专利名称：一种物联网的末端网络及其渗流数传方法
技术领域：
本发明涉及一种物联网的末端网络及其渗流数传方法，特别涉及一种无服务器、 无网关的物联网末端网络结构，以及基于小世界模型六度空间理论的高效渗流选路方法， 属于物联网组网及数据传输技术领域。
背景技术：
物联网是互联网的扩展和延伸，该网络是世间“万物”连接成的一个可控、安全的 信息网络，可应用于各行各业，如
图1所示。一般地，物联网更多地可理解成各行各业的设 备组织成网络，即末端网络，这些末端网络再通过适当的方式连接到互联网，实现网络中任 何时间、任何地点人与物之间、物与物之间的通信，实现信息获取、设备控制等，如图2所 示。作为物联网的核心——互联网，其网络基础设施和网络协议都十分成熟和完备，而物联 网的末端网络还需大力发展。物联网的末端网络和传统的互联网结构不同。传统的互联网中设置了大量的网 关和路由器，网络节点之间通过网关和路由器进行通信。在物联网的末端网络中，网络节 点的设备可能都很小，网络节点之间大多通过无线连接，节点设备的功率、处理能力都非常 有限，网络规模动态变化。另外，在很多应用情况下，末端网络中，节点通信的可靠性、准确 性和安全性要求很高，而对数据传输的有效性、实时性等要求可适当放宽。“泛在”、“异质”、 “自由”是物联网末端网络的典型特征。在大多数场合下，这样的网络中难以布置网关和路 由设备。传统的互联网协议用于末端网络实现物联很不经济。首先，物联网末端网络节点 带宽较小，数据包长度大都很短，而互联网的TCP/IP开销很大，其反馈重传会进一步造成 带宽的浪费；其次，TCP/IP协议要求末端网络中设置适当数量的网关和路由器，这增加了 末端网络架构的复杂性，造成网络安装、运营维护成本的提高。目前无网关、无服务器的网络有Ad hoc网络。C K Toh编写的“Ad Hoc Mobile Wireless Networks protocols and Systems”介绍了无线Ad hoc 的网络结构禾口组网方法， G. Jayakumar禾口G. Gopinath在"Ad Hoc Mobile Wireless Networks Routing Protocols-A Review”一文中综述了关于Ad hoc的各种路由协议。Ad hoc网络中虽然网络中无需部署网 关和路由器，但每一个网络节点需了解整个网路的路由结构并计算路由，为此，网络中需要 广播大量的路由维护信息，网络节点增加、消失造成网络结构变化时，网络自愈开销很大， 另外节点为完成路由处理需要的计算量也比较大，网络节点设备计算和存储要求很高，成 本很高，难以应用于物联网末端网络实现设备之间的互联。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提出一种物联网的末端网络及其渗流数传 方法。本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明的一种物联网的末端网络，将网络中每一个物体设备定义为网络的一个节 点，每个节点和网络中一个或多个节点连接。当每个节点和另一个节点具有无需其他转接 的直接连接关系时，定义此二节点互为近邻，则网络中每个节点和网络中一个或多个节点 形成近邻关系。一个节点和近邻之间的直接连接关系定义为链路。网络中，任意两个节点 不为近邻关系时，则此二节点可通过有限次转接进行连接。网络中任意两个节点之间通过 有限次转接建立的一个连接关系，从其中一个节点到达另一个节点的连接通路中所有中间 节点和链路构成的集合，定义为此二节点之间的一条路由。如果通路是单向的，则定义此路 由为单向路由；如果通路是双向的，则定义此路由为双向路由；在网络中，若一个节点近邻 数量很多，近邻数量远远多于网络节点的平均近邻数，则定义此节点为明星节点；在上述网络结构中，每个节点与近邻连结。从整个网络观察，当节点数量很大时， 网络中每个节点随机地与网络中若干节点关联，构成一个小世界模型。按照六度空间理论， 在这样的网络中，由于每个节点随机地与网络中若干节点关联，任意两个节点之间经过少 数几次转接就可以以非常高的概率建立连接关系。