TWI763061B - 自組織網路組建方法、自組織網路及其節點裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明關於一種自組織網路組建方法，其包含步驟：提供複數網路節點，並在每一該等網路節點內配置一層中介層；實施逐跳傳輸測試，以獲得該等網路節點間的訊息交換現況；根據該訊息交換現況，計算該等網路節點的節點拓撲；根據該節點拓撲在該等網路節點之間建立至少一對等式通訊鏈路；以及透過該至少一對等式通訊鏈路進行訊息傳輸。

Description

自組織網路組建方法、自組織網路及其節點裝置
本發明係有關於一種自組織網路，尤其是組建基於對等式通訊鏈路的自組織網路。
在習用技術中，對於設置在室內或室外的無線連網裝置(wireless networked devices)，一部分的這些連網裝置是安裝在固定的位置上，有一些則是可以自由移動，以室內環境為例，家中的Wi-Fi串流監視器通常都是固定安裝在一定的位置上，不會任意移動，但家中的無線基地台或智慧家庭無線網關或閘道器，雖然沒有鎖固在特定位置上，但也不常任意移動。
其他無線連網裝置，例如筆記型電腦、平板裝置、IoT醫療感測器或連網動作感應器等，則很可能會隨著使用者而任意移動，但大部分的時間，這些連網裝置大致是出現在一個某個特定範圍中，且通常是集中連接到一個無線網路存取點(AP)，而構成一組無線區域網路(WLAN)，然後透過無線AP接入網際網路。
習用的這種網路配置，無線連網裝置將以AP為中心點在空間中展開結構化(structured)的部署，而每一台連網裝置的部署位置、阻擋在 傳輸路徑中的障礙物諸如樓板或牆面、以及與AP間的物理距離等因素，都會直接影響無線區域網路的傳輸效能與穩定性，習用這種中心化(centralized)的網路組建，通常是盡量讓AP部署在每一台連網裝置的中心位置，以便從整體上與每一台連網裝置間都保持最短的通訊距離。
但這種習用的結構化與中心化的無線網路布建方式，存在許多明顯的問題，包含連網裝置的部署位置將大幅受限，難以避開通訊障礙物，不利於連網裝置的分散化配置，難以延伸連網裝置的通訊距離，缺乏通訊中繼的應用，網路拓撲路徑過於僵化等等缺點。
職是之故，有鑑於習用技術中存在的缺點，發明人經過悉心嘗試與研究，並一本鍥而不捨之精神，終構思出本案「自組織網路組建方法、自組織網路及其節點裝置」，能夠克服上述缺點，以下為本發明之簡要說明。
本發明提出一種去中心化(decentralized)、非結構化(unstructured)、可因應實際環境現況而適應性(adaptively)改變節點拓撲形態的自組織網路(self-organized network)，配置在網路節點內的中介層，會根據該網路節點彼此間的訊息交換狀況，動態且適應性的決定節點拓撲形態，並據此對網路節點發出自組織指令，使得包含在自組織網路中的每一個網路節點，依照中介層的自組織指令，靈活的在來源節點、中繼節點與目標節點之間切換，而構成一個可以自主改變網路拓撲形態的自組織網路，同時使得網路節點可以分散部署到更廣大的區域，尤其適用於在裝置陣列間彈性組建自組織網路，或緊急事件的推播。
據此本發明提出一種自組織網路組建方法，其包含：提供複數網路節點，並在每一該等網路節點內配置一層中介層；實施逐跳傳輸測試，以獲得該等網路節點間的訊息交換現況；根據該訊息交換現況，計算該等網路節點的節點拓撲；根據該節點拓撲在該等網路節點之間建立至少一對等式通訊鏈路；以及透過該至少一對等式通訊鏈路進行訊息傳輸。
較佳的，所述之自組織網路組建方法，還包含以下步驟其中之一：啟用節點探知協定，以探測該等網路節點中的工作節點以及失效節點，並定期向位址埠回報；啟用交握致能協定，並參考該節點拓撲在該等工作節點之間進行交握，以建立該至少一對等式通訊鏈路；啟用應用層訊息傳輸協定，以透過該至少一對等式通訊鏈路進行訊息傳輸；啟用物聯網訊息傳輸協定，以透過該至少一對等式通訊鏈路進行訊息傳輸；啟用物聯網框架以為該等網路節點建立身分認證並確保通訊安全；啟用物聯網框架以賦予該等網路節點物聯網通訊框架，以實現無縫的節點到節點連接、物聯網之接入或物聯網之組建；根據該訊息交換現況與該節點拓撲，對每一該等網路節點指定節點類型；監聽該位址埠或重新實施該逐跳傳輸測試，以因應該訊息交換現況之變化，適應性重新計算該節點拓撲，據此重建該至少一對等式通訊鏈路；以及在每一該等網路節點內配置感測硬體模組、智慧控制硬體模組、連網硬體模組及其組合其中之一。
本發明進一步提出一種自組織網路節點裝置，其係為複數節點裝置的其中一個，及包含：處理單元，其經配置執行中介層，以實施逐跳傳輸測試而獲得該等網路節點間的訊息交換現況，並根據該訊息交換現況計算該等網路節點的節點拓撲；以及通訊單元，根據該節點拓撲在該等 網路節點之間建立至少一對等式通訊鏈路，並透過該至少一對等式通訊鏈路進行訊息傳輸。
本發明進一步提出一種自組織網路，其包含：複數網路節點，每一該等網路節點經配置執行中介層，以實施逐跳傳輸測試而獲得該等網路節點間的訊息交換現況，並根據該訊息交換現況計算該等網路節點的節點拓撲；以及在該等網路節點之間，根據該節點拓撲在該等網路節點之間建立至少一對等式通訊鏈路，並透過該至少一對等式通訊鏈路進行訊息傳輸。
