CN113162952B

CN113162952B - 一种基于移动边缘节点的物联网终端设备组网和通信方法

Info

Publication number: CN113162952B
Application number: CN202110622191.5A
Authority: CN
Inventors: 王贺; 高健伦; 顾志诚
Original assignee: Hangzhou Yaguan Technology Co ltd
Current assignee: Hangzhou Yaguan Technology Co ltd
Priority date: 2021-06-04
Filing date: 2021-06-04
Publication date: 2021-09-03
Anticipated expiration: 2041-06-04
Also published as: CN113162952A

Abstract

一种基于移动边缘节点的物联网终端设备组网和通信方法，属于数字信息传输技术领域，包括以下步骤：步骤S1，建立物联网移动边缘节点架构；步骤S2，主叫方发出SIP邀请消息；步骤S3，判断被叫方是否与主叫方处于同一私网；步骤S4，将邀请消息转发至被叫方；步骤S5，向移动边缘节点回传“200 OK”响应消息；步骤S6，向移动边缘节点主叫方回传“200 OK”响应消息；步骤S7，主叫方和被叫方在同一私网中的媒体会话和实时通信建立完毕。本方案，通过在移动边缘节点存储一个映射表，如果物联网终端设备在相同的本地私网中，则映射表将SIP消息直接转发到相同的本地私网中的目标设备，而不需要将SIP消息发送到云端。

Description

一种基于移动边缘节点的物联网终端设备组网和通信方法

技术领域

本发明属于数字信息传输技术领域，具体涉及一种基于移动边缘节点的物联网终端设备组网和通信方法。

背景技术

IMS(IP Multimedia Subsystem)是IP多媒体系统,被认为是下一代网络（包括5G）的核心技术，也是解决移动与固网融合，引入语音、数据、视频三重融合等差异化业务的重要方式。

IMS网络的用户与网络是通过IP连通的，IMS中使用SIP（Session InitiationProtocol，会话初始协议）作为唯一的会话控制协议。为了实现接入的独立性，IMS采用SIP作为会话控制协议。

而在5G的万物互联时代，物联网要通过大规模的不同类型的传感器去感知周边物体和物理环境，为物联网应用层的数据分析提供依据。传感器采集系统实时监测、感知和采集各种环境或监测对象信息，对大规模传感器进行高频次采集，要求传感器采集系统具备大范围高带宽的实时传输、计算、存储和处理能力。而SIP消息和数据包，经由IMS核心网转发，会增加IMS核心网的流量负载和相应延迟。

5G架构，是支持移动边缘计算(MEC，Mobile Edge Computing)设备的。如果将移动边缘节点引入到物联网终端设备的通信架构中，用来就近处理基站内需要处理的紧急、且大量的处理任务，将会分担IMS核心网的流量负载，降低相应延迟。

现阶段，终端在接入IMS网络时，需要先向IMS网络进行注册，在注册成功后可以接入IMS网络。也就是说，SIP消息和数据包，都需要经由IMS核心网转发。即使当两个物联网终端设备处于同一本地私网，SIP消息和数据包也需要经由IMS核心网转发，这就造成了传输路径的冗余。

图1为现阶段的同一本地私网的两个物联网终端设备之间的数据交流路线。实线表示传统的传输路径，在传统传输路径中，1号物联网终端设备的数据流，通过基站接入IMS网络，经过网络地址转换后返回至2号物联网终端设备。此时，1号物联网终端设备的数据流，经历了4段传输路线和3次转换。

而当我们删除IMS核心网内部从基站到云端的冗余传输路径，同一本地私网的两个传感器可以通过基站直接实现数据交流，即如图1中的虚线所示，将明显提升数据传输的效率。

为了实现图1中的虚线通信路径，可以采用SIP消息中的IP/端口将数据流重定向到网络边缘，将物联网终端设备连接移动边缘节点后组成私网，移动边缘节点连接IMS核心网，使得移动边缘节点作为IMS核心网的入口。