因此，网络中任意一个节点想要向其它 某节点发送数据，只需要将数据交给“最可能”能够将自己的数据转给目的之一个或多个近 邻。其受托近邻按照同样的原则将数据进行转发就可以了。按照这种方式，网络中任意二 节点可建立一条或多条路由；在上述网络结构中，每个节点本身带有路由信息，每个节点的路由信息所包含的 内容为(1)本节点的近邻节点数量，即从本节点无需转接可直达的节点数目；(2)本节点的近邻节点名称列表，这些近邻的名称可以是节点的全局名称，也可以 是本节点根据其相对于本节点位置等信息编制的用于区分各近邻节点的本地名称；(3)本节点的近邻节点地址列表，该列表枚举出本节点近邻的地址，节点地址是 网络中用以标识节点的编号，可以是节点的IP地址，也可以是节点在末端网络中的本地编 号，不同节点具有不同的地址；(4)本节点通过本节点的近邻节点可达网络各节点的度量列表。从本节点出发到 网络中另一节点，可能通过其中部分近邻经一次转接就可以到达，经过另一部分近邻可能 需要两次或两次以上转接才能到达，甚至可能通过一部分近邻无法到达。通过近邻节点可 达网络某目的节点的度量反应从本节点经过特定近邻可达目的节点的难易程度，经特定近 邻可迂回到达目的的路径数越多，此度量值越大。对于本节点未知的目的节点，在本节点第 一次参与其选路时，可将度量值的初始值设为0 ；(5)本节点与各近邻节点直达路由的带宽列表；(6)本节点通过近邻节点可达网络各节点的带宽列表。该列表枚举从本节点出发 到网络中另一节点的历史数据带宽，对于本节点未知的目的节点，此带宽初始值可设置为 一预设的最小值；在上述网络结构中，任一节点C的带有的路由信息如表1所示。表1中，当前节点 C在网络中有N个近邻节点，分别为L1, L2,…，LN，除去近邻外其它节点分别为D1, D2,..., Dl,表1中Mc 表示当前节点C通过近邻节点Li可达节点Dk的度量，R1, &，. . .，&表 示本节点直达各近邻节点的带宽，i,—2 表示当前节点C通过近邻节点Li可达节点Dk的 带宽。
表 权利要求
1.一种物联网的末端网络，将网络中每一个物体设备定义为网络的一个节点，每个节 点和网络中一个或多个节点连接；当每个节点和另一个节点具有无需其他转接的直接连接 关系时，定义此二节点互为近邻，一个节点和近邻之间的直接连接关系定义为链路；网络中 任意两个节点不为近邻关系时，通过有限次转接建立的一个连接关系，从其中一个节点到 达另一个节点的连接通路中所有中间节点和链路构成的集合定义为此二节点之间的一条 路由，如果通路是单向的，则定义此路由为单向路由；如果通路是双向的，则定义此路由为 双向路由；其特征在于网络中每个节点本身带有路由信息，每个节点的路由信息包含的内容为(1)本节点的近邻节点的数量，即从本节点无需转接可直达的节点数目；(2)近邻节点名称列表；(3)近邻节点地址列表；(4)本节点通过本节点的近邻节点可达网络各节点的度量值列表；到达特定目的节点 的度量值决定于从本节点经过特定近邻可达特定目的节点的难易程度；(5)本节点与各近邻节点直达路由的带宽列表；(6)本节点通过近邻节点可达网络各节点的带宽列表；上述渗流物联网中对每个节点进行初始化就完成了整个网络的初始化，每个节点的初 始化过程为(1)发送近邻节点查询信号，收到该查询信号的节点回送响应信号，节点根据此询问信 号和响应信号建立近邻节点数量、近邻节点名称和地址列表以及本节点与近邻节点直达路 由带宽列表；(2)将本节点通过近邻节点可达节点其他非近邻节点的度量均置为0，将本节点通过 近邻节点可达节点其他非近邻节点的带宽均置为预设的最小值，对于本节点的未知目的节 点，为其度量和带宽值预留存储器。