上述發明內容旨在提供本揭示內容的簡化摘要，以使讀者對本揭示內容具備基本的理解，此發明內容並非揭露本發明的完整描述，且用意並非在指出本發明實施例的重要/關鍵元件或界定本發明的範圍。
11~16:網路節點
31~36:串流攝像機
41~44:串流攝像機
51~54:網路節點
101:無線基地台
102:網頁伺服器
103:無線存取點
104:遠端伺服器
105:後端伺服器
201:安全監控平台網頁
202:第一顯示區
203:第二顯示區
204:即時通訊介面
211:視訊網頁
212:視訊網頁
213:視訊網頁
301:使用者設備
302:使用者設備
303:使用者設備
S:來源節點
R:中繼節點
T:目標節點
P2~P3:P2P通訊鏈路
P5~P8:P2P通訊鏈路
N:自組織網路
N1:自組織網路
N2:自組織網路
N3:自組織網路
500:本發明自組織網路組建方法
501~507:實施步驟
第1圖揭示由存在於多個網路節點間之可能路由路徑形成之路由拓撲示意圖；
第2A圖係揭示本發明中介層之系統功能分層堆疊架構視圖；
第2B圖係揭示本發明網路節點之硬體設備功能架構視圖；
第3圖係揭示本發明自組織網路包含之來源節點、中繼節點及目標節點之網路傳輸架構示意圖；
第4圖係揭示本發明使用網際網路應用層訊息傳輸協定在各類型網路節點間實現訊息傳輸之架構示意圖；
第5圖係揭示本發明在網路節點架構中應用節點探知協定之網路架構 示意圖；
第6圖係揭示本發明自組織網路之網路架構示意圖；
第7圖係揭示本發明自組織網路應用第一實施例之示意圖；
第8圖係揭示本發明自組織網路應用第二實施例之示意圖；以及
第9圖揭示本發明自組織網路組建方法之實施步驟流程圖。
本發明將可由以下的實施例說明而得到充分瞭解，使得熟習本技藝之人士可以據以完成之，然本發明之實施並非可由下列實施案例而被限制其實施型態；本發明之圖式並不包含對大小、尺寸與比例尺的限定，本發明實際實施時其大小、尺寸與比例尺並非可經由本發明之圖式而被限制。
本文中用語“較佳”是非排他性的，應理解成“較佳為但不限於”，任何說明書或請求項中所描述或者記載的任何步驟可按任何順序執行，而不限於請求項中所述的順序，本發明的範圍應僅由所附請求項及其均等方案確定，不應由實施方式示例的實施例確定；本文中用語“包含”及其變化出現在說明書和請求項中時，是一個開放式的用語，不具有限制性含義，並不排除其他特徵或步驟。
第1圖揭示由存在於多個網路節點間之可能路由路徑形成之路由拓撲示意圖；如第1圖所揭示，在區域中存在多個隨機分布的網路節點11、12、13、14、15及16，這些網路節點11、12、13、14、15及16可能分布在內部網路或者外部網路上，網路節點11、12、13、14、15及16在彼此的通訊範圍內，存在多條可能的、可供建立通訊鏈路(communication link) 的路由路徑(routing path)，本發明提出的自組織網路組建方法，能夠在這些網路節點11、12、13、14、15及16之間，因應節點間之訊息交換現況，即時、動態且自主(autonomously)組建一個對等式(peer-to-peer,P2P)的自組織網路(self-organized network)。
第2A圖係揭示本發明中介層之系統功能分層堆疊架構視圖(view)；在本實施例，每一個網路節點11、12、13、14、15及16內皆配置一層中介層(middleware layer)作為動態組建自組織網路的核心架構，中介層較佳是屬於上層中介軟體(upper middleware)或者物聯網中介軟體，內建多種網路協定與框架，概括而言包含節點探知協定(node detection protocol)、交握致能協定(handshaking enablement protocol)、網際網路應用層訊息傳輸協定、物聯網訊息傳輸協定以及物聯網框架等等。
節點探知協定較佳為例如但不限於：通用隨插即用協定(UPnP)、簡單服務發現協定(SSDP)、鄰居發現協定(NDP)或者節點探索協定(PDP)等，交握致能協定較佳為例如但不限於：超文本傳輸協議第1.0版(HTTP/1.0)、超文本傳輸協議第1.1版(HTTP/1.1)、超文本傳輸協議第2版(HTTP/2)、超文本傳輸協議第3版(HTTP/3)、超文本傳輸安全協定(HTTPS/TLS,HTTPS/SSL)或者快速UDP網路連接協定(QUIC)等，網際網路應用層訊息傳輸協定與物聯網訊息傳輸協定較佳為例如但不限於：訊息佇列遙測傳輸協定(MQTT)、可延伸訊息與存在協定(XMPP)、約束應用協定(CoAP)、高級訊息隊列協定(AMQP)、表現層狀態轉換協定(REST)或者WebSocket傳輸協定等。