传统方案中，所有注册的物联网终端设备信息都存储在IMS核心网的云端，因此，在IMS核心网的云端的协助下，主叫方不需要知道被叫方的IP地址，就可以将邀请消息发送到被叫传感器。

因此，当物联网终端设备，不经过IMS核心网，仅通过移动边缘节点是无法找到被叫方的地址，这就导致物联网终端设备无法与本地私网中其它物联网终端设备建立通信路径，也无法通过移动边缘节点将数据包传送给本地私网中其它物联网终端设备。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种基于移动边缘节点的物联网终端设备组网和通信方法。

一种基于移动边缘节点的物联网终端设备组网和通信方法，包括以下步骤：

步骤S1，建立物联网移动边缘节点架构；

所述物联网移动边缘节点架构，包括物联网终端设备、移动边缘节点、IMS核心网；

所述物联网终端设备，包括用户设备和传感器；

所述移动边缘节点，存储有物联网终端设备的映射表；每个物联网终端设备与移动边缘节点通信连接构成私网，且移动边缘节点为每个物联网终端设备分配有专用的私网IP地址；

每个移动边缘节点与IMS核心网通信连接构成公网。

步骤S2，主叫方发出SIP邀请消息；

步骤S3，移动边缘节点根据映射表，判断被叫方是否与主叫方处于同一私网；

步骤S4，移动边缘节点，修改组合配对设备识别信息后，将邀请消息转发至被叫方；

步骤S5，被叫方收到邀请消息后，向移动边缘节点回传“200 OK”响应消息；

步骤S6，移动边缘节点，向移动边缘节点主叫方回传“200 OK”响应消息；

步骤S7，主叫方沿着步骤S2中邀请消息的路径，向移动边缘节点发送确认消息；移动边缘节点沿着步骤S4中邀请消息的路径，向被叫方发送确认消息；主叫方和被叫方在同一私网中的媒体会话和实时通信建立完毕。

具体的，所述移动边缘节点，内设缓存模块、网络地址转换模块、应用层网关模块；

所述缓存模块，存储有物联网终端设备的映射表；所述映射表，记录本地私网中每个物联网终端设备的标识符和该物联网终端设备所连接的移动边缘节点的公网IP地址的组合配对设备识别信息、该物联网终端设备的私网IP地址和端口号信息、该物联网终端设备的公网IP地址和端口号信息；

所述网络地址转换模块，具备网络地址转换功能；

所述应用层网关模块，具备应用层网关功能；

所述网络地址转换模块和应用层网关模块共享映射表。

具体的，所述移动边缘节点，内置具有网络地址转换功能和应用层网关功能的OpenWrt系统。

具体的，步骤S2中，主叫方和被叫方均为同一私网中的物联网终端设备；主叫方向该私网中的移动边缘节点发送要与被叫方建立SIP会话邀请消息；该邀请消息携带有Request-URI字段信息、Via头域字段信息、Contact字段信息，以及“c=”行信息、“m=”行信息；

所述Request-URI字段信息，记录被叫方的标识符和移动边缘节点的公网IP地址的组合配对设备识别信息；

所述Via头域字段信息，记录主叫方的私网IP和端口号；

所述Contact字段信息，记录主叫方的标识符和主叫方的私网IP和端口号的组合配对设备识别信息；

所述“c=”行信息，记录主叫方的私网IP；

所述“m=”行信息，记录主叫方媒体传输端口。

具体的，步骤S3中，移动边缘节点接收到SIP邀请消息后，判断其Request-URI字段信息是否有与映射表中的组合配对设备识别信息相符合的情况；如果有符合，则表示，主叫方和被叫方处于同一私网中，触发后续程序；否则，终止本方案的程序。

具体的，步骤S4中，移动边缘节点，根据映射表，将Request-URI字段信息，从公网的组合配对设备识别信息，修改为私网的组合配对设备识别信息，并在邀请消息中添加记录移动边缘节点私网IP和端口号的Via字段信息，根据私网的组合配对设备识别信息，将邀请消息转发至被叫方；私网的组合配对设备识别信息，包括被叫方的标识符和被叫方的私网IP和端口号。

