本发明涉及一种适用于窄带电力线载波通信的IP组网方法，其特征是，(1)帧格式设计，只限于载波芯片通信帧的用户数据区，定义与此算法对应的帧格式，具体特征是用户数据区的第一个字节表示的是帧类型，帧类型包括IP组网方法所用到帧、网络管理帧及普通点对点通信所用到的帧；(2)具有载波侦听多址访问\冲突避免功能的退避原理。采用本发明提出的IP组网方法，使同一台变下、同一相线上、能够可靠通信的窄带电力线载波通信节点，构成一个IP子网。不能可靠通信的节点，分属于不同的子网，依靠子网之间的网关节点通信。两个子网之间的网关节点不是由一个节点构成，而是由多个节点构成的网关簇，进一步提高了通信的可靠性。
1.一种窄带电力线载波通信的IP组网方法，其特征在于：
（1）具有载波侦听多址访问\冲突避免功能的退避算法
任何节点发送之前，都处于接收状态，检测是否接收到有效帧的同步头字节；所有收到同步头子节的节点，都要保持接收状态，继续接收直到长度字节，然后根据长度字节，判断此帧是否全部接收完毕；每个收到此帧的节点都要根据帧类型及帧长度，判断自身应该等待的时间，然后启动定时器，等待这个时间长度，并继续保持接收状态；发送节点发送完毕后，切换到接收状态，并等待应答；同时启动一个定时器，判断应答帧是否在规定的时间内到达；每接收一个应答帧，此定时器复位并重新启动定时；若定时期满后仍无应答，则根据会话的性质，确定下一步应该采取的措施；
接收节点若是目标节点，则需要构造应答帧；若目标节点是单个，则它立即构造应答帧并发送；而其它所有在通信双方有效距离内的节点，都根据通信语义及帧长度，等待相应的时间；若目标节点是多个，则各节点根据退避算法，形成一个随机的退避时间，在此时间内，仍处于接收状态；最早结束退避时间的节点，切换到发送状态，发送帧同步字节；其它仍然处于退避期的节点，收到此同步头后，结束此轮定时，处于等待状态，直至发送节点会话结束后，重新开始新的一轮随机退避定时；
接收节点若不是目标节点，则无需构造应答帧，但仍然需要根据所接收到帧的类型，决定自己应该处于等待状态还是定时状态；若处于等待状态，则设置等待状态结束的触发条件；若处于定时状态，则需要计算定时的长度；并且在每一次定时期满之前，若收到同一发送节点新的会话帧，则定时器复位并重新启动定时；
只限于载波芯片通信帧的用户数据区，定义与此算法对应的帧格式，具体特征是用户数据区的第一个字节表示的是帧类型，帧类型包括IP组网方法所用到帧、网络管理帧及普通点对点通信所用到的帧，具体是：组网广播帧hello，0x01；IP地址请求帧IPreq，0x02；
IP地址分配帧IPassign，0x03；IP地址确认帧IPack，0x04；组播帧multicast，0x05；组播应答帧multicastrep，0x06；点对点请求帧P2Preq，0x07；点对点应答帧P2Prep，0x08；
还包括IP地址分配方案，即无类域间路由地址方案CIDR172.16.0.0/24；即：子网掩码255.255.255.0，A相从172.16.1.0到172.16.63.0共63个子网，254个主机；B相从172.16.64.0到172.16.127.0共64个子网，254个主机；C相从172.16.128.0到
172.16.254.0共128个子网，254个主机；在三相四线制中，每个相位上的主动节点所在的网络地址是所有子网地址中最小的，其主机地址又是其所在子网中最小的；
在IP组网过程中，主动节点初始化后或收到IPack帧后，立即发出hello帧，并启动较长的定时；收到IPreq帧后，发出IPassign帧，此定时复位，启动较短的定时，此定时与期望收到的IPack帧时间的相匹配；发出p2p帧后，则启动与期望收到的帧长度匹配的定时；
主动节点先为自己的所有邻居节点分配自己所属子网的IP地址，若较长的定时已满，仍未收到收到IPreq帧，则结束其寻找邻居节点并为其分配IP地址的过程，然后对其邻居节点，按IP地址由小到大的次序，逐一用hello帧轮询，hello帧中的网络地址也对应于邻居节点的IP地址由小到大逐一递增，被轮询到的节点，由于已经有IP地址，所以不再发出IPreq帧，而是，以新的子网地址，发hello帧，寻找它自己的邻居节点；其它未被轮询的邻居节点，收到此帧后，处于等待状态，直到被主动节点轮询到为止；
若一个子网的被轮询节点找到了其下层邻居节点，则它与其所有的下层节点形成一个新的子网，网络IP地址就是被轮询帧中IP地址；被轮询节点既具有上层子网中一个主机地址，也具有新子网中最小的主机地址，因此，它就是两个子网之间的网关节点，并且负责维护两个子网之间的路由表；
