CN1174584C - 一种利用串行总线实现多点通信的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用串行总线实现多点通信的方法，该方法可在集群式网络设备系统中，运用串行总线实现设备间的多点通讯。该方法包括以下步骤：(A)在网络的物理层建立主从设备关系；(B)在网络的链路层建立设备间基本的握手关系；(C)在网络的传输层，建立设备间点对点的通信关系；(D)在网络的应用层按照版本号，指令和数据内容的格式进行数据传输。本发明对能够建立串行传输关系的设备，可以实现设备间的主从式数据通信，从而实现设备的集中远程控制，网络设备的统一管理，也可以实现信息家电等信息设备的统一管理。

Description

一种利用串行总线实现多点通信的方法

技术领域

本发明涉及一种实现多点通信的方法，尤指一种在集群式网络设备系统中，利用串行总线实现多点通信的方法。

背景技术

随着网络技术的飞速发展，网络设备的增长速度也达到了前所未有的程度，这给网络的运营管理带来了前所未有的负担。目前，在小集群式网络设备系统中，如果要实现设备的远程管理，每个设备需要有各自独立的远程通信系统，各个独立的远程通信系统再通过网络通道与监管中心相连。监管中心按照各层的网络协议，依次编/解码完成以网络数据包形式传递的监控管理信息数据的处理操作。这种通用的数据传输、通信方式的缺点是：实现起来比较复杂、不够经济实用。因为在总线通信方式上，多是采用点对点的方式，当网络总线上有多个设备时，对于设备的自动添加、删除、通信的自动建立等，解决起来将变的比较复杂。

发明内容

为了解决上述现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种用于集群式网络设备系统中的、利用串行总线实现多点通信的方法。通过该方法建立的主从式网络系统，可实现网络中多个设备间的通信，能够实现设备接入的即插即用，不用人为添加、删除，并可对网络设备进行统一管理，也可以实现信息家电等信息设备的统一管理。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种利用串行总线实现多点通信的方法，它包括以下步骤：

(A)在网络的物理层建立主从设备关系；

(B)在网络的链路层建立设备间基本的握手关系；

(C)在网络的传输层，建立设备间点对点的通信关系；

(a)、设备间按以下数据格式进行数据传输：

8位版本号+8位目的地址+8位源地址+8位状态字+8位字节数+n*8数据位+16位累加和校验位；

(b)、设备间按以下步骤建立通信关系：

①、广播询问

总线上的主控设备向总线发送广播询问报文，询问是否有新设备上线，广播的目的地址是0xff；

②、认证请求

各设备接收到广播询问报文后，检查自己的ID值；由于未经认证的设备初始ID地址是0，而经过认证的设备ID地址非0，所以，如果ID值不等于0，则该设备已经经过认证；如ID值等于0，则该设备没有经过认证，需要进行认证请求；需要请求认证的设备，产生一个随机等待时间，在该时间内检测总线中是否有数据传输，如果在此时间内没有数据传输，则发送认证请求报文；如果有数据传输，则放弃本次认证操作，等待下次广播询问；

③、ID分配认证

当主控设备接收到认证请求报文后，则在当前空闲的ID池中依次选择一个新的ID，并且绑定该设备的设备信息，构成ID分配报文，以广播的形式发送出去；

④、ID分配应答

总线中所有得到ID分配报文的设备，比较该报文的设备信息是否与自己一致，如果一致，则把新的ID值替换初始的零值，并发送应答报文；如果不一致，将做丢弃处理；

⑤、应答确认

当主控设备接收到应答报文以后，将该设备的ID与设备信息绑定并添加到ID池中；将主控设备所记录的从控设备信息及ID值与相应的从控设备所记录的ID值比较，如果一致，则主控设备与从控设备的通信就建立起来；