舉例來說，在本發明某實施例，中介層係較佳包含HTTP/3.0 協定及其包含的QUIC協定、兩個網際網路協定套件(IPS)應用層網路協定，即UPnP協定與MQTT協定，以及物聯網訊息傳輸協定，例如但不限於物聯網通用通開源訊框架(IoTivity)，中介層向上提供串流媒體、中繼傳輸與訊息傳輸等應用功能，並向下連結資料鏈路層中的通訊鏈路與實體層中的硬體設備，中介層的系統功能分層架構視圖如第2A圖所揭示。
UPnP協定包含的SSDP協定，是UPnP協定的核心協定並基於HTTPU協議而實施，SSDP協定提供了可在區域網路內發現可用節點(available node)的功能，每一個網路節點11、12、13、14、15及16經由啟用(enable)中介層SSDP協定，而成為接受SSDP服務的客戶端，當某個客戶端接入網路後，會按照裝置的自身狀態，向一個指定的多播位址SSDP埠傳送一條ssdp訊息，例如ssdp：discover訊息、ssdp：alive訊息或者ssdp：byebye訊息等，分別表示節點已接入、節點已可用(available)或者節點已失效(disabled)，節點已失效的態樣包含例如但不限於：故障、收訊不良或失去電力等，客戶端透過持續監聽多播(multicast)位址SSDP埠，即可探測其他客戶端的狀態。
配置在中介層上的MQTT協定，在軟體架構中屬於一種輕量級的發布/訂閱訊息協議，通常是在傳輸層的傳輸控制協議(TCP)/網路層的網路協定(IP)、或者用戶資料包協議(UDP)上運行，可用於在網路節點11、12、13、14、15及16之間進行應用層訊息傳輸(messaging)，並使用JavaScript物件表示法(JSON)的文本格式進行資料交換，MQTT透過訊息代理(message broker)機制管理同步或非同步的訊息佇列或行程間通訊，代理端較佳是微控制器或遠端伺服器，以接收來自MQTT發布者的所有訊息，然後將訊息傳 送給MQTT訂閱者。
標準版MQTT是基於主題(topic)而進行訊息管理，並透過訊息代理機制發布/訂閱訊息，訂閱者可以選擇訂閱感興趣的主題，且發布者與訂閱者無須了解彼此的存在，網路節點11、12、13、14、15及16同時是MQTT發布者也是MQTT訂閱者，每一個網路節點11、12、13、14、15及16只需訂閱需要的主題；IoTivity物聯網通用通訊框架則提供了簡易的身分認證(Identity)與通訊安全(Security)功能；整個中介層較佳是運行在Debian作業系統例如buster版本上。
第2B圖係揭示本發明網路節點之硬體設備功能架構視圖；配置在網路節點內的中介層，將與節點本身配備的功能硬體透過韌體結合，構成完整的網路節點，硬體設備層從功能上涵蓋感測(sensing and measuring)硬體、智慧控制(intelligent control)硬體以及連網(networking)硬體等，感測硬體涵蓋各式能夠提供感應、測量、監測或監控功能的各式感測器(sensor)、資料採集(data acquisition)裝置、傳感器(transducer)或監控設備(surveillance)，所感測到的訊號將經由上行鏈路(uplink)傳輸；智慧控制硬體涵蓋各種能夠接受來自下行鏈路(downlink)的遠端操作(remotely operated)而作動的設備，如網關、智慧插座、智慧燈泡、伺服馬達等；連網硬體(networking hardware)指用於組建網路的連網單元。
第3圖係揭示本發明自組織網路包含之來源節點、中繼節點及目標節點之網路傳輸架構示意圖；中介層將網路節點區分為三種類型，分別是來源節點S(source node)、中繼節點R(relay node)及目標節點T(target node)等三類，本發明定義的三種網路節點類型，如第3圖所揭示，來源節點 S產生的訊息封包最終將傳輸給目標節點T，傳輸過程可以選擇取道(routing through)或者不取道至少一中繼節點R，中繼節點R負責轉發來源節點S與目標節點T之間的訊息封包，目標節點T是訊息封包在自組織網路內的傳輸終點。
目標節點T收到訊息封包後，將繼續傳輸給例如但不限於：用於接入外部網路或者網際網路的存取點(AP)設備，例如：橋接器(bridge)、閘道器(gateway)、或者無線基地台101等，以便將訊息封包進一步上傳給設在遠端伺服器、監控平台、照護平台、管理後台或者後台應用程式等，當目標節點T本身就是AP設備時，目標節點T收到訊息封包後，將續傳給例如但不限於：網頁伺服器102或者後台應用程式等外部設備。
來源節點S、中繼節點R與目標節點T，較佳是各種感測器(sensor)或者物聯網傳感器(transducer)，諸如但不限於：心率感測器、血氧感測器、血壓計、額溫槍、心跳計、加速規、陀螺儀、動作感應器、溫度傳感器、濕度傳感器、空氣品質傳感器、測距儀、深度相機、里程計、運動傳感器、轉速計、位移感測器、光學編碼器、視訊串流攝像機、監視攝像機、紅外線熱像儀或者串流媒體裝置等各式能主動產生資料、數據或訊息等訊息封包的終端連網設備。