具体的，步骤S5中，被叫方，根据第一个Via头域字段信息，获得移动边缘节点的私网IP和端口号；根据第二个Via头域字段信息，获得主叫方的私网IP和端口号；然后将Contact字段信息修改为被叫方的标识符和被叫方的私网IP和端口号的组合配对设备识别信息，将“c=”行信息修改为被叫方的私网IP，将“m=”行信息修改为被叫方的媒体传输端口；最后，根据移动边缘节点的私网IP和端口号，向移动边缘节点回传“200 OK”响应消息；

具体的，步骤S6中，移动边缘节点，接收到“200 OK”响应消息后，删除记录移动边缘节点的私网IP和端口号的Via头域字段信息，然后，根据Via头域字段信息中的主叫方的私网IP和端口号，将“200 OK”响应消息回传给主叫方。

具体的，步骤S7中，主叫方根据“200 OK”响应消息中的“c=”行信息获得被叫方的私网IP，根据“m=”行信息获得被叫方媒体传输端口，主叫方根据被叫方的私网IP和被叫方媒体传输端口，向被叫方发送数据包；被叫方根据步骤S2中邀请消息中的“c=”行信息获得主叫方的私网IP，根据“m=”行信息获得主叫方媒体传输端口；被叫方根据主叫方的私网IP和主叫方媒体传输端口，向主叫方发送数据包。

本方案具有以下优点：

1.针对物联网终端设备与边缘节点之间的交互次数多且单次交互的数据较小的特点，在IMS核心网和物联网终端设备之间增加了一个由移动边缘节点构成的边缘层，将移动边缘节点设置成为轻量级的数据处理中心，从而减少IMS核心网的数据流量，降低访问延迟。

2.移动边缘节点，能够修改SIP消息中的IP/端口信息以改变后续消息的传播路径,SIP消息无需转发给IMS核心网处理。在本方案中，移动边缘节点，无需处理SIP消息的私网和公网的转换，将主叫方的邀请消息直接转发给了被叫方，减少了会话建立的路径。

3.在会话路径建立完成之后，物联网终端设备的数据包能直接在私网中传输，而不需要经过IMS核心网的转发，移除多余路径，提升了数据包传输的性能，减少核心网络的流量负载。

附图说明

图1为现阶段的同一本地私网的两个物联网终端设备之间的数据交流路线；

图2为本发明的物联网移动边缘节点架构；

图3为本发明的会话路径建立的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

SIP协议将Server和User Agent之间的通讯的消息分为两类：请求消息和响应消息。请求消息：客户端为了激活特定操作而发给服务器的SIP消息，包括INVITE、ACK、BYE、CANCEL、OPTION和UPDATE消息。SIP请求的6种方法：

1、邀请（INVITE）——邀请用户加入呼叫；

2、确认（ACK）——确认客户机已经接收到对INVITE的最终响应；

3、可选项（OPTIONS）——请求关于服务器能力的信息；

4、再见（BYE）——终止呼叫上的两个用户之间的呼叫；

5、取消（CANCEL）；

6、注册（REGISTER）——提供地址解析的映射，让服务器知道其它用户的位置。

步骤S1，建立物联网移动边缘节点架构；

所述物联网终端设备，包括用户设备和传感器；

所述移动边缘节点，内设缓存模块、网络地址转换模块、应用层网关模块；每个物联网终端设备与移动边缘节点通信连接构成私网，且移动边缘节点为每个物联网终端设备分配有专用的私网IP地址；

所述缓存模块，存储有物联网终端设备的映射表；所述映射表，记录本地私网中每个物联网终端设备的标识符和该物联网终端设备所连接的移动边缘节点的公网IP地址的组合配对设备识别信息、该物联网终端设备的私网IP地址和端口号信息、该物联网终端设备的公网IP地址和端口号信息。该物联网终端设备所连接的移动边缘节点的公网IP地址，从注册消息的Request-URI中获得。

