CN113037558B - 一种宽带微功率无线通信网络分析方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种宽带微功率无线通信网络分析方法和系统，属于通信技术领域。网络中所有节点发出的数据包进行解析，保存相关数据用于后续网络分析；从关联确认报文、关联汇总指示报文、代理变更确认报文以及离线指示报文中提取节点TEI、代理节点TEI等信息，并根据上述信息更新网络拓扑关系，将变更后的拓扑图实时显示给用户；根据节点周期发送的发现列表报文以及代理节点周期性上传给CCO的通信成功率报文来提取节点和代理节点信息，如果节点或代理节点不存在，则对该部分拓扑进行恢复。本发明解决了对宽带微功率无线通信网络的实时监控问题，帮助用户实时获取了网络信息和网络组网流程。

Description

一种宽带微功率无线通信网络分析方法和系统

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种宽带微功率无线通信网络分析方法和系统。

背景技术

在宽带微功率无线通信网络中一共定义了三种通信角色，包括中央协调器CCO(Central Coordinator)、代理协调器PCO(ProxyCoordinator)以及站点STA(Station)。其中，CCO通信模块被安置在集中器中，通过Q/GDW 1376.2-2013协议与集中器完成数据交互。PCO和STA通信模块被安置在智能电表中，通过DL/T645-2007以及DL/T698.45-2017与电能表完成数据交换。CCO、PCO以及STA之间则是用宽带微功率无线通信协议进行数据交互。各个模块在实时通信过程中形成了以CCO为中心节点，以PCO为中继代理节点，连接网络中所有STA节点的多级树型网络，其拓扑结构如图1所示。为了更好地实现双模融合技术，宽带微功率无线通信协议在很大程度上与电力线载波通信协议保持一致，包括物理层、数据链路层以及应用层三部分。其中数据链路层又包括网络管理子层和媒介访问控制子层。

在宽带微功率无线网络中，为了实时获取网络相关信息并监控网络的运行状态，必须对通信节点交互的数据包进行分析。由于目前并不存在能够对宽带微功率网络进行分析的工具，只能以人工的方式对捕获的数据包按协议格式进行逐字节解析，然后对解析的数据进行分析，以达到获取信息和判断网络状态的目的。很显然，这种方法有很多弊端，具体如下：

(1)实时性差。网络中的数据包都是实时交互的，如果通过人工对所有数据包进行解析，根本不可能做到和网络实时同步，以至于无法获取实时的信息。

(2)正确性差。节点交互的数据包都是一连串码流，虽然有着严格的协议格式，但人工很难保证每个数据的解析都正确无误。一旦当网络十分复杂，网络节点过多导致数据交互量庞大，很容易在数据分析过程中出错，导致分析结果与实际情况不符。

(3)效率低、成本高。采用人工方式对大量数据进行解析，需要耗费更多的人力和物力，况且还需要按照协议格式对一个个数据进行比对分析，会导致解析效率和网络分析效率低。

(4)工作量庞大，无法做到长时间监测。为了获取宽带微功率网络的拓扑信息，需要对数据之间的关系进行比对分析，然后对整个信息进行汇总分析得到整个网络中所有节点的拓扑关系。另外，宽带微功率网络的拓扑信息随着时间可能会随时发生变化，需要无时无刻监视网络的变化过程，才能获取最正确的网络拓扑信息。因此，人工分析网络拓扑不仅工作量庞大，也无法做到长时间对网络的监测。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种宽带微功率无线通信网络分析方法和系统。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种宽带微功率无线通信网络分析方法，该方法包括以下步骤：

S11：配置网络分析系统与硬件捕获设备的通信命令，使网络分析系统控制硬件捕获设备在指定频点捕获网络中节点发出的数据包；

S12：硬件捕获设备捕获到数据包后，通过串口将数据包分享给网络分析系统；

S13：网络分析系统不停扫描串口，从串口读取数据包，并对数据包进行处理，形成可以解析的协议格式；

S14：按照宽带微功率无线通信协议对每条数据进行逐字节解析；

S15：在组网进行过程中，判断数据包所属报文类型，如果是关联请求报文、关联确认报文、关联汇总指示报文、代理变更请求报文、代理变更确认报文或者离线指示报文，保存报文中的相关拓扑信息，相关拓扑信息包括节点信息、代理节点信息和节点层级信息；

