专利名称：基于多主站模式的低压电力线通信网络层管理方法
技术领域：
本发明涉及一种基于多主站模式的低压电力线通信网络层管理方法，属于电力线通信中的网络层管理技术领域。
背景技术：
随着智能电网、智能家居的普及，将会有大量电气设备通过网络实现数据交换、远程监控和信息共享，电力线通信(Power Line Communication，简称PLC)技术将在其中发挥重要作用。采用电力线通信的设备具有种类繁多、运行灵活、即插即用等特点，如何进行有效的网络管理是当前广泛关注的热点。根据美国国家标准与技术局(NIST)的PAP-15工作组发布的最新PLC标准协议框架，PLC技术的物理层(PHY)和媒介访问控制层(MAC)标准已日趋成熟，但在网络层协议方面至今仍缺乏统一的技术标准。目前在PLC通信的具体实施中，对于网络的管理基本都采用主从模式。主控节点除了实现网关的功能以外，还要对PLC网络中的节点通信进行管理和调度，如向网络中其它节点分配网络地址，在网络通信中执行轮询、转发等功能。这虽然简化了网络中其他节点的功能，但同时也使得主从模式的应用受到了限制，主要原因是1)支持PLC通信的设备种类繁多，来自不同制造商，如果设备的通信协议与主节点不兼容，就无法接入网络；2)任何节点加入或退出网络都需要主节点的管理，网络构架缺乏灵活性；3) —旦主节点发生故障，其他节点也将无法正常通信。TCP/IP协议虽然能够作为PLC网络管理的一种解决方案， 但对于家用电器或普通的办公设备来说会显著提高产品的成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多主站模式的低压电力线通信网络层管理方法， 该方法能解决低压电力网中大量存在的、无强实时性要求的通信设备如何在电力线通信网络中进行网络管理的问题，且该网络层管理方法简便、灵活，系统资源占用少，非常适用于智能家居和办公系统。本发明是通过以下技术方案加以实现的，一种基于多主站模式的低压电力线通信网络层管理方法，该基于多主站模式的低压电力线通信网络结构，包括网关和电力线通信节点，网关一端通过以太网与上位机或局域网的互连，网关的另一端通过电力线连接电力线通信网络，电力线通信网络采用总线型拓扑结构，电力线通信节点数为1至N个；其中网关具有固定的网络地址，接入电力线通信网络的其它节点需要通过动态地址分配过程配置一个合法的网络地址，才能进入正常数据通信状态；网络地址的长度为1个字节，即地址空间为0 255，其中“255”为全局地址，只能作为目的地址使用，“0”为网关地址，剩余的 254个地址供节点自由申请；所述网络层管理方法的开发在电力线通信模块提供的物理层 (PHY)及介质访问控制层(MAC)的协议软件基础上进行，如此软硬件结构的低压电力线通信网络层管理方法，其特征在于包括以下过程1)动态地址分配过程的通信、仲裁方式以及采用的报文
网络中的节点在获得合法的网络地址以前使用其具有的唯一的48位介质访问控制层(MAC)地址进行动态地址分配过程的通信，同时介质访问控制层(MAC)地址也是地址竞争的仲裁因素，节点的介质访问控制层(MAC)地址越小，则节点在地址竞争中具有的优先级越高；动态地址分配过程共使用了三种报文，分别为(1)地址申请报文源地址节点的介质访问控制层(MAC)地址；目的地址全局地址；报文类型广播报文；报文信息申请的网络地址；(2)冲突回应报文源地址节点的介质访问控制层(MAC)地址；目的地址与本节点进行地址竞争的节点的介质访问控制层(MAC)地址；报文类型单播报文；报文信息正在申请的网络地址；(3)地址声明报文源地址节点的介质访问控制层(MAC)地址；目的地址申请本节点地址的节点的介质访问控制层(MAC)地址；报文类型单播报文；报文信息本节点的网络地址；2)节点上电完成软硬件初始化后，进行动态地址分配的步骤是(1)确定首选地址，首选地址就是动态地址分配过程中申请的第一个地址，首选地址这样产生节点上电后，检测上电标志位，若是第一次接入网络，且其介质访问控制层 (MAC)地址的最后1个字节不为“0x00”和“OxFF”，则用其MAC地址的最后1个字节作为首选地址，若其介质访问控制层(MAC)地址的最后1个字节为“0x00”和“OxFF”，则将其首选地址设为1 ；若非第一次上电，则将上次保存的地址作为首选地址；(2)发送地址申请报文，向网络广播本节点正在对一个地址进行申请；(3)本节点进入地址申请等待阶段，在此阶段本节点会对收到地址申请报文、冲突回应报文、地址声明报文进行处理，处理过程如下收到来自其它节点的地址声明报文和冲突回应报文后，首先判断报文中的报文信息是否与本节点正在申请的地址相同，若相同，则本节点退出本次地址申请过程，重新设置下一个申请的网络地址，从步骤( 