來源節點S、中繼節點R與目標節點T，較佳還可以是各種感知單元，例如但不限於：影像感應器、壓電晶體化學感應器、表面聲波感應器、光學化學感應器、電化學感應器、半導體化學感應器、表面等離子體共振化學感應器、生物感應器、熱化學感應器、磁化學感應器、場化學感應器、有毒氣體場化學感應器、化學感應器、微機電感應器、奈米晶體 化學感應器、電磁波感應器、機械波感應器、熱感應器或者力感應器。
來源節點S、中繼節點R與目標節點T，較佳是資料採集傳感器(DAQ)，例如但不限於：溫度感測器、溼度感測器、細懸浮微粒感測器、粗懸浮微粒感測器、二氧化硫感測器、二氧化碳感測器、臭氧感測器、一氧化碳感測器、氣壓感測器、光照度感測器、噪音感測器、揮發性有機化合物感測器或者二氧化氮感測器；來源節點S、中繼節點R與目標節點T，較佳是監控設備，例如但不限於：動作感應器、煙霧偵測器、漏水偵測器、監視器、門磁感應器。
來源節點S、中繼節點R與目標節點T，較佳是遠端操作(remotely operated)設備，例如但不限於：網關、智慧插座、智慧警報器、智慧燈泡、智慧燈具、伺服馬達、以及智慧鎖具等；來源節點S、中繼節點R與目標節點T，較佳是連網設備，例如但不限於：閘道器、路由器、網路交換器(switch)、橋接器、訊號中繼設備(repeater)、集線器、無線網路存取點、以及位址分享器等等。
第4圖係揭示本發明使用網際網路應用層訊息傳輸協定在各類型網路節點間實現訊息傳輸之架構示意圖；當網路節點11、12、13、14、15及16的類型由中介層配置完成後，在本實施例，來源節點S、中繼節點R與目標節點T開始啟用例如但不限於MQTT協定並成為MQTT客戶端，中繼節點R與目標節點T透過MQTT協定訂閱特定主題的訊息，一旦來源節點S開始產生訊息封包，將立即透過MQTT協定發布，中繼節點R基於MQTT訂閱機制接收來自來源節點S發布的訊息封包，然後繼續透過MQTT協定發布，目標節點T基於MQTT訂閱機制接收來源節點S發布的訊息封包，而完成訊 息封包從來源節點S到目標節點T之間的訊息傳輸。
第5圖係揭示本發明在網路節點架構中應用節點探知協定之網路架構示意圖；為了組建有效的自組織網路，必須先確定所有用於組建自組織網路的節點，都是有效網路節點，並將失效或故障之網路節點預先排除，在本實施例如第5圖所揭示，中介層在每一個網路節點11、12、13、14、15及16中啟用例如但不限於SSDP協定，並定期發送ssdp訊息給多播位址SSDP埠，以向其他網路節點表明自身狀態，在本實施例，網路節點11、12、13、15及16都是正常運作的裝置，因此向SSDP埠發送ssdp：alive訊息，網路節點14是發生故障的裝置，因此向SSDP埠發送ssdp：byebye訊息，因此中介層在組建自組織網路的過程，得以發現可用的網路節點11、12、13、15及16以及失效的網路節點14。
第6圖係揭示本發明自組織網路之網路架構示意圖；在本實施例，為便於說明，網路節點11、12、13、14、15及16較佳為串流攝像機(streaming camera)，每一個網路節點11、12、13、14、15及16至少配置有一層中介層、兩個獨立Wi-Fi模組、HTTP協定模組以及TCP/IP標準協定模組。
以網路節點11為例，當網路節點11啟動後，中介層將網路節點11指定為來源節點S，並啟用例如但不限於SSDP協定，經由監聽多播(multicast)位址SSDP埠，發現網路節點11、12、13、15及16為可用節點，網路節點14為失效節點；接著中介層在資料鏈路層(data link layer)以下層，基於層內協議(interlayer protocols)實施逐跳傳輸(hop-by-hop transport)技術，從某個來源節點發出測試封包，以儲存且轉發的方式，將測試封包逐節點(node-to-node)的儲存且轉發，直到測試封包抵達目標節點，因此測試封包 從起始節點傳輸到目標節點的過程中，將取道一部分或全部的中繼節點，即使這些節點之間尚未建立永久性通訊鏈路。
經由逐跳傳輸測試的實施可獲得例如但不限於以下原始資訊：描繪出節點間的資料流(data flow)視圖、掃描並紀錄節點MAC識別碼、掃描並紀錄節點Wi-Fi服務集識別碼(SSID)、掃描節點之通訊硬體配置、獲得節點之支援媒體型式元資料(media type metadata)、存取鄰近裝置列表、裝置角色(device role)、節點與無線AP的距離等原始資訊，中介層可以根據這些原始資訊進一步計算出在節點間的丟包率、來回通訊時間(RTT)、計算延遲時間(latency)、最短通訊路徑、最短傳輸時間路徑、最佳訊號品質(QoS)路徑、以及最少中繼節點路徑等資訊，中介層可因此而瞭解節點間訊息交換現況。
接著選定目標節點T，目標節點T的選定方式包含例如但不限於：根據MAC碼識別碼選定、根據Wi-Fi SSID選定、在中介層內預先指定、或者根據逐跳傳輸測試所獲得的訊息交換現況，而決定目標節點T；在本實施例，由於網路節點16距離無線存取點103最近，指定網路節點16為目標節點T。
