自组网和其他非自组网的异构网络及数据的融合交换方法与流程

1.本发明涉及数据通信技术领域，特别是涉及一种自组网和其他非自组网的异构网络及数据的融合交换方法。


背景技术：

2.自组网是一个由多个节点组成的、动态组网的多跳的移动性对等网络。网络中没有严格的控制中心节点，各节点自行组网。通信时，当节点与其覆盖范围外节点通信时由其他用节点进行数据的多跳转发，网络的拓扑结构随着各节点的移动随时变化。
3.在现有技术下，未发现同时支持自组网与非自组网形态网络的节点形态，以及节点间同时利用自组网与其他非自组网构成的异构网络进行数据融合交换的方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种自组网和其他非自组网的异构网络及数据的融合交换方法，用于通信设备同时支持自组网与其他数据通信网络，形成异构网络，并实现利用异构网络融合自组网进行数据交换，避免环路形成，带来的网络风暴问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种自组网和其他非自组网的异构网络，包括：同时支持自组网和星形网的融合节点与仅支持自组网的普通节点；所述自组网与星形网是工作于ip网络层上的多层网络；所述自组网层面各节点为对等节点，全网无中心节点；所述星形网层面各节点间为点对点网络，存在中心节点；所述中心节点通过频段一与其他融合节点构成星型网络，融合节点间及普通节点通过频段二构成自组织网络；所述频段一和频段二为任意不同频段。
7.可选的，所述融合节点和普通节点至少支持终端结构、尺寸重量、天线形式、天线数量、发射功率、可选频率通道的技术参数中的一种或多种。
8.可选的，所述融合节点和普通节点的形态至少为地面节点、机载节点、手持节点、车载节点中的一种或多种；不同节点之间的无线传输信道，随着节点的运动而实时变化。
9.一种自组网和其他非自组网的异构网络数据的融合交换方法，应用于上述的自组网和其他非自组网的异构网络，包括：
10.自组网设备和星形网设备均通过ip报文对外交换业务数据，融合节点内部工业控制计算机通过网口与自组网电台设备和星形网设备连接，通过ip层对数据进行路由、转发和中继；
11.当频段二自组网联通了融合节点时，在切断频段一网络数据转发的情况下，融合节点的工业控制计算机可以访问到对方，此时不需要通过频段一转发数据，则工业控制计算机不对两个网卡做二层桥接；当融合节点间频段二自组网中断时，在切断频段一网络数据转发的情况下，融合节点的工业控制计算机不能访问到对方，此时需要通过频段一转发数据，不会形成网络环路，则工业控制计算机应对两个网卡做二层桥接；对工业控制计算机必须在二层mac层，通过发送特制的探测报文，同时避免环路风暴；
12.与自组网设备路由和交换在二层维护一样，对工业控制计算机linux操作系统内核做定制，增加特殊虚拟网卡，虚拟网卡与两网段自组网对应网卡桥接；编写控制软件，定时发送特殊mac探测帧，在融合节点间进行探测，通过虚拟网卡控制mac探测帧仅通过自组网或星形网外发，避免因频段一桥接工作时误判；同时虚拟网卡驱动层确保发送目的mac地址为全网中实际并不存在的特殊mac地址，这个特殊mac地址与全网任何节点网卡均不匹配，各个节点网卡的网络协议栈会直接丢弃该mac探测帧，同时融合节点的虚拟网卡应用层app会识别接收该探测帧，做识别过滤。
13.可选的，所述工业控制计算机上运行linux操作系统，两个物理网卡eth0、eth1分别直连频段一和频段二设备网卡，虚拟网卡设备tapx、taby分别与eth0、eth1桥接，业务数据通过socketapi进入操作系统，经由网络协议栈、网卡设备eth0、eth1最终从物理网卡发出；在操作系统内部桥接，往返于物理网卡的业务数据，也能通过虚拟网卡设备tapx、tapy被应用层程序app处理；利用虚拟网卡设备，应用层处理程序app收发得到经过物理网卡的二层报文，在此基础上进行报文的鉴别、报文编辑操作，同时根据路由策略选通特定报文通过应用程序app转发，实现报文在频段一和频段二网卡间过滤、转发功能。
14.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明解决了自组网与其他网络的异构网络融合通信时后会形成环路，同时带来的网络风暴的问题，实现了同时利用自组网和其他网络的多种网络进行组网通信的能力。
附图说明
15.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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1为本发明实施例自组网和其他非自组网的异构网络的结构示意图；