2.根据权利要求1所述的一种物联网的末端网络的渗流数传方法，其特征在于网络中链路为双向链路，限定每个节点的转发次数最大值为Y，限定任意两个节点之间路由总数的最大值为X，网络的选路过程为步骤1 首先进行网络初始化，也即对每个节点进行初始化；步骤2 源节点向其近邻节点发送探针包；探针包中包含源节点地址信息、目的节点地 址信息和转发次数计数器，并预留Y个转发节点地址的位置，其中转发次数计数器置零；步骤3 近邻节点接收到的探针包后，如果本节点为目的节点，转步骤4 ；否则本节点作 为中间节点检查转发次数计数器的值，若该值小于Y时存在两种情况.3.1如果本节点存在没有闭环的近邻节点，探针包转发次数计数器加1，将本节点地址 写入探针包，将更新后的探针包转发到本节点的近邻节点中可达目的节点度量最大的近邻 节点，重复步骤3，直到所转发的近邻节点为目的节点时，转步骤4 ；.3. 2如果不存在没有闭环的近邻节点，则丢弃此探针包，结束本次选路过程；步骤4 目的节点根据从源节点到目的节点各探针包中所包含的路径信息，使用路径 保留准则计算并保留其中至多X条并发路径信息；所谓路径保留准则是指探针包所探测的 源节点到目的节点的通路大于X时，只保留路径最短或者吞吐能力最大的X条路径信息；步骤5 目的节点将选中的路径信息组成数据包，分别通过各路径信息中的路由反馈给发送端；反馈信息通过各中间节点时，各中间节点增加本中间节点可达该路由上其他节 点的单位度量值更并新自己的其他路由信息；选路完成后，源节点即可采用所选路由传送数据，其数传过程为 步骤1 源节点将待传送数据进行编码，并根据各路由的吞吐能力按比例分配负载并 将编码数据送入各路由的第一个中间节点；步骤2 中间节点接收到数据包后，如果本节点为目的节点，转步骤3 ；否则将编码数据 转发至本路由的下一近邻节点，直到最终发送至目的节点；步骤3 目的节点将各路径收到的编码数据进行组装并译码，译码成功即向发端反馈ACK ；步骤4 源节点收到目的节点反馈回来的ACK，转步骤1进行下一组数据的编码及发送。 3.根据权利要求1所述的一种物联网的末端网络的渗流数传方法，其特征在于 网络中链路为单向链路，限定转发次数的最大值为Y，限定任意两个节点之间路由总数 的最大值为X，其数传过程为步骤1 首先进行网络初始化，也即对每个节点进行初始化；步骤2 源节点将待传送数据进行编码，并根据本节点的近邻到目的节点的度量选取 若干近邻，向各近邻节点分别按链路的吞吐能力比例发送数据包，以保证接收节点恢复源 数据的概率超过预先指定的概率Ptl ；数据包的包头中包含源节点地址信息、目的节点地址 信息和转发次数计数器，并预留Y个转发节点地址的位置，其中转发次数计数器置零；步骤3 近邻节点收到数据包后，如果本节点为目的节点，转步骤4;否则，本节点作为 中间节点检查转发次数计数器的值，若该值小于Y时存在两种情况
3. 1如果本节点存在没有闭环的近邻节点，转发次数计数器加1，将本节点地址信息写 入数据包头，将更新后的数据包头和数据转发给不形成闭环的至少一个近邻；3.2如果不存在没有闭环的近邻节点，则丢弃此数据包；步骤4 目的节点将各路径收到的数据进行组装并译码，译码成功后停止此数据包的 接收；上述步骤2中预先指定的概率Ptl根据实际传送数据类型选取。
4.根据权利要求2或3所述的一种物联网的末端网络的渗流数传方法，其特征在于 所述源节点将待传送数据进行编码的编码方法为喷泉编码。
5.根据权利要求4所述的一种物联网的末端网络的渗流数传方法，其特征在于所述 喷泉编码为LT码。
6.根据权利要求4所述的一种物联网的末端网络的渗流数传方法，其特征在于所述 喷泉编码为Raptor码。
全文摘要
本发明涉及一种渗流物联网的网络结构及数传方法，特别涉及一种无服务器、无网关的物联网末端网络结构，以及基于小世界模型六度空间理论的高效渗流选路方法，属于物联网组网及数据传输技术领域。根据网络链路不同分为双向数传和单向数传，其中双向数传过程采用探针的选路方式，数传过程采用渗流过程，即在源节点将数据进行编码后拆分，然后通过多个路由并行转发，目的节点再将各路转发来的数据进行组装并解码恢复源数据。本发明网络组网、维护成本低，网络数据传送可靠性高，无需反馈重传，减少了网络带宽开销，降低了网络协议的实现复杂度，网络数据的安全性可以得到保障，网络的扩展性强，对节点存储能力和处理能力要求低。
文档编号H04W40/02GK102123471SQ201010606029
公开日2011年7月13日 申请日期2010年12月15日 优先权日2010年12月15日
发明者卢继华, 安建平, 李祥明, 杨杰 申请人:北京理工大学