网络数据通信协议研究

网络数据通信协议研究（共12篇）

网络数据通信协议研究 篇1

0 引言

无线传感器网络 (Wireless Sensor Network, WSN) 是二十世纪九十年代中期兴起的新的网络研究方向, 经过十多年的发展已经在网络研究领域, 尤其是在无线路由算法领域已经占据了很重要的地位。它是一种特殊的无线自组网, 是由大量密集部署在监控区域的智能传感器节点构成的网络应用系统。其快速方便的部署特性和完备的监控能力使其被广泛应用于军事、工业过程控制、卫生保健和环境监测等领域。在无线传感器网络中一般有一个或多个节点充当数据汇聚点 (sink) , 网络中传感器节点收集的数据, 通过多跳的方式传送到sink点, sink点将融合后的数据通过有线或无线的方式快速有效地传送给观察者。针对无线传感器网络这样的优势, 本文以循序渐进的方式对其路由协议进行了深入的阐述, 重点是从无线传感器网络协议概述入手分析以数据为中心的路由协议。

1 系统结构及设计目的

微电子机械系统 (MEMS) 和低能量高综合性数字电子学的发展, 促使微传感器得到发展。这些传感器一般都具有数据的处理和传输能力。它们采集所在环境的信息 (包括目标的位置信息以及事件的产生信息) , 并且把这些信息变成电信号。传感器会通过无线传输的方式, 将这些信息直接传送到控制中心 (sink) , 或者通过一些具有汇聚功能的节点 (gateway) 传向汇聚中心。随着技术的发展, 传感器尺寸和成本的大幅减小, 可以将其大量的应用于免维护环境中。这些条件激发了在数据采集、数据处理、数据融合、节点活动管理以及数据传送等方面进行无线传感器寻址方式的广泛研究。

免维护的传感器网络可以广泛的应用于军事和民用领域, 诸如:战场监控、安全监控和自然灾害监控等。这些系统把从传感器节点收集来的信息进行聚合, 从而得到有用的信息。但是, 有限的能量和带宽限制了无线传感器的应用, 从而对大量节点组成的无线传感器网络提出了许多在设计和管理方面的挑战。传感器大多用在物理层和链路层。其中, 在网络层的主要目标是实现能量有效性路由的制定, 并把可靠数据从节点传送到汇节点, 从而达到网络生命周期最大化。

无线传感器网络路由具有较好的发展前景。这是由于其区别于正常通讯和Ad Hoc网络的几个特性造成的。第一个特点, 由于传感器网络中节点众多, 无法为每一个节点建立一个能在网络中惟一区别的身份, 所以典型的基于IP的协议无法应用于无线传感器网络。第二个特点, 与典型的通讯网络不同的是, 无线传感器网络需要从多个源节点向一个汇节点传送数据。第三个特征, 在传输过程中, 会有很多节点发送的数据是相似的, 所以需要过滤掉这些冗余信息, 从而保证能量和带宽的有效利用。第四个特点, 传感器节点的传输能力、能量、处理能力和内存都非常有限, 所以需要很好的对网络资源进行管理。

根据这些特性, 产生了很多新的无线传感器网络算法。这些算法都针对于网络的应用与构成进行研究。其中, 以数据为中心的协议采用询问和标示兴趣数据的方式, 帮助去掉冗余信息。

2 以数据为中心的协议

在传感器应用中, 为每一个节点建立一个惟一的标识符 (ID) 是无法实现的。由于传感器节点是在没有惟一标识的情况下随机配置的, 使得网络必须选择一些节点去满足其需要。所以, 采集到的数据往往具有很多的冗余信息。这样的协议在能量有效利用方面是非常低效的, 路由协议应该能够选用那些可以进行数据融合的节点进行数据传输。从而提出了以数据为中心的路由算法。这样的路由协议是无线传感器网络路由协议中的研究重点, 它涵盖了体系结构中的全部内容, 应作为重点进行研究。

以数据为中心的路由中, sink向被选中的区域发送请求信息, 然后等待选中区域内节点的反馈数据。由于数据是通过询问而被请求的, 所以询问属性中必须具有数据的属性信息。SPIN算法是第一个以数据为中心的路由协议, 它主要是通过两节点进行商议或沟通实现去除冗余信息, 保存能量的目的。之后, 定向扩散算法 (Directed Diffusion) 被提出, 成为数据为中心的路由算法的突破。继而, 又有很多相似的算法被提出。在这一部分, 我们将对主要协议进行详细的描述。

SPIN (Sensor Protocols for Information via Negotiation) :该协议是较早的以数据为中心的协议的典型例子。协议中使用一个对数据进行描述的描述符或叫做元数据。在传输前, 使用元数据代替真实数据进行广播, 这是SPIN算法的主要特点。每一个节点在收到数据后, 会向它的邻居节点和感兴趣的节点广播该数据, 如图1中那些没有数据的节点会通过接收请求信息而获得数据。SPIN的元数据方法解决了洪泛算法的主要问题, 例如多余信息的处理, 重叠的数据传输和资源的盲目使用。因此SPIN算法对资源的利用更有效。

SPIN算法中, 每个节点只知道其单跳邻居节点, 从而可以使网络的拓扑改变局部化。SPIN算法在能量耗损和数据冗余方面要比洪泛算法低35%。但是, 其数据广播方式无法保证数据的有效传输。例如, 如果希望得到的数据目的节点与拥有数据的源节点距离较远, 而二者之间的节点对该数据的期望较小, 那么, 该数据将无法到达目的节点。所以, SPIN算法不适用于诸如气象信息搜集等, 需要周期性传输可靠数据包的应用。另一方面, 由于该协议中每一个节点只向其单跳节点发送信息, 所以SPIN算法适用于大型无线网络的路由建立。

Flooding和Gossiping (洪泛算法和闲聊算法) :洪泛算法和闲聊算法是在无线传感器网络中的两个经典算法, 它们不需要其他路由算法和拓扑维护。洪泛算法中, 每一个接收到数据包的节点都会把这个数据包广播给它全部的邻居节点, 直到数据包到达目的节点或到达最大跳数。闲聊算法是在洪泛算法的基础上进行改进的算法, 在该算法中, 接收到数据包的节点会随机的选择一个没有发送数据的邻居节点, 把数据包传送过去, 持续这个过程从而达到传播数据的目的。

虽然洪泛算法很容易执行, 但是它有几个缺点:首先是信息爆炸, 即一个信息会出现多个副本;其次是会出现信息交迭现象, 即两个相邻节点搜集的信息会有相似部分;最后是资源的盲目利用, 无计划的盲目利用网络中有限的资源, 会大大的降低网络生命周期。闲聊算法通过随机选取节点进行有目的的传播, 从而避免了信息爆炸的问题, 但是这种方法延长了信息传播的时间。

Directed Diffusion (定向扩散) :定向扩散算法是以数据为中心的路由算法的里程碑式的协议。其主要思想是, 通过为每一个节点命名从而达到传输数据的目的, 以一个名册来控制那些不需要工作的节点, 从而节省能量。定向扩散算法中, 设置数据的属性对用于询问传感器节点。建立一个属性, 需要一系列的属性值, 如目标名称、间隔距离、时间、地理位置等。汇节点通过其邻居广播兴趣信息, 每一个节点接收到信息后会将其保存在缓存中, 这些节点同样具有整合信息的功能, 从而把路由问题转化为最小生成树问题。缓存中的兴趣数据, 用来判断接收到的数据的兴趣值。兴趣条目包括几个梯度域, 梯度是相邻的两个互相传输兴趣数据的节点描术, 梯度的引入使数据具有层次特征, 数据的层次、持续时间和终止时间源于兴趣区域。所以, 利用兴趣和梯度, 可以指定源节点和目的节点间隔中, 汇节点可能还会选择该路径进行数据传输。在定向扩散算法中实现了路径的修正, 当一条路径出现错误的时候, 新的路径或候选路应该开始使用。定向扩散算法在这方面的考虑, 使得数据传输始终可以通过较少的层次实现。建立多条路径, 可以节省搜索新路径的时候耗费的能量。

另一方面, 由于定向扩散算法是询问驱动的路由算法, 所以不能适用于所有的传感器网络应用。例如周期性或连续性询问的网络应用。所以, 定向扩散算法不适合于对环境进行综合性评价的传感器网络。另外, 定向扩散中的命名表, 应在实际应用时决定, 每一次都应有一个预定的内容。而且, 数据与询问的匹配也需要对传感器进行利用。

3 结论

无线传感器网络作为一种新的信息获取和处理技术, 具有传统网络不可比拟的优势。本文采用循序渐进的方式, 深入地阐述无线传感器网络及其路由协议的发展过程, 对数据路由协议进行了全面的分析。

对于无线传感器网络而言, 由于节点多, 部署环境复杂, 节点功率控制和路由问题都是较难解决的问题, 只能寻找近似解法。现在的算法对节点的功能、拓扑结构信息的要求太高, 对部署环境和节点状态的假设又过于理想化, 所以应用到实际环境中会出现许多问题, 节能效果也并不明显。因此应着重加强这方面的研究工作。但是, 大多数路由协议都没有考虑数据传输的安全方面的需求, 使得这些路由协议都易遭到攻击, 从而使整个无线传感器网络崩溃。路由技术作为网络构成的关键技术, 其安全性需要重点考虑, 如何建立有效的安全路由协议是无线传感器网络研究的重点。

总之, 在扩展无线传感器应用的同时, 除了考虑无限传感器网络的结构性问题外, 能量节约和安全性是不容忽视的。对于当前来讲, 要进行无线传感器网络的综合应用和研究工作具有更加实用的价值。

摘要：融合了传感器、微机电系统和网络通信等技术而形成的无线传感器网络 (WSN) 是一种全新的信息获取和处理技术, 对其路由协议的研究是当前富有挑战性的课题。本文分析了WSN的特点及其对路由协议的要求, 从WSN及其协议概述入手, 分析以数据为中心的路由协议。并根据不同的网络拓扑结构, 对各种以数据为中心的路由协议工作原理进行了研究, 同时提出了将来的研究方向和发展趋势。

关键词：无线传感器网络,能量有效利用,生命周期最大化,路由协议

参考文献

[1]任丰原, 黄海宁, 林闯.无线传感器网络[A].软件学报.2003.

[2]李建中, 李金宝, 石胜飞.传感器网络及其数据管理的概念、问题与进展[A].软件学报.2003.

[3]I.F.Akyildiz, W.Su*, Y.Sankarasubramaniam, E.Cayirci.Wire-less sensor networks:a survey.Computer Networks.2002.

[4]Akkaya K, Younis M.A Survey on Routing Protocols for Wire-less Sensor Networks.Ad hoc network.2005.

[5]Pottie J G, Kaiser J W.Wireless integrated network sensors[A].Proc of Communications of the ACM[C].New York.USA.2000.