然後根據逐跳傳輸測試所獲得的訊息交換現況，選定中繼節點，在本實施例，中介層按照節點間QoS結果，選定網路節點13作為中繼節點R，接著啟用例如但不限於HTTP/3.0協定並使用QUIC協定，在網路節點11、13及16間實施交握(handshaking)程序，交換節點彼此的MAC識別碼、TCP/IP資料或者UDP資料，而在網路節點11、13及16之間建立P2P通訊鏈路，包含從網路節點11到網路節點13的P2P通訊鏈路P2、從網路節點13到網 路節點16的P2P通訊鏈路P5，以組建自組織網路N1，如第6圖所揭示。
接著中介層在網路節點11、網路節點13與網路節點16上啟用例如但不限於MQTT協定並彼此訂閱多媒體串流為主題的訊息，網路節點11發布所擷取到的多媒體串流訊息，網路節點13接收訂閱的多媒體串流訊息並再次發布，網路節點16接收訂閱的多媒體串流訊息，傳輸給無線存取點103上傳到後台伺服器上的遠端監控平台，遠端監控平台再按照設定通知相關人員、或執行相關預設指令。
相同的，當網路節點12啟動影像串流後，根據逐跳傳輸測試所獲得的訊息交換現況，選定在網路節點12與網路節點13之間建立P2P通訊鏈路P3、在網路節點13與網路節點16之間建立P2P通訊鏈路P5，以組建自組織網路N2，當網路節點15啟動影像串流後，根據逐跳傳輸測試所獲得的訊息交換現況，選定直接在網路節點15與網路節點16之間建立P2P通訊鏈路P6，以組建自組織網路N3。
上述自組織網路N1、N2與N3的運作過程中，隨時會發生原本可用的網路節點，因為故障、收訊不良或失去電力等原因而失效，任何一個原本失效的網路節點，也會因為失效原因排除而重新接入網路並恢復成可用節點，因此中介層會保持節點探知協定在作業系統背景上持續運作、或定期啟用節點探知協定，隨時探測有無新的網路節點從失效狀態轉為可用狀態、或者相反的從可用狀態轉為失效狀態，並因應網路節點狀態的改變，重新實施逐跳傳輸測試，重新計算並建立新的節點拓撲。
舉例來說，當網路節點14從失效狀態恢復到可用狀態，但網路節點13從可用狀態變成失效狀態，則網路節點11將會重建傳輸路徑，經 過計算將重新選定在網路節點11與網路節點14之間建立P2P通訊鏈路P7、以及在網路節點14與網路節點16之間建立P2P通訊鏈路P8，以動態重建自組織網路N1，確保重要訊息能從網路節點11發送，透過無線存取點103，不中斷的上傳到後台伺服器上的遠端監控平台。
為了優化P2P通訊鏈路之布建效能，本發明較佳但不限於採用HTTP/3.0協定包含的QUIC連線建立機制，初始連線的建立只需消耗1單位RTT，相對於HTTP/2.0具有超低延遲的優勢，大幅縮減P2P通訊鏈路之布建造成的通訊延遲。
本發明提出的網路自組織方法，透過在網路節點內部署中介層，隨時根據節點狀態以及節點間訊息交換現況等，計算並且適應性的自我調整網路的拓撲型態，讓來源節點S產生的重要訊息，可以不中斷的接續傳輸給目標節點T或遠端的管理後台。
本發明提出一種於非結構化無線P2P網路上的媒體訊息分散機制，無論在任何現有的通訊基礎架構下，具有Wi-Fi和IoT功能的多部攝像機都可自組織內部的P2P網路，而每部攝像機以P2P的方式發布、訂閱及中繼媒體訊息。因此網路上的任何兩個裝置都可以在中繼路徑上發送及時訊息，中繼裝置負責轉發媒體串流。
第7圖係揭示本發明自組織網路應用第一實施例之示意圖；在本實施例係以住宅安控情境為例說明本發明自組織網路之應用場景，第7圖包含的基本住宅樓層平面圖，包含客廳、廚房、數間臥室、辦公室及廁所等房間，每一間房間內部署有一到兩台的串流攝像機31~36以及41~44，每一台串流攝像機31~40內部皆配置有一層中介層，除了串流攝像機41~44 具備較長通訊距離之外，其餘串流攝像機31~36具有較短的通訊距離，每一台串流攝像機31~36以及41~44在P2P網路中將同時作為伺服端(sever peer)、客戶端(client peer)以及閘道端(gateway peer)。
在本實施例，串流攝像機31~36以及41~44等節點，皆具有影像處理與運算能力，內部配置高效能影像處理器模組，能自主偵測並判斷特定觸發事件是否發生，實現邊緣運算(edge computing)，舉例來說，串流攝像機31~36以及41~44經由執行幀(frame)比對運算，而有能力偵測發生在室內的動作事件，當設置在廁所的串流攝像機41，偵測到廁所內有不明原因動作事件發生，串流攝像機41內部中介層啟動影像串流，並開始組建自組織網路N1，經由啟用節點探知協定確認可用節點後，實施逐跳傳輸測試，發現只有串流攝像機36具備對外通訊能力，指定串流攝像機36為目標節點T。
串流攝像機41進一步基於最短傳輸時間的需求，指定串流攝像機33與32為中繼節點R，而建立基於P2P的自組織網路N1，接著在串流攝像機41、32、33與36上啟用網際網路應用層訊息傳輸協定，而將即時影像串流傳輸給串流攝像機36，透過串流攝像機36將即時影像串流傳送給遠端伺服器104上的監控平台，將即時影像串流繼續傳輸給安控中心的安全監控平台網頁201，安全監控平台網頁201第一顯示區202顯示來自串流攝像機41的即時影像串流畫面，安控中心人員觀看第一顯示區202畫面，得知發生在廁所的不明原因動作事件只是毛巾滑落，安全監控平台網頁201較佳嵌入有一組即時通訊介面204。