S16：根据拓扑信息绘制网络拓扑图，并实时更新在视图中；

S17：在组网结束后，判断报文是否是发现列表报文或通信成功率报文，如果是，需要提取节点和代理节点信息，并根据该信息恢复网络拓扑图。

可选的，在所述S11中，通信命令包括：开始捕获命令、时间同步命令、暂停捕获命令和重新开始捕获命令。

可选的，在所述S13中，对数据包的处理过程包括：断帧处理、数据解码、MAC帧重组和协议帧封装；

其中，断帧处理是将连续的数据包码流断开成一条条数据帧；数据解码是按帧编码方式进行反向译码得到原始数据；MAC重组是将数据中的物理快头和校验码的无关信息丢弃，并将剩余信息重新组装；协议帧封装是将重组后的MAC帧封装成可以解析的协议帧格式。

可选的，在所述S14中，对数据进行逐字节解析的过程包括：MPDU帧控制域解析、MAC帧头解析、网络管理消息报文解析、应用层报文解析以及电表协议解析；

其中，MPDU帧控制域解析时，需要根据定界符类型来解析不同帧的可变区域，一共有信标帧、SOF帧、选择确认帧和网间协调帧；MAC帧头解析时需要保存MSDU类型信息，如果MSDU类型是0，下一步需要进行网络管理消息报文解析，如果MSDU类型是48，下一步需要进行应用层报文解析；网络管理消息报文解析时，需要判断管理消息类型，然后按照相应报文格式进行解析，宽带微功率无线通信协议定义了19种报文格式；应用层表文解析用于完成抄表内容的解析，分为抄表上行报文解析和抄表下行报文解析；电表协议解析需要按照645电表协议和698电表协议格式进行解析。

可选的，在所述S15中，不同报文保存的信息包括：关联确认报文需要保存节点TEI与代理节点TEI；关联汇总指示报文需要保存所有节点TEI；代理变更确认报文需要保存节点TEI、旧代理节点TEI与新代理节点TEI；离线指示报文需要保存将要离线节点的TEI；

其中，TEI是CCO同意节点入网后，为每个节点分配的唯一设备标识，是网络中节点进行区分的信息。

可选的，在所述S16中，绘制拓扑方法包括：单节点入网拓扑绘制、多节点同时入网拓扑绘制、节点代理变更拓扑绘制和节点离线拓扑绘制；

其中，单节点入网拓扑绘制是判断报文是关联确认报文后进行的；多节点同时入网拓扑绘制是判断报文是关联汇总指示报文后进行的；节点代理变更拓扑绘制是判断报文是代理变更确认报文后进行的；节点离线拓扑绘制是判断报文是离线指示报文后进行的。

可选的，在所述S17中，拓扑恢复的原则包括：收到发现列表报文后判断节点和代理节点是否已经存在，存在则不能绘制拓扑，否则在现有拓扑图上恢复拓扑信息；收到通信成功率报文后，依次判断每个节点和代理节点是否存在，存在则不能绘制拓扑，否则在现有拓扑图上恢复拓扑信息。

