最高的级别，其他节点的级别根据节点所连接的上一跳节点的级别确定。级别的高低可以以数值来表示，例如，数值越小，级别越高，或者反之，数值越大，级别越低。在本实施例中，以数值越小级别越高来区分各个节点的级别。例如，图1中，MPP具有最高的级别，故而其级别值为0。

步骤S100，建立以与外网连接的网格入口节点MPP为源节点的二元树结构，具体包括如下：

S101、由源节点向自身的邻居节点进行第一次广播，所述邻居节点向源节点发送确认信号，源节点接收自身的邻居节点返回的确认信号，然后进行预设时间的延时判断；如果再无返回的确认信号，则源节点为返回确认信号的邻居节点分配节点ID号，并将被分配完ID号的源节点的邻居节点记为第1层节点，且将这些ID号保存在源节点的数据栈中；其中，所述预设时间为任意两个节点间通信一次的最大时间，源节点的子节点数目为2个；网格入口节点MPP为本步骤中的源节点。

S102、第1层节点继续向下进行广播，寻找自身的邻居节点，将第1层节点的所有邻居节点的数量返回给源节点，源节点分配相应数量的ID号给第1层节点，然后第1层节点将这些ID号分配给自身的邻居节点，并将被分配完ID号的第1层节点的邻居节点记为第2层节点，且将这些ID号保存在源节点的数据栈中；每个节点的子节点数目不超过2个。

按照步骤S102所述的方法，继续依次往下进行广播，为整个mesh网络中的节点分配节点ID号，最终将所有节点ID号保存在源节点的数据栈中。

步骤S200，二元树结构中所有的合法节点中预先存储自身的位置U（Li,j）、私钥（Li,j）、公钥（Li,j）；其中，Li表示节点所在的第i个层级，j表示该结点在 Li层中从左到右的顺序编号；

步骤S300，新节点的加入：

如果当前的二元树为满二元树，则二元树中最低层的最左侧的节点负责连接新节点；如果当前的二元树不是满二元树，则二元树中倒数第二层的最右侧的节点负责连接新节点；

步骤S301，创建节点U（L_a,b）的两个子节点，该节点U（L_a,b）负责连接新节点；其中，左侧子节点为U（L_a+1,2b-1），右侧子节点为U（L_a+1,2b）并将右侧节点作为新加入的节点；

步骤S302，左侧子节点U（L_a+1,2b-1）和右侧子节点为U（L_a+1,2b）进行密钥协商，获取它们之间的会话密钥K。

相邻普通节点间的密钥协商的方法，可以采用通用方法，例如申请号为202010998521.6，名称为《一种无线网络节点群中基于混合密钥的节点群密钥预分配方法》的中国专利中相邻普通节点间对偶密钥的建立所进行的密钥协商。

步骤S303，更新节点U（La,b）到源节点的最短路径上所有节点的会议密钥。

步骤S303a，假设有随机数x和双倍虚拟随机数生成器G，G_L(x)及G_R(x)分别为G(x)的左右两半部；选取任意一随机数x，代入到双倍虚拟随机数生成器G(x)，得到G_L(x)及G_R(x)；

步骤S303b，将G_R(x)作为节点U（La,b）的随机数，代入到双倍虚拟随机数生成器G，得到G_L(G_R(x))及G_R(G_R(x))，将G_L(G_R(x))作为节点U（La,b）的会议密钥；并将G_R(G_R(x))作为节点U（La,b）的父节点的随机数；

步骤S303c，重复步骤S303b，直到密钥路径上的所有节点均更新了会议密钥；密钥路径为节点U（La,b）到源节点的最短路径；

步骤S303d，广播密钥路径上的更新后的会议密钥；

步骤S303e，节点U（L_a+1,2b-1）将更新后的二元树结构进行广播；

步骤S400，依照节点连线的时长与设备健康度实时与局网状态服务器连线，动态调整mesh自组网中各个节点的权重阀值，并根据节点的权重阀值，定时重组网络。

步骤S401，确定统计时间点时的每个节点的权重阀值A=（B+C/D）*（F-E）/F；

其中，A为权重阀值；B为预置参数，根据对应节点的重要性在[0,1]内人为选定，不选时采用默认值为0.5；C为截至统计的时间点该终端智能化设备的在线时长；D为截至统计的时间点的系统运行总时长；E为终端智能化设备的使用时长；F为终端智能化设备的使用寿命；

步骤S402，计算综合权重G＝∑(Ai*Li)；选取综合权重G最小的模型建立平衡叉元树密钥结构；

其中，G为二元树模型的综合权重；Ai为节点i的权重；Li为节点在二元树中的从顶部往下的层级。

当全新的节点设备组成二元树时，（F-E）/F趋近于1，C趋近于零，其权重阀值A主要依赖于人为选定的预置参数B。

当二元树工作一段时间之后，权重阀值A的调整主要依赖于C/D，当某一节点设备一半时间在线，权重阀值A调整的幅度就会高于预置参数B的默认值。从而有利于根据实际情况，调整该设备在二元树的层级。在线时间长的设备有层级往顶部调的趋势，在线时间短的设备有层级往底部调整的趋势，从而保证整个系统的通信稳定性。层级在顶部的设备，承担了更多连接功能，因此，需要保证该设备的稳定性，尽量避免其掉线或者撤换。

