CN115396368B - 基于节点寻址及数据封装的高效复合型网络数据传输方法 - Google Patents

基于节点寻址及数据封装的高效复合型网络数据传输方法 Download PDF

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CN115396368B CN202211341368.5A CN202211341368A CN115396368B CN 115396368 B CN115396368 B CN 115396368B CN 202211341368 A CN202211341368 A CN 202211341368A CN 115396368 B CN115396368 B CN 115396368B
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Abstract

本发明涉及一种基于节点寻址及数据封装的高效复合型网络数据传输方法。步骤如下：步骤1，节点地址分级编码；步骤2，设计数据包格式；步骤3，设计数据包透明传输机制；步骤4，按照步骤1完成复合型网络节点地址的分级编码，按照步骤2设计统一的数据包格式，根据传输路径设定目的地址，将业务数据封装成数据包，按照步骤3的数据包透明传输机制，将数据包由信源节点，经多个转发节点，传输至信宿节点。各节点在传输数据包时不需要查看具体业务数据，数据包的传输过程与业务数据完全无关，实现了数据包在信源节点和信宿节点间的透明传输。本发明降低了系统的通信成本和后期维护成本，增加了节点通用性，实现了复合型网络数据的高效可靠传输。

Description

基于节点寻址及数据封装的高效复合型网络数据传输方法
技术领域
本发明涉及通信领域，特别是涉及一种基于节点寻址及数据封装的高效复合型拓扑网络数据传输方法。
背景技术
当前系统复杂程度日益提高，系统中存在很多节点，为实现节点间协同可靠稳定工作，节点间需要进行大量的数据传输。系统中节点的网络拓扑结构一般有网形网络、星形网络和复合型网络等等。综合考虑经济性和可靠性，复杂系统更多采用复合型网络拓扑结构，复合型网络可以看作是网型网络和星型网络复合而成，见图3。复合型网络内部节点间通信需要大量的数据转发。目前多采用较简单的处理方式，即制定通信协议时，对数据增加数据标识，并约定好每包数据的传输路径。每个节点对接收到的全部数据进行解析，识别数据标识，并按已约定好的传输路径，传递数据。该方法，适用于结构较简单、节点较少、数据量不大的通信网络，对于较为复杂的系统，该方法存在以下局限性：
1）通信路径中转发环节可达数十次以上，如果对全部数据均进行识别判断，再进行转发，会大大增加节点的工作负担；
2）对数据的解析、识别以及路径查询处理，需要根据数据标识逐个进行，会增加通信处理延时，影响时效性；
3）因每个节点需要处理的数据不相同，导致节点的数据处理方式不统一，节点软件移植性差，开发成本高；
4）当协议格式需要修改，或者传输路径发生变化时，需要更改大量的节点软件，前期调试和后期维护成本极高。
发明内容
鉴于现有技术存在网络节点工作负担大、通信时效性差和开发调试及维护成本高的问题，为实现复合型网络的高效快速数据传输，减轻复合型网络节点工作负担，降低开发成本，提高通信效率和可维护性，本发明设计了一种基于节点寻址及数据封装的高效复合型网络数据传输方法，在节点分级寻址和数据封装基础上，设计了一种简单可靠且易于维护的数据透明传输方案，精简了节点的处理任务，降低了系统的通信成本，并且因为各节点处理方式一致，数据格式一致，可有效降低数据传输处理和后期维护成本，增加节点通用性，提高系统可靠性，实现了复合型网络数据的高效可靠传输。
本发明为实现上述目的，采用的技术方案是：一种基于节点寻址及数据封装的高效复合型网络数据传输方法，利用复合型拓扑通信网络作为传输平台，网络节点采用ARM或DSP嵌入式处理器，步骤如下：
