Способ организации сети передачи данных
DATA TRANSMISSION NETWORK ARRANGEMENT METHOD

Область техники
Изобретение относится к информационным технологиям и предназначено для создания сети передачи информации между двумя и более точками на расстоянии.
Предшествующий уровень
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 отличие от сети типа "звезда", предлагаемое решение не требует использования мощных базовых станций.
В отличие от сети типа "mesh", рассматриваемая сеть (WA) не требует дополнительного времени на перестроения сети при изменении условий прохождения сигнала или изменения количества нод в сети, позволяет сначала построить структуру сети и далее оптимизировать построенную структуру, что дает существенный выигрыш во времени построения сети, не требует хранения нодами информации о сетевом окружении, что существенно снижает стоимость решения.
Техническим результатом заявленного решения является упрощение структуры, снижение времени построения и стоимости использования сети.
Сущность изобретения
Определения терминов, использованных в описании:
модем - элемент сети, являющийся контроллером сети (устройство, применяющееся в системах связи для физического сопряжения информационного сигнала со средой его распространения),
нода ("node") - элемент (узел) сети,
пакет - любые данные, передаваемые в сети,
информация в пакете - набор данных в пакете, передаваемых элементами сети без изменения. Шифрование данных не считается изменением данных,
заголовок пакета - служебная информация, используемая для передачи данных, может изменяться, дополняться элементами сети,
идентификатор сети - число, определяющее принадлежность модема и нод к данной сети,
ретрансляция пакета - прием пакета, с последующей передачей пакета с сохранением целостности данных, содержащихся в пакете,
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,
номер модема или ноды - число, символьная строка или другой набор данных, используемый при функционировании сети и назначаемый в процессе построения сети. Номер модема не изменяется в процессе построения сети,
направление передачи пакета - число, символьная строка или другой набор данных определяющих направления передачи данных от модема к ноде, группе нод или от ноды к модему,
принятый пакет - пакет считается принятым элементом сети, если он содержит целостную информацию и заголовок,
инициатор пакета - элемент сети, инициирующий передачу пакета. Элемент сети, ретранслирующий пакет не является инициатором,
подпись пакета - число, символьная строка или другой набор данных, являющиеся частью заголовка пакета, генерируемые инициатором пакета,
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.
Способ организации сети передачи данных имеет алгоритм нумерации нод основанный на минимальном количестве ретрансляций пакета от модема до ноды, и включает нумерацию нод минимальным видимым в принятых пакетах номером +1 осуществляющуюся при передаче любого пакета от модема, как группового для нескольких или всех нод, так и адресного до любой ноды. Ноды могут иметь номера: повторяющиеся, назначаемые по любому закону, не нарушающему выше изложенный принцип нумерации, в котором определено направление передачи пакета. Либо от модема к нодам, либо от нод к модему. 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. Модем имеет неизменное значение количества ретрансляций равное нулю (m=0). Каждый пакет имеет подпись, не изменяющуюся при ретрансляции в сети и служащую для того чтобы избежать повторной ретрансляции пакета нодой. Пакеты с аналогичной подписью транслируется нодой один раз. Нода запоминает подпись пакета на время жизни пакета в сети, то есть максимальное время требуемое остальным нодам в сети на ретрансляцию пакета, по истечению данного времени подпись теряет силу и может быть повторно использована.
На фиг. 1 показана схема сети.
Подробное описание способа.
Рассмотрим необходимость иного сетевого решения на примере существующих беспроводных сетей. Способ организации сети передачи данных заключается в следующем.
Для построения сети, в пакете передается следующий набор служебной информации: идентификатор сети, идентификатор элемента сети, номер модема или ноды, направление передачи пакета, подпись пакета.
Построение сети базируется на принципе нумерации нод, основанном на минимальном количестве ретрансляций пакета от модема до ноды.
Нумерация нод осуществляется при передаче пакета от модема, как группового для нескольких или всех нод, так и адресного для ноды. Ноды могут иметь номера повторяющиеся, назначаемые по любому закону, не нарушающему вышеизложенный принцип нумерации.
Нумерация нод, то есть присвоение ноде номера N(m) осуществляется в соответствии с количеством ретрансляций (m) пакета от модема к ноде.
Количество ретрансляций для модема принимается равным нулю.
1.1. Процесс построения сети инициируется при передаче модемом пакета. Любая нода принявшая пакет от модема, количество ретрансляций (m), присваивает себе номер ноды N(m+1), соответствующий количеству ретрансляций равному единице (m=1), или на единицу больше, чем у модема, для которого m равно 0. Если данная нода не является конечным получателем пакета, нода ретранслирует пакет, изменяя идентификатор элемента сети на свой, номер модема на присвоенный себе номер ноды N(m=1), при условии, что ранее пакет с аналогичной подписью не ретранслировался. Пакеты с аналогичной подписью транслируются нодой один раз. Нода запоминает подпись пакета на время жизни пакета в сети, то есть максимальное время, требуемое остальным нодам в сети на ретрансляцию пакета, по истечении данного времени подпись теряет силу и может быть повторно использована.
Таким образом, все ноды, принявшие пакет от модема присваивают себе номера N(m=1) соответствующие количеству ретрансляций (m) равному единице. Дальнейший процесс построения сети проходит аналогично. Любая нода, принявшая пакет от ноды с номером Nm, соответствующий количеству ретрансляций (m) присваивает себе номер N(m+1), соответствующий количеству ретрансляций (m+1). Если нода принимает пакеты от нескольких нод с номерами [N(x), N(y), N(z), …], она присваивает себе номер ноды на единицу больше, чем минимальное из чисел (х, у, z, …). Таким образом, ноды присваивают себе номера, соответствующие минимальному количеству ретрансляции пакета от модема к нодам плюс один.
