TWI484789B

TWI484789B - 主控裝置、被控裝置、及其網路通訊方法

Info

Publication number: TWI484789B
Application number: TW100149773A
Authority: TW
Inventors: Chi Chun Chen; Shua Yuan Lai; Zhong Zhen Wu
Original assignee: Ind Tech Res Inst
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2011-12-30
Publication date: 2015-05-11
Also published as: US9722875B2; US20130170336A1; TW201328252A

Description

主控裝置、被控裝置、及其網路通訊方法

本發明係有關於網路系統，且特別有關於適用於主控被控樹狀網路中之一種主控裝置、被控裝置、及其方法。

隨著近年來電力線網路的興起，透過電力線網路監測電表或監控電氣設備的用電量等等的應用隨之增多，如在辦公室就可以透過電力線網路來監控家中目前的電器用品的耗電量。現行的自動監控電力線網路建構在主從式(master-slave)的網路架構中，由一個根節點(Root Node)與多個葉節點(Leaf Node)建構成一個樹狀構造，中間會透過切換節點(Switch Node)做為中繼(relay)點，其中的葉節點之間的傳輸都必須透過根節點來媒介，因此常常會導致根節點的負載過大以及網路壅塞的現象。若其中的分支節點(Branch Node)發生故障，將影響在此分支下所有的節點，因此，如何讓此樹狀拓撲的通訊更有效率，及遇到不可預期的通訊中斷是否能快速恢復通訊成為一個重要課題。

有鑑於此，本發明提供一種裝置及方法，以解決前述問題。

本發明實施例之一種方法，適用於連接一主控被控樹狀網路(master-slave tree network)之一第一被控裝置，包括在一既定期間內判斷沒有接收到任何信號標(beacon)；以及在一既定期間內判斷沒有接收到任何信號標後，分派一第一信號標至一第二被控裝置；其中如果要使該第一被控裝置維持在該主控被控樹狀網路內，則要在該既定期間內接收到一信號標。

本發明實施例之另一種被控裝置(slave device)，連接至一主控被控樹狀網路，包括一控制器，以及一信號標模組。該控制器在一既定期間內判斷沒有接收到任何信號標。該信號標模組，耦接至該控制器，在一既定期間內判斷沒有接收到任何信號標後，分派一第一信號標至一第二被控裝置。如果要使該第一被控裝置維持在該主控被控樹狀網路內，則要在該既定期間內接收到一信號標。

本發明實施例之另一種主控裝置，適用於一主控被控樹狀網路，包括一收發器以及一控制器。該收發器接收包括一第一識別值之一識別值請求訊息，該第一識別值係用以識別一第一被控裝置，其並未從該主控被控樹狀網路中正常退出而已經喪失對該主控被控樹狀網路的連接。該控制器耦接至該收發器，分派一第二識別值給該第一被控裝置以響應該識別值請求訊息。該收發器傳送包括該第二識別值之一識別值確認訊息至該第一被控裝置。

為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖示，詳細說明如下。

本發明適用於所有種類的主控被控樹狀網路(master-slave tree network)架構，其包括電力線智慧電表進化(Powerline Intelligent Metering Evolution，以下稱為PRIME)標準。此標準提出電力線監控網路架構的實現手段，包括主控端的根節點與被控端的服務節點(Service Node)之實體層的(Physical Layer)與媒體存取控制層(Media Access Control，MAC)的實現方式。第1圖係顯示依據本發明實施例之主控被控樹狀網路1的樹狀圖，包括節點A、B、C和D。節點A係為主控被控樹狀網路1之基地節點(Base Node)或根節點。節點B、C和D係為服務節點。主控被控樹狀網路1可為有線或無線網路。第1圖也顯示其樹狀拓撲網路1的建構過程，根節點A會定期發出信號標(beacon)藉以同步及維持主控被控樹狀網路1之網路拓撲。當新節點B或C進入主控被控樹狀網路1並且收到信號標100時，會向根節點A發出註冊封包102，其包含根節點A所分派的節點識別值(Node Identifier，NID)，節點識別值係由切換識別值(Switch Identifier，SID)與本地節點識別值(Local Node Identifier，LNID)組成。當另一新節點D也要加入此網路拓撲中，由於離根節點A較遠無法直接收到信號標時，節點D會發出需要推薦(Promotion Needed)協定數據單元(protocol data unit)104，藉以要求其鄰近的節點B幫忙將訊息傳達至根節點A。若節點B收到D節點的需要推薦協定數據單元104時會要求根節點將其提升為切換節點，如此節點D就可以透過B點的接收信號標106並且發送註冊封包108藉以完成註冊的動作。此建構的程序繁瑣，若當中某節點故障，將導致其下的節點必須回到最初的狀態，從頭開始註冊，網路拓撲越大影響的嚴重程度越大。