步骤1，节点地址分级编码：复合型网络是网型网络连接的多个星型网络，为便于对数据进行封装和传输，根据复合型网络的结构，对复合型网络中节点进行分组，并根据分组对节点的通信地址进行编码，节点地址采用分级编码方式，通信地址由2级组成：组地址和子地址；
步骤2，设计数据包格式：在节点分级编址基础上，设计统一的数据包格式，将与传输路径相关的目的节点地址和数据长度信息组成报文头，并与业务数据一起封装为数据包，节点接收到数据包后，仅需解析报文头，根据报文头确定数据包的处理方式：
1）若本节点不需要接收，则根据报文头转发数据包，不需要关心业务数据的具体内容；
2）若本节点需要接收数据包，再进一步解析其中的业务数据；
步骤3，设计数据包透明传输机制：
按照统一格式封装的数据包，由信源节点发出，经过多个转发节点转发，最终到达信宿节点，各节点的数据包处理如下：1）信源节点发送数据包，信源节点设置报文头，按照统一格式将封装数据包，并发送数据包；
2）转发节点根据报文头转发数据包，转发节点读取数据包的报文头，根据报文头中的目的地址转发数据包；
3）信宿节点按照数据包格式处理数据包，信宿节点解析接收到的数据包，获取并处理业务数据；
步骤4，按照步骤1完成复合型网络节点地址的分级编码，然后按照步骤2设计的统一的数据包格式，根据业务数据的传输路径设置目的地址，将业务数据封装成数据包，按照步骤3的数据包透明传输机制，将数据包由信源节点，经多个转发节点，传输至信宿节点，各节点在传输数据包时不需要关心具体业务数据，数据包的传输过程与业务数据完全无关，从而实现了数据包在信源节点和信宿节点间的透明传输。
步骤1中所述节点地址的分级编码方式为：1）复合型网络由网型网络和星型网络复合而成，其中星型网络的根节点是网型网络和星型网络共用的节点，负责各星型网络间的信息交换，将其定义为主节点，作为信源节点、信宿节点或转发节点；
2）星型网络中的子节点不具有信息转发功能，只能作为信源节点或信宿节点，定义为末节点；
3）按照星型网络对网络中的节点进行分组，将主节点连同与其连接的末节点所组成的星型网络划分为一组，设定组地址，组内节点，设定子地址，将组地址和子地址拼接，定义为节点的通信地址；
4）网络内各节点的通信地址采用统一的长度和格式，节点地址的编码格式为：组地址采用单个数值表示单个组地址，子地址采用单个比特位表示单个地址，组地址和子地址的长度根据节点数量约定，应分别满足分组和子节点的数量要求；
上述节点地址的分级编码方式，根据复合型拓扑通信网络的结构设计，覆盖网络内全部节点，并且因子地址采用单个比特位表示一个地址，将数据包的目的地址设置为同一分组内的多个末节点，组内多个节点同时接收一个数据包，实现组播功能。
步骤2中所述统一格式封装的数据包格式为，数据包包括报文头和数据区两部分：1）报文头为报文的传输属性，包括报文总长度和目的地址，以及传输所需起始符和报文头校验，报文总长度为整个数据包的长度，目的地址为接收该数据包的节点的通信地址，根据协议约定，目的地址为多个同组节点的组合；
2）数据区包括业务数据和数据区校验，业务数据为接收方所需的实际数据内容；
3）起始符、报文头校验和数据区校验的具体格式在制定通信协议时约定。
步骤3中所述转发节点根据报文头处理数据包的步骤为：1）转发节点接收到数据包后，首先根据数据包格式检查报文头校验和数据区校验，若报文头校验或数据区校验错误，则丢弃数据包，若报文头校验和数据区校验均正确，则解析报文头，获取目的节点的组地址和子地址；
2）判断数据包目的节点组地址是否等于本节点所在组地址，若不相等，则不对数据包进行任何处理，根据目的地址转发数据包，若相等，则根据目的节点子地址分发数据包。
步骤3中所述信宿节点按照数据包格式处理数据包的流程为：1）信宿节点接收到数据包后，首先根据数据包格式检查报文头校验和数据区校验，若报文头校验或数据区校验错误，则丢弃数据包，若报文头校验和数据区校验均正确，则解析报文头，获取目的节点目的地址；
2）判断数据包的目的地址是否包含本节点地址，若包含，则解析数据区，获取数据内容；否则丢弃数据包。
