CN113708970A - 一种网格状异构节点网络通信及空间坐标建模的系统和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种网格状异构节点网络通信及空间坐标建模的系统和装置，所述系统包括:网络由若干节点组成；每个节点的外壳设有通信端口，节点可通过通信端口与相邻节点实现通信；每个节点通过通信连接从相邻节点获取相邻节点的空间尺寸及相邻节点进行连接的通信端口的空间位置，结合自身的空间尺寸和进行连接的通信端口的空间位置，计算出两节点的相对空间坐标；类似的，每个节点通过通信连接，从相邻节点获取与相邻节点相临的次级相邻节点的空间坐标，并以此类推，获取网络中非直接相邻的间接相邻节点的相对空间坐标。上述系统实现异构的网络节点任意组合后通信连接并自动对空间坐标晚餐建模，避免人工配置，并且可以自动适应组合结构。

Description

一种网格状异构节点网络通信及空间坐标建模的系统和装置
技术领域
本发明涉及网络通信领域，具体涉及一种网格状异构节点网络通信及空间坐标建模的系统和装置。
背景技术
利用网络设备间的连接拓扑对其相互位置关系建模能为设备管理提供重要的空间信息。
例如，某一设备损坏时，根据其空间位置能够迅速将其物理定位；以及，可以利用空间信息计算两个节点间的最短路径而无需消耗通信带宽进行测试。
通常而言，空间定位对于无线连接较为容易，因为无线电本身即为广播而非点对点，各个节点可以监听到临近节点的信号从而分析其相对位置。
不过，无线空间定位的精度受障碍物影响较大，同时无法支持大量节点在狭小空间内同时运作，否则难免相互干扰。
与之相对的，空间定位对于有线连接的困难在于其拓扑的扩展：每个节点只能与相邻的节点通信、获取有限信息。如果节点之间几何形态不同、空间上紧密毗邻、需要准确计算其相对位置关系，实现将更为困难。
发明内容
对此，本发明提供一种标准化外形和多个通信端口网络系统和装置。系统的网络内每个节点符合设计规则但尺寸不一、配有多个通信接口，节点间利用通信接口间连接位置关系和其他数据交换实现对相互位置关系建模，进而对所有节点的空间位置建模。
为了达成上述目的，本发明提供一种网格状异构节点通信及空间坐标建模的系统和装置。
一种网格状异构节点网络通信及空间坐标建模的系统，包括，
网络由若干节点组成；
每个所述节点的外壳设有若干通信端口，所述节点可以通过所述通信端口与相邻的相邻节点实现通信连接；
每个所述节点通过所述通信连接从所述相邻节点获取所述相邻节点的物理空间尺寸以及所述相邻节点进行连接的所述通信端口的物理空间位置，结合自身的物理空间尺寸和自身进行连接的所述通信端口的物理空间位置，计算出两者的相对物理空间坐标；
每个所述节点通过所述通信连接，从所述相邻节点获取与所述相邻节点相临的次级相邻节点的相对物理空间坐标、获取与所述次级相邻节点相邻的次次级相邻节点的相对物理空间坐标，并以此类推，获取网络中非直接相邻的间接相邻节点的相对物理空间坐标；
所述节点获取所述相邻节点和所述间接相邻节点的相对物理空间坐标后，向已与本节点建立通信连接的相邻节点转发。
在其中一个实施例中，网络中有一节点作为终端节点，主动向相邻节点发起通信连接请求；只有接到所述通信连接并完成连接的节点，才向其未建立所述通信连接的相邻节点发起通信连接请求；收到所述通信连接请求并进行双方确认后，节点间建立永久的所述通信连接；每个节点只接受收到的第一个建立连接请求。
在其中一个实施例中，每个所述节点仅获取其主动连接并建立连接的所述相邻节点的、由所述相邻节点主动连接并建立连接的所述次次级相邻节点，以及以此类推的所述间接相邻节点的相对物理空间坐标，而不获取其他节点的相对物理空间坐标。
在其中一个实施例中，由终端节点根据预设值确定自身绝对物理空间坐标，并根据其他节点通过通信连接回传的所述相对物理空间坐标、结合预设的命名规则，为其他节点指派各自绝对物理空间坐标，并通过通信连接逐级发送通知给各节点。