(c)、设备间进行数据传输

(D)、在网络的应用层按照以下格式进行数据传输；

在网络应用层传输的数据格式分为版本号，指令和数据内容三部分，它位于传输层数据区部分。

在网络的物理层建立主从设备关系，包括以下步骤：

①用一根独立的串行管理总线将被管理的多台网络设备的各管理单元进行联接；②在这些管理单元中设定一个主控管理单元，该主控管理单元可以通过网络接口接收远程的管理控制信息，并对独立串行管理总线进行管理，向其它管理单元转发远程管理控制信息；③其余的管理单元作为从控管理单元，在管理总线上接受主控管理单元的控制，接收由主控管理单元转发的远程管理控制信息，并执行相应的操作。

在网络的链路层，数据采用九位比特流的方式进行传输，第九位作为数据报文首字节的识别位；如果第九位是一，则代表该字节是数据报文的首字节；如果是零，代表是数据报文的中间数据：

在满足数据位九位的情况下，在报文发送和接收时，发送设备和接收设备通过约定，均采用相同的数据传输波特率、按照RS-485的电气规范发送9位数据位，在这样的条件下，接收设备就能够识别发送设备传输来的信号，并转化成有效数据，从而在网络链路层建立设备间基本的握手关系。

在网络的传输层，设备间数据传输的方式为可以为主从通信方式，也可以为异常事件处理方式；

所述主从通信方式为：

1)主控设备呼叫：当串行总线通信方式建立起来以后，主控设备与从控设备就可以实现点对点的联接；当主控设备需要和某一从控设备进行通信控制或信息读取的时候，则进入主控呼叫模式；主控设备把将要与之通信的设备ID添加到目的ID中，把自己的ID添加到源ID中，把事件请求类型添加到指令中，并添加相应的控制信息和相关信息，报文组装完毕后，向总线中发送报文；

2)从控设备呼叫应答：当总线中的从控设备接收到主控呼叫报文以后，在保证数据帧正确的基础上判断该报文的目的ID是否与自己的ID一致，如果一致则对报文进行下一步的处理进程；通过控制指令执行相应的操作，并组装新的报文，在报文中对控制请求做出应答，应答主控设备操作是否成功或提交相应的询问信息；

两次通信均成功，则一次通信完毕，采用面向联结的通信方式，使传输得到保证，从而实现了主从设备间的信息安全交换、控制；这种方式是该传输方式下的标准通信方式。

所述异常事件处理方式：

1)在该总线中，主控设备与从控设备间为主从式控制方式；当从控设备产生异常事件时，需要及时提交给主控设备，并申请相应的处理；主控设备定时发送广播信息，询问是否有异常处理请求；

2)当从控设备接收到请求以后，判断是否有异常事件需要处理，如果异常事件，则发出处理请求，通过指令信息来区分事件类型，该事件的请求也是通过冲突检测竞争应答方式；

3)当主控设备接收到该请求以后，则发出处理认证，通知从控设备该信息已经处理或执行相应的操作；

4)从控设备接收到信息以后，执行操作并发出控制应答报文，异常事件处理完毕。

在网络应用层传输的数据格式分为版本号，指令和数据内容三个部分，它位于传输层数据区部分；

版本号：一个字节，它定义了应用层数据的基本格式，版本号可以升级，当版本号被定义下来以后，则应用层数据的解析将是固定的；

指令：一个字节指令是描述应用层数据传输中的时间请求；指令分为控制指令和应答指令；当指令类型采用的是一个字节时，该字节的低六位顺序编码，表示每一个方向的通信，可以扩充到64条指令；该字节的第七位用来区分指令类型，由于指令分为控制指令和应答指令两种，所以，如果第七位是0，表示是控制指令，如果为1表示是应答指令；对于第8位，采用偶校验机制，可以保证两位的数据冗余；

数据内容：数据内容是基于该指令下控制传输或数据应答的内容，数据内容的长度是不固定的，最大长度为246个字节；数据内容也可以是空，则表示该报文不传输数据只进行指令控制。

本发明利用串行总线方式在设备间建立主从式网络系统，并按照以上格式进行数据传输，对于能够建立串行传输方式的设备之间，可以实现设备间的主从式数据通信，实现设备间的集中远程控制，对网络设备进行统一的管理，网络结构简单、经济使用。