与被轮询的节点属于同一子网，但还未被轮询到的节点，也可能收到被轮询节点寻找其子层邻居节点的hello帧，通过对被轮询节点所发的帧计数的方法，最先达到规定计数值的所有节点，启动一个随机退避定时，在退避定时到后，申请加入被轮询节点的下层子网；若成功加入，则它具有两个子网的IP地址，从而与被轮询节点一样，成为两个子网之间的网关节点，将具有两个IP地址的节点数目，限制在冲突允许的一定范围内；当子网内节点的目标节点不在本子网内时，任意组播一个含外网网络地址的通信帧，具有此外网网络地址的网关簇节点，启动退避定时，定时最短的网关节点，负责转发这次通信，其它网关簇节点复位其定时器，重新出于等待状态；
成为网关簇的节点，也负责维护两个子网之间的路由表，当它被轮询时，不再以新的网络地址发hello帧组网，而是立即以一个应答帧回复轮询节点，以便轮询节点轮询其下一个邻居节点，这样直至组网完毕。
2.如权利要求1所述的窄带电力线载波通信的IP组网方法，其特征在于：每个节点中至少同时运行着一个服务器进程和一个客户机进程；主动节点中运行着服务器进程用来侦听其它节点的连接，并在连接后提供所请求的服务，其它节点中运行着客户机进程，用来向主动节点请求服务，同样，主动节点中运行着客户机进程，而每个节点中运行着服务器进程，用来接收主动节点的查询，主动节点向其它的节点发起查询，而其它节点中的服务器进程提供给所查询的信息。
窄带电力线载波通信的IP组网方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种适用于窄带电力线载波通信的IP组网方法。
背景技术
[0002] TCP/UDP/IP协议是开放的标准协议，已经成为互联网事实上的标准。目前，TCP/UDP/IP协议宽带电力线载波中已广泛使用。主要用于家庭、楼宇的局域网连接，以便共享与公网的接口，避免重复布线，节省成本。宽带电力线载波传输速率高(1Mbps-100Mbps)，数据帧长(大于1K字节)，载波芯片有完善的数据链路成所需的媒体访问控制(MAC)功能，所以，在宽带电力线载波通信中，TCP/UDP/IP协议的移植和使用没有障碍。但是，窄带电力线载波通信传输速率低(数百位每秒到数Kbps)，数据帧短(一般小于500字节)，更为困难的是，大多数窄带电力线载波不具有MAC功能，而具有MAC功能的芯片成本又比较高。因此，需要用软件的方法，实现MAC功能，这是在窄带电力线载波通信网络中采用TCP/UDP/IP协议，需要解决的一个主要问题。
[0003] 窄带电力线载波通常用于用电节点监控、楼宇自动化、自动抄表等领域，与宽带电力线载波传输的多媒体和计算机通信相比，数据量要少很多。加之电网管理部门对电网上的电磁污染管理较为严格，监控、楼宇自动化、自动抄表等领域只能是窄带应用，并且规定了严格的载波频带内外的辐射标准。从目前的窄带应用来说，如果选择了一个窄带电力线载波芯片，从网络结构的角度来看，从应用层以下，甚至应用层的功能，都要受限于芯片提供商，其网络层的组网和路由功能，都是私有的，限制了窄带应用的可扩展性。而TCP/UDP/IP协议是开放的、标准化的网络通信协议，如果在网络层采用TCP/UDP/IP作为通信协议，可使整个窄带应用仅在底层依赖芯片提供商，把窄带应用开发人员从整个网络维护任务中解脱出来，仅关注应用层的开发就可以了。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提供一种窄带电力线载波通信的IP组网方法，能够使使窄带电力线通信网由私有封闭网变为可扩展的开放网络，从而降低硬件成本，为智能用电和管电打下基础。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0006] 一种窄带电力线载波通信的IP组网方法，其特别之处在于，
[0007] (1)帧格式设计
[0008] 只限于载波芯片通信帧的用户数据区，定义与此算法对应的帧格式，具体特征是用户数据区的第一个字节表示的是帧类型，帧类型包括IP组网方法所用到帧、网络管理帧及普通点对点通信所用到的帧，具体是：组网广播帧hello，0x01；IP地址请求帧IPreq，0x02；IP地址分配帧IPassign，0x03；IP地址确认帧IPack，0x04；组播帧multicast，0x05；
组播应答帧multicastrep，0x06；点对点请求帧P2Preq，0x07；点对点应答帧P2Prep，
0x08；
[0009] (2)具有载波侦听多址访问\冲突避免功能的退避原理
[0010] 任何节点发送之前，都处于接收状态，检测是否接收到有效帧的同步头字节；所有收到同步头子节的节点，都要保持接收状态，继续接收直到长度字节，然后根据长度字节，判断此帧是否全部接收完毕；每个收到此帧的节点都要根据帧类型及帧长度，判断自身应该等待的时间，然后启动定时器，等待这个时间长度，并继续保持接收状态；发送节点发送完毕后，切换到接收状态，并等待应答；同时启动一个定时器，判断应答帧是否在规定的时间内到达；每接收一个应答帧，此定时器复位并重新启动定时；若定时期满后仍无应答，则根据会话的性质，确定下一步应该采取的措施；