一种网格状异构节点网络通信及空间坐标建模的网络装置，包括，
一个网络由若干节点组成，每个节点由控制模块、存储模块、通信模块、缓存模块和多个端口模块组成；
所述控制模块向通信模块发送通信指令和数据，并根据通信模块返回的数据进行物理空间坐标计算以及其他规划；
所述存储模块为控制模块存储参数；
所述通信模块接受所述控制模块的通信指令，编码后派发给所述通信模块指定的端口模块，并从各个端口模块接收相邻节点的通信数据，解码后转交给控制模块；
所述缓存模块缓存所述通信模块收发的数据和指令；
所述端口模块与相邻节点的一个端口模块(下称对向端口)建立物理层通信连接，接收通信模块派发的通信指令后通过所述物理层通信连接发出，并从所述物理层通信连接接收数据后转发给通信模块。
在其中一个实施例中，每个节点的节点外形尺寸参数存储在存储模块中；
每个所述端口模块根据其在设备上的物理空间位置预设有端口坐标参数，各所述端口模块的所述端口坐标参数都存储在所述存储模块中；
所述节点与所述相邻节点建立物理层通信连接过程中，所述端口模块向所述对向端口提供自身的所述端口坐标参数、所述节点外形尺寸参数，并接收所述对向端口的所述端口坐标参数和所述相邻节点的节点外形尺寸参数，用以计算所述相邻节点相对于本节点的相对物理空间坐标；计算方法为：将两个建立连接的所述端口模块视为空间中重合的点，结合获知这个重合的点分别在两个所述节点和所述相邻节点上的物理空间坐标，即可推算所述节点和所述相邻节点的所述相对物理空间坐标。
在其中一个实施例中，每个节点的外形主体结构为长方体，其长L、宽W、高H分别是外形主体结构为长方体的虚构标准单元尺寸长L0、宽W0、高H0的整数m、n、p倍，即每个节点的外形可视为若干所述虚构标准单元按相同的朝向堆叠而成，长、宽、高方向堆叠数目分别为m、n、p个所述虚构标准单元。
在其中一个实施例中，每个节点的所述端口模块等间隔的排列在外壳表面，长的方向间隔为L0、宽的方向间隔为W0、高的方向间隔为H0，并且每个面上的所述端口模块与对立对面的所述端口模块以两个面的中间平行面对称；换而言之，两个节点的边缘对齐后进行堆叠时，其相邻面上的所述端口模块的位置恰好对齐。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。
图1是一个节点的模块拓扑。
图2是一个节点的外形示意图。
图3是同图2的节点的另一个视角的外形示意图。
图4是一个将一个节点视为若干个虚构标准单元的组合的示意图。
图5是两个图2所示节点建立连接时的位置关系的效果图。
图6是图5模型的投影图(左视图)。
图7是图5模型的另一个投影图(俯视图)。
图8是图7投影图的通信端口位置关系示意图。
图9是三个不同尺寸的节点进行二维同平面连接后的通信端口位置关系示意图。
图10是大量不同尺寸节点进行二维同平面连接时组成的通信网络的节点间位置关系示意图。
图11是图10网络开始连接前的连接状态。
图12是图10网络完成第一步连接的连接状态。
图13是图10网络完成第二步连接的连接状态。
图14是图10网络完成第三步连接的连接状态。
图15是图10网络完成第四步连接的连接状态。
图16是图10网络完成第五步连接的连接状态。
图17是图10网络完成全部连接、进行最后的节点空间坐标回报时的连接拓扑。
图18是两个节点建立通信连接过程的数据交换流程示意图。
具体实施方式
现在详细参考附图并描述实施例。为了全面理解本发明，在以下详细描述中提到了众多具体细节。但是本领域技术人员应该理解，本发明可以无需这些具体细节而实现。在其他实例中，不详细描述公知的方法、过程、组件和电路，以免不必要地使实施例模糊。