因此，在傳統的樹狀網路架構裡，除了傳輸效率需要改善外，一個更嚴重的問題，就是當中例如節點B、C和D的分支節點發生故障時，會導致局部的網路通訊癱瘓。例如當節點B發生故障，節點B以下的節點都會受到影響；受影響的節點D會先失去連線將自己的狀態改為分離(disconnected)狀態，然後再回到最初建立連線的所有程序，直到每個節點都重新被根節點A分派新的節點識別值後，才又恢復通訊。

為了解決此問題，本發明提出一種建立快速恢復通訊路徑的方法，如第2圖所示，係顯示依據本發明實施例之主控被控樹狀網路2之路徑恢復方法的示意圖。由於根節點A定期發出信號標來維持網路拓撲，所以一旦節點G沒有收到信號標時，就知道其上的網路路徑(節點B)已經斷線。為了重新建立連線，節點G會從一鄰近節點列表找出另一個最有效率的鄰近節點D做為通往根節點的替代路徑，將本地節點識別值(第一識別值)與新鄰近點的切換識別值(第二識別值)資訊封包成NID改變請求(NID Change Request，NCR)的控制封包傳給根節點A。該本地節點識別值表示節點G，並且該切換識別值表示該選擇之鄰近節點D。當根節點A收到此訊息時，會檢查內部拓撲資訊表，並重新分派新的節點識別值包成NID改變確認(NID Change Confirm，NCC)回傳給節點G。節點G收到NID改變確認訊息後就可以恢復從D下來的信號標，完成恢復通訊的動作。在請求新節點識別值並且重新建立連線時，節點G同時定期發佈信號標至其子網路之所有節點，使得該子網路之所有節點不知道前級網路路徑節點B已經中斷，因此無須變動任何內部資訊。如第2圖所示，當前級節點B發生故障時，節點G必須持續發出信號標來維持其下子網路之節點I、J、K、和L的網路拓撲，同時也告知此時間點禁止資訊的傳輸。當節點B故障時，其之下的節點F和G會同時失去對主控被控樹狀網路2的連結。以節點G為例，其根據內部建立的鄰近節點列表選擇出新的通訊節點D，並組成NID改變請求的控制封包200順序透過節點D傳送給根節點A。節點G同時對其下的節點I、J也會定期發送信號標控制封包204來維持以下子網路的通訊。節點I接著傳送信號標控制封包204至其下的節點K、L。當根節點A收到NID改變請求訊息202後會分派新的節點識別值回傳給結G，如此就可以馬上恢復通訊，且節點G下面的節點I、J、K及L無須變動任何的資訊。中斷節點只需藉由傳送NID改變請求訊息200將節點識別值與鄰近點切換識別值傳送至根節點，便可藉由接收NID改變確認訊息206而重新獲得新的節點識別值。

該鄰近節點列表可以藉由查找表(lookup table)、列表、或檔案的方式實現。在一些實施例裡，該鄰近節點列表藉由查找表的方式實現。例如，一鄰近查找表(Neighbor Lookup Table，NLT)記錄鄰近節點的資訊，包括本地節點識別值、切換識別值、鄰近節點識別值、及子網路位址(Subnetwork Address，SNA)，表1顯示一鄰近查找表：