附图说明

图1为本发明整个网络系统中设备间的连接结构图

图2为本发明网络传输层采用的数据帧格式

图3为本发明实现多点通信在网络传输层建立通信关系的程序框图

图4为本发明网络应用层采用的数据帧格式

图5为本发明网络物理层、链路层、传输层和应用层各层之间的逻辑原理图

具体实施方式

本发明利用串行总线实现多点传输通信的方法属于半双工通信方式，即在整个通信总线的多个设备中，只有一个设备进行传输，其他设备处于监听状态。

为实现多点通讯，本发明采用以下步骤：

1、在网络的物理层建立主从设备关系

如图1所示，在整个网络系统中，用一根独立的串行管理总线将被管理的多台网络设备如设备0、设备1、设备2、……设备n的各管理单元进行联接；在这些管理单元中设定一个主控管理单元如设备0，该主控管理单元可以通过网络接口接收远程的管理控制信息，并对独立串行管理总线进行管理，向其它管理单元如设备1、设备2、……设备n转发远程管理控制信息；其余的管理单元作为从控管理单元，在管理总线上接受主控管理单元的控制，接收由主控管理单元转发的远程管理控制信息，并执行相应的操作。

在整个网络系统中，所有设备处于同一个物理层上，采用串行链路进行设备互联，在所有设备中除有一个主控设备外其余设备均为从属设备，主控设备在网络通信中控制主通信信道。

2、在网络的链路层建立基本的握手关系

数据在RS-485的电气规范中进行传输。数据的传输采用九位比特流的方式，第九位作为数据报文首字节的识别位。如果第九位是一，则代表该字节是数据报文的首字节；如果是零，代表是数据报文的中间数据。由于数据的第九位应用于报文首字节的鉴别，因此，在下面叙述的网络传输层，将只对数据前八位进行说明。

在满足数据位九位的情况下，通过约定，发送设备和接收设备均采用相同的数据传输波特率进行信号传输。在报文发送和接收的时候，采用RS-485的电气规范发送9位数据位，并且双方按照相同的波特率进行信号传输，在这样的条件下，接收设备就能够识别发送设备传输来的信号，并转化成有效数据，从而建立链路层的基本握手关系。

3、在网络的传输层，建立设备间点对点的通信关系

为了建立点对点的通信关系，本发明规定设备间按照以下格式传输数据包。如图2所示，本发明的数据帧格式为：8位版本号+8位目的地址+8位源地址+8位状态字+8位字节数+n*8数据位+16位累加和校验位。具体说明如下：

◆版本号：0bit-7bit

7bit-5bit：该三位保留

4-0bit：通信的版本号：00100 SMTP VER 1.0

                      00101 SMTP VER 2.0

◆目的地址：目的地址是目的主机的ID编号，用八位数据表示。如0000 1001表示ID＝9的主控设备将是被发送目标地址。特殊地址：若是1111 1111则表示广播，即所有的从控设备都将接收该数据包，该数据包具体指令是否被该主控设备所处理，将提交到上层协议来进行处理。

