CN112929289B - 星型网络中基于多信道的组播帧传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星型网络中多信道绑定条件下的组播帧传输方法，主要解决现有方法效率较低、信道资源浪费严重、对组播组中从属节点的信道接入限制较多的问题。其实现方案是：1)中心节点进行组播帧封装并在帧头中写入帧序号；2)中心节点确定组播帧的发送信道集合；3)中心节点将组播帧复制多份，在发送信道集合中的所有信道上发送组播帧；4)从属节点接收组播帧并根据帧序号进行重复帧过滤，保留第一个收到的帧，丢弃其余的帧，完成组播帧传输。本发明能实现组播帧的高效传输，减少信道资源的浪费，且对组播组中从属节点的信道接入没有任何限制，可用于采用星型拓扑的接入网。

Description

星型网络中基于多信道的组播帧传输方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及一种组播帧传输方法，可用于采用星型拓扑的接入网。

背景技术

在基于共享媒质的接入网中，常采用由一个中心节点和若干从属节点组成的星型逻辑拓扑结构。在这种网络结构中，中心节点和从属节点之间可以直接进行数据通信，各从属节点之间的通信则需要通过中心节点进行转发。通常情况下，网络中各从属节点的带宽需求不同，因此在中心节点和各从属节点之间设置多个窄带宽信道，每个从属节点根据各自带宽需求选择若干个窄带信道进行接入。中心节点和从属节点可以同时在该从属节点接入的所有信道上进行数据传输，因此从属节点的真正可用带宽为其接入的所有信道的带宽总和，该技术称为多信道绑定技术。通过多信道绑定技术，可以在同一网络中实现不同带宽的从属节点的共存。

中心节点在多信道绑定条件下向从属节点发送组播帧时，有若干个从属节点需要接收该组播帧，而每个从属节点接入的信道和信道数可能都不尽相同，中心节点需要决策在哪些信道上发送该组播帧。一种最简单的方法是在该组播帧的每个接收节点的所有接入信道上都发送一份该组播帧，这种方法的问题是可能产生不必要的组播帧传输，信道资源浪费比较严重。因此需要设计一种多信道绑定条件下的组播帧传输方法，在保证组播帧的所有接收节点都能收到该组播帧的前提下，选择尽可能少的信道对组播帧进行复制传输，减少信道资源的浪费。

鼎点视讯科技有限公司在其申请的专利文献“组播流量分配方法和系统”(申请号CN2016111638316申请公布号CN108234357A)中公开了一种组播流量的信道确定方法。该方法首先配置若干个组播信道绑定组，每个组播信道绑定组由若干个信道组成，且组播组与组播信道绑定组建立固定的一一映射关系，组播组的所有流量只能在对应的组播信道绑定组上进行传输。该方法确保了一个组播组的流量只在固定的信道集合上发送，不需要在该信道集合之外的信道上进行复制发送，可减少信道资源的浪费。但是，由于该方法要求在从属节点加入某个组播组时，若其所接入的信道集合与组播组对应的组播信道绑定组没有交集，则中心节点将通知该从属节点转移到指定信道上，因而对从属节点的信道接入构成了很大的限制，且实现过于复杂。

西安电子科技大学在其申请的专利“多信道绑定条件下的组播帧传输方法”(申请号202010163470.5。申请公布号111371691A)中公开了一种组播流量的信道确定方法。该方法首先选择所有单信道节点所接入的信道并将已接入节点移除出后续计算范围，其次选择接入节点数最多的信道并将已接入节点移除出后续计算范围，这样迭代直至组播组内所有节点被接入。该方法虽说可确保组播组内所有节点可以接入信道且不需要在所有信道发送组播帧，减少了信道资源的浪费。但是当接入节点数最多的信道不唯一时，却存在较大概率无法使最终选择的信道数最少。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种多信道绑定条件下的组播帧传输方法，以避免从属节点的信道接入限制，提高获得最小发送信道集合的概率，降低实现复杂度。

本发明技术思路是：通过中心节点对组播帧封装并在帧头中写入帧序号，确定组播帧的发送信道集合，并在发送信道集合中包含的所有信道上发送组播帧，实现对组播帧的复制传输；通过从属节点在接入信道上接收组播帧，并根据帧序号进行重复帧过滤，实现中心节点到从属节点的组播帧传输。