鄰近查找表在服務節點進入主控被控樹狀網路2時即建立，若有節點離開則由根節點A藉由一拓撲改變封包來通知網路2內所有的節點更新節點列表，若有新節點加入則由接收需要推薦協定數據單元來更新鄰近查找表。例如，當節點K要加入此樹狀拓撲時，會發出需要推薦協定數據單元封包藉以要求註冊，其鄰近的節點都會收到此封包且做相對應的回應，節點K便可利用接收到之回應來建立鄰近節點列表。當節點C從此樹狀拓撲離開時，根節點A會廣播拓撲改變(Topology Change，TC)訊息來通知主控被控樹狀網路2，當節點C為鄰近節點時就更新鄰近節點列表，而當節點L加入此樹狀拓撲時，會發出需要推薦協定數據單元封包，有收到此需要推薦協定數據單元的訊息表示節點L在鄰近並更新鄰近節點列表。

本發明在建立樹狀拓撲網路初期，透過推薦協定數據單元來建立鄰近節點列表，有節點更動才有相對應的維護節點列表，如有節點離開則由根節點通知來更新節點列表，若有新節點加入則由接收需要推薦協定數據單元來更新鄰近節點列表，當某節點發生故障時，只需傳送該節點的節點識別值與新鄰近點的切換識別值給根節點，重新獲得新的節點識別值。

傳統的樹狀拓撲網路對於分支節點的故障問題並無解決方案，而PRIME的標準裡只提出直接連接(Direct Connection)來改善傳輸效率，對於故障排除則超過此規範的範疇；然而在樹狀拓撲網路架構中越上層之分支節點發生問題，影響的層面就越大，是不可忽視的議題，因此本提案針對此問題提出一個快速恢復通訊的解決手段。本發明針對故障問題提出容錯的手段，可以降低傳統樹狀拓撲網路的根節點的負荷(loading)，並減少網路的頻寬雍塞問題，達到省電的目的。利用NID改變請求機制，將轉換路徑資訊通知根節點，當根節點允許即可透過NID改變確認訊息將新路徑節點的節點識別值回報給發出請求之節點，即可以快速恢復通訊，新路徑節點底下的節點路徑資訊無須更新。

第3圖係顯示依據本發明實施例之被控裝置3的方塊圖，可連接至第2圖中之主控被控樹狀網路2。被控裝置3包括控制器300、記憶體模組302、NID改變模組304、收發器306、更新模組308、以及信號標模組310。該控制器300耦接並且控制該記憶體模組302、該NID改變模組304、該收發器306、該更新模組308以及信號標模組310。

收發器306可透過收發三種封包格式與其他節點達到通訊的目的，分別為信號標協定數據單元、需要推薦協定數據單元、和統稱協定數據單元(Generic Protocol Data Unit)。信號標協定數據單元用來維持與同步樹狀網路拓撲，需要推薦協定數據單元用來剛加入拓撲之要求並記錄節點列表的目的，統稱協定數據單元用來裝載如註冊、拓撲改變、NID改變請求、NID改變請求確認等等的一般控制封包。在一些實施例中，收發器306耦接至NID改變模組304、更新模組308、以及信號標模組310。

記憶體模組302儲存鄰近節點列表3020(既定列表)、本地節點識別值3022、及切換節點識別值3024，並且可被控制器300、NID改變模組304、以及更新模組308所存取。該鄰近節點列表3020可以藉由查找表、列表、或檔案的方式實現，並且可包括本地節點識別值、切換識別值、鄰近節點識別值、及子網路位址。記憶體模組302可以例如為在第2圖所描述之鄰近查找表。