网络数据通信协议研究 篇2

关键词：BACnet智能建筑楼宇自动化面向对象

随着计算机、通信、控制和图形显示技术即4C技术的快速发展和全球对信息高速公路的大力建设，智能建筑，这个数字化、网络化和信息化的结合产物开始进入人们的视野。然而，如今智能建筑内各种控制功能变得愈发强大而复杂，致使不同厂商生产的设备使用于同一建筑物内，但各个厂商基本上都是开发自己专有的通信协议，于是各式各样的通信协议和设备给智能建筑的系统集成及管理使用带来诸多不便，用户处于受制于厂商而使造价提高、使用和维护费用增加的境地。所以制定一个开放的、统一的通信协议标准，并形成即插即用(plugandplay)的环境，就成为十分迫切需要解决的问题。

目前，在智能建筑领域，现场总线和通信协议主要有：(1)最初应用于工业控制领域的总线协议，如具有代表性的Profibus总线、Lonworks总线、CAN总线等;(2)专门针对智能建筑的总线和通信协议，如美国的BACnet和CEBus、欧洲的EIB等。本文就其中的BACnet作详细介绍。

图1BACnet的体系结构层次图

基于WSN带状网络路由协议研究 篇3

关键词：无线传感器网络（WSN）；LEACH协议；拓扑结构；带状网络

中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1674-7712（2012）14-0052-02

一、概述

二、路由协议分析

LEACH协议通过随机选举簇头避免了簇头过分消耗能量；通过簇头的数据融合有效减少了通信量，从而提高了网络生存时间。但该协议采用单跳通信，扩展性差，虽然传输时延较小，但要求节点具有较大通信功率，不适合大规模应用；即使在小规模网络中，离汇聚节点较远的节点由于采用大功率通信会消耗大量能量，导致生存时间较短；而且频繁的动态拓扑结构变化和大量额外的广播也会耗费很多能量。

（二）LEACH协议能量模型

（三）LEACH协议的不足

LEACH协议虽然是分簇类协议有着不可替代的优势，但仍有一些地方有待商榷，直接应用于长带状状网络还是有很多不适应的地方，仍需要根据具体的应用环境进行相应的改进。

（1）簇头的选择只遵循等概率，而没有考虑节点的剩余能量，如果一个能量较低的节点被选作簇头，就很容易因大工作量耗尽能量而失效，因而缩短了网络的生命周期。

（2）簇头是选取随机的，无法保证簇头节点的合理分布，如果某区域附近没有簇头节点时，该区域内的节点就要选择加入距离较远的簇，这样就增加簇头和簇内节点的通信距离，使得能量消耗增大。

（3）所有的簇头都是直接与汇聚节点通信，那么离汇聚节点越远的簇头能量就消耗得越快，生存时间就越短，整个网络也因此受到影响。工作面环境复杂，通信距离经过实测也就30m左右，每个节点都直接与汇聚节点通信是不可能的。如果只是简单的其之间采用多跳路由，那么离汇聚节点较近的节点因为多轮多次转发其他簇头的数据，能量消耗的更多。而且网络规模越大，节点数目越多，死亡越快，从而影响网络的生命周期。同时，由于数据向一个方向传输，会形成一头大一头小的“棒槌”式结构，这必然造成能量的不均衡分布。

四、改进的路由协议研究

（二）算法设计

L-P协议也是基于分簇的路由协议，但不同于LEACH，由于网络呈长带状分布，若采用单跳路由形式，距离汇聚节点远的节点能量很容易耗尽。故该协议采用簇间单跳的动态方式传递信息。簇头一旦确定，簇便随机建立，每簇的簇头就成为中继节点。这样就由簇头节点组成了多条能够遍历整个区域的簇头链，但路径质量和通信代价良莠不齐，而不同的无线传感器网络对于传输路径的能耗或可靠性的要求各有高低。因此通过对每条候选路径的能耗或丢包率的比较，最终确定一条符合要求的簇头链。如果数据融合量很小，数据流就会呈“棒槌”状，越靠近汇聚节点数据量越大，造成的“热区”问题。故本文利用非均匀分簇的思想，越靠近汇聚节点簇的规模越小，来解决“热区”问题，平衡整个网络的负载，提高网络的生存时间达到增加网络寿命的目的。

五、仿真与分析

六、结论

丢包率和存活节点数是衡量无线传感器网络可靠性和网络生命周期的重要指标。L-P协议在这两方面都要优越于LEACH协议，改进后的簇首选择机制，非均匀成簇方式和簇间通信机制的确提高了网络和协议可靠性，延长了网络生命周期。由此可见，改进后的L-P协议更适应带状网络的无线通信应用。

参考文献：

[1]任丰源，黄海宁，林闯，无线传感器网络[J].软件学报，2003，14（7）：1278-1291.

[2]李成法，陈贵海，叶懋，吴杰.一种基于非均匀分簇的无线传感器网络路由协议[J].软件学报，2007，30（1）：27-36．

无线传感器网络通信协议研究 篇4

一、DSN概念与挑战

DSN是由大量部署在各自作用区内的微型传感器作为网络节点, 组成的一种分布式智能网络系统, 这种传感器网络系统具有节点信息互通迅速的特点, 相互之间的联系方式多选择多跳 (multi-hop) 、对等 (peer to peer) 的无线通信方式。DSN可以作为局域网络在脱机情况下进行独立运行, 也可以连接在Internet上利用互联网进行远程登陆和远程控制。

随着DSN网络信息系统的进步和发展, 给通信协议的设计提出了一些新的挑战:第一, 资源受限, 在DSN中每个微型传感器也就是网络的节点, 因为是独立工作状态, 所以只能携带有限的不可更换的电源, 在电量和电压供应上没有保障, 导致微型传感器的运算能力和存储能力都较弱;第二, 可扩展性要求, DSN系统规模庞大, 而且应用的领域并不确定, 所以需要通信协议具有较强的可扩展性, 能够根据通信网络的应用领域和应用环境进行实时调整;第三, 环境适应性, 创造DSN网络信息系统的目的, 就是要将它应用在长期无人值守条件下工作, 在恶劣环境下微型传感器遭遇恶劣环境和人为毁坏的几率极大, 要求通信协议能够适应传感器的这种高损失率, 在有微型传感器损失的情况下, 依然能依靠现有传感器节点进行信息处理和交互;第四, 安全性, 安全是系统可用的前提, DSN系统要在保证通信安全的前提下, 降低系统维护费用, 研究节能的安全算法;第五, 实时性, DSN系统是一种信息的快速响应系统, 一般被应用于航空航天、医疗等重要领域, 在这种关系到人民群众切身利益的行业领域应用, 就一定要保证信息传输的实时性、保证信息的时效性[1]。

二、通信协议研究进展

2.1物理层协议

在当前的无线传感器网络领域, 无线电传输是DSN的主流传输方式, 运用无线电进行信息传输面临的主要问题是, 无线电频段的选择、编码的节能化和调制算法设计。

在频率选择方面, ISM频段由于其自身无需注册的系统开放性和频段的大范围可选择性, 成为当前无线电传输的主流, 在这一频段的无线电传输中共有433MHz和915MHz两种频段的收发器设计方法[2]。

2.2数据链路层协议

2.2.1拓扑生成

DSN的拓扑结构可以分为两种, 一种是平面结构, 一种是层次结构。

所谓的平面结构就是所有的网络节点在网络信息系统中处于平等地位, 节点与节点之间不存在相互从属的关系, 这种网络组织结构具有结构简单维护方便的特点, 每个节点都有自己固定的算法, 所有的平等节点统属控制系统管理, 是一种典型的扁平化的节点管理方式, 但是这种管理方式也存在着自身的缺陷, 那就是因为系统中管理节点的缺失, 节点之间协同的算法复杂, 对协同信息的反应比较慢。

层次结构是与平面结构相对应的节点结构, 网络信息系统的层次结构通常以簇的形式存在, 所谓的簇就是一个传感器节点的集合, 在这一集合中集结了很多的节点, 每个簇都以自身内部存在的逻辑规则约束簇内的信息节点, 并结合簇的应用方向选择出称为簇首的节点, 簇首模仿自身的算法机制对簇中的其他节点进行管理, 这样的根据应用目标不同以协议的形式, 将信息节点约束成簇的节点管理方式极大的提高了网络系统的可扩展性, 方便了网络系统的管理[3]。

2.2.2信道介入方式

现有的信道介入方法协议——MAC协议, 由于在信息传输过程中复杂程度较高和能耗的问题无法解决, 已经不适合在DSN中应用, 研究人员基于对DSN系统特点的分析为DSN设置了特定的信道协议。研究人员针对DSN系统的特点开发出了SMACS协议和EAR协议, 由这两个通信协议进行信息管理, 其中SMACS协议负责系统中节点的自动组网工作, EAR协议负责网络系统中的移动节点的接入工作。这样一动一静两个信道协议将网络信息系统运行维护起来。

2.3传输层协议

DSN系统自身的设计更加偏重于无线传感节点的管理与控制, 所以在信息传输和通信可靠性上存在弱点, 其中最大的问题就是传输中出现错误的恢复机制。因为无线传感器传输过程中信息错误是必不可免的, 那么相关的错误恢复机制也在DSN设计时就已经存在, 但是经过实践的验证, DSN自身的错误恢复机制, 在信道通信质量下降的同时纠错机制也开始出现纠错率的下降。针对这一现象研究人员提出了逐跳 (hop by hop) 的错误恢复机制, 让数据传输的中间节点参与到错误恢复中来, 让信息传输的每一跳都对上一跳形成的信息错误进行纠正, 这样的纠错机制极大的提高了系统纠错的效率, 同时也避免了错误累积导致的通信质量下降。

三、结论

随着社会生产的大规模集成化, 无线传感器网络的应用将会越来越广泛, 而在无线传感器网络的建设过程中, 通信协议的质量对信息网络的质量有着直接的影响, 一定要在需求分析的基础上进行通信协议的编写, 保障无线传感器网络在社会生产中的积极作用发挥。

参考文献

[1]唐甲东.无线传感器网络路由协议研究-LEACH路由协议的改进[D].江南大学, 2013.

[2]刘长江.基于能耗优化的无线传感器网络LEACH协议研究与改进[D].广西大学, 2012.