在本实施例中，节点为网络的最小构成单元，而每个节点内的模块逻辑如图1所示。其中，控制模块发出通信指令、编写通信数据并接受和处理通信的返回数据，实现抽象的管理；通信模块接收通信指令，将之向若干个端口模块向其他节点收发出，再从端口模块接收返回数据，通信模块收发的数据可由缓存模块缓存以应对并发通信；若干个端口模块独立的与其他节点的一个对向端口进行通信连接，完成编码、发出、接收、解码的任务，并向连接的其他节点指示忙碌或空闲的通信状态。
由于需要不同尺寸的节点可以相互自由组合并依靠直接相邻的端口模块构成通信连接，典型的节点外形是图2所示的长方体。在近似长方体的外壳100的各个面上，等间隔的设有端口模块，如可见的上面板110上设有6个端口模块111、左面板120上设有2个端口模块121、前面板130上设有3个端口模块131。
换一个视角，可见图3所示的后面板140上设有和前面板一样数量的3个端口模块141、下面板150上设有和上面板一样数量的6个端口模块151。此处将端口模块111、121、131以圆锥标识、141、151以圆柱标识，以便后续更清晰分析其所在面及位置关系，而功能并无差别。
为了保证不同尺寸的节点可以多样的组合连接，如图4所示，一个节点100可以在形态上视为若干在各面正中央配置有端口模块的虚构标准单元160组合而成(虚线是虚构标准单元间的交界)，正如每块乐高方块积木在形态上可以视为若干标准的小方块的组合。当然，形态上的组合后内部是一个整体，只保留节点外侧的端口模块。
两个节点进行通信连接时，需要两者朝向一致、对立面的通信端口对齐，如图5所示的100与200放置。所谓朝向一致，反映在100的上面板110与200的上面板210朝向一致、100的左面板120与200的左面板220朝向一致、100的前面板130与200的前面板230朝向一致，其他面也类似。在如图6的左视图和如图7的俯视图可以直观的体现”对齐”的效果。
由于本例以长方体为节点外形，因此将节点在x、y或z轴方向的堆叠的规律是相同的。为了更清晰的解释节点间连接，以下只讨论节点在x与y两个轴向上连接、即在一个平面上铺开的原理。这样简化的好处是，可以使用俯视图简洁的画出所有节点的位置关系，并且可以暂时忽略顶面和地面的端口模块，如图7的俯视图的逻辑图可归纳如图8所示。易推知，三个轴向上的连接是两个轴向上连接的简单拓展，本说明书不再赘述。
以下的坐标、尺寸均以虚构标准单元为单位。尺寸记录为a x b形式，含义为：高(行)的方向可视为a个虚构标准单元堆叠而成、宽(列)的方向可视为b个虚构标准单元堆叠而成；坐标记录为(c-d,e-f)的形式，含义为：节点占据范围从第c行到第d行、第e列到第f列的虚构标准单元；换而言之，此节点的尺寸为(d-c+1)x(f-e+1)。
图9所示为三个不同尺寸的节点通过通信端口连接的空间逻辑图。其中，三个节点的尺寸分别为1x2、1x1和2x3个虚构标准单元，分别命名为A、B与C。每个标出的端口即一个端口模块，箭头表示数据交互。
应当注意，此处以及其他附图中为了突出端口模块的位置和连接逻辑，而将其画为从节点外形突出、并且与相互连接的端口模块(即一个端口和其对向端口)间留有间距、还导致几何形状失去一定规整度。实际构造中端口表面一般与节点表面平齐甚至凹陷，以保护端口，也不影响外形可视为整数个虚构标准单元组成的规则。
若已知2x2节点坐标为(1-1,1-2)，当2x3节点与之连接时，先讨论通过节点A的4-1端口与节点C的2-1端口建立连接的情形。由于节点C的底部端口完成了连接、又从连接到的节点A知晓对方的行号为1，结合已知自身高2行，即可推算自身占据了第2至3行，即垂直坐标2-3；由于节点C的左起第一端口完成了连接、又从连接到的节点A知晓对方的列号、连接的端口是左起第一端口，结合自身宽度为3列，即可推算自身占据了1至3列，即水平坐标1-3。