开始新的地址申请过程，若不同，则本节点继续地址申请等待过程；收到来自其它节点的地址申请报文后，首先判断报文中的报文信息是否与本节点正在申请的地址相同，若不同，则本节点继续地址申请等待过程，若相同，则本节点与其它节点进行地址竞争，若本节点的介质访问控制层(MAC)地址小，即优先级高，则给其它节点回复一个冲突回应报文，而后本节点继续地址申请等待过程，若本节点的介质访问控制层(MAC)地址大，即优先级低，则本节点退出本次地址申请过程，重新设置下一个申请的网络地址，从步骤( 开始新的地址申请过程；节点下一个申请的网络地址的产生机制为，判断上一个申请的地址是否是“2M”，若是，则将下一地址设为“1” ；否则将当前地址加1设为下一个申请的网络地址；(4)如本节点的地址申请等待时间结束，则本节点申请地址成功，将申请的地址设为本节点的网络地址，并将申请成功的地址保存，而后修改上电标志位，其后本节点退出动态地址分配过程进入正常通信状态，在此状态中本节点若收到来自其它节点的地址申请报文，则判断其它节点是否在对本节点的地址提出申请，若是，则本节点给其它节点回复一个地址声明报文。本发明与现有技术相比，有益效果是，基于多主站的模式，能够确保电力线通信网络中的各节点自由申请、配置并管理自身的网络地址，无需专用的网络管理设备来干预，网络中的节点均可以自主通信，不受其他节点干预。同时本发明简便、灵活，系统资源占用少， 普通的8位微处理器就能够实现，因而非常适用于智能家居和办公系统，也适用于低速、低实时性工业设备组成的PLC网络。
图1是基于多主站模式的PLC网络结构框图。图2是动态地址分配过程中所使用的报文。图3是节点工作的状态转移框图。图4是动态地址分配过程的状态转移框图。图5是PLC节点的软件架构框图。
具体实施例方式下面结合实施例进一步说明本发明，这些实施例只用于说明本发明，并不限制本发明。实施例1——节点首次加入网络时的动态地址分配过程实施条件设PLC网络中有5个节点，分别用A、B、C、D、E表示，它们的MAC地址关系是 A < B < C < D < E，其 MAC 地址的最后 1 字节分别为“0x00，，、“0x00，，、“0x00，，、"0x09”、 “OxOF”，实施中的节点都是第一次加入网络，则其首选地址分别为“1”、“1”、“1”、“9”、“15”， 实施中A和C首先同时上电，A和C申请成功地址后B和D同时上电，B和D申请成功地址后E进行上电。实施过程结合图3和图4，可知A和C同时上电后，首先完成软硬件初始化，其后进入动态地址分配过程，此过程开始后A和C都将“1”作为其首选地址发送地址申请报文， A和C之间产生地址竞争，由于A的优先级高(MAC地址小)，A接收到来自C的地址申请报文后，会给C回复一个冲突回应报文，然后继续其地址申请过程，C接收到来自A的地址申请报文或冲突回应报文后，会去申请下一个网络地址“2”，地址申请的结果是A申请地址 “1”成功，C申请地址“2”成功，在对申请成功的地址保存及修改上电标志位后A和C进入正常通信状态，在此状态中若接收到申请它们地址的地址申请报文，A和C会回复一个地址声明报文；B和D进行同时上电，B将“ 1”作为其首选地址发送地址申请报文，D将“9”作为其首选地址发送地址申请报文，由于地址“9”没有在网络中使用，一段时间后，D申请地址 “9”成功，在对申请成功的地址保存及修改上电标志位后D进入正常通信状态，在此状态中若接收到申请其地址的地址申请报文，D会回复一个地址声明报文，而B发出地址申请报文后，由于B申请的地址“ 1，，已被A使用，则A接收到来自B的地址申请报文会给B回复一个地址声明报文，B接收到来自A的地址声明报文，会去申请下一个网络地址“2”，由于“2”被C使用，类似上述过程，B会去申请下一个网络地址“3”，由于地址“3”没有在网络中使用， 最终B申请地址“3”成功，在对申请成功的地址保存及修改上电标志位后B进入正常通信状态，在此状态中若接收到申请其地址的地址申请报文，B会回复一个地址声明报文；E进行上电，将“15”作为其首选地址发送地址申请报文，由于地址“15”没有在网络中使用，一段时间后，E申请地址“15”成功，在对申请成功的地址保存及修改上电标志位后E进入正常通信状态，本实施过程结束。实施例2——节点掉电后重新加入网络的动态地址分配过程实施条件在实施例1完成后，将网络中的5个节点断电，有上述实施过程知，此时 A、B、C、D、E的首选地址应分别为“1”、“2”、“3”、“9”、“15”，实施中所有节点同时上电。实施过程结合图3和图4，所有节点同时上电，完成软硬件初始化后，由于首选地址不同，它们在动态地址分配过程中不会产生任何地址竞争，动态地址分配过程很快结束， 所有节点申请成功的地址就是其首选地址，在对申请成功的地址保存及修改上电标志位后所有节点进入正常通信状态，本实施过程结束。