本发明产生的有益效果是：1）根据复合型网络的结构特点设计通信地址分级编码，通过简洁的节点地址可表征各种数据传输方式的目的地址，节约了地址空间、增加寻址灵活性，并且可实现组播功能。2）设计数据包封装格式，统一了数据格式，使转发节点仅对报文头进行处理即可，减轻了转发节点的处理压力，该数据封装格式与地址分级编码是实现数据包透明传输的基础。3）设计了节点的数据处理机制，节点通过判断目的地址中的组地址和子地址，确定对数据包的处理方式，精简了节点的处理任务，降低了系统的通信成本。4）转发节点只解析报文头的地址，处理方式不受传输业务数据的影响，因此各节点处理方式一致，数据格式一致，软件的通用性、移植性大大增加。5）传输路径完全由数据包的地址确定，不再由各节点根据实际数据识别，在路径变化时，只需要修改数据包的目的地址即可，节点软件可维护性显著提升。
总之，本发明设计了一种简单可靠且易于维护的数据传输方案，精简了节点的处理任务，降低了系统的通信成本，并且因为各节点处理方式一致，数据格式一致，可有效减低数据传输处理和后期维护成本，增加节点通用性，提高系统可靠性。
本发明经过了充分验证，通信可靠稳定，具有很好的工程应用价值。
附图说明
图1为本发明转发节点数据包处理流程图；
图2为本发明信宿节点数据包处理流程图；
图3为现有技术复合型网络示意图；
图4为本发明实施例末节点数据包处理流程图；
图5为本发送实施例主节点数据包处理流程图。
具体实施方式
基于节点寻址及数据封装的高效复合型网络数据传输方法，步骤如下：
1.节点地址分级编码：复合型网络由网型网络和星型网络复合而成，以网型网络的节点为中心形成星型网络。网型网络与星型网络共用的节点，将所连接的星型网络节点数据转发至其它星型网络，该类节点定义为主节点，而星型网络的其余节点定义为末节点。根据复合型网络的结构，设计了分级编码方式，对各节点的通信地址进行编码，通信地址由2级组成：组地址和子地址。编码过程为：
1）为节约地址空间、增加寻址灵活性，按照星型网络对节点进行分组。将星型网络中，主节点和其连接的末节点分配为一组，设定组地址；为组内的全部末节点分别设定组内子地址，简称为子地址。将组地址和子地址组合在一起，定义为复合型网络节点的节点地址；
2）网络内各节点的通信地址采用统一的长度和格式，组地址采用单个数值表示单个组地址，子地址采用单个比特位表示单个子地址。组地址和子地址的长度，根据节点数量约定，应分别满足分组和子节点的数量要求；
节点地址分级编码方式，节约了地址空间、增加寻址灵活性，并且因节点子地址采用单个比特位表示一个地址，可将数据包的目的地址设置为同一分组内的多个末节点，由组内多个节点同时接收一个数据包，实现组播功能。通过节点分级编码的地址可表征各种数据传输方式的目的地址，适用于复合型网络内节点的数据处理。
2.设计数据包格式：为实现数据的透明传输，在节点分级编址基础上，定义复合型网络传输的数据单元为数据包，设计数据包的统一格式为：
1）数据包包括报文头和数据区两部分；
2）报文头包含报文传输属性，在数据包传输时，节点不必获取数据区内容，根据报文头即可完成数据包的传输。报文头包括起始符、报文总长度、组地址、子地址和报文头校验。在数据包确定后，报文头内容将固定，通信时不会变化；
3）数据区由业务数据组成，包括业务数据和数据区校验，数据区的内容在通信时会实时变化；
采用上述统一封装的数据包，使得转发节点仅对报文头进行处理即可完成数据包的转发，减轻了转发节点的处理压力，该数据封装格式与地址分级编码是实现数据包透明传输的基础。
3.设计数据包透明传输机制：按照统一格式封装的数据包，由信源节点发出，经过多个转发节点转发，最终到达信宿节点。其中，信源节点发送数据包的流程为：
1）根据已约定通信协议，计算待发送业务数据的目的节点地址，包括组地址和子地址，设定起始符和报文总长度，并由报文头计算得到报文头校验，由上述信息按统一格式组成报文头；
2）将业务数据以及由业务数据计算得到的数据区校验按统一格式组成数据区；