更新模組308會根據需要推薦協定數據單元與統稱協定數據單元的拓撲改變封包來更新節點列表3020。

控制器300在一既定期間內判斷沒有接收到任何信號標。其中如果要使被控裝置3維持在該主控被控樹狀網路內，則要在該既定期間內接收到一信號標。若在該既定期間內沒收到信號標時，表示連結之節點發生故障，控制器300會控制NID改變模組304選擇一鄰近節點重新建立連線，並且控制信號標模組310持續對子網路之所有節點持續發出信號標。

信號標模組310在前級連線中斷時持續對下級子網路定時發派信號標。該派出之信號標包括尚未斷線前的信號標內容以及暫停資料傳輸的訊息。

NID改變模組304(識別值改變請求模組)包括分析器3040、比較器3042、及封包器3044。分析器3040及比較器3042接耦接至封包器3044。分析器3040解析原本的節點識別值與鄰近節點列表資訊，由比較器3042比較選擇出另一個有效率的鄰近節點，該原本的節點識別值及選出之鄰近節點識別值分別傳送至封包器3044，藉以將兩者封裝成NID改變請求訊息，最後由統稱協定數據單元經由收發器306傳送給根節點。該根節點會重新分派新的節點識別值(第三識別值)包成NID改變確認回傳給被控裝置3由收發器306所接收。該根節點重新分派之節點識別值可以和連線中斷前之本地節點識別值相同或不同，所有的節點識別值是由根節點統籌分配。

第4圖係顯示依據本發明實施例之主控被控樹狀網路運作方法4的流程圖，使用第3圖之被控裝置3。主控被控樹狀網路運作方法4主要分成鄰近節點列表維持部分與網路回復部分。在主控被控樹狀網路運作方法4啟始後，所有用於運作方法4之參數以及被控裝置3的元件會初始化(S400)並且開始鄰近節點列表建構以及維持部分的動作。首先被控裝置3廣播需要推薦協定數據單元封包至所有鄰近節點，根據鄰近節點的回應而得之相鄰節點的識別值，藉此建立鄰近節點列表3020(S402)。若有節點離開此樹狀網路2，根節點會發出拓撲改變訊息通知，若此離開之節點為鄰近點則被控裝置3更新鄰近節點列表3020(S4040)；若有新節點加入時，該新加入之節點會發出需要推薦協定數據單元來通知鄰近點，因此若被控裝置3收到此封包也會根據收到之推薦協定數據單元而更新鄰近節點列表3020(S4042)。網路回復部分由一段既定時間沒收到信號標來觸發。被控裝置3判定在既定時間內是否收到任何信號標(S406)，若無則被控裝置3已經和樹狀網路2斷線，若有則被控裝置3仍然和樹狀網路2保持連線(S408)。發現連結網路斷線時，先持續發送原先的信號標來維持住子網路的連結(S410)，並由節點列表重新選取一個非故障並且有效率的鄰近節點做為替代的連節點(S412)，將原本的節點識別值與新連節點的切換識別值包成NID改變請求訊息傳送給根節點(S414)。根節點收到NID改變請求訊息後重新分派新的節點識別值透過NID改變確認回應給被控裝置3。因此對應該送出之NID改變請求訊息，被控裝置3會接收到包括新的本地節點識別值之NID改變確認訊息，並且隨即可以接收新連節點的信號標來恢復通訊(S416)。

第5圖係顯示依據本發明實施例之主控裝置5的方塊圖，適用於第2圖中之主控被控樹狀網路2。主控裝置5包括控制器50、收發器52、以及記憶體模組54。控制器50耦接並且控制收發器52以及記憶體模組54。

控制器50包括NID改變確認模組500以及拓撲改變模組502。NID改變確認模組500分派節點識別值給該發出NID改變請求訊息的通訊中斷節點。拓撲改變模組502在樹狀網路2中偵測到某節點離開或是關機後經由收發器52廣播拓撲改變訊息，藉以通知網路2內之所有節點可將該離開或是關機的節點移除。

記憶體模組54包括拓撲資訊表540，其包括樹狀網路2內之所有可用以及已經使用的的識別值、位址、及其他網路連接資源。拓撲資訊表540包括樹狀網路2內之所有節點的本地節點識別值及其對應的切換本地節點識別值。