网络数据通信协议研究 篇5

1. 计算机网络与路由简述

计算机网络(computer networks)是一个复杂的系统，其中存在许多技术，并且每种技术都与其它的技术一样起着不可替代的作用。许多国际组织和公司已经独立地设置了网络标准，而且彼此并不完全兼容。许多企业也已经推出了各种使用非常规的网络技术的产品和网络服务及其网络协议。计算机网络正变得越来越复杂，使其变得复杂的原因在于有多种网络技术以及各种网络协议被用来连接两个或者多个网络，这也就导致网络间有多种可能的连接方式。 比如，CISCO公司的路由器有其自主开发的动态路由协议IGRP和EIGRP，在广域网三层使用路由协议进行PACKET的分组交换路由的时候，目的路由器必须是使用的CISCO的路由器并且使用的是IGRP或者EIGRP路由选择协议，否者在路由器所连接的源和目的主机间不能进行通讯，因为IGRP和EIGRP是CISCO专有的路由协议。

2. 路由 / 路由协议 (Route / Routing Protocols)

2.1 路 由(Route)与 路由器 (Router)

路 由(Route) 将分组从网间网的一个地方转发到另一个地方的路径和过程。

路由器(Router) 用来网络互连计算机三层网络边缘设备，工作在OSI七层参考模型的网络层，为不同的网络之间报文寻径并存储转发。

2.2 路由选择协议(Routing Protocol)与可路由选择协议(routed protocols)

我们可以想象一种情况，如果整个武汉市只有一条公路，每辆汽车、每辆自行车、每个摩托车、每个行人都必须使用这唯一的一条公路。成千上万的汽车造成的交通通信量将在所有的地方造成拥塞。显然，需要将过多的交通量转移到不同的道路上，以将其分解为可以管理的部分。道路仍然需要交叉，这样人们仍然可以到达它们需要的任何目的地。多个交叉也可以提供富余的路由，这样可以避免巨大的交通延迟。通过在不同的路由上发送交通量，可以将交通拥塞压缩到最低限度。按照相同的方法，互连网络通信量需要分解，以避免网络通信量拥塞。引导互连网络通信量达到不同网络上的过程称为 路由选择(Routing)。

路由选择协议(Routing Protocols): 用于建立和维护路由表和按照达到数据包的目的地的最佳路径转发数据数据包的协议。比如，RIPV1，IGRP，OSPF等。

可路由选择协议(Routed protocols): 已选择路由协议由最终节点使用，以将数据和网络层地址分配信息一起封装在数据包中，目的是它可以通过互连网络进行中继。AppleTalk、IP和IPX都是已选择路由协议。注：当一个协议不支持网络层地址时，那么它就不是一个已路由协议。

路由器使用路由选择协议(routing protocols)，以建立和维护路由表和按照达到数据包的目的地的最佳路径转发数据数据包。路由选择协议使路由器可以了解没有直接连接的网络的状态和与其他的路由器通信，以了解它们所关心的网络。这种通信不断进行，这样当互连网络中发生变化时，路由选择表中的信息可以随时更新。

2.3 路由选择算法(Algorith)和度量值(Metric)

路由选择算法就是路由选择协议用于决定达到目的网络的最佳路径的计算方法。路由选择算法越简单，则路由器将使用的处理能力就越小。这将减少路由器的日常费用。

路由选择算法的主要目的有3个：

• 准确性

• 低开销

• 快速收敛

度量值(Metric)是那些用于决定哪个路由是最优的值。根据所使用的路由选择协议，不同的因素可以决定一个路由的度，包括中继数量、链路速度、延迟(delay)、可靠性(capability)和负载(load)。

3.动态路由选择协议(Dynamic Routing Protocols)分类

动态路由是用某种算法寻找网络中的最佳路径和维护这张路由表的过程。

动态路由选择协议(Dynamic Routing Protocols)主要类型，如下:

距离矢量 (Distance Vector)

链路状态路由协议 (Link State)

3.1 距离矢量 (Distance Vector)

距离向量路由选择协议也称为Bellman Ford协议，

距离矢量路由协议主要有： RIPV1 , RIPV2 , IGRP。( RIP Routing Information Protocols , IGRP Interior Gateway Routing Protocols )距离矢量路由器定期向相邻的路由器发送它们的整个路由选择表(routing table)。距离相邻路由器在从相邻路由器接收到的信息的基础之上建立自己的路由选择信息表。无论使用何种类型的路由选择算法，互连网络上的所有路由器都需要时间以更新它们的路由选择表中的改动，这个过程称为聚合(convergence)。

距离向量路由选择是最古老也是最简单的一种路由选择协议算法。

距离矢量路由协议有一个严重的缺点，缓慢的收敛时间过程会造成路由回路(Routing Loop)。

解决路由回环方法：水平分割，定义最大跳数，路由毒杀，反转毒杀，抑制时间。

(注： 真正的距离矢量路由协议只有RIPV1和RIPV2，因为它们只用到了HOP跳数做为唯一的计算路由的方法。IGRP是CISCO公司专有的动态距离矢量路由协议，它使用到了跳数，但是主要决定路由因数是链路带宽，延迟，负载，最大传输单元，设备可靠性，能力等。)

3.2 链路状态路由协议 (Link State)

链路状态路由选择协议的目的是映射互连网络的拓扑结构，它是一种比距离矢量更复杂的路由选择协议，目前最流行的动态路由协议就是一种链路状态协议：OSPF 。OSPF的普及因为多协议标签交换(MPLS)的出现而更流行。

链路状态路由协议主要有： OSPF , IS IS(OSPF Open Shortest Path First , IS IS Intermediate System to Intermediate System)每个链路状态路由器提供关于它邻居的拓扑结构的信息。这包括：

• 路由器所连接的网段(链路)

• 那些链路的情况(状态)

链路状态路由器并不会广播包含在它们的路由表内的所有信息。链路状态路由协议只发送已经改动的路由的信息。链路状态路由器将向它们的邻居发送呼叫消息，这称为链路状态通告( LSA )。然后，邻居将LSA复制到它们的路由选择表中，并传递那个信息到网络的剩余部分。这个过程称为泛洪( flooding )。链路状态路由选择协议使用称为代价(cost)的方法，而不是使用跳(hop)。代价是自动或人工赋值的。链路状态路由选择协议的一个主要优点，即路由选择循环不可能形成，第2个优点，在链路状态互连网络中聚合是非常快。这些优点释放了路由器的资源，因为对不好的路由信息所花费的处理能力和带宽消耗都很少。

(注：EIGRP是一种混合动态路由协议，它综合了距离矢量和链路状态的两种路由方法。但是我们还是认为它属于一种高级距离矢量路由协议(HYBRID)，这里就不在过多讨论了。EIGRP和IGRP都是CISCO公司专有的路由协议，只有运用在CISCO公司或者它授权的路由产品中才能使用。)

4. 内部和外部网关协议 (IGP和EGP)

在大型网络中，例如Internet，极小的互连网络分解为自治系统AS(Autonomous System)。每个AS被认为是一个自我管理的互连网络，一个自治系统内部运用相同的路有策略和路由算法。连接到Internet上的大型公司网络是自己拥有的自治系统，因为Internet上的其他主机并不由它来管理，而且它和Internet路由器并不共享内部路由选择信息。

路由选择协议是在一个自治系统内部为管理系统而开发的。它们也称为内部网关协议( IGP Interior Gateway Protocols )。内部网关协议也称为域内协议，因为它们工作在域内，而不是在域之间。这些协议认为，它们所处理的路由器是它们系统的一部分，并且可以自由交换路由选择信息。内部网关路由协议主要有： RIPv1 , RIPv2 , IGRP , EIGRP , OSPF , IS IS等。

有些路由选择协议也是为在一个较大的互连网络中连接自治系统而开发的。它们称为外部网关协议(EGP C Exterior Gateway Protocls)。外部网关协议就是所谓的域间协议，因为它们工作在域之间。这些协议认为，它们在系统的边缘上，而且仅仅交换必须的最少的信息，以维持对信息提供路由的能力。外部网关路由协议主要有： EGP 和 BGP4(Border Gateway protocol 4)。

总结

网络数据通信协议研究 篇6

【关键词】大数据时代； 网络舆情；网络社会治理

一般来说，大数据是指无法在可容忍的时间内用传统IT技术和软硬件工具对其进行感知、获取、管理、处理和服务的数据集合。[1]具有信息量大、类型多样、时效性强等特点。随着云计算、移动互联网和社交网络的兴起，各类网络数据规模和种类以前所未有的速度增长，我国进入了大数据时代，网络数据监测和管理更加困难，对网络舆情和网络社会治理提出了新的挑战。

一、网络舆情与网络社会治理

网络舆情即网络上的社情民意[2]，主要涵盖两点：一是通过互联网发布、传播的新闻事件、热点信息，二是公众表达的观点、态度、情绪和意见。大数据时代，随着移动互联网和社交网络的普及，新闻信息传播的速度和广度实现前所未有的突破，各类新兴网络媒体存在门槛低、用户群庞大、信息量大、传播迅速、实时互动性强等特点，每个人都可以制造和传播新闻。

网络社会既包含网络信息、网络行为等直观因素，还涉及这些因素所反映的社会关系等因素，网络舆情是网络社会中观点、矛盾、诉求的集中体现。在大数据时代，中国已经形成了规模巨大、构成复杂的网络社会，其所涉及和影响的领域，不仅包括信息传播和社会交往，同时也涉及经济社会发展以及社会管理的内容。如果说网络舆情治理是对网络传播的社会舆论信息的监测和管控，那么网络社会治理就是通过对网络信息、网络行为的治理及其所反映的社会关系的调整，充分合理地发挥网络信息传播平台的作用。

二、大数据时代网络舆情与网络社会治理面临的新挑战

（一）网络新闻新特点促使网络舆情监测难度进一步增加

截至2015年6月，我国网络新闻用户约为5.55亿，较2014年底增加3572万，其中，手机网络新闻用户为4.60亿，较2014年底增加了4420万。[3]在大数据时代，网络新闻已经成为新闻传播的主要途径，并呈现出新的特点，进一步加大了网络舆情监测难度。第一，传播平台众多，传播主体大众化。除门户网站外，BBS、QQ、MSN、微博、微信等用户群庞大的通信工具、社交网络也都在时刻传播新闻，公众只需要几个按键就能随时转发新闻资讯并加载评论。这使得新闻传播范围更广、速度更快。第二，影像技术进步，传播内容多样化。随着影像设备和手机功能增强，公众可随手获取最新的新闻图片和影像，网络新闻传播形式已不仅局限于文字加简单配图，更多的是愈加高清的视频和图片，给公众留下的印象更为深刻，更具有说服力，也更难被之后的信息所改变。第三，搜索引擎发展，信息获取主动化。搜索引擎依托大数据和云计算，并与语言识别、人工智能等技术融合，通过语音、图片搜索信息更为便捷，公众从以往被动接受信息，转为更准确、更快速的搜索和评论各类信息。

（二）网络舆情分析与应对难度进一步增加

网络舆情检测和分析手段落后。大数据时代，网络信息包括多种数据源、数据种类和格式，规模之大超出传统数据库采集、存储和分析能力，谷歌执行董事长艾瑞特·施密特曾说“现在全球每两天创造的数据规模等同于从人类文明至2003年间产生的数据量的总和”[4]。如何全面准确及时地掌握网络舆情动态，增强舆情信息监测、分析能力，并对社会舆论进行正确引导，成为摆在各级政府面前的严峻挑战。

网络舆情应对方法不当。例如，在以往的网络舆情应对中，一些地方政府经常使用删帖、禁言等封堵信息的办法，但在大数据时代，信息不是传播到某个网站被动等待浏览，而是迅速传播到多个网络平台，甚至每个人的手机中，删除网站信息容易，但是删除成千上万人手机中的信息恐非易事。网络新闻传播范围之广、速度之快使得封堵信息越来越难，这对政府的应对速度、方法提出了挑战。

（三）网络舆情更为深入的涉及社会关系

参考舆情蓝皮书《中国社会舆情与危机管理报告（2015）》[5]，可将网络舆情划分为涉警涉法、环保、反腐、财经、教育、医疗、国际热点等方面。网络舆情已不仅限于信息的传播，而是越来越深入涉及社会关系，并显示出公众参与社会管理的愿望。以近年来的“滴滴专车”事件为例，北京、上海、沈阳等大城市开始限制和处罚滴滴专车的同时，各大社交网络充满了为其鸣不平的用户，同时很多网络媒体和行业专家也都肯定“专车”服务，认为有利于社会资源共享、提高利用率[6]。该事件本身不仅是网络新闻传播，也不仅是政府部门表态，更涉及多项行政管理法规及行政法律关系，涉及专车服务包含的民事合同关系，同时也存在市场主体创新经营如何适应政府市场监管的问题。而公众和专家积极通过网络平台加以评议，甚至不乏专业意见，也显示出其希望参与社会治理的愿望。