表1为同一私网中的两个物联网终端设备的映射表

表1中，Sensor1为序号1的物联网终端设备的标识符，120.101.0.1为该物联网终端设备所连接的移动边缘节点的公网IP地址，符号@表示将物联网终端设备的标识符和该物联网终端设备所连接的移动边缘节点的公网IP地址进行组合配对，Sensor2为序号2的物联网终端设备的标识符。

所述网络地址转换模块，具备网络地址转换（Network Address Translation，NAT）功能。

所述应用层网关模块，具备应用层网关（Application Layer Gateway,ALG）功能。

所述网络地址转换模块和应用层网关模块共享映射表。

所述移动边缘节点，内置具有网络地址转换功能和应用层网关功能的OpenWrt系统，可以是家用无线网关或者基于x86的计算机。

OpenWRT是一个高度模块化、高度自动化的嵌入式Linux系统，拥有强大的网络组件和扩展性，常常被用于工控设备、电话、小型机器人、智能家居、路由器以及VOIP设备中。

每个移动边缘节点与IMS核心网通信连接构成公网。

步骤S2，主叫方发出SIP邀请消息；

主叫方（Sensor1）和被叫方（Sensor2）均为同一私网中的物联网终端设备；主叫方向该私网中的移动边缘节点发送要与被叫方建立SIP会话邀请（INVITE）消息；该邀请消息携带有Request-URI字段信息、Via头域字段信息、Contact字段信息，以及“c=”行信息、“m=”行信息。

所述Request-URI字段信息，记录被叫方的标识符和移动边缘节点的公网IP地址的组合配对设备识别信息，例如，Request-URI：Sensor2@120.101.0.1。

所述Via头域字段信息，记录主叫方的私网IP和端口号，例如，Via：192.168.1.11:10011。

所述Contact字段信息，记录主叫方的标识符和主叫方的私网IP和端口号的组合配对设备识别信息，例如，Contact：Sensor1@192.168.1.11:10011。

所述“c=”行信息，记录主叫方的私网IP，例如，c=192.168.1.11。

所述“m=”行信息，记录主叫方媒体传输端口，例如，m=audio 10012。

移动边缘节点接收到SIP邀请消息后，判断其Request-URI字段信息是否有与映射表中的组合配对设备识别信息相符合的情况；如果有符合，则表示，主叫方和被叫方处于同一私网中，触发后续程序；否则，终止本方案的程序。例如，Request-URI：Sensor2@120.101.0.1，符合表1中序号2设备的合配对设备识别信息。

移动边缘节点，根据映射表，将Request-URI字段信息，从公网的组合配对设备识别信息，修改为私网的组合配对设备识别信息，并在邀请消息中添加记录移动边缘节点私网IP和端口号的Via字段信息，根据私网的组合配对设备识别信息，将邀请消息转发至被叫方。

私网的组合配对设备识别信息，包括被叫方的标识符和被叫方的私网IP和端口号。即，Request-URI：Sensor2@120.101.0.1，修正为，Request-URI：Sensor2@192.168.1.12:10021。

此时，被转发的邀请消息，记录以下内容：

Request-URI：Sensor2@192.168.1.12:10021；

Via：192.168.1.1:10011；用以记录移动边缘节点（代理转发方）的设备地址；

Via：192.168.1.11:10011；

Contact：Sensor1@192.168.1.11:10011；

c=192.168.1.11;

m=audio 10012。

在本方案中，移动边缘节点，无需处理SIP消息的私网和公网的转换，将主叫方的邀请消息直接转发给了被叫方，而不是转发给IMS核心网。

被叫方，根据第一个Via头域字段信息，获得移动边缘节点的私网IP和端口号；根据第二个Via头域字段信息，获得主叫方的私网IP和端口号；然后将Contact字段信息修改为被叫方的标识符和被叫方的私网IP和端口号的组合配对设备识别信息，将“c=”行信息修改为被叫方的私网IP，将“m=”行信息修改为被叫方的媒体传输端口；最后，根据移动边缘节点的私网IP和端口号，向移动边缘节点回传“200 OK”响应消息；