當一新節點想要加入樹狀網路2時會傳送註冊封包至主控裝置5。收發器52在收到註冊封包後，控制器50會檢查內部拓撲資訊表540並且分派節點識別值給該請求註冊的新節點。當一連線中斷節點想要重新連接至樹狀網路2時會傳送NID改變請求訊息至主控裝置5。收發器52在收到NID改變請求訊息後，控制器50會檢查內部拓撲資訊表540並且重新分派節點識別值給該連線中斷節點，並且更新該連線中斷節點的新切換節點識別值。當一節點離開網路或是關機後，控制器50會移除拓撲資訊表540內關於該離開或是關機的節點識別值，並且經由收發器廣播拓撲改變訊息，藉以通知網路2內之所有節點該資訊。

本發明之方法，或特定型態或其部份，可以以程式碼的型態存在。程式碼可儲存於實體媒體，如軟碟、光碟片、硬碟、或是任何其他機器可讀取(如電腦可讀取)儲存媒體，亦或不限於外在形式之電腦程式產品，其中，當程式碼被機器，如電腦載入且執行時，此機器變成用以參與本發明之裝置。其中，當程式碼被機器，如電腦接收、載入且執行時，此機器變成用以參與本發明之裝置。當在一般用途處理單元實作時，程式碼結合處理單元提供一操作類似於應用特定邏輯電路之獨特裝置。

說明書用到的"判定”一詞包括計算、估算、處理、取得、調查、查找(例如在一表格、一資料庫、或其他資料構造中查找)、確定、以及類似意義。"判定”也包括解決、偵測、選擇、獲得、以及類似的意義。

本發明描述之各種邏輯區塊、模組、以及電路的操作以及功能可以利用電路硬體或嵌入式軟體碼加以實現，該嵌入式軟體碼可以由一處理器存取以及執行。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟悉此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

