Способ организации сети передачи данных
METHOD FOR ORGANIZING A DATA TRANSMISSION NETWORK

Изобретение относится к области построения и использования сетей передачи данных.
Известен глобальный стандарт цифровой мобильной сотовой связи GSM с разделением каналов по времени (TDMA) и частоте (FDMA), обладающий возможностью пакетной передаче данных GPRS (General Packet RadioService) или за счет системы передачи данных по коммутируемым каналам HSCSD (High Speed Circuit Switched Data).
Известен NB-IoT (Narrow Band Internet of Things) - стандарт сотовой связи для устройств телеметрии с низкими объемами обмена данными, предназначенный для подключения к цифровым сетям связи широкого спектра автономных устройств, обладает большей пропускной способностью и разворачивается как на оборудовании сотовых сетей, так и отдельно, в том числе поверх GSM.
Известна беспроводная сеть LoRa предназначенная для передачи данных с использованием безлицензионных субгигагерцовых радиочастотных полос, обеспечивает передачу на большие расстояния с низким энергопотреблением. Сетевой протокол LoRaWAN имеет топологию звезды, конечные узлы которой через шлюзы, образующие прозрачные мосты, общаются с центральным сервером оператора сети. Абоненты имеют возможность прозрачной двунаправленной и защищенной передачи данных до конечных узлов.
По протоколу LoRaWAN возможно недорогое подключение на большие расстояния для устройств Интернета вещей, в горнодобывающей промышленности, управлении природными ресурсами, возобновляемых источниках энергии, трансконтинентальной логистике и управлении цепями поставок.
Известны беспроводные сети 6LoWPAN (англ. IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks) - стандарт взаимодействия по протоколу IPv6 поверх маломощных беспроводных персональных сетей. 6LoWPAN ориентируется на приложения, которые требуют беспроводного подключения к интернету с низкой скоростью передачи данных для устройств с ограниченной производительностью и мощностью, например, для автоматизации дома, офиса и производства.
В качестве прототипа выбран способ организации сети передачи данных (патент RU2703332C1, МПК G06F15/00, H04W28/00, опубл. 16.10.2019), имеющий алгоритм нумерации нод, основанный на минимальном количестве ретрансляций пакета от модема до ноды, включающий:
- нумерацию нод минимальным видимым в принятых пакетах номером +1 при передаче любого пакета в направлении от модема, всегда имеющего нулевой номер, как группового для нескольких или всех нод, так и адресного до любой ноды;
- при передаче пакета от модема к нодам пакет ретранслируют нодой с количеством ретрансляций от модема m только от нод с количеством ретрансляций m-1;
- при передаче пакета от нод к модему пакет ретранслируют нодой с количеством ретрансляций от модема m только от ноды с количеством ретрансляций m+1;
- каждый пакет имеет подпись, не изменяющуюся при ретрансляциях на время жизни пакета в сети и предназначенную для исключения повторных ретрансляций пакета нодой.
Данный способ не учитывает качество связи между элементами сети при передаче пакета данных от модема до ноды, в следствие чего получается неустойчивая конфигурация сети передачи данных требующая постоянного перестроения сети в результате меняющихся условий прохождения сигналов (пакетов данных) в сети, что не позволяет построить надежную сеть передачи данных.
Задачей изобретения является устранение указанного выше недостатка прототипа.
Технический результат: устойчивая работа сети при изменении условий прохождения сигнала и изменении конфигурации сети, возможность работы сети с подвижными элементами, в сети может быть несколько модемов (роутеров).
Далее для описания изобретения используются следующие термины и определения:
1. Элемент сети – любое устройства являющееся частью сети передачи данных.
2.  Модем – элемент сети, являющийся контроллером сети.
3. Нода ("node") – элемент сети.
4. Пакет данных – любые данные, передаваемые в сети.
5. Данные в пакете – набор данных в пакете, передаваемых элементами сети без изменения. Шифрование данных не считается изменением данных.
6. Служебная информация в пакете – информация, используемая для передачи данных, может изменяться, дополнятся элементами сети.
7. Идентификатор сети – число, определяющее принадлежность модема и нод к данной сети.
8. Ретрансляция пакета – прием пакета, с последующей передачей пакета с сохранением целостности данных, содержащихся в пакете.
9. Идентификатор элемента сети – число, символьная строка или другой набор данных, например, MAC адрес, определяющий уникальный код изделия. В одной сети не могут быть элементы сети с одинаковым идентификатором элемента сети.
10. Принятый пакет – пакет считается принятым элементом сети если он содержит целостные данные и служебную информацию, идентификатор сети совпадающий с идентификатором сети элемента сети.
11. Инициатор пакета – элемент сети, инициирующий передачу пакета. Элемент сети, ретранслирующий пакет, не является инициатором.
12. Адресат пакета – элемент сети, являющийся конечным получателем пакета от инициатора пакета. Элемент сети, ретранслирующий пакет, не является адресатом.
