一种用于L2网络与以太网互联的系统及方法与流程

本发明涉及领域，尤其涉及一种用于l2网络与以太网互联的系统及方法。

背景技术：

继计算机、互联网之后，物联网(internetofthings，iot)作为信息科学技术产业的第三次革命，其应用涵盖了环境保护、工业监测、智能家居、车联网等各行各业，并且能够将人与人之间的互联扩展至人与物，以及物与物之间的互联，进而融合移动互联网以实现万物互联(internetofeverything，ioe)。

无线传感器网络作为物联网实现的重要载体，安放在不同位置的传感器节点能够实时采集来自物理世界的信息，例如温度，相对湿度，紫外线等，并且可以对数据进行简单的处理，也接收来自其他节点的数据。无线传感器网络中相互独立的节点可通过无线网络进行通信，然后通过网关节点实现与远程服务器间的交互。

l2(layer2，层二)认知网络是由多个具备感知、处理、无线通信且低功耗的智能终端组成，以自组织的方式在l2/l1实现物体之间的可靠的无线多跳通信，通过与现实世界的紧密连接来监控物理现象和环境条件。在这里，l2认知网络可以简称为l2网络，又称l2无线多跳网络或l2认知无线多跳网络。

在l2认知网络中，无线节点也可以成为基站为其他节点中继信号，可动态适机利用无线频谱和无线站点之类的网络资源；在无线多跳中，每个数据包使用动态产生的路径，而每跳使用的信道亦动态产生，这样网络资源利用率可以达到瞬间最大值。在5g等最新的移动通信系统演进中，已经确认将l2无线多跳作为支持网络覆盖扩展的主要技术手段。

对于物联网应用而言，l2认知网络不是独立存在的，而是通过与外部网络互联以对该网络下节点的远程管理、控制和访问，在已有网络设施的基础上完成l2无线网络的大规模组网。

此外，传统的以太网寻址是通过arp(addressresolutionprotocol，地址解析协议，是根据ip地址获取物理地址的一个tcp/ip协议)，可根据目的主机的ip地址来获得其mac地址，例如，专利申请号为cn201810730644.4，专利申请号为列车控制以太网寻址方法及系统。源设备通过给网络上所有设备广播包含目标设备ip地址的arp请求，并接收arp响应，以此确定目标设备的mac地址。但是在无线多跳网络中，对所有节点做全网广播的代价很大，不仅会造成严重的网络冗余，也增加了网络开销。

因此，提供一种用于l2网络与以太网互联的系统及方法。

技术实现要素：

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的用于l2网络与以太网互联的系统及方法。

根据本发明的一个方面，提供一种用于l2网络与以太网互联的系统，包括：

感知层，包括多个l2网络，各个l2网络由多个感知设备组成，各感知设备用于接收感知数据获取请求，以根据感知数据获取请求采集感知数据；还用于采集感知数据，与感知数据目标ip地址以及自身的组网地址通过l2网络协议一并发送至传输层；

传输层，由多个网关组成，各网关用于通过ip协议接收感知数据获取请求和感知数据获取请求目标ip地址，根据感知数据获取请求目标ip地址从地址映射关系表查询感知设备的组网地址，并通过l2网络协议将感知数据获取请求发送至感知层的感知设备；通过l2网络协议接收感知数据、感知数据目标ip地址以及感知设备的组网地址，根据感知数据目标ip地址和感知设备的组网地址建立地址映射关系表，并通过ip协议将感知数据发送至应用层；