根据上述思路，本发明的技术方案是这样实现的：

1.一种多信道绑定条件下的组播帧传输方法，是在由一个中心节点和多个从属节点组成的星型接入网络中进行，其特征在于，包括如下：

(1)中心节点进行组播帧封装并在帧头中写入帧序号；

(2)中心节点确定组播帧的发送信道集合：

(2a)构造一个空集合，作为已选信道集合R；

(2b)用组播帧的所有接收节点组成节点集合N；

(2c)获取节点集合N中各个节点的接入信道，对节点集合N中所有节点的接入信道集合取并集，作为可选信道集合S；

(2d)遍历可选信道集合S，统计每个信道接入节点集合N中的节点数，用接入节点集合N中的节点数最多的信道构成优选信道集合M；

(2e)判断优选信道集合M中是否只有一个信道：

若是，则将该信道加入已选信道集合R，执行(2h)；

否则，执行(2f)；

(2f)构造二次优选信道集合T，遍历优选信道集合M，对于其中每个信道ch，遍历可选信道集合S中除信道ch外的其他信道，对其他信道的接入节点集合与节点集合N取交集，再对该交集与信道ch的接入节点集合取差集，当取得最大差集时将对应的信道ch加入到二次优选信道集合T；

(2g)判断二次优选信道集合T中是否只有一个信道：

若是，则将该信道加入已选信道集合R；

否则，通过所选策略在二次优选信道集合T中选择一个信道加入已选信道集合R；

(2h)遍历节点集合N，若第j个节点的某个接入信道属于已选信道集合R，则将第j个节点从节点集合N中移除，并判断该集合N是否为空，若是，则执行(3)，否则，返回(2c)；

(3)中心节点将组播帧复制多份，在已选信道集合R中包含的所有信道上发送组播帧；

(4)从属节点接收组播帧并根据帧序号进行重复帧过滤：

(4a)从属节点在各自的接入信道上接收组播帧，并根据组播帧的目的IP地址，判断组播帧是否属于自己所在的组播组，若是，则保留该组播帧，执行(4b)；否则，丢弃该组播帧；

(4b)从属节点查看组播帧帧头中的帧序号字段，对一个帧序号只保留第一个收到的帧，其余的丢弃。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

第一，由于本发明在每一轮的信道选择中进行了两次筛选，提高了获得最小发送信道集合的概率，降低了信道资源浪费。

第二，由于本发明的每一轮的选择方法，以及每一轮选择中的两次筛选方法，都采用了同样的方法，因而降低了实现复杂度。

第三，由于本发明根据组播帧的接收节点确定每个组播帧的发送信道集合，而不是在固定的信道绑定组上传输组播组的流量，因而对组播组中从属节点的信道接入没有任何限制。

附图说明

图1为本发明的实现流程图；

图2为本发明中实施例1使用的网络拓扑图。

图3为本发明中实施例2使用的网络拓扑图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

实施例1：

本实施例是在星型接入网络上进行。

参照图2，本实施例中使用的星型接入网络由1个中心节点和9个从属节点组成，中心节点和从属节点之间有4个信道，各从属节点的信道接入情况为：

第一从属节点A同时接入第一个信道1、第二个信道2；

第二从属节点B同时接入第一个信道1、第二个信道2；

第三从属节点C接入第二个信道2；

第四从属节点D同时接入第一个信道1、第三个信道3；

第五从属节点E接入第三个信道3；

第六从属节点F同时接入第三个信道3、第四个信道4；

第七从属节点F接入第四个信道4；

第八从属节点G接入第四个信道4；

第九从属节点I接入第四个信道4；

参照图2，本实施例的实现步骤如下：

步骤1，中心节点进行组播帧封装并在帧头中写入帧序号。

中心节点在组播帧前加上帧头，帧头中包含一个帧序号字段；

中心节点将组播帧对应的帧序号写入帧序号字段，帧序号从起始序号0开始，在每个组播帧中逐一递增，直到达到帧序号字段所能表示的最大值，再回到起始序号0，不断循环。

步骤2，中心节点确定组播帧的发送信道集合。

(2.1)构造一个空集合，作为已选信道集合R；

(2.2)用组播帧的所有接收节点组成节点集合N；

本实施例中，组播帧的接收节点为第一从属节点A、第二从属节点B、第三从属节点C、第四从属节点D、第五从属节点E、第六从属节点F、第七从属节点G、第八从属节点H、第九从属节点I，这些从属节点构成节点集合：N＝{A，B，C，D，E，F，G，H，I}；