权利要求
1. 一种基于多主站模式的低压电力线通信网络层管理方法，该基于多主站模式的低压电力线通信网络结构，包括网关和电力线通信节点，网关一端通过以太网与上位机或局域网互连，网关的另一端通过电力线连接电力线通信网络，电力线通信网络采用总线型拓扑结构，电力线通信节点数为1至N个；其中网关具有固定的网络地址，接入电力线通信网络的其它节点需要通过动态地址分配过程配置一个合法的网络地址，才能进入正常数据通信状态；网络地址的长度为1个字节，即地址空间为0 255，其中“255”为全局地址，只能作为目的地址使用，“0”为网关地址，剩余的2M个地址供节点自由申请；所述网络层管理方法的开发在电力线通信模块提供的物理层及介质访问控制层的协议软件基础上进行，如此软硬件结构的低压电力线通信网络层管理方法，其特征在于包括以下过程1)动态地址分配过程的通信、仲裁方式以及采用的报文网络中的节点在获得合法的网络地址以前使用其具有的唯一的48位介质访问控制层地址进行动态地址分配过程的通信，同时介质访问控制层地址也是地址竞争的仲裁因素， 节点的介质访问控制层地址越小，则节点在地址竞争中具有的优先级越高；动态地址分配过程共使用了三种报文，分别为(1)地址申请报文源地址节点的介质访问控制层地址； 目的地址全局地址； 报文类型广播报文； 报文信息申请的网络地址；(2)冲突回应报文源地址节点的介质访问控制层地址；目的地址与本节点进行地址竞争的节点的介质访问控制层地址； 报文类型单播报文； 报文信息正在申请的网络地址；(3)地址声明报文源地址节点的介质访问控制层地址； 目的地址申请本节点地址的节点的介质访问控制层地址； 报文类型单播报文； 报文信息本节点的网络地址；2)节点上电完成软硬件初始化后，进行动态地址分配的步骤是(1)确定首选地址，首选地址就是动态地址分配过程中申请的第一个地址，首选地址这样产生节点上电后，检测上电标志位，若是第一次接入网络，且其介质访问控制层地址的最后1个字节不为“0x00”和“OxFF”，则用其介质访问控制层地址的最后1个字节作为首选地址，若其介质访问控制层地址的最后1个字节为“0x00”和“OxFF”，则将其首选地址设为 1 ；若非第一次上电，则将上次保存的地址作为首选地址；(2)发送地址申请报文，向网络广播本节点正在对一个地址进行申请；(3)本节点进入地址申请等待阶段，在此阶段本节点会对收到地址申请报文、冲突回应报文、地址声明报文进行处理，处理过程如下收到来自其它节点的地址声明报文和冲突回应报文后，首先判断报文中的报文信息是否与本节点正在申请的地址相同，若相同，则本节点退出本次地址申请过程，重新设置下一个申请的网络地址，从步骤( 开始新的地址申请过程，若不同，则本节点继续地址申请等待过程；收到来自其它节点的地址申请报文后，首先判断报文中的报文信息是否与本节点正在申请的地址相同，若不同，则本节点继续地址申请等待过程，若相同，则本节点与其它节点进行地址竞争，若本节点的介质访问控制层地址小，即优先级高，则给其它节点回复一个冲突回应报文，而后本节点继续地址申请等待过程，若本节点的介质访问控制层地址大，即优先级低，则本节点退出本次地址申请过程，重新设置下一个申请的网络地址，从步骤⑵开始新的地址申请过程；节点下一个申请的网络地址的产生机制为，判断上一个申请的地址是否是“2M”，若是，则将下一地址设为 “1”；否则将当前地址加1设为下一个申请的网络地址；(4)如本节点的地址申请等待时间结束，则本节点申请地址成功，将申请的地址设为本节点的网络地址，并将申请成功的地址保存，而后修改上电标志位，其后本节点退出动态地址分配过程进入正常通信状态，在此状态中本节点若收到来自其它节点的地址申请报文， 则判断其它节点是否在对本节点的地址提出申请，若是，则本节点给其它节点回复一个地址声明报文。
全文摘要
本发明公开了一种基于多主站模式的低压电力线通信网络层管理方法。该管理方法的过程是节点首先确定首选地址，其后发送地址申请报文，然后进入地址申请等待阶段，在等待过程中通过接收报文解决动态地址分配中的地址竞争，地址申请等待结束，即获得申请的地址，将获得的地址保存并修改上电标志位，而后进入正常通信状态，在此状态中节点若收到来自其它节点的申请其地址的地址申请报文后，则给其它节点回复一个地址声明报文。本发明优点在于，能够确保电力线通信网络中的各节点自由申请、配置并管理自身的网络地址，同时本发明简便、灵活，系统资源占用少，因而非常适用于智能家居和办公系统。
文档编号H04L12/24GK102291259SQ20111022767
公开日2011年12月21日 申请日期2011年8月10日 优先权日2011年8月10日
发明者刘迎澍, 姜伟峰, 李冰 申请人:天津大学