应用层，包括多个终端，各终端用于通过ip协议将感知数据获取请求、感知数据获取请求目标ip地址一并发送至传输层；还用于通过ip协议接收感知数据。

进一步地，感知层中各感知设备的协议栈包括无线链路层和系统层；网关的协议栈包括无线链路层、系统层和宏观移动性管理实体。

进一步地，组网地址包括网络id、节点id以及在l2网络中的逻辑坐标位置。

进一步地，通过以下两种方式之一确定l2网络中的中继节点：

第一，源节点与目标节点的网络id不同，中继节点与目标节点的网络id相同；

第二，源节点，中继节点和目标节点共有同样的网络id，源节点与目标节点之间的曼哈顿距离大于中继节点与目标节点之间的曼哈顿距离。

进一步地，通过以下公式计算两个节点之间的曼哈顿距离：

d＝|xm-xn|+|ym-yn|

其中，xm和ym是节点m组网地址的后两个字节，xn和yn是节点n组网地址的后两个字节。

进一步地，感知层的感知设备和应用层的终端为同一设备，该设备通过网关基于ip协议与l2网络互联。

根据本发明的另一方面，提供一种用于l2网络与以太网互联的方法，包括：

感知层的各感知设备采集感知数据，与感知数据目标ip地址以及自身的组网地址通过l2网络协议一并发送至传输层；

传输层的各网关通过l2网络协议接收感知数据、感知数据目标ip地址以及感知设备的组网地址，根据感知数据目标ip地址和感知设备的组网地址建立地址映射关系表，并通过ip协议将感知数据发送至应用层；

应用层通过ip协议接收感知数据；

应用层的各终端用于通过ip协议将感知数据获取请求、感知数据获取请求目标ip地址一并发送至传输层；

传输层的各网关通过ip协议接收感知数据获取请求和感知数据获取请求目标ip地址，根据感知数据获取请求目标ip地址从地址映射关系表查询感知设备的组网地址，并通过l2网络协议将感知数据获取请求发送至感知层的感知设备；

l2网络的各感知设备通过l2网络协议接收感知数据获取请求，以根据感知数据获取请求采集感知数据。

进一步地，感知层中各感知设备的协议栈包括无线链路层和系统层；网关的协议栈包括无线链路层、系统层和宏观移动性管理实体。

进一步地，组网地址包括网络id、节点id以及在l2网络中的逻辑坐标位置。

进一步地，上述用于l2网络与以太网互联的方法，还包括：通过以下两种方式之一确定l2网络中的中继节点：

第一，源节点与目标节点的网络id不同，中继节点与目标节点的网络id相同；

第二，源节点，中继节点和目标节点共有同样的网络id，源节点与目标节点之间的曼哈顿距离大于中继节点与目标节点之间的曼哈顿距离。

本发明与现有技术相比具有以下的优点：

1.本发明在l2网络中设置地址映射管理机制，并在实现网络连接的网关中设置地址映射表，即ip/mac地址与节点的组网地址/id之间的对应关系，从而在l2大规模无线网络中实现快速寻址；

2.本发明提供用于l2网络与以太网之间信息交换的网关，既能充分利用l2网络组网灵活、规模庞大、低功耗的特点，又能发挥internet对数据高效的处理能力，能够实现用户在任何时间，任何地点方便的访问网络上的每一个节点。

附图说明

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的用于l2网络与以太网互联的系统框图；

图2(a)是本发明的l2网络节点协议栈示意图；

图2(b)是本发明的网关协议栈示意图；

图3是本发明的网关的工作原理流程图；

图4是本发明的地址映射机制原理示意图；

图5是本发明的用于l2网络与以太网互联的方法步骤图；

图6(a)是本发明的网关与传感器节点1之间的通信能力测试；

图6(b)是本发明的网关与传感器节点2之间的通信能力测试；

图6(c)是本发明的传感器节点1与传感器节点2之间的通信能力测试。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

图1是本发明的用于l2网络与以太网互联的系统框图，参见图1，本发明提供的用于l2网络与以太网互联的系统，包括：

感知层101，包括多个l2网络，各个l2网络由多个感知设备组成，各感知设备用于接收感知数据获取请求，以根据感知数据获取请求采集感知数据；还用于采集感知数据，与感知数据目标ip地址以及自身的组网地址通过l2网络协议一并发送至传输层。

不同于传统internet网络中的osi(opensysteminterconnection，开放系统互联)参考模型，l2(layer2，层二)网络架构符合ewi(embeddedwirelessinterconnect，嵌入式无线互联)参考模型，满足认知网络的概念。

其中，如图2(a)所示，感知层中各感知设备为组成l2网络的节点，节点的协议栈包括无线链路层和系统层，无线链路层包括mac层和物理层，mac层和物理层是接入网，系统层桥接接入网和回程网，由于节点中没有网络层，因此，节点可视为来自ip站点的l2交换。