(2.3)获取节点集合N中各个节点的接入信道，对节点集合N中所有节点的接入信道集合取并集，作为可选信道集合S；

本实施例中，节点集合N＝{A，B，C，D，E，F，G，H，I}，其中，

第一从属节点A的接入信道集合为：SA＝{信道1，信道2}；

第二从属节点B的接入信道集合为：SB＝{信道1，信道2}；

第三从属节点C的接入信道集合为：SC＝{信道2}；

第四从属节点D的接入信道集合为：SD＝{信道1，信道3}；

第五从属节点E的接入信道集合为：SE＝{信道3}；

第六从属节点F的接入信道集合为：SF＝{信道3，信道4}；

第七从属节点G的接入信道集合为：SG＝{信道4}；

第八从属节点H的接入信道集合为：SH＝{信道4}；

第九从属节点I的接入信道集合为：SI＝{信道4}；

对集合SA，SB，SC，SD，SE，SF，SG，SH，SI取并集，得到可选信道集合：S＝{信道1，信道2，信道3，信道4}；

(2.4)遍历可选信道集合S，统计每个信道接入节点集合N中的节点数，用接入节点集合N中的节点数最多的信道构成优选信道集合M；

本实施例中，可选信道集合S＝{信道1，信道2，信道3，信道4}，节点集合N＝{A，B，C，D，E，F，G，H，I}，第一个信道1接入节点集合N中的节点数为3，第二个信道2接入节点集合N中的节点数为3，第三个信道3接入节点集合N中的节点数为3，第四个信道4接入节点集合N中的节点数为4，第4个信道4接入节点集合N中的节点数最多，构成优选信道集合：M＝{信道4}；

(2.5)判断优选信道集合M中是否只有一个信道：若是，则将该信道加入已选信道集合R，执行(2.8)；否则，执行(2.6)；

本实施例中，优选信道集合M＝{信道4}，优选信道集合M中有一个信道，执行(2.8)；

(2.8)遍历节点集合N，若第j个节点的某个接入信道属于已选信道集合R，则将第j个节点从节点集合N中移除，并判断该集合N是否为空，若是，则执行(3)，否则，返回(2.3)；

本实施例中，第六从属节点F接入的第四个信道4属于已选信道集合R，将其从节点集合N中移除；第七从属节点G接入的第四个信道4属于已选信道集合R，将其从节点集合N中移除；第八从属节点H接入的第四个信道4属于已选信道集合R，将其从节点集合N中移除；第九从属节点I接入的第四个信道4属于已选信道集合R，将其从节点集合N中移除；此时，节点集合N＝{A，B，C，D，E}，不为空，返回(2.3)；

步骤3，中心节点将组播帧复制多份，在已选信道集合R的所有信道上发送组播帧。

本实施例中，已选信道集合R＝{信道2，信道3，信道4}，因此中心节点在第二个信道2、第三个信道3、第四个信道4上发送组播帧。

步骤4，从属节点接收组播帧，并根据帧序号进行重复帧过滤。

(4.1)从属节点在各自的接入信道上接收组播帧，并根据组播帧的目的IP地址，判断组播帧是否属于自己所在的组播组：若是，则保留该组播帧，执行(4.2)；否则，丢弃该组播帧；

本实施例中，第一从属节点A在第二个信道2上接收组播帧，第二从属节点B在第二个信道2接收组播帧，第三从属节点C在第三个信道3上接收组播帧，第四从属节点D在第三个信道3上接收组播帧，第五从属节点E在第三个信道3上接收组播帧，第六从属节点F同时在第三个信道3和第四个信道4上接收组播帧，第七从属节点G在第四个信道4上接收组播帧，第八从属节点H在第四个信道4上接收组播帧，第九从属节点I在第四个信道4上接收组播帧，根据组播帧的目的IP地址，第一从属节点A、第二从属节点B、第三从属节点C、第四从属节点D、第五从属节点E、第六从属节点F、第七从属节点G、第八从属节点H、第九从属节点I保留接收到的组播帧，执行(4.2)；

(4.2)从属节点查看组播帧帧头中的帧序号字段，对一个帧序号只保留第一个收到的帧，其余的丢弃；

本实施例中，第六从属节点F将收到两个序号相同的组播帧，分别来自第三个信道3和第四个信道4，只保留先收到的一个，另一个丢弃；其余从属节点不会收到序号重复的组播帧。

实施例2：

本实施例是在星型接入网络上进行。

参照图3，本实施例中使用的星型接入网络由1个中心节点和5个从属节点组成，中心节点和从属节点之间有3个信道，各从属节点的信道接入情况为：第一从属节点A接入第一个信道1；第二从属节点B同时接入第一个信道1、第二个信道2；第三从属节点C接入第二个信道2、第三个信道3；第四从属节点D接入第三个信道3；第五从属节点E接入第三个信道3。