一种宽带微功率无线通信网络分析系统，包括依次连接的数据捕获模块、数据处理模块、协议解析模块、拓扑分析模块和图形界面模块；

其中，数据捕获模块用于捕获网络中节点发出的数据包；

数据处理模块用于对接收的数据包进行处理，形成可以解析的数据格式；

协议解析模块用于对处理后的数据进行解析，保存节点拓扑信息；

拓扑分析模块用于通过对节点拓扑信息进行分析，实时绘制网络拓扑图；

图形界面模块用于用于展示网络信息和分析结果。

本发明的有益效果在于：本发明考虑了宽带微功率无线通信协议所有情况下的数据格式，根据不同格式，设计了对应的解析方法，平均解析一条数据包耗时不超过0.04毫秒，解决了人工解析数据速度慢、实时性差、准确性低、成本高等缺点；本发明根据不同组网方式，实现了不同情况下的网络拓扑绘制问题，让拓扑分析与实际网络变化保持同步，可以让用户第一时间获取网络信息和拓扑状态；本发明还提出了两种拓扑恢复方法，使得用户即使在错过组网后，也可以完成获取网络拓扑的需求。本发明实现了对宽带微功率无线通信网络的实时监测功能，可以有效替代人工随时用于监测网络信息，还可以作为测试工具帮助网络维护人员监测网络存在的问题。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为宽带微功率无线通信网络的拓扑结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的网络分析系统结构示意图；

图3为本发明实施例所提供的网络分析系统进行协议解析的流程图；

图4为本发明实施例所提供的网络分析系统对网络管理消息报文解析的流程图；

图5为本发明实施例所提供的网络分析系统根据组网报文进行拓扑分析的流程图；

图6为本发明实施例所提供的网络分析系统对网络拓扑进行恢复的流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明提供了一种宽带微功率无线通信网络分析方法和网络分析系统，网络分析系统结构如图2所示，网络分析方法包括以下步骤：

S11：配置网络分析系统与硬件捕获设备的通信命令，使网络分析系统可以控制硬件捕获设备在指定频点捕获网络中节点发出的数据包；

为了能够使网络分析系统通过命令控制硬件捕获设备执行不同的功能，设计了网络分析系统与硬件捕获设备间的通信命令格式，一共包含开始捕获命令、时间同步命令、暂停捕获命令和重新开始捕获命令，其含义如下：

开始捕获命令是命令硬件捕获设备开始捕获数据；时间同步命令是将硬件捕获设备与本地时间进行同步；暂停捕获命令是命令硬件捕获设备暂停捕获数据；重新开始捕获命令是命令硬件捕获设备继续捕获数据。

S12:硬件捕获设备捕获到数据包后，通过串口将数据包分享给网络分析系统；

硬件捕获设备将数据包发送到串口时，需要为每条数据包添加帧头和帧尾，分别用7e字符来表示，当网络分析系统从串口接收到连续码流后，依据帧头和帧尾字符就能把每条数据包区分开来。

S13：网络分析系统不停扫描串口，从串口读取数据包，并对数据包进行处理，形成可以解析的协议格式；

当用户点击暂停按钮后，需要停止从串口读取数据包，并冻结网络分析系统中所有界面。当用户点击重新捕获按钮后，需要对所有冻结的视图进行解冻，并重新开始读取串口数据。

S14：按照宽带微功率无线通信协议对每条数据进行逐字节解析；

宽带微功率无线通信协议解析流程如图3所示，在解析的过程中需要保存源TEI、目的TEI等信息，用以指示数据包的发送方和接收方。网络消息管理报文根据管理消息类型进行判断，然后完成相应内容解析，其过程如图4所示。

S15：在组网进行过程中，判断数据包所属报文类型，如果是关联请求报文、关联确认报文、关联汇总指示报文、代理变更请求报文、代理变更确认报文或者离线指示报文，保存报文中的相关拓扑信息，主要是节点信息、代理节点信息以及节点层级等；

S16：根据拓扑信息绘制网络拓扑图，并实时更新在视图中；

如果收到的报文不是关联确认报文、关联汇总指示报文、代理变更确认报文或者离线指示报文，只会对该报文进行内容解析，否则会根据实时组网拓扑分析流程来对拓扑进行绘制，具体过程如图5所示。