如图2(b)所示，网关的协议栈包括无线链路层、系统层和宏观移动性管理实体，在网关中，系统层能够实现l2网络和以太网之间的协议转换，旨在实现无缝的用户漫游，其中，系统层位于逻辑链路控制层下方，mac层和物理层是基于电缆/光纤的以太网连接。因此，网关中的系统层桥接回程网和以太网。

在网关中，采用mmme(macromobilitymanagemententity，宏观移动性管理实体)实现l3漫游中的软切换。mmme是一个应用层代理，但是，它也直接与系统层相连。

例如，通过接收从新网关广播的路由公告，用户将尝试获取新的ip地址和其他服务级别配置，例如通过dhcp(dynamichostconfigurationprotocol，动态主机配置协议)。该请求经系统层翻译之后直接转发至mmme。然后，mmme通过咨询internet上的服务提供者服务器(例如，aaa，authentication，authorization，accounting，身份验证、授权和计费)对移动用户进行身份验证，然后再为移动用户分配一个新的ip地址。

然后，当前网关的mmme通过tcp/ip向前一个网关的mmme发送一条消息，前一个网关在接收到此消息后停止为移动用户服务。由于在该切换过程期间旧ip地址仍然与先前网关一起工作，因此可以在l3漫游中实现软切换。

在l2网络中，用户移动性管理可由节点和网关中的协议实现。用户漫游可以是l2漫游(链路层)，也可以是l3漫游(网络层)。当移动用户在同一个ip子网内，但切换到不同的接入点时属于l2漫游；当移动用户在不同的ip子网内移动并且改变其ip地址时属于l3漫游。

l2网络的组网地址由3个字节组组成，由主机通过配置软件来进行提前配置或者通过网络邻域信息实现动态配置，其中，第一个字节包含了网络id(前两位)和节点id(后六位)，第二字节和第三字节分别表示节点在l2网络中的坐标。

传输层102，由多个网关组成，各网关用于通过ip协议接收感知数据获取请求和感知数据获取请求目标ip地址，根据感知数据获取请求目标ip地址从地址映射关系表查询感知设备的组网地址，并通过l2网络协议将感知数据获取请求发送至感知层的感知设备；通过l2网络协议接收感知数据、感知数据目标ip地址以及感知设备的组网地址，根据感知数据目标ip地址和感知设备的组网地址建立地址映射关系表，并通过ip协议将感知数据发送至应用层。

如图3所示，当网关侦听到来自l2网络节点的数据时，需要转换协议，以将来自l2网络节点的数据转发出去；当网关侦听到来自网管服务器的数据时，分析来自网管服务器的数据，以将来自网管服务器的数据分发出去。因此，网关能够从l2无线节点或以太网主机处接收数据，并且正确的将该数据转发至另一网络；网关具有广泛的接入能力，克服了由于短距离通信技术标准的多样性导致这些标准之间缺乏兼容性的问题。网关能够实现l2协议与ip协议间的转换。l2网络可采用ieee802.15.4空中接口，也可基于底层无线系统的空中接口，而以太网中基于上层tcp/ip协议。网关从l2认知网络中获取的传感数据需要通过其他接口向以太网发送，因此，网关需要将传感数据进行l2多跳协议的分析，然后根据ip协议的要求对其进行封装和发送。

在l2网络中，利用l2组网地址、ip/mac地址来表征l2网络无线节点，节点在入网时，需要在网关处进行信息注册，主要包括节点的组网地址、ip/mac地址并将该节点关联至该网关处。其中，节点向网关发送注册消息格式如表1所示。

表1

网关维护一张该网络下所有无线节点的组网地址以及ip/mac地址间的对应关系表，即地址映射表，其主要内容如表2所示。

表2

来自以太网的arp广播包，网关可选择直接回复arp请求，或者将arp包转发给该网络内的特定节点；来自以太网的数据包，网关可查看地址映射表，然后通过l2网络将该包转发至相应的目的节点。

网关的管理性不仅指对传感节点的管理，也包括对网关本身的管理。前者旨在获取节点的标识、状态和属性信息，实现远程开启、关闭、控制；后者是为了对网关设备进行控制、观察、配置、更新以及维护。

图4是本发明的地址映射机制原理示意图，参见图4，本发明以两台主机之间通过以太网和l2网络发送ping包为例，详细介绍网关中的地址映射及更新机制。

终端向主机发起了一条arprequest包，从终端发出的arprequest包所携带的源ip地址及mac地址是分别是终端的ip地址和mac地址，由于主机的mac地址对终端来说是未知的，因此arprequest包中只包含主机的ip地址，这条arprequest包首先被与终端通过以太网相连的网关1收到；