13. Подпись пакета – число, символьная строка или другой набор данных являющиеся частью служебной информации пакета генерируемые инициатором пакета.
14. Время жизни пакета в сети – максимальное время, требуемое нодам в сети на ретрансляцию пакета; зависит от количества нод в сети, скорости передачи информации в сети. Выбирается индивидуально.
15. RSSI – Received signal strength indication (Показатель уровня принимаемого сигнала).
16. ТПК (Требуемый Показатель Качества) – параметр, определяющий качественное значение соединения между элементами сети, основанное на значении RSSI или других параметрах.
17. НЭС (Номер Элемента Сети) – Число N которое присваивает себе элемент сети в процессе построения или функционирования сети.
18. Реактивность сети – максимальное время, требуемое для передачи пакета данных в сети.
19. Количество ретрансляций – число, определяющее количество нод, ретранслировавших пакет данных от инициатора пакета до адресата пакета.
20. Счетчик ретрансляций – число, определяющее текущее количество нод, ретранслировавших пакет данных.
Указанная задача решается способом организации сети передачи данных заключающегося в следующем.
Для построения сети в пакете передается следующий минимальный набор служебной информации: идентификатор сети, идентификатор пакета данных, идентификатор элемента сети модема или ноды, требуемое значение ТПК, НЭС (Номер Элемента Сети).
Построение сети базируется на принципе присвоения нодам НЭС (Номер Элемента Сети) как основного параметра маршрутизации передачи данных в сети. НЭС ноды вычисляется при передаче как группового, так и адресного пакета данных от модема к ноде или нодам. Ноды могут иметь НЭС: повторяющиеся, назначаемые по любому закону, не нарушающему нижеизложенный принцип его вычисления. НЭС для модема принимается равным нулю.
Способ поясняется чертежом, на котором показана схема сети.
Способ осуществляют в общем случае следующим образом.
1.1 Построение сети.
1.1.1 Инициализация сети:
Процесс инициализации сети инициируется при передаче модемом пакета данных, при этом принимается НЭС N для модема равно 0, НЭС N для ноды равным максимально возможному в данной сети, например 65535, при передаче пакета модем устанавливает НЭС K=0= N модема и ТПК (требуемом качестве принятого сигнала) Q. Любая нода принявшая пакет от модема с показателем качества не хуже требуемого Q присваивает себе НЕС N равный единицы(N=1), или на единицу больше чем у модема N=K+1. Нода ретранслирует пакет заменяя НЕС содержащийся в пакете K на свой N, не изменяет показатель требуемого качества Q . Нода не ретранслирует пакет в следующих случаях: если данная нода является конечным получателем пакета, нода уже ретранслировала этот пакет, в пакете есть установленное инициатором ограничение R значения НЭС оно превышено K≥R, ноде запрещена ретрансляция, если нода принимает пакет с НЭС превышающим НЭС ноды.
Далее, любая нода принявшая пакет от другой ноды с показателем качества не хуже требуемого (ТПК) Q , инициатором которого был модем, присваивает себе НЭС N на единицу больший чем НЭС содержащийся в пакете данных N=K+1, если нода принимает несколько пакетов данных (m) инициатором которых был модем с показателем качества не хуже требуемого Q, то нода присваивает НЭС N, на единицу больший, чем минимальный НЕС, содержащийся в пакетах данных N=min(K1, K2.....Km)+1, и ретранслирует пакет заменяя НЕС K содержащийся в пакете на свой K=N и не изменяет показатель требуемого качества Q.
Таким образом в результате инициализации сети каждая нода j присваивает себе НЭС N(j). Если сеть содержит несколько модемов то нода j присваивает себе НЭС N(j,i) для каждого модема , где i – идентификатор модема.
1.1.2 Передача данных от модема к нодам в сети.
Процесс передачи пакетов данных от модема к ноде или нодам отличается от процесса инициализации сети тем что нода в процессе работы сети изменяет свой НЭС N если принимает пакет данных, инициатором которого был модем, с НЭС K меньшим чем N-1 (K <N-1) и показателем качества не хуже требуемого Q, в этом случае нода присваивает себе свой НЭС N = K+1. Нода не ретранслирует пакеты данных если НЭС K содержащийся в пакете данных больше или равен текущему значению НЭС ноды N или в случае нескольких модемов НЕС ноды N(i). Если в течении определенного времени, времени реактивности сети, нода принимает пакеты данных с НЭС K1, K2.....Km содержащемся в пакете данных,
большие или равные НЭС N, то нода считает, что в сети произошли изменения условия распространения сигнала и присваивает себе НЭС N на единицу больше чем содержащийся в пакетах данных N=min(K1,K2.....Km)+1 и ретранслирует ранее принятые пакеты заменяя НЭС K содержащийся в пакете на свой НЕС K=N.