三、大数据时代网络舆情和网络社会治理的对策建议

（一）更新网络舆情和网络社会治理理念，完善治理方法

政府应该保持更加开放、包容和积极的心态，使网络治理在发展中规范，在规范中调整，在调整中完善。应更充分地发挥互联网作为及时准确发布信息、倾听民意和舆论监督平台的作用。对于存在的问题，应该改变治理策略，要从封堵不同的声音向增强自己的声音转变，要从简单处理网络舆情信息向深入调整网络社会关系转变，从对违法传播行为的处罚向进一步解决深层次社会矛盾转变。从而跳出“怀疑政府—封堵信息—抨击政府—矛盾加剧”的恶性循环，逐步建立“舆情引导—行为管理—调整化解矛盾”的良性循环。

（二）加强政府网络舆情监测系统建设，提升治理水平

大数据时代信息技术的进步，对于网络舆情监测来说既是挑战又是机遇。目前政府对于网络舆情的检测主要停留在治安层面，应进一步建设迅速而有效的政府网络舆情监测系统。主要作用：一是通过互联网了解社情民意，获取和分析最直接、最真实的公众诉求；二是随时了解和准确收集与政府各部门相关的舆情信息，并加以追踪；三是掌握突发事件和舆情信息的发生过程、最新变化及断未来走势，以便于政府选择最佳的干预时机和措施；四是有助于及时制止、处罚违法行为，防止违法舆情信息传播和失控；五是及时为政府决策提供信息支持，从而及时完善相关政策、措施，调整相关社会关系，缓和社会矛盾。

政府网络舆情监测系统可以在“云平台”存储、计算能力基础上，通过电子政务专网、终端存储和服务等设备共同构建，并通过专用程序为政府各级用户提供信息采集、处理分析、舆情管理等舆情监测功能服务。该系统可以省级行政区划为单位，在各市、县逐级设置，共建网络舆情数据中心，并依职权和级别建立信息共享机制，增强网络舆情监测的系统性和时效性。

（三）提高政府信息传播公信力，增加治理着力点

对于网络舆情治理来说，提高政府公信力已刻不容缓。某些政策的出台或者具体的行政处罚案件中，虽然政府可能有失当之处，但是由于公众的关注，再经互联网传播放大，各种谣言四起，就可能给国家和社会带来不必要的损失。因此，要正确引导网络舆论就必须建立及时、透明的信息公开渠道，在第一时间发布全面、准确、权威信息，向公众答疑解惑。目前大多数政府部门都已建立了政府网站和微博，但是也存在很多问题，例如某些政府网站和微博建立之后，信息更新不及时、对公众的疑问没有反馈，逐渐失去了公众的信任。因此政府网站和微博，应及时发布更新与公众生产生活密切相关的公共信息，对公众的疑问要及时解答。微博、微信等网络平台潜力巨大，各级政府应提高行政效率，将本地区网络平台整合起来，形成有效的信息网络，通过发布信息、积极互动，提高政府信息传播公信力。

（四）推进互联网法治体系建设，强化治理能力

法律是加强网络舆情和网络社会治理的有力武器，在网络治理方面应坚决做到有法可依，执法必严。虽然我国出台了一些互联网监管法规，但存在操作性不强、立法滞后、法律位阶不高、缺乏系统性等问题，再加上部分公众法律意识淡薄，治理效果十分有限。例如，《互联网新闻信息服务管理规定》，不仅立法位阶较低、条文简约，而且调整范围较小，主要是对互联网新闻信息服务的规定，对网络舆情治理、网络行为规范仍然缺乏专门法规加以调整。鉴于此，我国需加快相关行政立法进程，加强网络执法队伍建设，不断提高网络监管和执法的水平。

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网络数据通信协议研究 篇7

煤矿井下是非自由空间,掘进巷道、采煤工作面以及采空区的环境条件对WSN提出了特殊的要求和挑战,现有的可应用于无线传感器网络无线通信平台的标准,在应用对象、信道条件、实现目标上都与矿井无线监测的具体要求存在很大的差别,难以可靠、有效的满足矿井无线安全监测的需求[1]。

矿井无线传感器网络拓扑结构变化频繁,随着开采的深入,新的传感器节点的加入和旧节点的移动或失效时有发生,因此要求网络具备很好的拓扑重建、路由更新的动态调整性能,即必须具备鲁棒性和可扩展性。常规无线传感器网络节点能量受限,路由协议设计必须优先考虑如何降低节点和网络的能耗[2][3],而井下无线传感器网络的网关节点可通过有线方式供电,传感器节点可由矿灯电池供电,并可以进行定期的维护、更新或更换电池,所以井下无线传感器网络不以追求能量高效为主,更加强调可靠性,健壮性[4]。

煤矿安全监控数据具有突发性和区域相关性的特点,当有险情发生时局部安全参数会发生剧烈变化,需要对监测数据密集采样[5][6],必须研究节能高效的,实时信息路由技术,保证报警信息上传的及时性。目前提出的能量感知的路由协议,定向扩散和谣传等基于查询的路由协议,GEAR和GEM等基于地理位置的路由协议等是以一般的无线传感器网络作为研究对象的[7]。由于传感器网络路由协议具有很强的应用相关性,这些路由协议都不能很好地适用于井下无线传感器网络监测的具体应用环境,必须设计与井下无线传感器网络监测的具体应用环境相适应的特定路由机制。

2 多点冗余备份路由协议设计

根据井下环境对路由协议的要求我们做出以下设计:如图1所示首先,井下多为狭窄的巷道,而无线信号是以扇形向外辐射传输,如果节点全部摆放在巷道同侧会影响无线信号的有效传输,丢包率大幅增加,有效通信距离变短,影响正常通信[8]。所以本协议中,所有主通信节点在矿井巷道中交替摆放。其次,为满足鲁棒性所有主通信节点之间的中间位置放置备份节点,平时备份节点处于休眠状态,数据延固定路径传输,当出现故障时备用节点可以被快速激活自动组网恢复网络功能,保证数据的正常传输。为满足可扩展性,各挖掘层节点编号由上往下递增,随着采掘进度,新布置的节点编号只要保证增加就可以。最后,为满足数据传输的及时性,当网络出现损坏节点时,能够快速恢复网络。为每个节点建立组网优先级表,如果出现节点损坏的情况,无法继续传输信息的节点广播激活和要求转发消息,收到响应消息后按优先级处理,重新组网。只需要几次广播就可以恢复数据正常传输。

2.1 基本信息表(BIT)的建立

为实现这些设计,我们为每个节点建立基本信息表(Z,S,C,N,PRI),该信息表用来记录节点的一些基本信息,其中Z表示节点所在的采掘层;S表示节点在墙壁的哪一面,如果某节点的S设为0则和它在同一面的节点S都设为0对面的节点S设为1;C是节点属性C为0时表示节点是主通信节点,C为1时表示节点为备用节点;N是节点的编号,每一掘进层的节点由上往下编号递增。

为了快速恢复路由,为节点建立组网优先级表PRI。因为主通信节点和备用节点在重新组网时的地位不同,他们的组网优先表也就不一样,具体如下:

(1)主通信节点优先级表的设置

井下环境复杂,电磁干扰大,主通信节点间的通信可能因为一时的干扰断掉而不是真正的出现损坏节点[9]。所以重新组网时依然把主通信节点的优先级设为最高。根据前面所述,我们尽量避免同一面的节点通信,为保证通信质量,对面备用节点优先级设为第二。同面备用节点优先级最低,我们可以看出在极端情况下虽然使用同面节点通信,但其距离却只有有效通信距离的2/3,所以基本可以保证通信需求,而且,路由恢复时当只有同面备用节点符合选取要求时我们做了特殊处理,这将在后面具体介绍。

(2)备用通信节点优先级表的设置

备用通信节点依然设置对面主通信节点优先级最高。离该请求信息转发的备用节点最近的对面备用节点优先级比离它较远备用节点优先级高,判断距离可以根据编号,比如3号备用节点发送请求转发和激活信息时,4号5号备用节点都能收到,因为4比5小所以其优先级比5号节点的优先级高。同面主通信节点优先级第四。和主通信节点一样,同面备用节点的优先级最低,我们也同样做了特殊处理。

基本信息表在多点冗余备份协议中十分重要,数据的正常传输,出现节点损坏时路由恢复,以及建立新路由后试图恢复主通信节点间的通信都要靠这张表里的数据实现。比如要求信息转发节点发送激活信息后,收到的响应信息就是响应节点的基本信息表,它通过响应节点的基本信息表判断对方是主通信节点还是备用通信节点,并和自己的基本信息表比较以确定是同面节点还是对面节点以及是否符合数据转发的方向,因为数据可以是向井上传递的反馈信息也可能是向井下传递的查询信息。组网时要根据信息方向选取节点。可以说基本信息表就是多点冗余备份路由协议的灵魂。

2.2 路由恢复

井下环境复杂,各种电磁波干扰节点间正常通信,频发的事故很容易破坏节点,但即使是矿难发生时,也要保证数据正常传输,所以无线传感器网络应用到井下时良好的路由恢复功能至关重要,当特殊情况造成节点损坏时,能够迅速恢复通信,保证数据正常传输是第一要求[10]。我们设计的网络中每个主通信节点和一对主通信节点间的备用节点,这三个节点只要保证有一个能正常工作就能保证网络的运转,也就是说在最好情况下网络2/3的节点损坏依然能够保证网络正常工作,而且出现损坏节点时能够快速恢复路由,既保证了网络的鲁帮性又能快速恢复路由,保证数据上传的及时性。

2.2.1 节点损坏时的路由恢复

如图2所示,假设用户向井下发送查询信息,信息到达4号主通信节点后由于某些原因无法与7号主通信节点建立连接。于是4号节点发送激活和请求转发消息,它可能收到1号主通信节点,2号3号5号6号备用节点的响应信息(响应信息包含响应节点的基本信息表)。因为要转发的数据是向井下的查询信息,路由恢复时被选中的节点编号必须比4号节点大,所以1号主通信节点,2号3号备用节点被排除,5号和6号节点符合要求。4号节点把5号6号节点的基本信息表和自己基本信息表比较。4号节点的基本信息表是(Z,0,0,4,PRI)5号6号备用节点的基本信息表分别是(Z,1,1,5,PRI)(Z,0,1,6,PRI),可以知道5号节点是对面备用节点,6号是同面备用节点,然后查询优先级表,选中5号节点作为转发节点,更改路由表后把查询信息转发给5号节点然后向控制中心传输7号节点出错信息。5号节点继续组网选中6号节点,然后6号选中9号备用节点,9号选中10号节点。这样网络就恢复了正常工作。但这并没有结束,4号节点无法和7号节点建立连接不一定就是7号节点损坏,很可能是因为电磁干扰等原因造成的,所以新路径建立后4号节点每过一段时间就向7号节点发送请求连接信息,如果7号节点响应则恢复以前的主通信节点间的通信路径,让备用节点继续休眠。因为4号到10号节点间同样的距离用主通信节点通信只要三个节点而新建立的路由却要5个节点,恢复主通信节点间的路由可以减少能量消耗,而且7号节点修复后能快速的自动恢复主节点间的通信。