网关1收到终端发给主机的arprequest包后先将自身的组网地址与主机的ip/mac地址通过l2无线方式注册到了网关2的组网地址与ip/mac地址的地址映射关系表中；

网关2将网关1发来的组网地址与ip/mac地址间的映射关系记录在地址映射表中；

网关1将收到的终端发给主机的arprequest包通过l2无线网络发给网关2；

网关2收到终端发给主机的arprequest包后，将该包的mac地址修改为网关自身的mac地址，ip地址保持不变，同时记录下发来该包的组网地址，然后通过以太网发送给目标主机；

主机对来自终端的arprequest包进行正常的回复；其中arprequest包中的所携带的源ip地址和mac地址分别是主机的ip地址和mac地址，目标mac地址为网关2的mac地址，ip地址为终端的ip地址；

网关2收到主机的arpresponse包后，根据arpresponse中的ip地址查询之前注册的地址映射表，找出与该ip地址对应的组网，然后将arpresponse包通过l2无线网络发送给网关1；

网关1收到网关2发过来的arpresponse包后，将该包中的源mac地址改为网关1的mac地址，然后通过以太网发送给终端设备；

终端最终收到的来自主机的arpresponse包里所携带的源mac地址其实是和终端相连的网关1的mac地址，这样通过终端发送给网关1的以太网包才能被网关1收到，然后通过网关1的无线通信接口将以太网包发送给网关2的无线通信接口，进而通过以太网接口传给主机。

在l2认知无线网关中建立地址映射机制的目的是为了避免在大规模无线多跳网络中因广播寻址引起的数据包冗余以及较大的网络开销。

本发明在l2网络中设置地址映射管理机制，并在实现网络连接的网关中设置地址映射表，即ip/mac地址与节点的组网地址/id之间的对应关系，从而在l2大规模无线网络中实现快速寻址。

本发明提供用于l2网络与以太网之间信息交换的网关，既能充分利用l2网络组网灵活、规模庞大、低功耗的特点，又能发挥internet对数据高效的处理能力，能够实现用户在任何时间，任何地点方便的访问网络上的每一个节点。

本发明首先对l2网络中的节点和网关的协议栈分别进行了说明，然后对l2网络进行组网地址配置以表征无线节点，并且在网关中设计了一种地址映射方案，使得通过给无线节点配置组网地址可实现基于ip地址在l2网络中的寻址。

应用层103，包括多个终端，各终端用于通过ip协议将感知数据获取请求、感知数据获取请求目标ip地址一并发送至传输层；还用于通过ip协议接收感知数据。

在这里，感知层的感知设备和应用层的终端可以为同一设备，该设备通过网关基于ip协议与l2网络互联。也就是说，同一设备可以同时具备感知层的感知设备和应用层的终端的功能。

在本发明的用于l2网络与以太网互联的系统中，感知层位于最底层，其主要目标是从物理世界获取、收集传感数据，由感知设备和感知网络组成，具体地，感知设备可以是集成了微环境信息传感器的节点，感知网络则是由许多感知设备组成的l2网络。详细来说就是首先，感知层通过数据采集设备采集数据，然后使用l2网络将数据传输到下一层。传输层的目标是在传统的移动通信网络基础上利用l2网络进行大面积、远距离的数据传输，以集成感知网络和通信网络。因此，从感知层采集的数据可以成功地传输至远程服务器，在该层中，远距离的有线和无线通信技术以及网络技术是非常重要的。数据处理和服务提供是应用层的两个主要目的。来自传输层的数据经相应的管理系统处理之后将提供给用户。

进一步地，进一步地，通过以下两种方式之一确定l2网络中的中继节点：

第一，源节点与目标节点的网络id不同，中继节点与目标节点的网络id相同；

第二，源节点，中继节点和目标节点共有同样的网络id，源节点与目标节点之间的曼哈顿距离大于中继节点与目标节点之间的曼哈顿距离。

在l2网络中，可以从发送节点(前跳中继或源节点)向中继节点发送单播数据包。

进一步地，通过以下公式计算两个节点之间的曼哈顿距离：

d＝|xm-xn|+|ym-yn|

其中，xm和ym是节点m组网地址的后两个字节，xn和yn是节点n组网地址的后两个字节。

在同一网络id下，任意两节点之间的曼哈顿距离与其相互rssi(receivedsignalstrengthindication，接收的信号强度指示)有关，rssi值越大，曼哈顿距离越小。