其中，“200 OK”响应消息，包括

Via：192.168.1.1:10011；

Via：192.168.1.11:10011；

Contact：Sensor2@192.168.1.12:10021；

c=192.168.1.12；

m=audio 10022。

移动边缘节点，接收到“200 OK”响应消息后，删除记录移动边缘节点的私网IP和端口号的Via头域字段信息，然后，根据Via头域字段信息中的主叫方的私网IP和端口号，将“200 OK”响应消息回传给主叫方。

本方案中，移动边缘节点，无需处理“200 OK”响应消息中的IP和端口号的转换。

步骤S7，主叫方沿着步骤S2中邀请消息的路径，向移动边缘节点发送确认消息；移动边缘节点沿着步骤S4中邀请消息的路径，向被叫方发送确认消息；主叫方根据“200 OK”响应消息中的“c=”行信息获得被叫方的私网IP，根据“m=”行信息获得被叫方媒体传输端口，主叫方根据被叫方的私网IP和被叫方媒体传输端口，向被叫方发送数据包；被叫方根据步骤S2中邀请消息中的“c=”行信息获得主叫方的私网IP，根据“m=”行信息获得主叫方媒体传输端口；被叫方根据主叫方的私网IP和主叫方媒体传输端口，向主叫方发送数据包；主叫方和被叫方在同一私网中的媒体会话和实时通信建立完毕。

本方案，通过在移动边缘节点存储一个映射表，用以记录本地网络中物联网终端设备的组合配对设备识别信息和IP/端口的映射。如果物联网终端设备在相同的本地私网中，则映射表将SIP消息直接转发到相同的本地私网中的目标设备，而不需要将SIP消息发送到云端。

本方案，将组合配对设备识别信息作为物联网终端设备的识别信息，相对于单纯采用标识符的模式，多了移动边缘节点的公网或私网IP地址或者被叫方的私网IP和端口号。如果缺少移动边缘节点的公网或私网IP地址，在数据包的传输时，移动边缘节点无法找到用于RTP传输的对应套接字，从而出现“端口不可达”的错误。

对比图1对应的传统方案和本申请的方案，形成表2。

表2为传统方案和本申请的方案的不同点的统计表。

图1对应的传统方案，包含有SDP转换。SDP全称是Session DescriptionProtocol，是描述会话的协议，主要用于两个会话实体之间的媒体协商。在SDP转换中，IMS核心网会处理SDP字段的转换。但是，本申请的方案，没有SDP转换。通过映射表，本申请的方案能够获得私网中的物联网终端设备的位置信息，从而判断被叫方是否在同一私网中。如果处于同一私网，本申请的方案通过映射表获得被叫方的私网IP和端口号，并记录于Request-URI，从而方便在本私网中建立通信，物联网终端设备可以通过私网IP和端口号发送实时传输的数据包。因此，本申请方案无需SDP转换。

对比衡量图1对应的传统方案和本申请的方案在私网中的传输性能。

在图1对应的传统方案中，当前通话次数为50时，SIP等待处理时间为2.8毫秒，而当前通话次数为850时，SIP等待处理时间为38毫秒。

本申请的方案中，当前通话次数为50时，SIP等待处理时间为2.02毫秒，而当前通话次数为850时，SIP等待处理时间为11.7毫秒。

由此可见，本方案通过去除冗余的传输路径，降低了SIP等待处理时间，特别是当有大量的处理任务，降低延迟的效果更明显。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种基于移动边缘节点的物联网终端设备组网和通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，建立物联网移动边缘节点架构；

所述物联网终端设备，包括用户设备和传感器；

所述移动边缘节点，存储有物联网终端设备的映射表；所述映射表，记录本地私网中每个物联网终端设备的标识符和该物联网终端设备所连接的移动边缘节点的公网IP地址的组合配对设备识别信息、该物联网终端设备的私网IP地址和端口号信息、该物联网终端设备的公网IP地址和端口号信息；