◆源地址：是发送方的ID编号。如果该从控设备正在发送ID分配应答，则源地址为0000 0000，表示本机并没有给分配ID。

无论是目的地址还是源地址，如果高二位是11，则代表是服务器，具有管理权限，如果是00代表是客户机不具有管理权限。

◆状态字：

7bit：保留

6bit：保留

5bit：全双工标志位

      1：全双工通信方式

      0：半双工通信方式

4bit：不需要应答标志位

      1：不需要应答

      0：需要应答

3bit：起始报文标志位

      1：数据被分段发送的时候，表示是第一个传送的报文

      0：代表不是起始报文

2bit：最末报文标志位

      1：数据被分段发送的时候，表示是最后一个传送的报文

      0：代表不是最后一个报文

1-0 bit：服务优先级标志位

分为四个优先级，最高的为11，最低的为00。级别高，该报文就优先被处理。

◆字节数：表示整个数据包的总长度，最大长度为255个字节。

◆数据区：应用层数据内容

◆校验位：采用累加和校验，采用二个字节，对整个数据报的每个字节进行累加，超过16位，高位溢出。

如图3所示，本发明利用串行总线实现多点通信，为了在网络传输层，设备间建立通信关系需执行以下步骤：

①、广播询问：

总线上的主控设备向总线发送广播询问报文，询问是否有新设备上线，广播的目的地址是0xff。

②、认证请求：

各设备接收到广播询问报文后，检查自己的ID值；由于未经认证的设备初始ID地址是0，而经过认证的设备ID地址非0，所以，如果ID值不等于0，则该设备已经经过认证；如ID值等于0，则该设备没有经过认证，需要进行认证请求；

需要请求认证的设备，产生一个随机等待时间，在该时间内检测总线中是否有数据传输，如果在此时间内没有数据传输，则发送认证请求报文；如果有数据传输，则放弃本次认证操作，等待下次广播询问。

③、ID分配认证：

当主控设备接收到认证请求报文后，则在当前空闲的ID池中依次选择一个新的ID，并且绑定该设备的设备信息，构成ID分配报文，以广播的形式发送出去。

④、ID分配应答：

总线中所有得到ID分配报文的设备，比较该报文的设备信息是否与自己一致，如果一致，则把新的ID值替换初始的零值，并发送应答报文；如果不一致，将做丢弃处理。

⑤、应答确认：

当主控设备接收到应答报文以后，将该设备的ID与设备信息绑定并添加到ID池中。将主控设备所记录的从控设备信息及ID值与相应的从控设备所记录的ID值比较，如果一致，则主控设备与从控设备的通信就建立起来。

当设备间建立起上述通信关系后，数据即开始在设备间进行传输，数据传输的方式主要有两种：

一种：主从通信方式：

1)主控设备呼叫：当串行总线通信方式建立起来以后，主控设备与从控设备就可以实现点对点的联接。当主控设备需要和某一从控设备进行通信控制或信息读取的时候，则进入主控呼叫模式。主控设备把将要与之通信的设备ID添加到目的ID中，把自己的ID添加到源ID中，把事件请求类型添加到指令中，并添加相应的控制信息和相关信息，报文组装完毕后，向总线中发送报文。

2)从控设备呼叫应答：当总线中的从控设备接收到主控呼叫报文以后，在保证数据帧正确的基础上判断该报文的目的ID是否与自己的ID一致，如果一致则对报文进行下一步的处理进程。通过控制指令执行相应的操作，并组装新的报文，在报文中对控制请求做出应答，应答主控设备操作是否成功或提交相应的询问信息。

两次通信均成功，则一次通信完毕，采用面向联结的通信方式，使传输得到保证，从而实现了主从设备间的信息安全交换、控制。这种方式是该传输方式下的标准通信方式。

第二种：异常事件处理方式：

1)在该总线中，主控设备与从控设备间为主从式控制方式。当从控设备产生异常事件时，需要及时提交给主控设备，并申请相应的处理。主控设备定时发送广播信息，询问是否有异常处理请求。

2)当从控设备接收到请求以后，判断是否有异常事件需要处理，如果异常事件，则发出处理请求，通过指令信息来区分事件类型，该事件的请求也是通过冲突检测竞争应答方式。

3)当主控设备接收到该请求以后，则发出处理认证，通知从控设备该信息已经处理或执行相应的操作。

4)从控设备接收到信息以后，执行操作并发出控制应答报文，异常事件处理完毕。

这种通信方式，解决了当从控设备有异常事件产生需要处理的时候，通过主控设备的定时轮询可以把信息通过冲突检测竞争的方式把数据提交给主控设备，从而得到及时处理。

4、在网络的应用层进行数据传输：

当设备间按照上述方法建立起通信关系后，在按照以下格式进行传输，如图4所示，网络应用层数据分为版本号，指令和数据内容三个部分，它位于传输层数据区部分；

版本号：一个字节，它定义了应用层数据的基本格式，版本号可以升级，当版本号被定义下来以后，则应用层数据的解析将是固定的。

指令：一个字节指令是描述应用层数据传输中的时间请求。指令分为控制指令和应答指令。当指令类型采用的是一个字节时，该字节的低六位顺序编码，表示每一个方向的通信，可以扩充到64条指令；该字节的第七位用来区分指令类型，由于指令分为控制指令和应答指令两种，所以，如果第七位是0，表示是控制指令，如果为1表示是应答指令；对于第8位，采用偶校验机制，可以保证两位的数据冗余。