300．．．控制器

302．．．記憶體模組

3020．．．鄰近節點列表

3022．．．本地節點識別值

3024．．．切換節點識別值

304．．．NID改變模組

3040．．．分析器

3042．．．比較器

3044．．．封包器

306．．．收發器

308．．．更新模組

310．．．信號標模組

S400、S402、...、S416．．．步驟

50．．．控制器

500．．．NID改變確認模組

502．．．拓撲改變模組

52．．．收發器

54．．．記憶體模組

540．．．拓撲資訊表

第1圖係顯示依據本發明實施例之主控被控樹狀網路1的樹狀圖。

第2圖係顯示依據本發明實施例之主控被控樹狀網路2之路徑恢復方法的示意圖。

第3圖係顯示依據本發明實施例之被控裝置3的方塊圖。

第4圖係顯示依據本發明實施例之主控被控樹狀網路運作方法4的流程圖。

第5圖係顯示依據本發明實施例之主控裝置5的方塊圖。

S400、S402、...、S416．．．步驟

Claims

一種網路通訊方法，適用於連接一主控被控樹狀網路(master-slave tree network)之一第一被控裝置，包括：在一既定期間內判斷沒有接收到任何信號標(beacon)；以及在一既定期間內判斷沒有接收到任何信號標後，分派一第一信號標至一第二被控裝置；其中如果要使該第一被控裝置維持在該主控被控樹狀網路內，則要在該既定期間內接收到一信號標。
如申請專利範圍第1項所述之網路通訊方法，更包括：從一既定列表內選擇一鄰近裝置；以及寄送包括一第一識別值及一第二識別值之一請求訊息至該選擇之鄰近裝置；其中該第一識別值表示該第一被控裝置並且該第二識別值表示該選擇之鄰近裝置。
如申請專利範圍第2項所述之網路通訊方法，更包括：從該選擇之鄰近裝置接收包括一第三識別值之一確認訊息以響應該寄送之請求訊息；其中該第三識別值表示該第一被控裝置。
如申請專利範圍第1項所述之網路通訊方法，更包括：在選擇一鄰近裝置用於建立連接後，保留包括一鄰近裝置表示值之一既定列表；以及在接收到一網路改變訊息後，更新該既定列表；其中該網路改變訊息表示該主控被控樹狀網路內之一第三被控裝置被改變；以及該鄰近裝置表示值表示連接到該主控被控樹狀網路之該鄰近裝置。
如申請專利範圍第4項所述之網路通訊方法，其中：該網路改變訊息表示該第三被控裝置希望連接至該主控被控樹狀網路；該更新步驟包括在該既定列表中新增該第三被控裝置。
如申請專利範圍第4項所述之網路通訊方法，其中：該網路改變訊息表示該第三被控裝置由該主控被控樹狀網路中被分開；該更新步驟包括從該既定列表內移除該第三被控裝置。
如申請專利範圍第1項所述之網路通訊方法，其中：該第一信號標包括先前的信號標內容以及暫停資料傳輸的資訊；該先前的信號標內容係由該第一被控裝置在從該主控被控樹狀網路分開之前所接收。
一種主控裝置，適用於一主控被控樹狀網路，包括：一收發器，接收包括一第一識別值之一識別值請求訊息，該第一識別值係用以識別一第一被控裝置，其並未從該主控被控樹狀網路中正常退出而已經喪失對該主控被控樹狀網路的連接；以及一控制器，耦接至該收發器，分派一第二識別值給該第一被控裝置以響應該識別值請求訊息；其中該收發器傳送包括該第二識別值之一識別值確認訊息至該第一被控裝置。
如申請專利範圍第8項所述之主控裝置，其中，該收發器廣播一網路改變訊息至該主控被控樹狀網路；其中該網路改變訊息表示一第三被控裝置和該主控被控樹狀網路的連線中斷。
一種被控裝置(slave device)，連接至一主控被控樹狀網路，包括：一控制器，在一既定期間內判斷沒有接收到任何信號標；以及一信號標模組，耦接至該控制器，在一既定期間內判斷沒有接收到任何信號標後，分派一第一信號標至一第二被控裝置；其中如果要使該第一被控裝置維持在該主控被控樹狀網路內，則要在該既定期間內接收到一信號標。
如申請專利範圍第10項所述之被控裝置，更包括：一識別值改變請求模組，耦接至該控制器，從一既定列表內選擇一鄰近裝置；以及一收發器，耦接至該識別值改變請求模組，寄送包括一第一識別值及一第二識別值之一請求訊息至該選擇之鄰近裝置；其中該第一識別值表示該第一被控裝置並且該第二識別值表示該選擇之鄰近裝置。
如申請專利範圍第11項所述之被控裝置，更包括：該收發器從該選擇之鄰近裝置接收包括一第三識別值之一確認訊息以響應該寄送之請求訊息；其中該第三識別值表示該第一被控裝置。
如申請專利範圍第10項所述之被控裝置，更包括：一記憶體模組，耦接至該控制器，在選擇一鄰近裝置用於建立連接後，保留包括一鄰近裝置表示值之一既定列表；以及其中，該控制器在接收到一網路改變訊息後，更新該既定列表；該網路改變訊息表示該主控被控樹狀網路內之一第三被控裝置被改變；以及該鄰近裝置表示值表示連接到該主控被控樹狀網路之該鄰近裝置。
如申請專利範圍第13項所述之被控裝置，其中：該網路改變訊息表示該第三被控裝置希望連接至該主控被控樹狀網路；該控制器在該既定列表中新增該第三被控裝置。
如申請專利範圍第13項所述之被控裝置，其中：該網路改變訊息表示該第三被控裝置由該主控被控樹狀網路中被分開；該控制器從該既定列表內移除該第三被控裝置。
如申請專利範圍第10項所述之被控裝置，其中：該第一信號標包括先前的信號標內容以及暫停資料傳輸的資訊；該先前的信號標內容係由該收發器在從該主控被控樹狀網路分開之前所接收。