當串流攝像機34有24小監控的需求時，經過中介層運算後， 串流攝像機34將串流攝像機36指定為目標節點T，並將串流攝像機43指定為中繼節點R，而建立基於P2P的自組織網路N2，接著在串流攝像機34、43與36上啟用訊息傳輸協定而將即時串流影像傳輸給安全監控平台網頁201，安全監控平台網頁201第二顯示區203顯示來自串流攝像機34的即時影像串流畫面，24小時不中斷的提供安控中心人員執行監視，中介層會定期透過監聽指定的位址埠，如有需要將重新計算節點拓撲，以便隨時重組自組織網路N1與N2。
第8圖係揭示本發明自組織網路應用第二實施例之示意圖；在本實施例係以居家照護情境為例說明本發明自組織網路之應用場景，第8圖包含的透天厝在每一個房間內都部署有一到兩台的串流攝像機，而每一台串流攝像機皆具有影像處理與運算功能，能自主偵測並判斷長者跌倒(elderly’s fall)事件的發生，當串流攝像機51偵測到長者跌倒事件發生而觸發影像串流，串流攝像機51經由辨識MAC識別碼得知網路節點54為無線AP設備，將網路節點54指定為目標節點T，並指定串流攝像機52與53為中繼節點R，組建自組織網路N，將即時串流影像回傳後端伺服器105上照護平台，照護平台將即時串流影像推播(broadcast)給多台使用者設備(UE)301、302與303上前端應用程式的視訊網頁211、212與213，或者另外推播字串訊息給使用者設備301、302與303上即時通訊(instant messaging)軟體如Line應用程式，供例如家人、照護人員或急救人員等相關人員觀看與讀取；本發明尤其適用於緊急事件的推播。
因此每個網路節點都可以利用節點間訊息交換現況來計算節點拓撲，並提出一種於非結構化無線P2P網路上的媒體訊息分散機制，無 論在任何現有的通訊基礎架構下，具有Wi-Fi和IoT功能的多個攝像機都可自組織內部的P2P網路，而每個攝像機以P2P的方式發布、訂閱及中繼媒體訊息。因此網路上的任何兩個裝置都可以在中繼路徑上發送及時訊息，中繼裝置負責轉發媒體串流。
尤其對許多室內網路而言，網路部署以及傳輸距離等因素皆會影響資料傳遞，導致網路的穩定性不足，因此節點裝置間需要重新自我組織並依照需求建立專用網路。
第9圖揭示本發明自組織網路組建方法之實施步驟流程圖；小結而言，本發明自組織網路組建方法500，較佳包含下列步驟：提供複數網路節點，並在每一該等網路節點內配置一層中介層(步驟501)；啟用節點探知協定，以探測該等網路節點中的多個工作節點以及多個失效節點，並定期向位址埠回報(步驟502)；實施逐跳傳輸測試，以獲得該等工作節點間的訊息交換現況(步驟503)；根據該訊息交換現況，計算該等工作節點的節點拓撲(步驟504)；根據該節點拓撲在該等工作節點之間建立至少一對等式通訊鏈路(步驟505)；啟用網際網路應用層訊息傳輸協定，以透過該至少一對等式通訊鏈路進行訊息傳輸(步驟506)；以及監聽該位址埠或重新實施該逐跳傳輸測試，以因應該訊息交換現況之變化，適應性重新計算該節點拓撲，據此重建該至少一對等式通訊鏈路(步驟507)。
本發明提出在鄰近物聯裝置間的自組織網路架構，建立點對點連線後，可以直接共享訊息且不需透過中央伺服器，能夠不受環境無線網路部署分區影響，本發明還具備以下優點：
(1)自組織網路架構：在該架構上鄰近裝置可以直接建立點 對點連接及中繼資料流的傳輸，且無需借助於基礎網路架構。
(2)攝像機部署：裝置可以在環境中獲得完整的網路拓撲，並針對任何一對來源裝置和目標裝置之間的資料流，找到另一個裝置的中繼路徑。
(3)跳點媒體串流：為了克服環境中無線網路部署的分區，透過新型無線資料技術，可以在裝置間直接共享訊息來發佈、訂閱及中繼媒體訊息，無需中央伺服器。
(4)家庭網路結構：本發明的技術具有自組織和動態連接的分散式及非結構化家庭網路結構，並支援攝像機陣列部署以及家庭環境中的裝置和服務發現。
(5)不修改現有網路基礎架構：本發明的技術可直接在現有網路架構上實施，與現有網路分層堆疊架構相容，在網路節點上安裝中介層不需修改現有網路架構即可實施。
本發明以上各實施例彼此之間可以任意組合或者替換，從而衍生更多之實施態樣，但皆不脫本發明所欲保護之範圍，茲進一步提供更多本發明實施例如次：
實施例1：一種自組織網路組建方法，其包含：提供複數網路節點，並在每一該等網路節點內配置一層中介層；實施逐跳傳輸測試，以獲得該等網路節點間的訊息交換現況；根據該訊息交換現況，計算該等網路節點的節點拓撲；根據該節點拓撲在該等網路節點之間建立至少一對等式通訊鏈路；以及透過該至少一對等式通訊鏈路進行訊息傳輸。