S17：在组网结束后，判断报文是否是发现列表报文或通信成功率报文，如果是，需要提取节点和代理节点信息，并根据该信息恢复网络拓扑图。

进一步，在所述步骤S17中，拓扑恢复的方法共有两种：一种是通过网络中节点周期性发送的发现列表报文来恢复一条拓扑路径，由于发现列表报文中含有节点的TEI和代理节点的TEI，因此如果网络拓扑中这两个节点没有显示出来，根据该信息可以绘制节点和代理节点以及他们之间的拓扑路径；另一种是通过代理节点周期性上传的通信成功率报文来恢复代理节点与其所有子节点的拓扑路径，同样只需判断代理节点和所有子节点是否已经存在于网络拓扑图中，存在则不予处理，不存在则需要对相应的节点和路径进行恢复。拓扑恢复流程如图6所示。

进一步，在所述步骤S17中，两种拓扑恢复方法既有优点也有缺点。其中，通信成功率报文由于会周期性上报给CCO，因此要想恢复网络拓扑，只需将硬件捕获设备放在CCO附近即可，因此不需要监控全网节点，可以节约成本。其缺点就是无法获取完整网络信息，使得用户只能看到部分数据。

本发明提供的宽带微功率无线通信网络分析方法，包括：

(1)根据数据包类型，对网络数据包进行解析；

(2)在组网阶段，对不同情况下的组网拓扑进行分析，从关联请求报文、关联确认报文、关联汇总指示报文、代理变更请求报文、代理变更确认报文以及离线指示报文获取网络节点间的拓扑关系；

(3)在组网完成后，从节点周期性发送的发现列表报文和通信成功率报文获取拓扑信息，对网络拓扑进行恢复。

本发明设计并实现了对宽带微功率无线通信协议的解析方法，平均解析一条数据包耗时不超过0.04毫秒，解决了人工解析数据速度慢、实时性差、准确性低、成本高等缺点；本发明根据不同组网方式，实现了不同情况下的网络拓扑绘制问题，让拓扑分析与实际网络变化保持同步，可以让用户第一时间获取网络信息和拓扑状态；本发明还提出了两种拓扑恢复方法，使得用户即使在错过组网后，也可以完成获取网络拓扑的需求。本发明实现了对宽带微功率无线通信网络的实时监测功能，可以有效替代人工随时用于监测网络信息，还可以作为测试工具帮助网络维护人员监测网络存在的问题。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种宽带微功率无线通信网络分析方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S11：配置网络分析系统与硬件捕获设备的通信命令，使网络分析系统控制硬件捕获设备在指定频点捕获网络中节点发出的数据包；

S12：硬件捕获设备捕获到数据包后，通过串口将数据包分享给网络分析系统；

S13：网络分析系统不停扫描串口，从串口读取数据包，并对数据包进行处理，形成可以解析的协议格式；

S14：按照宽带微功率无线通信协议对每条数据进行逐字节解析；

S15：在组网进行过程中，判断数据包所属报文类型，如果是关联请求报文、关联确认报文、关联汇总指示报文、代理变更请求报文、代理变更确认报文或者离线指示报文，保存报文中的相关拓扑信息，相关拓扑信息包括节点信息、代理节点信息和节点层级信息；

S16：根据拓扑信息绘制网络拓扑图，并实时更新在视图中；

S17：在组网结束后，判断报文是否是发现列表报文或通信成功率报文，如果是，需要提取节点和代理节点信息，并根据该信息恢复网络拓扑图；

在所述S14中，对数据进行逐字节解析的过程包括：MPDU帧控制域解析、MAC帧头解析、网络管理消息报文解析、应用层报文解析以及电表协议解析；

其中，MPDU帧控制域解析时，需要根据定界符类型来解析不同帧的可变区域，一共有信标帧、SOF帧、选择确认帧和网间协调帧；MAC帧头解析时需要保存MSDU类型信息，如果MSDU类型是0，下一步需要进行网络管理消息报文解析，如果MSDU类型是48，下一步需要进行应用层报文解析；网络管理消息报文解析时，需要判断管理消息类型，然后按照相应报文格式进行解析，宽带微功率无线通信协议定义了19种报文格式；应用层表文解析用于完成抄表内容的解析，分为抄表上行报文解析和抄表下行报文解析；电表协议解析需要按照645电表协议和698电表协议格式进行解析。