参照图1，本实施例的实现步骤如下：

步骤1，中心节点进行组播帧封装并在帧头中写入帧序号。

中心节点在组播帧前加上帧头，帧头中包含一个帧序号字段；

中心节点将组播帧对应的帧序号写入帧序号字段，帧序号从起始序号0开始，在每个组播帧中逐一递增，直到达到帧序号字段所能表示的最大值，再回到起始序号0，不断循环。

步骤2，中心节点确定组播帧的发送信道集合。

(2.1)构造一个空集合，作为已选信道集合R；

(2.2)用组播帧的所有接收节点组成节点集合N；

本实施例中，组播帧的接收节点为第一从属节点A、第二从属节点B、第三从属节点C、第四从属节点D，第五从属节点E不属于本组播帧的接收节点，这些从属节点构成节点集合：N＝{A，B，C，D}；

(2.3)获取节点集合N中各个节点的接入信道，对节点集合N中所有节点的接入信道集合取并集，作为可选信道集合S；

本实施例中，节点集合N＝{A，B，C，D}，其中，

第一从属节点A的接入信道集合为：SA＝{信道1}；

第二从属节点B的接入信道集合为：SB＝{信道1，信道2}；

第三从属节点C的接入信道集合为：SC＝{信道2，信道3}；

第四从属节点D的接入信道集合为：SD＝{信道3}；

对集合SA，SB，SC，SD取并集，得到可选信道集合：S＝{信道1，信道2，信道3}；

(2.4)遍历可选信道集合S，统计每个信道接入节点集合N中的节点数，用接入节点集合N中的节点数最多的信道构成优选信道集合M；

本实施例中，可选信道集合S＝{信道1，信道2，信道3}，节点集合N＝{A，B，C，D}，第一个信道1接入节点集合N中的节点数为2，第二个信道2接入节点集合N中的节点数为2，第三个信道3接入节点集合N中的节点数为2，第1个信道1、第2个信道2和第3个信道3接入节点集合N中的节点数最多，构成优选信道集合：M＝{信道1，信道2、信道3}；

(2.5)判断优选信道集合M中是否只有一个信道：若是，则将该信道加入已选信道集合R，执行(2.8)；否则，执行(2.6)；

本实施例中，优选信道集合M＝{信道1，信道2、信道3}，优选信道集合M中有三个信道，执行(2.6)；

(2.6)构造二次优选信道集合T，遍历优选信道集合M，对于其中每个信道ch，遍历可选信道集合S中除信道ch外的其他信道，对其他信道的接入节点集合与节点集合N取交集，再对该交集与信道ch的接入节点集合取差集，当取得最大差集时将对应的信道ch加入到二次优选信道集合T；

本实施例中，优选信道集合M＝{信道1，信道2、信道3}，其中信道1的接入节点集合为：ch1＝{A，B}；信道2的接入节点集合为：ch2＝{B，C}；信道3的接入节点集合为：ch3＝{C，D}；

在属于节点集合N的节点中，本实例对可选信道集合S中每个信道的接入节点集合与优选信道集合M中每个信道的接入节点集合取差集，结果如下:

可选信道集合S中信道2的接入节点集合与优选信道集合M中信道1的接入节点集合差集为：C21＝{C}，

可选信道集合S中信道3的接入节点集合与优选信道集合M中信道1的接入节点集合差集为：C31＝{C，D}，

可选信道集合S中信道1的接入节点集合与优选信道集合M中信道2的接入节点集合差集为：C12＝{A}，

可选信道集合S中信道3的接入节点集合与优选信道集合M中信道2的接入节点集合差集为：C32＝{D}，

可选信道集合S中信道1的接入节点集合与优选信道集合M中信道3的接入节点集合差集为：C13＝{A，B}，

可选信道集合S中信道2的接入节点集合与优选信道集合M中信道3的接入节点集合差集为：C23＝{C}，

由以上结果可知，当选择优选信道集合M中的信道1时，获得最大差集C31，所以将信道1加入到二次优选信道集合T；当选择优选信道集合M中的信道3时，获得最大差集C13，所以将信道3加入到二次优选信道集合T，此时可得二次优选信道集合为：T＝{信道1，信道3}；

(2.7)判断二次优选信道集合T中是否只有一个信道：若是，则将该信道加入已选信道集合R；否则，在二次优选信道集合T中通过选择编号最小的信道、选择编号最大的信道、选择接入从属节点最少的信道中的任意一个信道加入已选信道集合R；

本实施例中，二次优选信道集合T＝{信道1，信道3}，由于二次优选信道集合T中有多个信道，因而选择编号最小的信道，即第1个信道1，加入已选信道集合R。此时，已选信道集合为：R＝{信道1}；