1.1.3 Передача данных от ноды к модему в сети:
В данном случае нода выступает инициатором передачи пакета данных. Нода формирует пакет данных, в котором указывается максимально допустимое количество ретрансляций М при передаче данного пакета, в случае наличия нескольких модемов в сети нода указывает в пакете какому модему i, где i – идентификатор модема, нода хочет передать пакет. Количество ретрансляций М должно быть больше или равно НЭС ноды N, М≥N. Для нескольких модемов соответственно М(i)≥N(i). Любая нода, принявшая пакет от ноды к модему, ретранслирует пакет в случае если содержащийся в пакете данных НЭС K
имеет большее значение чем НЭС ноды N и текущее количество ретрансляций М≥N, заменяя в пакете данных значение НЕС К на значение НЕС N и коэффициента ретрансляций содержащийся в пакете М на M=М-1. Нода не ретранслирует пакет в следующих случаях: если нода уже ретранслировала этот пакет, содержащийся в пакете счетчик ретрансляций М меньше чем НЭС ноды K, ноде запрещена ретрансляция, в случае других ограничений в рамках данной сети.
1.1.4. Получение информации о построенной сети.
Получить информацию о построенной сети можно инициировав передачу модемом пакета с командой всем нодам передать информацию о себе. Передача пакета от модема к нодам осуществляется в соответствии с п. 1.1.1, п. 1.1.2 или п 1.1.3.
Нода, получив от модема пакет с командой о передаче информации о себе инициирует передачу пакета от ноды к модему. В служебной информации в пакете данных передается идентификатор данной ноды.
Модем, получив пакеты данных от всех нод, соответственно получил пакеты содержащие идентификаторы и НЕС всех нод в сети.
2. Пример реализации
В сети модем имеет идентификатор 0.
2.1. Пример построения беспроводной сети.
Модем инициирует передачу любого пакета. В качестве идентификатора пакета модем использует свой идентификатор 0, идентификатор сети, например "12345", подпись пакета "2222", коэффициент ретрансляций K=0, требуемый показатель качества (ТПК) Q=5.
Все ноды, которые приняли пакет от модема (идентификатора пакета =0) с идентификатором сети "12345" и (ТПК) Q≥5, присваивают себе НЭС N=1=K+1 и ретранслируют пакет со своим НЭС N=1=K+1, сохраняя подпись пакета "2222", идентификатор сети "12345", показатель качества Q=5 и идентификатором инициатора пакета данных=0.
Все ноды, которые приняли пакет от нод с НЭС К=1, (идентификатора пакета =0) с идентификатором сети "12345" и (ТПК) Q≥5, присваивают себе НЭС N=2=K+1 и ретранслируют пакет со своим НЭС К=N=2 сохраняя подпись пакета "2222", идентификатор сети "12345", показатель качества Q=5 и идентификатором пакета=0.
Далее пакет данных распространяется аналогично.
Таким образом для построения сети достаточно передать один пакет от модема.
На схеме сети цифрами указан НЭС, присвоенный нодами в процессе построения сети и значение параметра качества Qx с которым был принят пакет.
Используется следующая структура пакета:
Пакет данных (NI=12345,PI=0,Q=5,MQ=10,K=0,XXXXXXX): NI (идентификатор сети) =12345, PI (идентификатор пакета )=0, Q( требуемый показатель качества (ТПК)) =5, ХХХХХХ - иные данные в пакете.
Пакеты данных, не ретранслируемые нодами в данном примере на схеме помечены
знаком «Х» (перечеркнуты).
2.2. Получение информации о построенной сети.
Для получения информации о построенной сети модем передает пакет с командой передать всем нодам сети информацию о себе.
Ретрансляция нодами пакета от модема идет по технологии, описанной выше.
Нода, получив пакет с требованием передачи информации, отправляет пакет со своим идентификатором, набор своих данных (телеметрию, геокоординаты, время и т.д).
Ретрансляция пакета от ноды к модему происходит в обратном порядке. Если нода имеет НЭС N, то ретранслирует пакет данных только если НЭС K содержащийся в пакете данных большем чем N (НЭС ноды) и счетчик ретрансляций, содержащийся в пакете данных М больше или равен НЭС ноды N. Для нескольких модемов соответственно М(i)≥N(i). При этом заменяет НЭС равное K в пакете на свой НЭС равный N и уменьшает счетчик ретрансляций М, содержащийся в пакете данных, на единицу М=М-1. Пакеты с одним идентификационным номером ретранслируются однократно.
Таким образом модем получает информацию о всех нодах в сети.
2.3 Передача данных в сети.
Передача данных в сети осуществляется от модема к нодам как в с п. 1.1.1, п. 1.1.2 или от нод к модему как в п 1.1.3.
Таким образом, физическая среда передачи данных, например проводные и беспроводные сети, может иметь переменные условия передачи сигнала в связи с тем, что перестроение сети осуществляется автоматически в соответствии с заданным уровнем качества связи в сети.