2.根据权利要求1所述的一种宽带微功率无线通信网络分析方法，其特征在于：在所述S11中，通信命令包括：开始捕获命令、时间同步命令、暂停捕获命令和重新开始捕获命令。

3.根据权利要求1所述的一种宽带微功率无线通信网络分析方法，其特征在于：在所述S13中，对数据包的处理过程包括：断帧处理、数据解码、MAC帧重组和协议帧封装；

其中，断帧处理是将连续的数据包码流断开成一条条数据帧；数据解码是按帧编码方式进行反向译码得到原始数据；MAC重组是将数据中的物理快头和校验码的无关信息丢弃，并将剩余信息重新组装；协议帧封装是将重组后的MAC帧封装成可以解析的协议帧格式。

4.根据权利要求1所述的一种宽带微功率无线通信网络分析方法，其特征在于：在所述S15中，不同报文保存的信息包括：关联确认报文需要保存节点TEI与代理节点TEI；关联汇总指示报文需要保存所有节点TEI；代理变更确认报文需要保存节点TEI、旧代理节点TEI与新代理节点TEI；离线指示报文需要保存将要离线节点的TEI；

其中，TEI是CCO同意节点入网后，为每个节点分配的唯一设备标识，是网络中节点进行区分的信息。

5.根据权利要求1所述的一种宽带微功率无线通信网络分析方法，其特征在于：在所述S16中，绘制拓扑方法包括：单节点入网拓扑绘制、多节点同时入网拓扑绘制、节点代理变更拓扑绘制和节点离线拓扑绘制；

其中，单节点入网拓扑绘制是判断报文是关联确认报文后进行的；多节点同时入网拓扑绘制是判断报文是关联汇总指示报文后进行的；节点代理变更拓扑绘制是判断报文是代理变更确认报文后进行的；节点离线拓扑绘制是判断报文是离线指示报文后进行的。

6.根据权利要求1所述的一种宽带微功率无线通信网络分析方法，其特征在于：在所述S17中，拓扑恢复的原则包括：收到发现列表报文后判断节点和代理节点是否已经存在，存在则不能绘制拓扑，否则在现有拓扑图上恢复拓扑信息；收到通信成功率报文后，依次判断每个节点和代理节点是否存在，存在则不能绘制拓扑，否则在现有拓扑图上恢复拓扑信息。

7.一种宽带微功率无线通信网络分析系统，其特征在于：该系统包括依次连接的数据捕获模块、数据处理模块、协议解析模块、拓扑分析模块和图形界面模块；

其中，数据捕获模块用于捕获网络中节点发出的数据包；

数据处理模块用于对接收的数据包进行处理，形成可以解析的数据格式；

协议解析模块用于对处理后的数据进行解析，保存节点拓扑信息；

拓扑分析模块用于通过对节点拓扑信息进行分析，实时绘制网络拓扑图；

图形界面模块用于用于展示网络信息和分析结果；

协议解析模块中，按照宽带微功率无线通信协议对每条数据进行逐字节解析；

对数据进行逐字节解析的过程包括：MPDU帧控制域解析、MAC帧头解析、网络管理消息报文解析、应用层报文解析以及电表协议解析；

其中，MPDU帧控制域解析时，需要根据定界符类型来解析不同帧的可变区域，一共有信标帧、SOF帧、选择确认帧和网间协调帧；MAC帧头解析时需要保存MSDU类型信息，如果MSDU类型是0，下一步需要进行网络管理消息报文解析，如果MSDU类型是48，下一步需要进行应用层报文解析；网络管理消息报文解析时，需要判断管理消息类型，然后按照相应报文格式进行解析，宽带微功率无线通信协议定义了19种报文格式；应用层表文解析用于完成抄表内容的解析，分为抄表上行报文解析和抄表下行报文解析；电表协议解析需要按照645电表协议和698电表协议格式进行解析。

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