数据内容：数据内容是基于该指令下控制传输或数据应答的内容，数据内容的长度是不固定的，最大长度为246个字节。数据内容也可以是空，则表示该报文不传输数据只进行指令控制。

如图5所示，本发明网络应用层的数据经传输层增加数据报头后，再经链路层增加校验码，之后，被送往物理层进行数据发送。物理层主要是建立网络设备间的主从设备关系，链路层主要是完成数据链路的建立、解除等；传输层主要完成设备间点对点的通信、完成协议版本的识别控制和报文类型分析等。

本发明利用串行总线方式在设备间建立主从式网络系统，并按照以上格式进行数据传输，对于能够建立串行传输方式的设备之间，可以实现设备间的主从式数据通信，实现设备间的集中远程控制，对网络设备进行统一的管理，网络结构简单、经济使用。

运用本发明所述的方法可建立标准化的协议接口，从而在不同的开发体系中，依据标准的协议接口将会实现设备的接入管理。另外，在本发明协议的传输层和应用层各有一个协议版本号，通过对协议版本的升级可实现在同一个串行总线上不同版本协议的数据传输，并且能够做到向下兼容，具有很强的扩展性。

Claims (6)

1、一种利用串行总线实现多点通信的方法，它包括以下步骤：

(A)在网络的物理层建立主从设备关系；

(B)在网络的链路层建立设备间基本的握手关系；

(C)在网络的传输层，建立设备间点对点的通信关系；

(a)、设备间按以下数据格式进行数据传输：

8位版本号+8位目的地址+8位源地址+8位状态字+8位字节数+n*8数据位+16位累加和校验位；

(b)、设备间按以下步骤建立通信关系：

①、广播询问

总线上的主控设备向总线发送广播询问报文，询问是否有新设备上线，广播的目的地址是0xff；

②、认证请求

各设备接收到广播询问报文后，检查自己的ID值；由于未经认证的设备初始ID地址是0，而经过认证的设备ID地址非0，所以，如果ID值不等于0，则该设备已经经过认证；如ID值等于0，则该设备没有经过认证，需要进行认证请求；需要请求认证的设备，产生一个随机等待时间，在该时间内检测总线中是否有数据传输，如果在此时间内没有数据传输，则发送认证请求报文；如果有数据传输，则放弃本次认证操作，等待下次广播询问；

③、ID分配认证

当主控设备接收到认证请求报文后，则在当前空闲的ID池中依次选择一个新的ID，并且绑定该设备的设备信息，构成ID分配报文，以广播的形式发送出去；

④、ID分配应答

总线中所有得到ID分配报文的设备，比较该报文的设备信息是否与自己一致，如果一致，则把新的ID值替换初始的零值，并发送应答报文；如果不一致，将做丢弃处理；

⑤、应答确认

当主控设备接收到应答报文以后，将该设备的ID与设备信息绑定并添加到ID池中；将主控设备所记录的从控设备信息及ID值与相应的从控设备所记录的ID值比较，如果一致，则主控设备与从控设备的通信就建立起来；

(c)、设备间进行数据传输

(D)、在网络的应用层按照以下格式进行数据传输；

在网络应用层传输的数据格式分为版本号，指令和数据内容三部分，它位于传输层数据区部分。

2、根据权利要求1所述的一种利用串行总线实现多点通信的方法，其特征在于：在网络的物理层建立主从设备关系，包括以下步骤：

①用一根独立的串行管理总线将被管理的多台网络设备的各管理单元进行联接；②在这些管理单元中设定一个主控管理单元，该主控管理单元可以通过网络接口接收远程的管理控制信息，并对独立串行管理总线进行管理，向其它管理单元转发远程管理控制信息；③其余的管理单元作为从控管理单元，在管理总线上接受主控管理单元的控制，接收由主控管理单元转发的远程管理控制信息，并执行相应的操作。