實施例2：如實施例1所述之自組織網路組建方法，還包含以 下步驟其中之一：啟用節點探知協定，以探測該等網路節點中的工作節點以及失效節點，並定期向位址埠回報；啟用交握致能協定，並參考該節點拓撲在該等工作節點之間進行交握，以建立該至少一對等式通訊鏈路；啟用應用層訊息傳輸協定，以透過該至少一對等式通訊鏈路進行訊息傳輸；啟用物聯網訊息傳輸協定，以透過該至少一對等式通訊鏈路進行訊息傳輸；啟用物聯網框架以為該等網路節點建立身分認證並確保通訊安全；啟用物聯網框架以賦予該等網路節點物聯網通訊框架，以實現無縫的節點到節點連接、物聯網之接入或物聯網之組建；根據該訊息交換現況與該節點拓撲，對每一該等網路節點指定節點類型；監聽該位址埠或重新實施該逐跳傳輸測試，以因應該訊息交換現況之變化，適應性重新計算該節點拓撲，據此重建該至少一對等式通訊鏈路；以及在每一該等網路節點內配置感測硬體模組、智慧控制硬體模組、連網硬體模組及其組合其中之一。
實施例3：如實施例1所述之自組織網路組建方法，其中該節點探知協定係為一通用隨插即用協定(UPnP)、一簡單服務發現協定(SSDP)、一鄰居發現協定(NDP)以及一節點探索協定(PDP)其中之一；該交握致能協定係為一超文本傳輸協議第1.0版(HTTP/1.0)、一超文本傳輸協議第1.1版(HTTP/1.1)、一超文本傳輸協議第2版(HTTP/2)、一超文本傳輸協議第3版(HTTP/3)、一超文本傳輸安全協定(HTTPS/TLS,HTTPS/SSL)以及一快速UDP網路連接協定(QUIC)其中之一；以及該應用層訊息傳輸協定與該物聯網訊息傳輸協定係為一訊息佇列遙測傳輸協定(MQTT)、一可延伸訊息與存在協定(XMPP)、一約束應用協定(CoAP)、一高級訊息隊列協定(AMQP)、一表現層狀態轉換協定(REST)以及一WebSocket傳輸協定其中之一。
實施例4：如實施例1所述之自組織網路組建方法，其中該節點類型係為來源節點、中繼節點以及目標節點其中之一。
實施例5：一種自組織網路節點裝置，其係為複數節點裝置的其中一個，及包含：處理單元，其經配置執行中介層，以實施逐跳傳輸測試而獲得該等網路節點間的訊息交換現況，並根據該訊息交換現況計算該等網路節點的節點拓撲；以及通訊單元，根據該節點拓撲在該等網路節點之間建立至少一對等式通訊鏈路，並透過該至少一對等式通訊鏈路進行訊息傳輸。
實施例6：如實施例5所述之自組織網路節點裝置，其中該處理單元與該通訊單元經配置進一步執行以下步驟其中之一：啟用節點探知協定，以探測該等網路節點中的工作節點以及失效節點，並定期向位址埠回報；啟用交握致能協定，並參考該節點拓撲在該等工作節點之間進行交握，以建立該至少一對等式通訊鏈路；啟用應用層訊息傳輸協定，以透過該至少一對等式通訊鏈路進行訊息傳輸；啟用物聯網訊息傳輸協定，以透過該至少一對等式通訊鏈路進行訊息傳輸；啟用物聯網框架以為該等網路節點建立身分認證並確保通訊安全；啟用物聯網框架以賦予該等網路節點物聯網通訊框架，以實現無縫的節點到節點連接、物聯網之接入或物聯網之組建；根據該訊息交換現況與該節點拓撲，對每一該等網路節點指定節點類型；監聽該位址埠或重新實施該逐跳傳輸測試，以因應該訊息交換現況之變化，適應性重新計算該節點拓撲，據此重建該至少一對等式通訊鏈路；以及在每一該等網路節點內配置感測硬體模組、智慧控制硬體模組、連網硬體模組及其組合其中之一。
實施例7：如實施例5所述之自組織網路節點裝置，還包含感測硬體模組、智慧控制硬體模組、連網硬體模組及其組合其中之一。
實施例8：一種自組織網路，其包含：複數網路節點，每一該等網路節點經配置執行中介層，以實施逐跳傳輸測試而獲得該等網路節點間的訊息交換現況，並根據該訊息交換現況計算該等網路節點的節點拓撲；以及在該等網路節點之間，根據該節點拓撲在該等網路節點之間建立至少一對等式通訊鏈路，並透過該至少一對等式通訊鏈路進行訊息傳輸。
實施例9：如實施例8所述之自組織網路，其中每一該等網路節點經配置進一步執行以下步驟其中之一：啟用節點探知協定，以探測該等網路節點中的工作節點以及失效節點，並定期向位址埠回報；啟用交握致能協定，並參考該節點拓撲在該等工作節點之間進行交握，以建立該至少一對等式通訊鏈路；啟用應用層訊息傳輸協定，以透過該至少一對等式通訊鏈路進行訊息傳輸；啟用物聯網訊息傳輸協定，以透過該至少一對等式通訊鏈路進行訊息傳輸；啟用物聯網框架以為該等網路節點建立身分認證並確保通訊安全；啟用物聯網框架以賦予該等網路節點物聯網通訊框架，以實現無縫的節點到節點連接、物聯網之接入或物聯網之組建；根據該訊息交換現況與該節點拓撲，對每一該等網路節點指定節點類型；監聽該位址埠或重新實施該逐跳傳輸測試，以因應該訊息交換現況之變化，適應性重新計算該節點拓撲，據此重建該至少一對等式通訊鏈路；以及在每一該等網路節點內配置感測硬體模組、智慧控制硬體模組、連網硬體模組及其組合其中之一。
實施例10：如實施例8所述之自組織網路，其中每一該等網 路節點還包含感測硬體模組、智慧控制硬體模組、連網硬體模組及其組合其中之一。
本發明各實施例彼此之間可以任意組合或者替換，從而衍生更多之實施態樣，但皆不脫本發明所欲保護之範圍，本發明保護範圍之界定，悉以本發明申請專利範圍所記載者為準。
11~16:網路節點
103:無線存取點
S:來源節點
R:中繼節點
T:目標節點
P2~P3:P2P通訊鏈路
P5~P8:P2P通訊鏈路
N1:自組織網路
N2:自組織網路

Claims (10)