类似的，讨论节点A的的4-2端口与节点C的2-2端口建立连接的情形。由于节点C的底部端口完成了连接、又从连接到的节点A知晓对方的行号为1，结合已知自身高2行，即可推算自身占据了第2至3行，即垂直坐标2-3；由于节点C的左起第二端口完成了连接、又从连接到的节点A知晓对方的列号、连接的端口是左起第二端口，结合自身宽度为3列，即可推算自身占据了1至3列，即水平坐标1-3。
因此，无论从哪一个端口完成连接，节点C和节点A都通过对方提供的信息确定了节点C的坐标为(2-3,1-3)，只需用进行一个端口连接。
图10所示为一个由若干节点组成的通信网络，其中节点有多种尺寸包括1x1、1x2、1x3、2x1。该网络能反映一般通信网络中可能存在几种节点间相互位置关系，例如两节点间单端口连接、两节点间多端口连接、节点间不连续连接等。实线框标出的是已建立连接并完成空间位置建模的节点，虚线标出的是尚未连接和建模的节点，空心箭头标出的是尝试建立连接的发起方向，实心箭头标出的是向终端节点回报更多连接节点的连接及方向。
图11至图17所示为图10的通信网络从一个终端节点出发、对若干节点建立通信网络和空间位置建模的迭代步骤。点划线表示在本迭代中建立通信和完成空间位置建模的节点，空心箭头表示主动发起通信连接请求的方向，实心箭头表示数据回报的方向。以下逐迭代阐明。
图11为网络初始状态，只有终端节点作为初始节点有网络连接，其他节点都在等待连接、且不知道自己的坐标。
图12所示，由图11的初始状态出发，终端节点向其紧邻的三个节点发起通信连接请求、与之建立连接并将之定位。
图13所示，由图12的状态出发，三个刚建立连接的节点(1-1,1-1)、(2-2,1-2)、(3-3,1-1)分别向其没有完成连接的相邻节点发起通信连接请求。其中，(1-1,1-1)与(2-2,1-2)的节点对、(2-2,1-2)与(3-3,1-1)的节点对为已与终端节点完成连接的节点，因此相互确认位置和尺寸后分别向终端节点上报对方作为自己相邻节点的信息；(1-1,2-2)、(1-2,3-3)与(3-3,2-4)均为新接收连接节点。向终端节点上报的线路是：是每个节点收到上报数据后，向最初与本节点主动建立连接的节点发送，实现逐级上报。以下不再赘述此上报线路。
图14所示，由图13的状态出发，三个刚建立连接的节点(1-1,2-2)、(1-2,3-3)、(3-3,2-4)分别向其没有完成连接的相邻节点发起通信连接请求。其中，(1-1,2-2)与(1-2,3-3)的节点对、(1-2,3-3)与(3-3,2-4)的节点对为已与终端节点完成连接的节点，因此相互确认位置和尺寸后分别向终端节点上报对方作为自己相邻节点的信息；(1-1,4-4)为新接收连接节点。
图15所示，由图14的状态出发，刚建立连接的节点(1-1,4-4)向其没有完成连接的相邻节点发起通信连接请求，(1-1,5-6)为新接收连接节点。
图16所示，由图15的状态出发，刚建立连接的节点(1-1,5-6)向其没有完成连接的相邻节点发起通信连接请求，(2-2,5-6)为新接收连接节点。
图17所示，由图16状态触发，所有节点已建立连接。最后建立连接的(2-2,5-6)节点回报已无其他未连接的节点，终端节点即可确认所有节点已无未连接的相邻节点，网络已建立、空间结构建模已完成。
两个节点建立数据连接的数据交换过程如图18所示，即先发起通信连接请求、然后交换尺寸和坐标、最后接收通信连接请求的节点逐步发回相邻节点和间接相邻节点坐标与尺寸。
本发明的不局限于上述实施方式，本发明的上述各个实施方式的技术方案彼此可以交叉组合形成新的技术方案，另外凡采用等同替换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种网格状异构节点网络通信及空间坐标建模的系统，其特征在于：
网络由若干节点组成；
每个所述节点的外壳设有若干通信端口，所述节点可以通过所述通信端口与相邻的相邻节点实现通信连接；