3、根据权利要求2所述的一种利用串行总线实现多点通信的方法，其特征在于：在网络的链路层，数据采用九位比特流的方式进行传输，第九位作为数据报文首字节的识别位；如果第九位是一，则代表该字节是数据报文的首字节；如果是零，代表是数据报文的中间数据；

在满足数据位九位的情况下，在报文发送和接收时，发送设备和接收设备通过约定均采用相同的数据传输波特率、按照RS-485的电气规范发送9位数据位，在这样的条件下，接收设备就能够识别发送设备传输来的信号，并转化成有效数据，从而在网络链路层建立设备间基本的握手关系。

4、根据权利要求3所述的一种利用串行总线实现多点通信的方法，其特征在于：在网络的传输层，设备间数据传输的方式为：主从通信方式；

所述主从通信方式为：

1)主控设备呼叫：当串行总线通信方式建立起来以后，主控设备与从控设备就可以实现点对点的联接；当主控设备需要和某一从控设备进行通信控制或信息读取的时候，则进入主控呼叫模式；主控设备把将要与之通信的设备ID添加到目的ID中，把自己的ID添加到源ID中，把事件请求类型添加到指令中，并添加相应的控制信息和相关信息，报文组装完毕后，向总线中发送报文；

2)从控设备呼叫应答：当总线中的从控设备接收到主控呼叫报文以后，在保证数据帧正确的基础上判断该报文的目的ID是否与自己的ID一致，如果一致则对报文进行下一步的处理进程；通过控制指令执行相应的操作，并组装新的报文，在报文中对控制请求做出应答，应答主控设备操作是否成功或提交相应的询问信息；

两次通信均成功，则一次通信完毕，采用面向联结的通信方式，使传输得到保证，从而实现了主从设备间的信息安全交换、控制；这种方式是该传输方式下的标准通信方式。

5、根据权利要求3所述的一种利用串行总线实现多点通信的方法，其特征在于：在网络的传输层，设备间数据传输的方式为：异常事件处理方式；

所述异常事件处理方式：

1)在该总线中，主控设备与从控设备间为主从式控制方式；当从控设备产生异常事件时，需要及时提交给主控设备，并申请相应的处理；主控设备定时发送广播信息，询问是否有异常处理请求；

2)当从控设备接收到请求以后，判断是否有异常事件需要处理，如果异常事件，则发出处理请求，通过指令信息来区分事件类型，该事件的请求也是通过冲突检测竞争应答方式；

3)当主控设备接收到该请求以后，则发出处理认证，通知从控设备该信息已经处理或执行相应的操作；

4)从控设备接收到信息以后，执行操作并发出控制应答报文，异常事件处理完毕。

6、根据权利要求4或5所述的一种利用串行总线实现多点通信的方法，其特征在于：在网络应用层传输的数据格式分为版本号，指令和数据内容三个部分，它位于传输层数据区部分；

版本号：一个字节，它定义了应用层数据的基本格式，版本号可以升级，当版本号被定义下来以后，则应用层数据的解析将是固定的；

指令：一个字节指令是描述应用层数据传输中的时间请求；指令分为控制指令和应答指令；当指令类型采用的是一个字节时，该字节的低六位顺序编码，表示每一个方向的通信，可以扩充到64条指令；该字节的第七位用来区分指令类型，由于指令分为控制指令和应答指令两种，所以，如果第七位是0，表示是控制指令，如果为1表示是应答指令；对于第8位，采用偶校验机制，可以保证两位的数据冗余；

数据内容：数据内容是基于该指令下控制传输或数据应答的内容，数据内容的长度是不固定的，最大长度为246个字节；数据内容也可以是空，则表示该报文不传输数据只进行指令控制。

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