  1. 一種自組織網路組建方法，其包含：提供複數網路裝置，並在每一該等網路裝置內配置一層中介層；實施一應用層服務探知協定，以獲得該等網路裝置間的複數服務裝置以及一訊息交換現況；根據該訊息交換現況，計算該等服務裝置的一節點拓撲；實施一簡化型資料報交握協定，以根據該節點拓撲在該等服務裝置之間建立至少一對等式傳輸連線；以及實施一應用層主題式訊息發布/訂閱傳輸協定，以透過該至少一對等式傳輸連線進行訊息傳輸。
  2. 如請求項1所述之自組織網路組建方法，還包含以下步驟其中之一：啟用該應用層服務探知協定，以探測該等網路裝置中的該等服務裝置以及失效裝置，並定期向一位址埠回報；啟用一物聯網訊息傳輸協定，以透過該至少一對等式傳輸連線進行訊息傳輸；啟用物聯網框架以為該等網路裝置建立身分認證並確保通訊安全；啟用物聯網框架以賦予該等網路裝置物聯網通訊框架，以實現無縫的節點到節點連接、物聯網之接入或物聯網之組建；根據該訊息交換現況與該節點拓撲，對每一該等服務裝置指定一裝置類型；監聽該位址埠以因應該訊息交換現況之變化，適應性重新計算該節點拓撲，據此重建該至少一對等式傳輸連線；以及 在每一該等網路裝置內配置一感測硬體模組、一智慧控制硬體模組、一連網硬體模組及其組合其中之一。
  3. 如請求項2所述之自組織網路組建方法，其中該應用層服務探知協定係為一通用隨插即用協定(UPnP)、一簡單服務發現協定(SSDP)、一鄰居發現協定(NDP)以及一節點探索協定(PDP)其中之一；該簡化型資料報交握致能協定係為一超文本傳輸協議第1.0版(HTTP/1.0)、一超文本傳輸協議第1.1版(HTTP/1.1)、一超文本傳輸協議第2版(HTTP/2)、一超文本傳輸協議第3版(HTTP/3)、一超文本傳輸安全協定(HTTPS/TLS,HTTPS/SSL)以及一快速UDP網路連接協定(QUIC)其中之一；以及該應用層主題式訊息發布/訂閱傳輸協定與該物聯網訊息傳輸協定係為一訊息佇列遙測傳輸協定(MQTT)、一可延伸訊息與存在協定(XMPP)、一約束應用協定(CoAP)、一高級訊息隊列協定(AMQP)、一表現層狀態轉換協定(REST)以及一WebSocket傳輸協定其中之一。
  4. 如請求項2所述之自組織網路組建方法，其中該裝置類型係為一來源裝置、一中繼裝置以及一目標裝置其中之一。
  5. 一種自組織網路節點裝置，其係為複數節點裝置的其中一個，及包含：一處理單元，其經配置執行一中介層，以執行一應用層服務探知協定而獲得該等節點裝置間的複數服務節點以及一訊息交換現況，並根據該訊息交換現況計算該等服務節點的一節點拓撲；以及一通訊單元，其執行一簡化型資料報交握協定，以根據該節點拓撲在該等服務節點之間建立至少一對等式傳輸連線，並透過執行一應用層 主題式訊息發布/訂閱傳輸協定而經由該至少一對等式傳輸連線進行訊息傳輸。
  6. 如請求項5所述之自組織網路節點裝置，其中該處理單元與該通訊單元經配置進一步執行以下步驟其中之一：啟用該應用層服務探知協定，以探測該等網路節點中的該等服務節點以及失效節點，並定期向一位址埠回報；啟用一物聯網訊息傳輸協定，以透過該至少一對等式傳輸連線進行訊息傳輸；啟用物聯網框架以為該等服務節點建立身分認證並確保通訊安全；啟用物聯網框架以賦予該等服務節點對應的物聯網通訊框架，以實現無縫的節點到節點連接、物聯網之接入或物聯網之組建；根據該訊息交換現況與該節點拓撲，對每一該等服務節點指定一節點類型；以及監聽該位址埠以因應該訊息交換現況之變化，適應性重新計算該節點拓撲，據此重建該至少一對等式傳輸連線。
  7. 如請求項5所述之自組織網路節點裝置，還包含一感測硬體模組、一智慧控制硬體模組、一連網硬體模組及其組合其中之一。
  8. 一種自組織網路，其包含：複數服務節點，每一該等服務節點經配置執行一中介層，以執行一應用層服務探知協定而獲得該等服務節點間的一訊息交換現況，並根據該訊息交換現況計算該等服務節點的一節點拓撲；以及 在該等服務節點之間執行一簡化型資料報交握協定，以根據該節點拓撲在該等服務節點之間建立至少一對等式傳輸連線，並透過執行一應用層主題式訊息發布/訂閱傳輸協定而經由該至少一對等式傳輸連線進行訊息傳輸。
  9. 如請求項8所述之自組織網路，其中每一該等服務節點經配置進一步執行以下步驟其中之一：啟用該應用層服務探知協定，以探測該等網路節點中的該等服務節點以及失效節點，並定期向一位址埠回報；啟用一物聯網訊息傳輸協定，以透過該至少一對等式傳輸連線進行訊息傳輸；啟用物聯網框架以為該等服務節點建立身分認證並確保通訊安全；啟用物聯網框架以賦予該等服務節點物聯網通訊框架，以實現無縫的節點到節點連接、物聯網之接入或物聯網之組建；根據該訊息交換現況與該節點拓撲，對每一該等網路節點指定一節點類型；以及監聽該位址埠，以因應該訊息交換現況之變化，適應性重新計算該節點拓撲，據此重建該至少一對等式傳輸連線。
  10. 如請求項8所述之自組織網路，其中每一該等網路節點還包含一感測硬體模組、一智慧控制硬體模組、一連網硬體模組及其組合其中之一。
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