17.图2为本发明实施例自组网和其他非自组网的异构网络的架构图一；
18.图3为本发明实施例自组网和其他非自组网的异构网络的架构图二；
19.图4为本发明实施例软件架构图。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.本发明的目的是提供一种自组网和其他非自组网的异构网络及数据的融合交换方法，用于通信设备同时支持自组网与其他数据通信网络，形成异构网络，并实现利用异构网络融合自组网进行数据交换，避免环路形成，带来的网络风暴问题。
22.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
23.如图1所示，本发明实施例提供的自组网和其他非自组网的异构网络，包括：同时
支持自组网和星形网的融合节点与仅支持自组网的普通节点；所述自组网与星形网是工作于ip网络层上的多层网络；所述自组网层面各节点为对等节点，全网无中心节点；所述星形网层面各节点间为点对点网络，存在中心节点；所述中心节点通过频段一与其他融合节点构成星型网络，融合节点间及普通节点通过频段二构成自组织网络；所述频段一和频段二为任意不同频段。
24.其中，自组网与其他星形网的异构网络各节点支持并不限于终端结构、尺寸重量、天线形式、天线数量、发射功率、可选频率通道等技术参数，节点形态可能为地面节点、机载节点、手持节点、车载节点；异构网络同时存在自组网和星形网；不同节点之间的无线传输信道，随着节点的运动而实时变化。
25.自组网与其他网络的异构网络是工作于ip网络层上的多层网络，下面方法以自组网和星形网为例。
26.如图2所示，单天线的电台表示只支持频段二的自组网节点，双天线的电台表示同时支持频段二自组网、频段一星形网的融合节点；只支持频段二的自组网节点间仅有一条ip链接通路；融合节点则同时存在两条ip链接通路，一条为频段二自组网连接，一条为频段一星形网连接。
27.当融合节点的间频段二自组网畅通时，所有设备处于同一个自组网ip子网；当其频段二断开，仅有频段一畅通时，单频点的普通节点设备会各自分裂形成两个独立的自组网子网；融合网络节点间星形网保持连接。因两个自组网子网分别为独立的局域网，此时左侧自组网设备无法直接访问右侧自组网设备，ip数据报文需要通过融合网络节点的星形网络对应的ip通道进行转发。
28.对应融合节点设备本身而言，网络表现为工业控制计算机两个独立的网卡，一个接无线自组网，一个接星形网，两张网卡分别接入两个子网。当频段二自组网与频段一星形网都联通时，网内所有节点均处于同一个局域网，频段一的网卡为同子网冗余通道；当频段二自组网中断时，频段一的网卡桥接了两个不同的子网。
29.自组网设备和星形网设备都是通过ip报文对外交换业务数据。融合网络节点内部工业控制计算机通过网口与自组网电台设备和星形网设备连接，通过ip层对数据进行路由、转发和中继。
30.自组网网络设备路由和拓扑维护工作于tcp/ip网络协议栈的二层，当自组网联通时，自组网内各个电台功能上等价于网络交换机，因而各个节点外接的网络外设处于一个局域网且可以互相访问。自组网与其他网络的异构网络中，中心节点和其他两个融合节点，除了包含自组网连接外，同时还具有中心节点到两个融合节点的星形点对点连接，这些融合节点在自组网连接之外，还具有形成二层及以上网络通路的能力。因而，当自组网已联通的情况下，融合节点的星形网络也保持连接时，如果此时星形网络对来自频段二自组网网卡的数据进行转发，则会造成局域网内形成网络环路。当网络中出现广播报文时，广播报文不仅会因为星形网络二次转发造成报文重复，还因为局域网内存在网络环路，形成广播风暴，逐步造成网络拥塞，有效数据吞吐量急剧下降直至网络不可用。由此可知，自组网与其他网络的异构网络不简单的是通过融合节点进行数据中继和转发，其主要难点在控制频段二与频段一联通策略，避免形成网络环路。而频段二与频段一联通策略，需要通过在融合节点的工业控制计算机上开发控制逻辑完成。
31.如图3所示，对于融合节点，其中包含的工业控制计算机一个网卡连接频段二自组网，一个网卡连接频段一星形网。协同网网络内一共存在三个融合节点，对应三台工业控制计算机。当频段二自组网联通了融合节点时，在切断频段一网络数据转发的情况下，融合节点的工业控制计算机可以访问到对方。此时可知，不需要通过频段一转发数据，故工业控制计算机不对两个网卡做二层桥接；当融合节点间频段二自组网中断情况下，在切断频段一网络数据转发的情况下，融合节点的工业控制计算机不能访问到对方。此时可知，需要通过频段一转发数据，不会形成网络环路，故工业控制计算机应两个网卡做二层桥接。