每个物联网终端设备与移动边缘节点通信连接构成私网，且移动边缘节点为每个物联网终端设备分配有专用的私网IP地址；

每个移动边缘节点与IMS核心网通信连接构成公网；

步骤S2，主叫方发出SIP邀请消息；

2.根据权利要求1所述的一种基于移动边缘节点的物联网终端设备组网和通信方法，其特征在于，所述移动边缘节点，内设缓存模块、网络地址转换模块、应用层网关模块；

所述缓存模块，存储有物联网终端设备的映射表；

所述网络地址转换模块，具备网络地址转换功能；

所述应用层网关模块，具备应用层网关功能；

所述网络地址转换模块和应用层网关模块共享映射表。

3.根据权利要求1所述的一种基于移动边缘节点的物联网终端设备组网和通信方法，其特征在于，所述移动边缘节点，内置具有网络地址转换功能和应用层网关功能的OpenWrt系统。

4.根据权利要求2所述的一种基于移动边缘节点的物联网终端设备组网和通信方法，其特征在于，步骤S2中，主叫方和被叫方均为同一私网中的物联网终端设备；主叫方向该私网中的移动边缘节点发送要与被叫方建立SIP会话邀请消息；该邀请消息携带有Request-URI字段信息、Via头域字段信息、Contact字段信息，以及“c=”行信息、“m=”行信息；

所述Via头域字段信息，记录主叫方的私网IP和端口号；

所述“c=”行信息，记录主叫方的私网IP；

所述“m=”行信息，记录主叫方媒体传输端口。

5.根据权利要求4所述的一种基于移动边缘节点的物联网终端设备组网和通信方法，其特征在于，步骤S3中，移动边缘节点接收到SIP邀请消息后，判断其Request-URI字段信息是否有与映射表中的组合配对设备识别信息相符合的情况；如果有符合，则表示，主叫方和被叫方处于同一私网中，触发后续程序；否则，终止本方案的程序。

6.根据权利要求5所述的一种基于移动边缘节点的物联网终端设备组网和通信方法，其特征在于，步骤S4中，移动边缘节点，根据映射表，将Request-URI字段信息，从公网的组合配对设备识别信息，修改为私网的组合配对设备识别信息，并在邀请消息中添加记录移动边缘节点私网IP和端口号的Via字段信息，根据私网的组合配对设备识别信息，将邀请消息转发至被叫方；私网的组合配对设备识别信息，包括被叫方的标识符和被叫方的私网IP和端口号。

7.根据权利要求6所述的一种基于移动边缘节点的物联网终端设备组网和通信方法，其特征在于，步骤S5中，被叫方，根据第一个Via头域字段信息，获得移动边缘节点的私网IP和端口号；根据第二个Via头域字段信息，获得主叫方的私网IP和端口号；然后将Contact字段信息修改为被叫方的标识符和被叫方的私网IP和端口号的组合配对设备识别信息，将“c=”行信息修改为被叫方的私网IP，将“m=”行信息修改为被叫方的媒体传输端口；最后，根据移动边缘节点的私网IP和端口号，向移动边缘节点回传“200 OK”响应消息。

8.根据权利要求7所述的一种基于移动边缘节点的物联网终端设备组网和通信方法，其特征在于，步骤S6中，移动边缘节点，接收到“200 OK”响应消息后，删除记录移动边缘节点的私网IP和端口号的Via头域字段信息，然后，根据Via头域字段信息中的主叫方的私网IP和端口号，将“200 OK”响应消息回传给主叫方。

9.根据权利要求8所述的一种基于移动边缘节点的物联网终端设备组网和通信方法，其特征在于，步骤S7中，主叫方根据“200 OK”响应消息中的“c=”行信息获得被叫方的私网IP，根据“m=”行信息获得被叫方媒体传输端口，主叫方根据被叫方的私网IP和被叫方媒体传输端口，向被叫方发送数据包；被叫方根据步骤S2中邀请消息中的“c=”行信息获得主叫方的私网IP，根据“m=”行信息获得主叫方媒体传输端口；被叫方根据主叫方的私网IP和主叫方媒体传输端口，向主叫方发送数据包。