3）将报文头和数据区封装成数据包。若本节点为末节点，则将数据包通过通信链路发送至组内主节点，若本节点为主节点，则根据目的地址，将数据包发送至组内末节点或下一主节点。
如图1所示，转发节点的数据包处理流程为：
1）流程开始；
2）根据约定算法检查报文头校验是否正确。若正确，则继续执行下一步骤；若否，则丢弃该数据包，流程结束；
3）根据约定算法检查数据区校验是否正确。若正确，则继续执行下一步骤；若否，则丢弃该数据包，流程结束；
4）由报文头获取数据包目的节点组地址；
5）判断目的节点组地址是否等于本节点所在组地址。若相等，则继续执行下一步骤；若否，则转发数据包至下一主节点后，流程结束；
6）获取目的节点子地址；
7）根据目的节点子地址，将数据包分发至对应的末节点；
8）若目的地址子节点包含本节点，则继续执行下一步骤；若否，流程结束；
9）解析并处理数据包的数据区；
10）流程结束。
如图2所示，信宿节点的数据包处理流程为：
1）流程开始；
2）根据约定算法检查报文头校验是否正确。若正确，则继续执行下一步骤；若否，则丢弃该数据包，流程结束；
3）根据约定算法检查数据区校验是否正确。若正确，则继续执行下一步骤；若否，则丢弃该数据包，流程结束；
4）由报文头获取目的节点组地址和子地址；
5）判断目的节点地址的组地址和子地址，是否包含本节点地址。若是，则继续执行下一步骤；若否，则丢弃数据包，流程结束；
6）解析并处理数据包的数据区；
7）流程结束。
按照上述机制，信源节点、转发节点和信宿节点执行各自的数据包处理流程，共同完成了数据包的透明传输。数据包的传输过程中，节点通过判断目的地址中的组地址和子地址，确定对数据包的处理方式，精简了节点的处理任务，降低了系统的通信成本，并且因为各节点处理方式一致，数据格式一致，软件的通用性和移植性大大增加。
实施例1
以图3的复合型网络为例，节点1、2、3组成网型网络，节点1、4、5、6，节点2、7、8、9，节点3、10、11、12组成3个星型网络，其中节点1、2、3为网型网络和星型网络共用，定义为主节点，节点4、5、6、7、8、9、10、11、12为末节点。
1.根据节点地址分级编码规则，网络中有3个星型网络，因此共分为3个组。分组内子节点的数量均为4，因此组地址和子地址长度均选择1个字节，地址定义见表1。
表1节点地址定义
Figure 825142DEST_PATH_IMAGE001
表1中，节点1、4、5、6组成组1，组地址定义为0，节点1、4、5、6的组内子地址分别定义为组1子地址的第1、2、3、4个比特位；节点2、7、8、9组成组2，组地址定义为1，节点2、7、8、9的组内子地址分别定义为组2子地址的第1、2、3、4个比特位；节点3、10、11、12组成组3，组地址定义为2，节点3、10、11、12的组内子地址分别定义为组3子地址的第1、2、3、4个比特位。各节点的所属组地址以及组内子地址组成节点的通信地址。
2.定义数据包格式，见表2。
表2数据包格式
Figure 136037DEST_PATH_IMAGE002
表2中，数据包由报文头和数据区顺序排列组成，报文头依次包括起始符、报文总长度、组地址、子地址和报文头校验。定义起始符为2个字节，固定为AA55H；根据业务数据的最大长度不超过1024，定义报文总长度为2个字节；定义报文头校验为报文头其余字节的异或和，长度为1个字节；数据区依次包括业务数据和数据区校验。定义数据区校验为业务数据字节的异或和，长度为1个字节。
3.数据包的透明传输机制，末节点可以作为数据包传输的信源节点或信宿节点。本实施例中，末节点等待1000赫兹中断执行任务，其数据包处理流程图，见图4。
1）流程开始；
2）因通信协议约定的数据包报文头是固定的，在程序运行时不会发生变化，因此，该步骤为提前定义全部数据包的报文头；
3）等待1000赫兹中断。若定时中断到达，则继续执行下一步骤；若否，则再次执行本步骤，等待1000赫兹中断；
4）判断本周期是否需要执行数据发送。若需要执行，则继续执行下一步骤；若否，转入步骤8）执行末节点的其它任务；