图5是本发明的用于l2网络与以太网互联的方法步骤图，参见图5，本发明提供的用于l2网络与以太网互联的方法，包括：

感知层的各感知设备采集感知数据，与感知数据目标ip地址以及自身的组网地址通过l2网络协议一并发送至传输层；

传输层的各网关通过l2网络协议接收感知数据、感知数据目标ip地址以及感知设备的组网地址，根据感知数据目标ip地址和感知设备的组网地址建立地址映射关系表，并通过ip协议将感知数据发送至应用层；

应用层通过ip协议接收感知数据；

应用层的各终端用于通过ip协议将感知数据获取请求、感知数据获取请求目标ip地址一并发送至传输层；

传输层的各网关通过ip协议接收感知数据获取请求和感知数据获取请求目标ip地址，根据感知数据获取请求目标ip地址从地址映射关系表查询感知设备的组网地址，并通过l2网络协议将感知数据获取请求发送至感知层的感知设备；

l2网络的各感知设备通过l2网络协议接收感知数据获取请求，以根据感知数据获取请求采集感知数据。

进一步地，感知层中各感知设备的协议栈包括无线链路层和系统层；网关的协议栈包括无线链路层、系统层和宏观移动性管理实体。

进一步地，组网地址包括网络id、节点id以及在l2网络中的逻辑坐标位置。

进一步地，上述用于l2网络与以太网互联的方法，还包括：通过以下两种方式之一确定l2网络中的中继节点：

第一，源节点与目标节点的网络id不同，中继节点与目标节点的网络id相同；

第二，源节点，中继节点和目标节点共有同样的网络id，源节点与目标节点之间的曼哈顿距离大于中继节点与目标节点之间的曼哈顿距离。

本发明在l2网络中设置地址映射管理机制，并在实现网络连接的网关中设置地址映射表，即ip/mac地址与节点的组网地址/id之间的对应关系，从而在l2大规模无线网络中实现快速寻址。

本发明提供用于l2网络与以太网之间信息交换的网关，既能充分利用l2网络组网灵活、规模庞大、低功耗的特点，又能发挥internet对数据高效的处理能力，能够实现用户在任何时间，任何地点方便的访问网络上的每一个节点。

对于方法实施例而言，由于其与系统实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见系统实施例的部分说明即可。

对于方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明实施例并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明实施例，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明实施例所必须的。

为了对本发明的用于l2网络与以太网互联的方法及系统的通信能力进行测试，在实际的应用场景中搭建了测试系统来进行验证。其中，测试所需要设备的信息如表4所示。

表4

本次实验中，采用了一个网关，两个集成了微环境传感器的节点以组成l2认知无线多跳网络。在该网络中，传感器节点可以对该区域内的环境信息进行实时的采集，然后通过网关和4g路由器将数据发送至云平台中，最后可通过网络管理平台来对传感器节点与网关之间的通信能力进行测试，也可以在应用管理软件中对环境数据进行实时的查看。

图6(a)是本发明的网关与传感器节点1之间的通信能力测试，图6(b)是本发明的网关与传感器节点2之间的通信能力测试，图6(c)是本发明的传感器节点1与传感器节点2之间的通信能力测试，从图中6(a)至图6(c)可以看出，在l2认知网络中，网关与传感器节点之间以及传感器节点之间的通信丢包率基本上为0，证明该网关系统性能稳定，且具有很好的可靠性。

本发明的用于l2网络与以太网互联的方法及系统，能够实现l2认知网络与传统以太网之间的协议栈互联。首先，在l2认知网络中提出了一种新的编址方法来表征无线节点；然后在网关中设计了一种地址映射方案，能够基于ip地址在l2认知网络中实现快速寻址，解决传统无线多跳网络中广播造成的严重网络冗余和开销问题；最后，搭建了实验测试平台，对该方案在网络互联系统中的通信能力进行了验证。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。