2.2.2 特殊情况的路由恢复

前面我们说过路由恢复时只有同面备用节点符合选取要求时做特殊处理。如图所示,假如5号和7号节点损坏。4号节点广播激活和请求转发信息后只有6号同面备用节点符合选取要求。此时如果直接和6号备用节点建立连接则违反了我们的同面节点尽量不通信的原则。所以4号节点不和6号备用节点建立连接而是和它上一个对面备用节点3号节点建立连接。3号选择下跳节点时因为已经和4号建立连接所以即使收到4号节点的响应信息也把4号节点排除点而选取6号节点。这样数据通过3号备用节点转发到6号备用节点从而恢复了路由。

当然如果极端情况下3号节点也损坏时则只有让4号节和6号备用节点建立连接。后面的模拟数据表明虽然4号和6号处在同面,但因为其距离只是有效通信距离的2/3,所以丢包率是可以接受的。

3 模拟与仿真

为了验证本文提出的多点冗余备份路由协议,我们在NS2平台上进行了模拟与仿真。数据从传感器节点到控制终端的时间延迟和丢包率的结果如图4和5所示。图4中“+”表示数据包传输的时间延迟,图中峰值是由各种路由恢复造成的。较高的峰值是极端情况下路由恢复的时延。而较低的峰值是一般情况下路由恢复的时延。可以看出即使在极端情况下数据包通过路由恢复后的路由传输上来的时延都不会超过220ms。所以传感器节点探测到的数据可以及时的传输到控制中心。

图5中的“+”表示没有路由恢复的丢包率。“x”表示一般情况下路由恢复后的丢包率。“*”则是网络经过极端情况下的路由恢复后的丢包率,可见极端情况下的处理方式使得数据传输的丢包率控制在可以接受的1 5%左右。

通过模拟结果,我们可以得到如下结论:该无线传感器网络可以传输大部分的数据,但一些数据因为电磁干扰,能量和传输距离等原因不能成功的被传输到控制中心,所以仍然需要对算法进行改进以保证数据正常传输。

4 结论

和传统网络不同,无线传感器在井下的应用鲁棒性是最重要的,而能量消耗是其次的[11]。根据煤矿井下的特殊情况,本文提出了更能够适应煤矿特殊环境的多点冗余备份路由协议。为每一个节点设计了基本信息表,这使路由恢复能够快速简单的完成。模拟结果验证了多点冗余备份路由协议的鲁棒性和有效性。

总的来说,我们很满意多点冗余备份路由协议的表现。首先,特殊的拓扑结构和路由恢复算法能保证网络的鲁棒性。其次,路由恢复只需要几次广播就可以快速完成,当有节点损坏时,路由可以以最快的速度恢复,保证数据上传的及时性。并且有节点损坏时,会把损坏节点的基本信息表上传给控制中心,这样可以快速定位损坏节点位置,方便维护人员维修损坏节点。再次,路由恢复后网络一直试图恢复使用主通信节点进行通信,这样不仅能减少能量消耗而且可以使修复后的主通信节点第一时间投入使用。最后,每对主通信节点间只有一对备用节点,节省了使用开销。

摘要：无线传感器网络在煤矿井下获得了越来越多的应用。本文根据井下特殊环境对WSN提出的特殊要求，设计了高效安全的路由协议。我们称之为多点冗余备份路由协议，该协议可以快速发现网络拓扑结构和路由信息变化，选择最优路由并把数据通过该路由传输出去，当有节点损坏时可以自动恢复路由。为了能够快速的恢复路由有效的传输数据，为每个不同类型节点分别建立基本信息表，另外本文介绍了不同情况下路由恢复的过程。最后，为了验证本文提出的冗余备份路由协议，在NS2平台上进行了大规模的模拟。

网络数据通信协议研究 篇8

路由协议的目的是在通信网络中建立并维护数据传输路径[1,2,3,4]。由于其在网络通信中占有重要地位,所以一直是通信协议研究的重要内容。针对水声通信网路由协议的特点[5,6],在根据具体应用进行路由研究时,需要满足下面几项要求:

1、能量高效。水声通信网的路由协议不单单要选择能耗最小的数据传输路径,而且需要统筹考虑整个水声通信网的情况,选择使所有节点消耗均衡的路由。由于水声通信网络资源有限,因此网络路由协议需要能够准确有效地实现数据的传送[7]。

2、稳定性。能量用尽或腐蚀、污垢等环境影响会造成水下传感器的节点失效,从而对水声链路的通信质量造成影响,再加上链路本身的缺陷,这些不稳定的特性都要求水声通信网的路由协议具备一定容错能力[8,9]。

3、可扩展性。在水声通信网络中,节点的故障、新节点的加入以及节点的移动,都会使得检测区域的范围和节点密度有所变化,从而导致网络的拓扑结发生变化,这种情况下,则就要求路由协议具备一定的可扩展性,以适应网络结构的随时改变[10,11]。

本文以OMNe T++为仿真平台[12]根据水下通信的特点进行路由协议研究。

2 路由协议

基于水下通信网络移动性的特点,为了更好地适应由于网络拓扑结构改变而引起的链路失败问题,在路由建立过程中每个节点充分利用接收到的报文信息,在自身的路由表中为每个目的地址保存多条路由信息。

2.1 全路径模式路由协议

在全路径模式路由协议的路由建立过程中,源节点通过泛洪式广播发送路由请求(RREQ)报文,RREQ报文的数据格式如图1所示。

如图1所示,源地址和目的地址分别表示水下通信网中待发送数据报文的源节点地址和目的节点地址,转发节点地址为转发该RREQ报文的节点地址,序列号为当前发送RREQ报文的唯一标识号,通过该序列号可以有效避免每个网络节点对同一报文多次应答的情况。

网络节点收到RREQ报文后处理流程如图2所示。

如图2所示,每个网络节点收到RREQ报文后首先判定RREQ报文的序列号是否为新,如果为新,说明第一次接收到该RREQ报文,将RREQ报文中中继节点地址保存到自身路由表中的邻居列表;否则删除该RREQ报文,然后判断RREQ报文中目的地址是否为本节点地址,如果目的地址是本节点地址,则生成RREP报文并将其广播发送,该RREP报文的源地址为本节点地址,目的地址为RREQ报文的源地址。RREP报文的数据格式如图3所示。

如果该节点地址不是目的地址,则在自身路由表中查找是否有到RREQ报文中目的地址的路由信息,如果有则生成RREP报文并将其广播发送,该RREP报文的源地址为本节点地址,目的地址为RREQ报文的源地址,将路由表中到达RREQ目的地址的路由信息相应写入中继节点地址;反之则将自身地址写入RREQ报文中的转发节点地址并转发该RREQ报文。

全路径模式路由协议中网络节点收到RREQ报文后处理流程如图4所示。

如图4所示,每个网络节点收到RREP报文后首先判断目的地址是否为本节点地址,如果是则提取RREP报文中的源地址以及中继地址列表,更新自身路由表,并将数据队列缓冲区中的数据报文发送出去;反之则判断中继地址列表中是否有本节点地址,如果有则删除该RREP报文,如果没有则首先根据该报文中的源地址以及中继地址列表更新自身路由表,然后将RREP报文中跳数加1,并将自身地址写入RREP报文中与跳数对应的中继地址后转发该报文。

以一个9节点的水声通信网络为例,网络拓扑结构如图5所示。

图5中实心原点代表网络节点,黑色虚线代表通信链路,由图5可知,该水声通信网络为非全链接通信网络,例如网络节点1和网络节点5之间没有通信链路。设定网络节点1为源节点,网络节点6为目的节点。首先网络节点1泛洪式广播EEEQ报文,由于网络初始阶段,每个网络节点的路由表均为空,因此直到网络节点6接收到RREQ报文后才生成RREP报文并将其发送。由网络拓扑结构可知,在全路径模式的路由协议中,网络节点3,5,9收到网络节点6广播的RREP报文,具体情况如图6所示。

网络节点3、5、9接收到RREP报文后利用图4所示的全路径模式RREP报文处理流程图对该RREP报文进行第二次广播,具体情况如图7所示。

在全路径模式路由协议中,网络节点2和6接收到网络节点3广播的RREP报文,利用图4所示的全路径模式RREP报文处理流程图,网络节点2更新自身路由表并将自身地址写入报文中的中继地址(RREP报文中继地址信息更新为2→3→6)后转发该RREP报文。网络节点6由于检测出RREP报文的中继地址列表中包含有其自身地址,因此直接删除该报文。同样地,网络节点2、4、6、8接收到网络节点5广播的RREP报文,除了网络节点6因为检测出RREP报文的中继地址列表中包含有其自身地址而直接删除该报文以外,网络节点2、4、8分别将RREP报文中继地址信息更新为2→5→6、4→5→6、8→5→6后转发该RREP报文。此外,网络节点6和8收到网络节点9广播发送的RREP报文后,节点6仍然由于检测出RREP报文的中继地址列表中包含有其自身地址而直接删除该报文。节点8更新RREP报文中继地址信息为8→9→6后转发该RREP报文,具体情况如图8所示。

通过上述的路由建立过程,可以实现整个网络范围内可通信路径的完整建立。但在网络规模较大的情况下,由于RREP报文的多次转发导致网络资源的浪费以及网络节点能源的消耗。

2.2 最优路径模式路由协议

最优路径模式路由协议的路由建立过程中,源节点通过泛洪式广播发送路由请求(RREQ)报文,RREQ报文的数据格式以及网络节点处理RREQ报文的过程均与全路径模式路由协议相同。针对减少网络资源的占用以及节点能源的消耗问题,最优路径模式路由协议中RREP报文处理流程图如图9所示。

如图9所示,每个网络节点收到RREP报文后首先提取RREP报文中的源地址以及中继地址列表建立一条临时路由信息,判断路由表中是否存在比该条临时路由信息更优的路径,如果有删除该RREP报文;反之则将该条临时路由信息更新到自身路由表,并进一步判断RREP报文的目的地址是否为本节点地址,如果是则删除该RREP报文并将数据队列缓冲区中的数据报文发送出去,如果目的地址不是本节点地址则将RREP报文中跳数加1,并将自身地址写入RREP报文中与跳数对应的中继地址后转发该报文。

继续以图5所示的9节点水声通信网络为例,同样设定网络节点1为源节点,网络节点6为目的节点。由于最优路径模式与全路径模式下的路由协议中处理RREP报文的流程一致,因此网络节点6接收到RREQ报文后才生成RREP报文并将其发送。由于网络拓扑结构仍采用图5所示的网络结构,因此在最优路径模式的路由协议中,网络节点3、5、9收到网络节点6广播的RREP报文,具体情况同样如图6所示。

网络节点3、5、9接收到RREP报文后利用图5所示的最优路径模式RREP报文处理流程图对该RREP报文进行第二次广播,由于网络节点3、5、9均只收到一个RREP报文,即不存在取最优路径的问题,因此具体情况同样如图7所示。