5）根据通信协议准备业务数据，计算数据区校验并与业务数据组装成数据区；
6）将数据区与已经定义好的报文头按照数据包格式封装成数据包；
7）将数据包发送至本组主节点，在本实施例中，节点4、5、6发送至节点1，节点7、8、9发送至节点2，节点10、11、12发送至节点3；
8）执行末节点的其它任务；
9）判断本周期是否接收到数据包。若接收到，则继续执行下一步骤；若否，则转入步骤3）继续等待1000赫兹中断；
10）根据约定算法检查报文头校验是否正确。若正确，则继续执行下一步骤；若否，则丢弃该数据包，转入步骤3）继续等待1000赫兹中断；
11）根据约定算法检查数据区校验是否正确。若正确，则继续执行下一步骤；若否，则丢弃该数据包，转入步骤3）继续等待1000赫兹中断；
12）由报文头获取目的节点组地址和子地址；
13）判断目的节点地址的组地址和子地址，是否包含本节点地址，若是，则继续执行下一步骤；若否，则丢弃数据包，转入步骤3）继续等待1000赫兹中断；
14）解析并处理数据包的数据区；
15）转入步骤3）继续等待1000赫兹中断。
主节点可以作为数据包传输的信源节点、信宿节点或转发节点。本实施例中，主节点同样等待1000赫兹中断执行任务，其数据包处理流程图，见图5。
1）流程开始；
2）因通信协议约定的数据包报文头是固定的，在程序运行时不会发生变化，因此，该步骤为提前定义全部数据包的报文头；
3）等待1000赫兹中断。若定时中断到达，则继续执行下一步骤；若否，则再次执行本步骤，等待1000赫兹中断；
4）判断本周期是否需要执行数据发送。若需要执行，则继续执行下一步骤；若否，转入步骤11）执行主节点其它任务；
5）根据通信协议准备业务数据，并计算数据区校验与业务数据组装成数据区；
6）将数据区与已经定义好的报文头按照数据包格式封装成数据包；
7）判断数据包的目的节点组地址是否为本组。若为本组，则继续执行下一步骤；若否，则转入步骤9）根据目的地址获取传输路径下一主节点；
8）根据目的节点子地址，将数据包分发至本组内对应的末节点后，转入步骤11）执行主节点其它任务；
9）根据目的地址获取传输路径下一主节点；
10）将数据包传输至下一主节点后，继续执行下一步骤；
11）执行主节点其它任务；
12）判断本周期是否接收到数据包。若接收到，则继续执行下一步骤；若否，则转入步骤3）继续等待1000赫兹中断；
13）根据约定算法检查报文头校验是否正确。若正确，则继续执行下一步骤，若否，则丢弃该数据包，转入步骤3）继续等待1000赫兹中断；
14）根据约定算法检查数据区校验是否正确。若正确，则继续执行下一步骤，若否，则丢弃该数据包，转入步骤3）继续等待1000赫兹中断；
15）由报文头获取数据包目的节点组地址；
16）判断目的节点组地址是否为本组。若是，则继续执行下一步骤，若否，则转入步骤19）根据目的地址获取传输路径下一主节点；
17）获取目的节点子地址；
18）根据目的节点子地址，将数据包分发至对应的末节点后，转入步骤21）判断目标节点地址子地址是否包含本节点；
19）根据目的地址获取传输路径下一主节点；
20）将数据包传输至下一主节点，后转入步骤3）继续等待1000赫兹中断；
21）判断目标节点地址子地址是否包含本节点，若包含，则继续执行下一步骤，若否，则转入步骤步骤3）继续等待1000赫兹中断；
22）解析并处理数据包的数据区；
23）转入步骤3）继续等待1000赫兹中断。
通过上述实施例，实现了图3所示复合型网络的数据包传输，反复调用上述步骤可实现复合型网路全部数据包的传输。
本发明经过了充分验证，通信可靠稳定，具有很好的工程应用价值，可在其它惯性导航系统中应用。

Claims (1)

1.一种基于节点寻址及数据封装的高效复合型网络数据传输方法，利用复合型拓扑通信网络作为传输平台，网络节点采用ARM或DSP嵌入式处理器，其特征在于，步骤如下：
步骤1，节点地址分级编码：
复合型网络是网型网络连接的多个星型网络，为便于对数据进行封装和传输，根据复合型网络的结构，对复合型网络中节点进行分组，并根据分组对节点的通信地址进行编码，节点地址采用分级编码方式，通信地址由2级组成：组地址和子地址；