随着时间的增长，（F-E）/F变小，终端智能化设备的可用寿命减小，表示该终端智能化设备即将被替换，因此，需要将该设备往叉元树的底部调整。

例如，图1中的叉元树的综合权重G的计算方式如下：

G=1*1+0.9*2+0.8*2+0.7*3+0.6*3+0.5*3；

可见当权重分别为1、0.9、0.8、0.7、0.6、0.5的6个终端智能化设备，采用图1中的模型，其综合权重G最小。因此，依据图1的模型建立终端智能化设备组的平衡叉元树。

本步骤中的定时重组网络，可以是相隔半年重组网络。

本方案，依照连线时长与设备健康度实时与局网状态服务器连线动态调整mesh自组网权重阀值，通过权重阀值，确定网络中所有节点的级别信息，确定网络中的主节点，使得网络中的其余节点成为从节点。由于网络中具有主节点，方便了mesh网络的管理，解决了mesh网络天生的缺陷，防止mesh网络组成一个无效网络；通过各个节点级别信息，实现了mesh网络的拓扑结构的控制，防止mesh跳数过大，导致网络性能降低，增强了mesh自组网体验。

本发明按照实施例进行了说明，在不脱离本原理的前提下，本装置还可以作出若干变形和改进。应当指出，凡采用等同替换或等效变换等方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种增强可靠用于mesh智能家居自组网方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S100，建立以与外网连接的网格入口节点MPP为源节点的二元树结构：

步骤S200，二元树结构中所有的合法节点中预先存储自身的位置U（Li,j）、私钥（Li,j）、公钥（Li,j）；其中，Li表示节点所在的第i个层级，j表示该结点在 Li层中从左到右的顺序编号；

步骤S300，新节点的加入：

如果当前的二元树为满二元树，则二元树中最低层的最左侧的节点负责连接新节点；如果当前的二元树不是满二元树，则二元树中倒数第二层的最右侧的节点负责连接新节点；

步骤S400，依照节点连线的时长与设备健康度实时与局网状态服务器连线，动态调整mesh自组网中各个节点的权重阀值，并根据节点的权重阀值，定时重组网络。

2.如权利要求1所述的一种增强可靠用于mesh智能家居自组网方法，其特征在于，步骤S100中，包括以下步骤：

S101、由源节点向自身的邻居节点进行第一次广播，所述邻居节点向源节点发送确认信号，源节点接收自身的邻居节点返回的确认信号，然后进行预设时间的延时判断；如果再无返回的确认信号，则源节点为返回确认信号的邻居节点分配节点ID号，并将被分配完ID号的源节点的邻居节点记为第1层节点，且将这些ID号保存在源节点的数据栈中；其中，所述预设时间为任意两个节点间通信一次的最大时间，源节点的子节点数目为2个；

S102、第1层节点继续向下进行广播，寻找自身的邻居节点，将第1层节点的所有邻居节点的数量返回给源节点，源节点分配相应数量的ID号给第1层节点，然后第1层节点将这些ID号分配给自身的邻居节点，并将被分配完ID号的第1层节点的邻居节点记为第2层节点，且将这些ID号保存在源节点的数据栈中；每个节点的子节点数目不超过2个。

3.如权利要求1所述的一种增强可靠用于mesh智能家居自组网方法，其特征在于，步骤S300中，包括以下步骤：

步骤S301，创建节点U（L_a,b）的两个子节点，该节点U（L_a,b）负责连接新节点；其中，左侧子节点为U（L_a+1,2b-1），右侧子节点为U（L_a+1,2b）并将右侧节点作为新加入的节点；

步骤S302，左侧子节点U（L_a+1,2b-1）和右侧子节点为U（L_a+1,2b）进行密钥协商，获取它们之间的会话密钥K；

步骤S303，更新节点U（La,b）到源节点的最短路径上所有节点的会议密钥；

步骤S303a，假设有随机数x和双倍虚拟随机数生成器G，G_L(x)及G_R(x)分别为G(x)的左右两半部；选取任意一随机数x，代入到双倍虚拟随机数生成器G(x)，得到G_L(x)及G_R(x)；

步骤S303b，将G_R(x)作为节点U（La,b）的随机数，代入到双倍虚拟随机数生成器G，得到G_L(G_R(x))及G_R(G_R(x))，将G_L(G_R(x))作为节点U（La,b）的会议密钥；并将G_R(G_R(x))作为节点U（La,b）的父节点的随机数；

步骤S303c，重复步骤S303b，直到密钥路径上的所有节点均更新了会议密钥；密钥路径为节点U（La,b）到源节点的最短路径；

步骤S303d，广播密钥路径上的更新后的会议密钥；

步骤S303e，节点U（L_a+1,2b-1）将更新后的二元树结构进行广播。

4.如权利要求1或3所述的一种增强可靠用于mesh智能家居自组网方法，其特征在于，步骤S400中，包括以下步骤：

步骤S401，确定统计时间点时的每个节点的权重阀值A=（B+C/D）*（F-E）/F；

其中，A为权重阀值；B为预置参数，根据对应节点的重要性在[0,1]内人为选定，不选时采用默认值为0.5；C为截至统计的时间点该终端智能化设备的在线时长；D为截至统计的时间点的系统运行总时长；E为终端智能化设备的使用时长；F为终端智能化设备的使用寿命；

步骤S402，计算综合权重G＝∑(Ai*Li)；选取综合权重G最小的模型建立平衡叉元树密钥结构；

其中，G为二元树模型的综合权重；Ai为节点i的权重；Li为节点在二元树中的从顶部往下的层级。

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