每个所述节点通过所述通信连接从所述相邻节点获取所述相邻节点的物理空间尺寸以及所述相邻节点进行连接的所述通信端口的物理空间位置，结合自身的物理空间尺寸和自身进行连接的所述通信端口的物理空间位置，计算出两者的相对物理空间坐标；
每个所述节点通过所述通信连接，从所述相邻节点获取与所述相邻节点相临的次级相邻节点的相对物理空间坐标、获取与所述次级相邻节点相邻的次次级相邻节点的相对物理空间坐标，并以此类推，获取网络中非直接相邻的间接相邻节点的相对物理空间坐标；
所述节点获取所述相邻节点和所述间接相邻节点的相对物理空间坐标后，向已与本节点建立通信连接的相邻节点转发。
2.根据权利要求1所述系统，其中，网络中有一节点作为终端节点，主动向相邻节点发起通信连接请求；只有接到所述通信连接并完成连接的节点，才向其未建立所述通信连接的相邻节点发起通信连接请求；收到所述通信连接请求并进行双方确认后，节点间建立永久的所述通信连接；每个节点只接受收到的第一个建立连接请求。
3.根据权利要求1所述系统，其中，每个所述节点仅获取其主动连接并建立连接的所述相邻节点的、由所述相邻节点主动连接并建立连接的所述次次级相邻节点，以及以此类推的所述间接相邻节点的相对物理空间坐标，而不获取其他节点的相对物理空间坐标。
4.根据权利要求1、2或3所述系统，其中，由终端节点根据预设值确定自身绝对物理空间坐标，并根据其他节点通过通信连接回传的所述相对物理空间坐标、结合预设的命名规则，为其他节点指派各自绝对物理空间坐标，并通过通信连接逐级发送通知给各节点。
5.一种网络装置，其特征在于，一个网络由若干节点组成，每个节点由控制模块、存储模块、通信模块、缓存模块和多个端口模块组成；
所述控制模块向通信模块发送通信指令和数据，并根据通信模块返回的数据进行物理空间坐标计算以及其他规划；
所述存储模块为控制模块存储参数；
所述通信模块接受所述控制模块的通信指令，编码后派发给所述通信模块指定的端口模块，并从各个端口模块接收相邻节点的通信数据，解码后转交给控制模块；
所述缓存模块缓存所述通信模块收发的数据和指令；
所述端口模块与相邻节点的一个端口模块(下称为对向端口)建立物理层通信连接，接收通信模块派发的通信指令后通过所述物理层通信连接发出，并从所述物理层通信连接接收数据后转发给通信模块。
6.根据权利要求5所述装置，其中，每个节点的节点外形尺寸参数存储在存储模块中；
每个所述端口模块根据其在设备上的物理空间位置预设有端口坐标参数，各所述端口模块的所述端口坐标参数都存储在所述存储模块中；
所述节点与所述相邻节点建立物理层通信连接过程中，所述端口模块向所述对向端口提供自身的所述端口坐标参数、所述节点外形尺寸参数，并接收所述对向端口的所述端口坐标参数和所述相邻节点的节点外形尺寸参数，用以计算所述相邻节点相对于本节点的相对物理空间坐标；计算方法为：将两个建立连接的所述端口模块视为空间中重合的点，结合获知这个重合的点分别在两个所述节点和所述相邻节点上的物理空间坐标，即可推算所述节点和所述相邻节点的所述相对物理空间坐标。
7.根据权利要求6所述装置，其中，每个节点的外形主体结构为长方体，其长L、宽W、高H分别是外形主体结构为长方体的虚构标准单元尺寸长L0、宽W0、高H0的整数m、n、p倍，即每个节点的外形可视为若干所述虚构标准单元按相同的朝向堆叠而成，长、宽、高方向堆叠数目分别为m、n、p个所述虚构标准单元。
8.根据权利要求6和7所述装置，其中，每个节点的所述端口模块等间隔的排列在外壳表面，长的方向间隔为L0、宽的方向间隔为W0、高的方向间隔为H0，并且每个面上的所述端口模块与对立对面的所述端口模块以两个面的中间平行面对称；换而言之，两个节点的边缘对齐后进行堆叠时，其相邻面上的所述端口模块的位置恰好对齐。
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