步骤2，设计数据包格式：
在节点分级编址基础上，设计统一的数据包格式，将与传输路径相关的目的节点地址和数据长度信息组成报文头，并与业务数据一起封装为数据包，节点接收到数据包后，仅需解析报文头，根据报文头确定数据包的处理方式：
1）若本节点不需要接收，则根据报文头转发数据包，不需要关心业务数据的具体内容；
2）若本节点需要接收数据包，再进一步解析其中的业务数据；
步骤3，设计数据包透明传输机制：
按照统一格式封装的数据包，由信源节点发出，经过多个转发节点转发，最终到达信宿节点，各节点的数据包处理如下：
1）信源节点发送数据包，信源节点设置报文头，按照统一格式将封装数据包，并发送数据包；
2）转发节点根据报文头转发数据包，转发节点读取数据包的报文头，根据报文头中的目的地址转发数据包；
3）信宿节点按照数据包格式处理数据包，信宿节点解析接收到的数据包，获取并处理业务数据；
步骤4，按照步骤1完成复合型网络节点地址的分级编码，然后按照步骤2设计的统一的数据包格式，根据业务数据的传输路径设置目的地址，将业务数据封装成数据包，按照步骤3的数据包透明传输机制，将数据包由信源节点，经多个转发节点，传输至信宿节点，各节点在传输数据包时不需要关心具体业务数据，数据包的传输过程与业务数据完全无关，从而实现了数据包在信源节点和信宿节点间的透明传输；
步骤1中所述节点地址的分级编码方式为：
1）复合型网络由网型网络和星型网络复合而成，其中星型网络的根节点是网型网络和星型网络共用的节点，负责各星型网络间的信息交换，将其定义为主节点，作为信源节点、信宿节点或转发节点；
2）星型网络中的子节点不具有信息转发功能，只能作为信源节点或信宿节点，定义为末节点；
3）按照星型网络对网络中的节点进行分组，将主节点连同与其连接的末节点所组成的星型网络划分为一组，设定组地址，组内节点，设定子地址，将组地址和子地址拼接，定义为节点的通信地址；
4）网络内各节点的通信地址采用统一的长度和格式，节点地址的编码格式为：组地址采用单个数值表示单个组地址，子地址采用单个比特位表示单个地址，组地址和子地址的长度根据节点数量约定，应分别满足分组和子节点的数量要求；
上述节点地址的分级编码方式，根据复合型拓扑通信网络的结构设计，覆盖网络内全部节点，并且因子地址采用单个比特位表示一个地址，将数据包的目的地址设置为同一分组内的多个末节点，组内多个节点同时接收一个数据包，实现组播功能；
步骤2中所述统一格式封装的数据包格式为，数据包包括报文头和数据区两部分：
1）报文头为报文的传输属性，包括报文总长度和目的地址，以及传输所需起始符和报文头校验，报文总长度为整个数据包的长度，目的地址为接收该数据包的节点的通信地址，根据协议约定，目的地址为多个同组节点的组合；
2）数据区包括业务数据和数据区校验，业务数据为接收方所需的实际数据内容；
3）起始符、报文头校验和数据区校验的具体格式在制定通信协议时约定；
步骤3中所述转发节点根据报文头转发数据包的步骤为：
1）转发节点接收到数据包后，首先根据数据包格式检查报文头校验和数据区校验，若报文头校验或数据区校验错误，则丢弃数据包，若报文头校验和数据区校验均正确，则解析报文头，获取目的节点的组地址和子地址；
2）判断数据包目的节点组地址是否等于本节点所在组地址，若不相等，则不对数据包进行任何处理，根据目的地址转发数据包，若相等，则根据目的节点子地址分发数据包；
步骤3中所述信宿节点按照数据包格式处理数据包的流程为：
1）信宿节点接收到数据包后，首先根据数据包格式检查报文头校验和数据区校验，若报文头校验或数据区校验错误，则丢弃数据包，若报文头校验和数据区校验均正确，则解析报文头，获取目的节点目的地址；
2）判断数据包的目的地址是否包含本节点地址，若包含，则解析数据区，获取数据内容，否则丢弃数据包。
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