在最优路径模式路由协议中,网络节点2先后接收到网络节点3和5广播的RREP报文,不失一般性,假定网络节点2先接收到节点3广播的RREP报文,首先建立临时路由信息2→3→6,然后将该临时路由信息更新到自身路由表以及RREP报文的中继地址信息后转发该RREP报文。在此之后,网络节点2接收到节点5广播的RREP报文后,建立临时路由信息2→5→6并发现该临时路由信息并不优于路由表中已有的路由信息2→3→6,因此删除该RREP报文。同样地,网络节点8接收到网络节点5和9广播的RREP报文,只根据其中一个RREP报文的信息更新自身路由表的更新以及RREP报文中继地址信息后将该RREP报文转发。而对接收到的另一个RREP报文予以直接删除。

网络节点6接收到网络节点3、5、9广播的RREP报文后,由于自身节点为RREP报文的源节点,因此将该RREP报文删除。网络节点4接收到网络节点5广播的RREP报文后更新自身路由表信息以及RREP报文的中继地址信息(更新为4→5→6)后,转发该RREP报文。具体情况如图10所示。

由图8和图10可知,最优路径模式路由协议中RREP报文的路由成本小于全路径模式路由协议,从而节省了网络资源以及网络节点的能源消耗。

此外,通过分析两种模式路由协议在9节点水声通信网络中运行的具体过程可得两种协议在路由建立过程结束后网络节点路由表中的路由信息如表1所示。

由表1可以看出,全路径模式路由协议可以在路由建立阶段保存更多的路径信息,从而对网络拓扑结构的变化具有更好的适应能力。

3 两种模式路由协议性能比较

如表2所示的设置参数下,对两种不同模式下的路由协议性能进行比较。图11给出了节点数目由4增加到16的情况下,两种模式路由协议路由成本性能的比较。

如图11所示,在通信网络节点数量较小的情况下,两种寻址方式的路由成本差距不大。但是随着通信网络节点数目的增加,特别是当节点数目大于12时,由于网络节点可搜索路径数目的增加,使得全路径模式路由协议的路由成本会大大增加。

图12给出了节点数目由4增加到16的情况下,两种模式路由协议的路由建立时间性能比较。

如图12所示,全路由模式路由协议的路由建立时间随着网络规模的增加也随之而增加为寻路等待时间。

4 结束语

水声通信网由于水声信道的传输时延大等特点使得水声通信网络的路由协议设计不同于陆生网络。本文基于OMNe T++仿真平台,针对水声信道的特点,深入研究了两种模式路由协议。通过理论研究以及仿真结果证明,全路径模式建立路由信息全面,路径资源多,一旦路由建立完毕,可以长时间使用,而且可以根据用户需要进行路径选择而不必拘泥于最短路径,可以适应由于水下传感器运动而引起的网络拓扑结构变化的特点,不需要每次发送数据时进行路由建立,只需要在网络结构有较大变化时重新建立路由即可,缺点是随着网络规模的增加建立路由将消耗大量的时间和网络成本。最优路径模式路由协议网络消耗小,路由建立速度快,适应拓扑变化快的网络,但是最优路径模式路由协议建立的路径有限,网络抗打击能力较差。两种模式的路由协议各有优势,我们下一步的研究工作将针对网络需求的动态变化设计一种融合该两种模式路由算法的优化协议,通过实时动态地调整路由协议使其满足不同的网络需求。

摘要：本文以水声通信网为研究背景,针对水声信道延时大,水下传感器能耗特点和移动特点进行路由协议设计,提出了全路径模式路由算法和最优路径模式路由算法。理论分析及仿真结果表明,全路径模式路由算法可以很好的适应由于水下传感器运动而造成的拓扑结构变化的情况,也不会因为个别链路断裂造成路由瘫痪,而且将负载均摊到整个网络从而避免优势路径上的节点过早衰竭;最优路径模式路由算法是一种有效解决水下通信网络能源受限问题的路由算法,功能是尽可能多的搜索最短路径,最优路径模式路由算法路由建立速度快以及路由成本低,能很好的适应大规模水声通信网络的需求。

关键词：路由协议,水声通信,OMNeT++,全路径,最优路径

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网络数据通信协议研究 篇9

本文所设计的数据通信网关主要目标是实现企业对生产现场的远程监控, 完成管理的控制化与信息化, 为企业生产计划、过程调度等提供辅助决策支持, 并实现工程师对设备的远程故障诊断分析、维护与软件更新等, 从而加强企业对生产现场的实时控制能力, 提高信息资源的共享和利用水平。

1.1 通信网关设计原则

为了满足企业应用的需求, 网关设计的主要原则有可拓展性、可靠性以及安全性等。其中可拓展性是指企业生产控制系统在新增各种设备、机械、仪器和仪表的情况下, 不能影响网关的正常运行;可靠性是指网关要满足工业生产环境各个方面的制约, 降低故障以及报错次数, 并能找出故障发生点;安全性是指在数据传输和接受过程中, 要能抵御各种网络和病毒攻击, 保持数据的有效和完整。

1.2 VPN技术和P2P网络

VPN是虚拟专用网的简称, 属于逻辑上的私有网络架构, 其主要目的是在Internet基础上实现各个用户与局域网进行数据通信和网络连接, 一般分为三个部分:客户端、传输介质以及服务器端。目前国内VPN的实现结构分为两个方向:一是广泛用于政府、企业与分支机构之间或ISP之间的网络与网络互连模式, 这种模式的技术原理是用户网络设备直接与ISP边缘路由进行连接, 并由ISP边缘路由进行IP骨干网中通信“隧道”的建立;二是个人用户以宽带连接VPN服务器, 并通过VPN服务器与企业主机进行连接。

P2P网络是取消传统的客户端和服务器的C/S架构模式, 采用网络环境中计算机充当服务器与客户端的双重身份模式。P2P网络的一个特性是通过NAT穿越技术实现私有IP和公共IP的地址转化, 解决IP地址短缺问题。P2P网络包括中心化、半分布式以及全分布式三种模式。中心化模式的主要特点是存在中心服务器, 负责储存共享目录和提供高级算法程序, 实现灵活高效的复杂查询;半分布式模式是将中心服务器的功能按照类型分配给多个节点, 由相应节点 (Supernode和Edgenode) 来实现各种操作;全分布式模式分为半结构化和结构化两类, 半结构化是基于随机图理论, 取消了节点类型的划分, 提高网络的动态调节能力和容错能力。结构化是DHT模式, 通过设定节点标识符以及资源标识符的方式, 来提高查询的准确性和动态性。

2 通信网关设计与实现

2.1 通信网关总体方案设计

通信网关总体方案设计是指数据通信网络拓扑结构的设计与实现。在网络拓扑结构方面, 需要在网关以及监控系统上安装VPN客户端, 并分配两张网卡, 通过这种VPN传输通道的构建, 在保证安全性和可靠性的前提下实现数据通信。其中, 网关一张网卡用于与外部网络进行无线连接, 另一张置于工业控制系统局域网内, 监控系统的一张网卡设置私有IP, 并与整个控制室搭建一个局域网环境, 另一张网卡则与网关连接。通过这种模式, 网关可以将生产现场数据加密发送给监控系统, 并在控制室局域网内共享使用, 同时, 网关也可以以相反的过程接收控制室的各种加密数据, 在经过解密之后, 完成生产控制工作。

另外, 由于传统VPN网络模式对大数据流支撑的程度不高, 企业在选择网络传输构建通道时, 可以结合P2P网络的特点, 构建一个P2P-VPN传输模式, 即各个VPN用户节点支持互相通信, 具备服务器和客户端双重功能, 并单独占有一个ID, 在发送MAC地址信息、注册时间等之后, 进行用户之间的数据通信往来。

2.2 通信网关框架设计

通信网关的主要功能模块包括系统管理、节点管理以及数据捕获和发送这三个部分。系统管理主要是指对整个系统的参数进行设定, 并部署运行机制和运行环境, 提供友好的交互方式以及用户权限管理、密码管理等;节点管理是指节点的新建、修改和删除, 以及对节点的各个属性进行实时监控, 包括运行状态、信任状态、数据传输水平、故障次数等;数据包的捕获与发送是指在设定数据包的捕获、传输方式及传输速率, 对不可信任数据进行阻断与来源分析等。

三个模块之间的逻辑关系可以表述为:系统管理模块通过数据、参数和节点初始化, 形成P2P-VPN传输通道和节点组织结构和状态列表, 并将IP和MAC地址等信息发送到各个节点处, 从而修正节点状态属性。之后, 节点管理模块通过多线程技术将数据包经过过滤器发送至其他模块, 并检测各个节点的运行状态, 实时刷新节点状态列表, 数据捕获与发送模块根据各个节点状态设置过滤器数值, 并进行数据的捕获和发送工作, 其过程分为捕获、分析过滤、二次封装以及发送。

特别指出的是, 整个通信网关系统的主要功能是实现数据的互相传输, 所以, 在数据包捕获以及发送方面, 应采用Winpcap方式来实现, 其主要操作步骤为:

获取用户节点组织结构和状态列表, 分析并选择所需监控的网卡;

修改网卡运行状态, 设置网卡模式为混杂模式;

设置过滤器, 捕获数据包, 并实现基于协议、IP和MAC地址、端口等条件的数据过滤。

调用抓捕函数进行数据包捕获, 并进行二次封装和发送。

2.3 通信网关工作流程

在整个P2P-VPN传输通道搭建完成以及模块功能明确之后, 通信网关系统需要进行工作流程的划分和确认。在流程设计方面, 首先, 由系统管理模块进行传输通道、节点组织结构以及状态列表的初始化;其次, 节点管理模块在接收到上述信息之后实施监控各个节点运行状态, 并不间断的对节点状态列表进行更新;最后, 在数据包捕获与发送模块在接到系统管理模块信息、节点管理模块通知后, 初始化或修正过滤器数值, 并进行捕获和二次封装数据包, 然后将数据包发送至节点管理模块以及系统模块。

3 通信网关测试

通信网关测试包括性能测试和压力测试两个方面。性能测试是指在任意选定的物理环境和软硬件环境下, 对网关系统远程设备监控的状态, 阻断其他入侵攻击的能力, 以及数据流的安全和完整进行的系统测试工作。压力测试是指对通信网关系统进行延时和负载两个方面进行测试, 主要考虑系统的传输时间、大数据流的丢包率等指标。企业可以结合实际需求设定相关指标, 并对通信网关系统进行测试, 在多次测试结果全部合格后, 开始启用基于TCP/IP协议的工业控制网络远程数据通信网关系统, 以完成数据流的实时共享和远程控制等功能。

摘要：计算机技术的迅速发展大大提高了企业信息的沟通和交流水平, 也推动了工业控制技术的不断进步与革新, 而与外部网络相对隔离的传统工业控制系统已经难以满足企业日常的管理需求。为了解决这一问题, 实现企业对设备进行远程监控与通信, 及时掌握生产现场情况和提高控制能力, 本文在结合工业企业自身实际的基础上, 基于TCP/IP协议、VPN技术、P2P网络技术、Winpcap方法等, 对远程数据通信网关这一技术工具进行研究, 并尝试为企业实现远程监控系统与生产现场之间的数据和信息交流提供实施策略和建议。

关键词：TCP/IP协议,工业控制网络,远程数据通信网关

参考文献

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[3]孙祥国.远程智能控制系统的研究与实践[D].西南交通大学, 2006年.