1.2. Передача пакетов в сеть от модема к нодам. Если инициатором пакета является модем.
Направление передачи пакета в сети устанавливается от модема к нодам. Ретрансляции пакета в сети осуществляются следующим образом:
Нода с номером N(m), если не является конечным получателем пакета и пакет с аналогичной подписью не ретранслировался ею ранее, ретранслирует только пакеты, полученные от элементов сети с номерами N(m-1), изменяя идентификатор элемента сети на свой, номер элемента сети на N (m).
1.3. Передача пакетов в сети от ноды к модему.
Если инициатором пакета является нода. Направление передачи пакета в сети устанавливается от ноды к модему. Ретрансляции пакета в сети осуществляется следующим образом:
Нода с номером N(m), если пакет с аналогичной подписью не ретранслировался ранее, ретранслирует только пакеты, полученные от элементов сети с номерами N(m+1), изменяя идентификатор элемента сети на свой, номер элемента сети на N(m).
Модем не ретранслирует пакеты.
Если инициатором пакета является нода, конечным получателем пакета может быть только модем.
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 пунктом 1.2
Нода, получив от модема пакет с командой о передаче информации о себе, инициирует передачу пакета от ноды к модему. В служебной информации в пакете передается идентификатор элемента сети данной ноды.
Модем, получив пакеты от всех нод, соответственно получил пакеты, содержащие все идентификаторы элементов сети всех нод в сети, соответственно имеется информация обо всех элементах в сети.
Заголовок пакета содержит: идентификатор сети, идентификатор элемента сети, номер модема или ноды, направление передачи пакета, подпись пакета, но не ограничена набором только этих данных и может содержать любую другую служебную информацию необходимую для работы сети.
Пример реализации.
Пусть в нашей сети все модемы имеют номер 0. Номер ноды будет численный, совпадающий с минимальным количеством ретрансляций от модема к ноде (Nm=m)
2.1 Пример построения беспроводной сети.
Единственный фиксированный номер в сети имеет модем, в нашей сети = 0.
Модем инициирует передачу любого пакета (например, пакет TEST). В качестве идентификатора пакета модем использует свой фиксированный номер 0, направление пакета 0 (от модема к нодам), идентификатор сети, например, "12345" и подпись пакета "2222".
Все ноды, которые приняли пакет от модема (идентификатора пакета = 0) с идентификатором сети, совпадающем с их идентификатором "12345", присваивают себе номер N=m=1 и перетранслируют пакет со своим номером N=1, сохраняя подпись пакета "2222", идентификатор сети "12345" и направление 0 (от модема к нодам).
Все ноды, которые приняли пакет от других нод с номером = 1 и направлением 0 (от модема к нодам), присваивают себе номер N=m=2 и перетранслируют пакет со своим номером N=2 и направлением 0.
Основной принцип присвоения нодами своего номера заключается в следующем, допустим, нода принимает пакеты от нод с номерами 3, 4, …10, нода присваивает себе номер на единицу больший, чем минимальный номер, который она видит в принимаемых пакетах. В нашем случае она присвоит себе номер N=4 и перетранслирует пакет с номером N=4.
Перетрансляция пакета с аналогичной подписью осуществляется нодой один раз, вслед за присвоением себе номера. Нода запоминает подписи перетранслируемых пакетов на определенное время, и всегда перетранслирует пакеты с одной подписью только один раз.
Таким образом, для построения сети достаточно передать один пакет от модема.
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 (в нашем случае короткий пакет LIST). Ретрансляция нодами пакета от модема идет по технологии описанной выше. Нода получив пакет с требованием передачи информации отправляет пакет со своим номером, с уникальным идентификатором (случайное число), свой МАС-адрес, набор своих данных (например, качество связи, телеметрию, геокоординаты, время и т.д.) и с направлением 1 (от ноды к модему). Ретрансляция пакета с направлением 1 (от ноды к модему) происходит в обратном порядке. Если нода имеет номер N, то ретранслирует пакет только от нод с номерами N+1 с направлением 1 (от ноды к модему). Пакеты с одним идентификационным номером перетранслируются однократно.
Таким образом, модем получает информацию обо всех нодах в сети.
2.3 Передача данных в сети.
Передача данных в сети осуществляется от модема к нодам как в пункте 2.1, от нод к модему как в пункте 2.2
Способ организации сети передачи данных имеет ряд преимуществ по сравнению с существующими решениями:
- возможность использования нескольких модемов в сети в связи с тем, что сеть перестраивается с передачей каждого пакета от модема к ноде, информация будет передаваться в сеть, независимо от расположения модема в сети в данный момент времени.
- модем и ноды могут быть подвижными.
- физическая среда передачи данных, например, проводные и беспроводные сети, может иметь переменные условия передачи сигнала.
- в отличие от сети типа "звезда" не требует наличия мощной базовой станции.
- в отличие от сети типа "mesh" не требует дополнительного времени на перестроения сети при изменении условий прохождения сигнала или изменения количества нод в сети.
- в отличие от сети типа "mesh", которая на этапе построения оптимизирует структуру сети, позволяет сначала построить структуру сети и далее оптимизировать построенную структуру, что дает существенный выигрыш во времени построения сети.
- в отличие от сети типа "mesh" не требует хранения нодами информации о сетевом окружении, что существенно снижает стоимость решения.