32.通过在工业控制计算机上设置监测软件，探测频段二自组网是否能连通工业控制计算机，就可以决定是否建立频段一桥接，保证网络联通同时避免环路。然而，探测是否能够通过自组网是否能够联通工业控制计算机，不能简单直接通过三层以上协议数据通信完成，如ping包或ip报文。当打通频段一桥接时，ip数据报文会通过桥接联通所有节点，已无法分辨网络是否由自组网联通还是靠频段一桥接联通；同时，无线环境下，各个节点由于相对运动，拓扑不断变化，原本断掉的频段二自组网可能又会突然恢复，利用三层协议，ip报文探测是否联通工业控制计算机，本身就会因报文重复，触发网络环路，形成广播风暴。因此，对工业控制计算机必须在二层mac层，通过发送特制的探测报文，同时避免环路风暴。与自组网设备路由和交换在二层维护一样，对工业控制计算机linux操作系统内核做定制，增加特殊虚拟网卡，虚拟网卡与两网段自组网对应网卡桥接。编写控制软件，定时发送特殊mac探测帧，在三个融合节点间进行探测，通过虚拟网卡控制mac探测帧仅通过自组网或星形网外发，避免因频段一桥接工作时误判；同时虚拟网卡驱动层确保发送目的mac地址为全网中实际并不存在的特殊mac地址，这个特殊mac地址，因为与全网任何节点网卡均不匹配，各个节点网卡的网络协议栈会直接丢弃该mac探测帧，同时三个融合节点的虚拟网卡应用层app会识别接收该探测帧，做识别过滤，从而保证识别网络连接情况，又避免网络环路风暴。
33.本发明实施例还提供了自组网和其他非自组网的异构网络数据的融合交换方法，应用于上述的自组网和其他非自组网的异构网络，包括：
34.自组网设备和星形网设备均通过ip报文对外交换业务数据，融合节点内部工业控制计算机通过网口与自组网电台设备和星形网设备连接，通过ip层对数据进行路由、转发和中继；
35.当频段二自组网联通了融合节点时，在切断频段一网络数据转发的情况下，融合节点的工业控制计算机可以访问到对方，此时不需要通过频段一转发数据，则工业控制计算机不对两个网卡做二层桥接；当融合节点间频段二自组网中断时，在切断频段一网络数据转发的情况下，融合节点的工业控制计算机不能访问到对方，此时需要通过频段一转发数据，不会形成网络环路，则工业控制计算机应对两个网卡做二层桥接；对工业控制计算机必须在二层mac层，通过发送特制的探测报文，同时避免环路风暴；
36.与自组网设备路由和交换在二层维护一样，对工业控制计算机linux操作系统内核做定制，增加特殊虚拟网卡，虚拟网卡与两网段自组网对应网卡桥接；编写控制软件，定时发送特殊mac探测帧，在融合节点间进行探测，通过虚拟网卡控制mac探测帧仅通过自组网或星形网外发，避免因频段一桥接工作时误判；同时虚拟网卡驱动层确保发送目的mac地址为全网中实际并不存在的特殊mac地址，这个特殊mac地址与全网任何节点网卡均不匹
配，各个节点网卡的网络协议栈会直接丢弃该mac探测帧，同时融合节点的虚拟网卡应用层app会识别接收该探测帧。
37.根据自组网与其他网络的异构网络系统结构所述，其中融合节点同时包含频段一、频段二两个网络；设备组成上，由一个工业控制交换机分别通过网卡连接频段一和频段二设备，融合节点负责星形网络和自组网络的数据交换与转发，软件架构如图4所示，所述工业控制计算机上运行linux操作系统，两个物理网卡eth0、eth1分别直连频段一和频段二设备网卡，虚拟网卡设备tapx、taby分别与eth0、eth1桥接，业务数据通过socketapi进入操作系统，经由网络协议栈、网卡设备eth0、eth1最终从物理网卡发出；在操作系统内部桥接，往返于物理网卡的业务数据，也能通过虚拟网卡设备tapx、tapy被应用层程序app处理；利用虚拟网卡设备，应用层处理程序app收发得到经过物理网卡的二层报文，在此基础上进行报文的鉴别、报文编辑操作，同时根据路由策略选通特定报文通过应用程序app转发，实现报文在频段一和频段二网卡间过滤、转发功能。
38.通过上述的软件架构描述可知，融合节点的工业控制计算机能基于二层报文做交换、过滤，甚至对报文做编辑。利用此机制，对通过频段一收发的报文，在二层头部增加源地址、目的地址字段，分别对应三个融合节点设备。应用程序app将来自频段一的数据识别后，需要转发至频段二时，剥除增加的源地址、目的地址字段，再转发至物理网卡。
39.应用程序app能够识别三个融合节点间任意两者之间的数据，可以通过过滤、转发策略，实现中心节点与两个融合节点间独立的逻辑桥接。即可以做到中心节点在融合节点1之间频段一数据桥接同时切断中心节点与融合节点2的频段一通路；或者中心节点与融合节点间全部频段一通路切断与接通。
40.本发明解决了自组网与其他网络的异构网络融合通信时后会形成环路，同时带来的网络风暴的问题，实现了同时利用自组网和其他网络的多种网络进行组网通信的能力。
41.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。