网络数据通信协议研究 篇10

关键词：互联网,技术,WLAN,安全,隐患

无线网络,既包括允许用户建立远距离无线连接的全球语音和数据网络,也包括为近距离无线连接进行优化的红外线技术及射频技术。

1 常用的无线传感器网络和通信技术

(1)无线广域 网(WWAN)一般用到GSM、GPRS、GPS、CDMA、WCDMA、CDMA 2000、TD-SCDMA和3G等技术。(2)无线城域网(WMAN)一般用到Wi MAX技术。(3)无线局域网(WLAN)采用IEEE 802.11系列标准。(4)无线个域网(WPAN)采用的通信技术有:蓝牙、红外、UWB、Home RF、IEEE 802.15.1、RFID等技术。(5)低速率无线个域网(LR-WPAN)采用IEEE802.15.4/Zig Bee、Z-Wave、Insteon、Hone Plug等技术

2 无线网络在通信中存在的安全性问题

无线网络的信号是在开放空间中传送的,所以只要有合适的无线客户端设备,在合适的信号覆盖范围之内就可接收无线网的信号。无线网络存在的核心安全问题有以下3点。

2.1 非法用户接入问题

Windows操作系统基本上都具有自动查找无线网络的功能,只要对无线网络有基本的认识,对不设防或安全级别较低的无线网络,未授权的用户或黑客通过一般的攻击或借助攻击工具都能接入发现的无线网络。一旦接入,非法用户将占用合法用户的网络带宽,恶意的非法用户甚至更改路由器的设置,导致合法用户无法正常登陆,而有目的非法接入者还会入侵合法用户的电脑窃取相关信息。

2.2 非法接入点连接问题

无线局域网易于访问和配置简单的特性,使得任何人的计算机都可通过自己购买的AP,不经授权直接连入网络。有些企业员工为了使用方便,通常自行购买AP,未经允许接入无线网络,这便是非法接入点,而在非法接入点信号覆盖范围内的任何人都可以接入企业网络,这将给企业带来很大的安全风险。

2.3 数据安全问题

无线网的信号是在开放空间中传送的,一旦获取无线网的信号,非法用户或恶意攻击者有可能会执行如下操作。第一,通过破解普通无线网络的安全设置,包括SSID隐藏、WEP加密、WPA加密、MAC过滤等,以合法设备的身份进入无线网,导致“设备身份”被冒用。第二,窃听、截取和破坏传输信息。窃听以被动和无法觉察的方式入侵检测设备,即使不对外广播网络信息,只要能发现任何明文信息,攻击者仍可使用一些网络工具,如Ethereal和TCPDump来监听和分析通信量,从而识别出可以破坏的信息。

3 无线网络安全问题的应对策略

3.1 增强无线网络用户的安全防范意识

如果连防范意识都没有,其他的安全措施就都是空话。用户在使用无线网络设备之前就应明确设备存在的安全风险以及对应的解决措施,如果涉及重要的机密文件,用户应直接放弃使用不安全的无线网络,以免得不偿失。

3.2 根据安全要求选择相应的加密方式

WEP、WPA和WPA 2三种主流的无线网络加密方式各有其优缺点,加密方式越复杂,网络安全越有保障,但网络速度也会随之下降。简单来说,就是越高级的加密方式意味着越慢的网速。如果只是看新闻之类的简单应用,用户则可以选择WPA或更低的WEP加密方式,但如果用户需要登录自己邮箱或进行其他对网络安全要求较高的活动,则需牺牲一些网速,选择WPA或其他更安全的加密方式。

3.3 隔离公用网络和核心网络

当前,许多企业也引进了无线网络设备,以方便企业内部交流,但相比于传统网络,无线网络的安全级别仍然较低。这需要公司将其核心网络和数据库与外围的公用无线网络进行隔离,这样即使无线网络信息泄漏或是被攻击,公司的损失仍不会很大。

3.4 利用 MAC 防止黑客攻击

利用基于MAC地址的访问控制表(ACLS)确保只有经过注册的设备才能进入网络。MAC过滤技术如同给系统的前门再加一把锁,设置的障碍越多,越会使黑客知难而退。

3.5 给无线网络设备安装安全软件

网络数据通信协议研究 篇11

关键词：Ad Hoc；异步；接入协议；MAC层

0引言

无线Ad Hoe网络是一种自组织的对等式网络，又称作多跳网络(Multi-hop Network)或称自组织网络(Self-organized Network)。自组织网络具有无中心、临时自组织、分布式控制、节点移动和多跳等特点，这使得Ad Hoc网络MAC层的信道接入协议面临很多新问题。

(1)隐终端和暴露终端：Ad Hoc网络中节点的移动性和多跳性带来了隐终端和暴露终端的问题。隐终端是指在发送者的通信范围之外，而在接收者通信范围之内的节点。暴露终端是指在发送者通信范围之内，而在接收者通信范围之外的节点。一般地，隐终端的存在可能造成数据的冲突，而暴露终端的出现使得网络资源无法得到充分的利用。

(2)MAC层的公平接入：Ad Hoc网络没有中心控制节点，必须采用分布式机制实现网络节点接入MAC层的协调。如何保证各节点和不同业务流接入网络的公平性，是Ad Hoc网络MAC层接入协议需要解决的重要问题。

(3)QoS保障：Ad Hoc网络的移动性、多变性等特性，使得自组网要保障一定的Qos非常困难，MAC层QoS需解决实时业务快速获得信道使用权和避免时延抖动的问题。

(4)功率控制：Ad Hoc网络中的设备绝大多数靠电池供电，能量不等且有限，所以如何节能和控制节点的发送功率也是MAC协议设计必须考虑的因素。

1 MACAW协议

1.1 MACAW基本思想

MACAW(Multiple Access Collision Avoidance for Wireless)协议是对MACA(Multiple Access with Collision Avoidance)的改进，除了保留MACA中的RTS-CTS握手机制外，还使用了其它控制信号(DS，ACK，RRTS)，以进一步解决暴露终端和隐终端问题。作为MACA协议的改进，首先，MACAW增加了链路层的确认机制，即由接收点回复ACK帧；其次，由发送节点发出DS帧，通知暴露终端该节点与目的节点握手成功，减少数据帧冲突；当暴露终端收到许多RTS而又不能回复时，由暴露终端发起RRTS通知邻节点竞争期开始的机制来提高节点的竞争效率。协议接入的过程称为RTS-CTS-DS-DATA-ACK五次握手或是RRTS-RTS-CTS-DS-DATA-ACK六次握手的交互方式。

MACAW采用了一种乘法增加线性减少退避算法(MILD)代替二进制指数(BEB)退避，同时也实现了退避复制机制，保证了接入的公平性。另外，它还使用了多流模型以达到业务流的平衡传输。

1.2 MACAW算法描述及状态流程

MACAW可用控制规程、退避规程和超时规程来描述。工作于MACAW协议下的节点可处于8种状态：IDLE.CONTEND、WFCTS,WFContend,WFDS,WFData.WFACK,QUIET。

图1所示是Ad Hoc网络中的四个节点。下文以此网络为例，说明MACAW的算法。

控制规程：

(1)A有数据要发向B，则A从IDLE状态进入CON-TEND状态，随机选择定时器值，定时器超时发送RTS，进入WFCTS状态。B收到A发给自己的RTS信号后发送CTS信号、设置定时器，从IDLE状态进入WFDS状态。

(2)A收到B发送的CTS信号后，清除定时器，发送DS和DATA给B，进入WFACK状态，设置定时器；B收到A发送的DS信号，进入WFData状态并设置定时器，收到A发送的数据分组后清除定时器，发送ACK进入IDLE状态。A收到B发回的ACK信号，清除定时器，重新回到IDLE状态。

(3)B处于IDLE状态后，收到确认过的数据包再次发起的RTS，发送ACK信号给A；如A处于CONTEND状态时，收到RTS，发送CTS给源节点，进入WFDS状态，设置定时器。

(4)c监听到A和B的通信握手后，进入QUIET状态，此时如接收到RTS分组，进入WFContend状态。

(5)处于IDLE状态的节点收到RRTS，发送RTS给源节点，进入WFCTS状态并设置定时器。

退避规程：

(1)收到目的节点非本节点的RTS或CTS握手信号，节点从当前状态进入QUIET状态。

(2)收到目的节点非本节点的DS信号，节点从当前状态进入QUmT状态。

(3)收到目的节点非本节点的RRTS信号，节点从当前状态进入QUIET状态。

超时规程：

(1)节点处于WFContend定时器超时，节点随机选择定时器值进入CONTEND状态。

(2)如节点是从WFContend进入CONTEND状态的，则定时器超时后，节点发送RRTS分组，进入IDLE状态。如节点是从IDLE状态进入CONTEND状态的，定时器超时，节点发送RTS，进入WFCTS状态。

(3)其他状态下定时器超时，节点进入IDLE状态。

图2是MACAW协议的状态转移流程图。

2 FAMA-NTR协议

2.1 FAMA-NTR的基本思想

FAMA-NTR(Non-persistent Transmit Request)协议是基于无隐藏终端的全连通网络结构提出的。协议结合了非坚持的载波监听和RTS/CTS握手机制，认为RTS的长度要大于最大传播时延才能保证控制分组不与数据分组冲突。

FAMA-NTR节点发送数据前，要先进行载波监听，信道空闲则发送握手信号；如果监听到了载波或者解析到了RTS和CTS分组则进行退避。发送节点与接收节点之间采用RTS-CTS-DATA三次握手完成通信过程，要求发送RTS分组的时长要大于最大传播时延，以保证监听机制有效运转。

2.2 FAMA-NTR的算法描述及状态流程

FAMA-NTR协议可以分为六种状态：START,PASSIVE、REMOTE.XMIT、RTS、BACKOFFO其中START状态是指节点开机初始化；PASSIVE状态是指节点初始化完毕，进入主动侦听状态；REMOTE状态是指节点在侦听到信道有信号时进行退避；XMIT状态是指节点开始发送数据业务；RTS状态是指节点成功发送RTS；BACKOFF状态是指节点根据退避计数器进行退避。

工作于FAMA-NTR协议的节点接入信道的过程如下：

网络数据通信协议研究 篇12

现代工业中,传统的通讯协议转换器不够灵活,不能满足不同的应用环境需求,误码率较高,传输速率较慢。国外,施耐德公司生产了Modbus/Modbus TCP网关,但价格不菲,且该网关只能实现底层采用Modbus现场总线网络与信息层采用Modbus TCP工业以太网之间的功能连接,而工业控制系统中大量存在的自由协议设备无法直接接入该网关。为解决这一问题,本文研究了一种机电控制自动化网络通信协议转换器,其能借助μC/OS-Ⅱ操作系统把一种自由协议转换成标准的TCP/IP协议,并通过移植LwI P协议栈进行网络传输[1],除此之外还可根据现场总线类别的不同选择不同的通讯协议。该协议转换器用于将现有RS485串行数据转化成遵循Modbus TCP协议的数据,从而将自由协议设备与Modbus总线网络连接,进而与EtherN et连接起来,并能在既有网络基础上简化布线[2]。

1转换器硬件组成分析

如图1所示,协议转换器主要包括:微处理器(MCU)101以及分别连接至微处理器101的电源电路102、电源指示灯103、上端接口拓展电路104、下端接口拓展电路105、转换器状态指示灯106、存储器107。