(2.8)遍历节点集合N，若第j个节点的某个接入信道属于已选信道集合R，则将第j个节点从节点集合N中移除，并判断该集合N是否为空，若是，则执行(3)，否则，返回(2.3)；

本实施例中，第1从属节点A接入的第一个信道1属于已选信道集合R，将其从节点集合N中移除；第二从属节点B接入的第1个信道1属于已选信道集合R，将其从节点集合N中移除；此时，节点集合N＝{C，D}，不为空，返回(2.3)；

步骤3，中心节点将组播帧复制多份，在已选信道集合R的所有信道上发送组播帧。

本实施例中，已选信道集合R＝{信道1，信道3}，因此中心节点在第一个信道1、第三个信道3上发送组播帧。

步骤4，从属节点接收组播帧，并根据帧序号进行重复帧过滤。

(4.1)从属节点在各自的接入信道上接收组播帧，并根据组播帧的目的IP地址，判断组播帧是否属于自己所在的组播组：若是，则保留该组播帧，执行(4.2)；否则，丢弃该组播帧；

本实施例中，第一从属节点A在第一个信道1上接收组播帧，第二从属节点B在第一个信道1接收组播帧，第三从属节点C在第三个信道3上接收组播帧，第四从属节点D在第三个信道3上接收组播帧，第五从属节点E在第三个信道3上接收组播帧，根据组播帧的目的IP地址，第一从属节点A、第二从属节点B、第三从属节点C、第四从属节点D保留接收到的组播帧，执行(4.2)；第五从属节点E丢弃接收到的组播帧；

(4.2)从属节点查看组播帧帧头中的帧序号字段，对一个帧序号只保留第一个收到的帧，其余的丢弃；

本实施例中，组播组内的从属节点不会收到序号重复的组播帧。

以上是本发明的一个具体实例，并不构成对本发明的任何限制，凡是在本发明的思想和精神下进行的修改和变化，均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种多信道绑定条件下的组播帧传输方法，是在由一个中心节点和多个从属节点组成的星型接入网络中进行，其特征在于，包括如下：

(1)中心节点进行组播帧封装并在帧头中写入帧序号；

(2)中心节点确定组播帧的发送信道集合：

(2a)构造一个空集合，作为已选信道集合R；

(2b)用组播帧的所有接收节点组成节点集合N；

(2c)获取节点集合N中各个节点的接入信道，对节点集合N中所有节点的接入信道集合取并集，作为可选信道集合S；

(2d)遍历可选信道集合S，统计每个信道接入节点集合N中的节点数，用接入节点集合N中的节点数最多的信道构成优选信道集合M；

(2e)判断优选信道集合M中是否只有一个信道：

若是，则将该信道加入已选信道集合R，执行(2h)；

否则，执行(2f)；

(2f)构造二次优选信道集合T，遍历优选信道集合M，对于其中每个信道ch，遍历可选信道集合S中除信道ch外的其他信道，对其他信道的接入节点集合与节点集合N取交集，再对该交集与信道ch的接入节点集合取差集，当取得最大差集时将对应的信道ch加入到二次优选信道集合T；

(2g)判断二次优选信道集合T中是否只有一个信道：

若是，则将该信道加入已选信道集合R；

否则，通过所选策略在二次优选信道集合T中选择一个信道加入已选信道集合R；其中所选策略，包括选择编号最小的信道、选择编号最大的信道、选择接入从属节点最少的信道中的任意一个信道；

(2h)遍历节点集合N，若第j个节点的某个接入信道属于已选信道集合R，则将第j个节点从节点集合N中移除，并判断该集合N是否为空，若是，则执行(3)，否则，返回(2c)；

(3)中心节点将组播帧复制多份，在已选信道集合R中包含的所有信道上发送组播帧；

(4)从属节点接收组播帧并根据帧序号进行重复帧过滤：

(4a)从属节点在各自的接入信道上接收组播帧，并根据组播帧的目的IP地址，判断组播帧是否属于自己所在的组播组，若是，则保留该组播帧，执行(4b)；否则，丢弃该组播帧；

(4b)从属节点查看组播帧帧头中的帧序号字段，对一个帧序号只保留第一个收到的帧，其余的丢弃。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(1)中所述的组播帧，包含帧序号、组播帧对应的接收成员信息和载荷，其中帧序号是从起始序号0开始，在每个组播帧中逐一递增，直到达到帧序号字段所能表示的最大值，再回到起始序号0，不断循环。

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