(1)微处理器101是整个工业控制自动化网络通信协议转换器10的控制中心,采用STM32F103系列芯片,它包括以太网MAC层控制器、CAN控制器和USART串型接口,支持以太网、CAN总线、RS232总线和RS485总线扩展,能完成不同协议之间信息的解析与分发[3]。

(2)上端接口拓展电路104采用软件协议栈和硬件协议栈相辅相成的设计,包括硬件协议栈芯片1041、软件协议栈芯片1042、串行通讯接口(USART)1043、以太网接口1044以及用于切换硬件协议栈芯片1041和软件协议栈芯片1042与上位机20通信的切换开关1040。

1)串行通讯接口1043实现微处理器101与Modbus网络的连接,以太网接口1044实现微处理器101与工业以太网的连接,由此,根据通信要求,通过切换开关1040来接通硬件协议栈芯片1041或软件协议栈芯片1042与微处理器101的通信连接,从而使得微处理器101和PC主机等上位机20之间选择使用硬件协议栈或是软件协议栈来进行数据的快速传输。

2)硬件协议栈芯片1041可采用内嵌MAC和PHY层的M5500系列协议芯片,软件协议栈芯片1042可采用ENC28J60系列以太网控制芯片。软件协议栈通过一个以太网控制芯片ENC28J60加入网络接口实现以太网的物理连接,借助μC/OS-Ⅱ操作系统把一种自由协议转换成标准的TCP/IP协议[4],并通过移植LwI P协议栈进行网络传输,进而通过植入TCP/IP协议代码实现通信及上层应用。

(3)电源电路102可以包括DC 24 V变DC 5 V隔离电源、DC 3.3 V稳压芯片、稳压滤波电路以及复位电路,采用隔离电源和稳压芯片两级配合的方式来提高带负载能力和供电的稳定性。

(4)电源指示灯103用于指示该通信协议转换器10的电源连接状态,转换器状态指示灯106用于指示该通信协议转换器10的工作状态。

(5)存储器107可以为EEPROM或FLASH存储器,用于存储微处理器101收发的数据。

(6)下端接口拓展电路105包括与多个下位机(即子设备)301、302、303、304一一对应通信连接的多个串行通讯接口1051、1052、1053、1054,串行通讯接口1051、1052、1053、1054可以是RS232接口或RS485接口。

2通信协议转换方法

2.1总体描述

打开电源,电源指示灯103亮,通过电源电路102的复位电路进行复位。根据通信要求对切换开关1040进行操作,选择使用硬件协议栈芯片1041或软件协议栈芯片1042,上位机20通过以太网发送TCP/IP协议(即请求数据),该TCP/IP协议经过上端接口拓展电路104传送到微处理器101,为防止数据丢失,微处理器101通过存储器107保存数据,微处理器101完成TCP/IP协议到自由协议的转换后,转换器状态指示灯106亮,转换的自由协议通过下端接口拓展电路105后发送到相应的下位机,下位机响应上位机的请求,反馈的自由协议响应数据通过微处理器101转换为TCP/IP协议,并最终通过上端接口拓展电路104传送至上位机20。

2.2具体步骤分析

步骤1:根据通信要求对通信协议转换器的切换开关进行操作,选择使用上端接口拓展电路中的硬件协议栈芯片或软件协议栈芯片与上位机通信。

步骤2:上位机通过通信协议转换器向相应的下位机传达请求数据,上位机根据所请求的数据通过选择的硬件协议栈芯片或软件协议栈芯片发送TCP/IP协议至通信协议转换器的微处理器;微处理器接收到上位机发送的数据后,通过预设的数据位和校验位判断数据是否符合通信协议,若符合则微处理器把接收到的TCP/IP协议保存并转换为自由协议,并通过下端接口拓展电路发送给相应的下位机;若不符合则返回错误信号至上位机,请求上位机重新发送数据。

步骤3:下位机返回响应数据至上位机,下位机接收到自由协议后进行检验,并根据自由协议中的请求采集自由协议响应数据,再通过下端接口拓展电路反馈至微处理器;微处理器接收到自由协议响应数据后,判断自由协议响应数据是否符合协议规格,若符合,微处理器根据是否需要远程监控来将接收到的自由协议响应数据转换为Modbus RTU协议或TCP/IP协议[5],并将转换后的数据通过上端接口拓展电路发送给上位机;若不符合,则返回故障信息给上位机,以使上位机知晓所述下位机出现错误并重新发送请求数据。

2.3使用步骤详细说明

步骤1中,切换开关与微处理器的PB0口相连,微处理器通过Key(key)函数检测PB0口状态,如需满足基本通信要求则切换开关按下、PB0口为低电平,此时使用硬件协议栈芯片与以太网接口来实现上位机与微处理器之间的数据传输;如果通信要求比较高、需要满足特殊功能则切换开关抬起、PB0口为高电平,此时微处理器使用软件协议栈芯片与以太网接口,进行LwI P初始化,添加软件协议栈芯片网关,设置IP地址、子网掩码、网关以及通道号来实现上位机与所述微处理器之间的数据传输。

步骤3中,若需要远程监控,则微处理器通过free_modbusT CP(void*p_arg)函数将自由协议响应数据封装为TCP/IP协议规格,并通过netconn_write(NewC onn,send_buff)函数将TCP/IP协议写入LwI P协议栈,然后通过上端接口扩展电路的以太网接口发送给上位机的远程监控系统;否则微处理器通过free_modbusR TU(void*p_arg)函数将自由协议响应数据转换为Modbus RTU协议规格,并通过上端接口扩展电路的串行通讯接口传输给上位机的现场监控系统。

2.4标准自由协议具体格式

如图2所示,标准自由协议采用特殊字节作为开始和结束,如果接收方丢失了同步信息,它可以根据标志字节找到当前帧的结束位置。但标志字节的位模式出现在数据中时,发送方在数据链路层遇到这个标志字节前,插入一个相同的转义字节(DLE)。字符均采用16进制;DLE:标志字节(0x10);STX:起始符(0x02);ETX:结束符(0x03);地址、命令、data:如果等于DLE,需再填充一个DLE;校验和:为地址、命令、data的字节和取补。

3上位机发送过程

(1)图3为上位机发送命令流程图,步骤201进行LwI P初始化,添加ENC28J60网关,设置IP地址、子网掩码、网关以及通道号,建立通讯。

(2)上位机监控界面(PC)根据所要提取的数据发送TCP/IP协议进行数据的读取,同时使用定时器定时(T1++),检验上位机与协议转换器线路是否通畅。执行步骤202,轮询函数convertI nit()查询通道端口是否接收到上位机发来的数据。如果接收到上位机发送的数据,则通过校验位判断数据是否正确。若正确则转到步骤204执行netconn_accept(Conn)函数保存数据,并释放信号量OSSemP ost(Semp)执行函数Parse(void*p_arg),将TCP/IP协议重新编码成下位机控制系统所需要的自由协议传输帧,并通过USART将数据发送给下位机控制系统。协议转换器使用定时器进行定时(T2++),用于检验协议转换器与下位机控制系统线路是否通畅。若数据不符合特定自由协议格式则返回ERROR信号,请求上位机重新发送。

4下位机接收过程

(1)图4为下位机接收响应流程图,步骤301下位机接收到自由协议传输帧后进行检验,根据上位机的要求采集响应数据,并根据特定自由协议形成传输帧,通过串口链路发给协议转换器,并执行步骤303启动定时器进行计数(T++)。设置TIMER=100 ms,若在100 ms内接收到响应,则先判断数据是否符合协议规格,若符合则释放信号量OSSemP ost(Semp1),再根据现场总线类型判断是否需要远程通讯。若需要远程监控,则执行步骤307通过free_modbusT CP(void*p_arg)函数将自由协议封装为TCP/IP协议规格,并执行步骤309通过netconn_write(NewC onn,send_buff)将协议写入LwI P协议栈,通过网线发送给上位机远程监控系统。若现场总线系统需要现场级监控,则执行步骤308通过free_modbusR TU(void*p_arg)函数将自由协议转换为Modbus RTU协议,最后执行步骤309通过串口链路将协议传输给上位机现场监控系统。而且根据协议优先级的不同,可以优先对某些重要数据进行标准协议的封装。若100 ms内未接收到响应,则转到步骤302下位机重新发送应答信号。若不符合协议规格,则给上位机返回ERROR信号,指出下位机出现错误的位置,请求上位机重新发送。

这里下位机采用堆栈函数En Queue(&Usart_Data,ch)进行响应数据的接收,保证数据不会溢出,并且确保了数据的完整性。同时采用定时器2中断TIM2_IRQHandler(void),5 ms中断一次,中断里保存接收到的数据,以区分一帧数据接收完毕。一帧数据接收完毕后,清定时器2计数TIM_SetC ounter(TIM2,0),为接收下一帧数据做准备。

(2)为防止线路上出现紊乱或多个数据同时到达电源控制系统,对接收到的数据进行检验,判断起始字节STX和结束字节ETX。将防止干扰帧分界的转义字节(DLE)删除,根据协议命令和寄存器地址进行数据采集,并将采集到的数据转换成标准协议帧格式,发给协议转换器。

(3)判断故障:上位机发送命令后,定时器开始计时(T1++),超过设定计时(100 ms)无数据上传,则判定上位机与协议转换器线路故障;协议转换器将TCP/IP协议转换形成自由协议后发送给下位机时,设定定时器开始计时(T2++),若定时器超时(100 ms)而没有返回响应数据,则向上位机报错,上位机判定为协议转换器与下位机控制系统线路故障。

5转换器特点

(1)通信协议转换采用软件协议栈和硬件协议栈相辅相成的设计,在通信要求低的情况下可以采用硬件协议栈实现快速传输数据,而在通信要求比较高、需要满足特殊功能的情况下,就可以通过软件协议栈实现数据的高效率传输,从而实现单片机资源运用上的灵活性和最大化。

(2)通信协议转换采用了两种协议格式,即Modbus RTU协议与自由协议的相互转换以及TCP/IP协议与自由协议的相互转换,从而可以根据现场总线类别的不同来满足远程监控与现场监控的通信需求。

(3)通过微处理器预设的数据位和校验位来检验其接收数据的正确性[6],从而可以预防多数据量传输过程中可能产生的数据帧重叠或遗漏的问题,能够在高误码率的情况下保证通信可靠性。

6结语

现代工业控制系统中不同设备之间的通讯通常需要采用不同的通讯协议来实现,例如上位机(PC)通过网线只能发送TCP/IP协议,而一些子设备(下位机)只能识别自由协议,所以通讯一端的设备传输的数据必须通过协议转换才能被通讯另一端的其他设备接收并识别。本文研究的协议转换器具有高速、兼容性强且结构简单可靠的特点,能够实现自由协议与Modbus RTU协议或以太网TCP/IP协议之间的相互转换。

摘要：主要研究一种可以将标准的自由协议与Modbus RTU协议或以太网TCP/IP协议相互转换的转换器。该转换器既满足了设备层的要求,又实现了信息层和设备层的有机结合,使得基于不同协议标准的两层通讯网络能够在同一个工业网络框架内共存,提高了控制系统的灵活性和兼容性,且无需淘汰原有设备,从而提高了现有设备的利用率,节约了投资,并能在既有网络基础上简化布线。

关键词：网络协议转换器,ARM,Modbus协议,μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系统,Modbus TCP协议,机电控制

参考文献

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