[0011] 接收节点若是目标节点，则需要构造应答帧；若目标节点是单个，则它立即构造应答帧并发送；而其它所有在通信双方有效距离内的节点，都根据通信语义及帧长度，等待相应的时间；若目标节点是多个，则各节点根据退避算法，形成一个随机的退避时间，在此时间内，仍处于接收状态；最早结束退避时间的节点，切换到发送状态，发送帧同步字节；其它仍然处于退避期的节点，收到此同步头后，结束此轮定时，处于等待状态，直至发送节点会话结束后，重新开始新的一轮随机退避定时；
[0012] 接收节点若不是目标节点，则无需构造应答帧，但仍然需要根据所接收到帧的类型，决定自己应该处于等待状态还是定时状态；若处于等待状态，则设置等待状态结束的触发条件；若处于定时状态，则需要计算定时的长度；并且在每一次定时期满之前，若收到同一发送节点新的会话帧，则定时器复位并重新启动定时。
[0013] 还包括IP地址分配方案，即无类域间路由地址方案CIDR172.16.0.0/24；即：子网掩码255.255.192.0，A相从172.12.1.0到172.12.63.0共63个子网，254个主机；B相从172.12.64.0到172.12.127.0共64个子网，254个主机；C相从172.12.128.0到172.12.254.0共128个子网，254个主机；在三相四线制中，每个相位上的主动节点所在的网络地址是所有子网地址中最小的，其主机地址又是其所在子网中最小的；
[0014] 在IP组网过程中，主动节点初始化后或收到IPack帧后，立即发出hello帧，并启动较长的定时；收到IPreq帧后，发出IPassign帧，此定时复位，启动较短的定时，此定时与期望收到的IPack帧时间的相匹配；发出p2p帧后，则启动与期望收到的帧长度匹配的定时；
[0015] 主动节点先为自己的所有邻居节点分配自己所属子网的IP地址，若较长的定时已满，仍未收到收到IPreq帧，则结束其寻找邻居节点并为其分配IP地址的过程，然后对其邻居节点，按IP地址由小到大的次序，逐一用hello帧轮询，hello帧中的网络地址也对应于邻居节点的IP地址由小到大逐一递增，被轮询到的节点，由于已经有IP地址，所以不再发出IPreq帧，而是，以新的子网地址，发hello帧，寻找它自己的邻居节点；其它未被轮询的邻居节点，收到此帧后，处于等待状态，直到被主动节点轮询到为止；
[0016] 若一个子网的被轮询节点找到了其下层邻居节点，则它与其所有的下层节点形成一个新的子网，网络IP地址就是被轮询帧中IP地址；被轮询节点既具有上层子网中一个主机地址，也具有新子网中最小的主机地址，因此，它就是两个子网之间的网关节点，并且负责维护两个子网之间的路由表；
[0017] 与被轮询的节点属于同一子网，但还未被轮询到的节点，也可能收到被轮询节点寻找其子层邻居节点的hello帧，通过对被轮询节点所发的帧计数的方法，最先达到规定计数值的所有节点，启动一个随机退避定时，在退避定时到后，申请加入被轮询节点的下层子网；若成功加入，则它具有两个子网的IP地址，从而与被轮询节点一样，成为两个子网之间的网关节点，将具有两个IP地址的节点数目，限制在一定范围内；当子网内节点的目标节点不在本子网内时，它可以任意组播一个含外网网络地址的通信帧，具有此外网网络地址的网关簇节点，启动退避定时，定时最短的网关节点，负责转发这次通信，其它网关簇节点复位其定时器，重新出于等待状态；
[0018] 成为网关簇的节点，也负责维护两个子网之间的路由表，当它被轮询时，不再以新的网络地址发hello帧组网，而是立即以一个应答帧回复轮询节点，以便轮询节点轮询其下一个邻居节点，这样直至组网完毕。
[0019] 每个节点中至少同时运行着一个服务器进程和一个客户机进程；主动节点中运行着服务器进程用来侦听其它节点的连接，并在连接后提供所请求的服务，其它节点中运行着客户机进程，用来向主动节点请求服务，同样，主动节点中可运行着客户机进程，而每个节点中运行着服务器进程，用来接收主动节点的查询，主动节点向特定的节点发起查询，而特定节点中的服务器进程提供给所查询的信息。
[0020] 采用本发明提出的IP组网方法，使同一台变下、同一相线上、能够可靠通信的窄带电力线载波通信节点，构成一个IP子网。不能可靠通信的节点，分属于不同的子网，依靠子网之间的网关节点通信。两个子网之间的网关节点不是由一个节点构成，而是由多个节点构成的网关簇，进一步提高了通信的可靠性。
附图说明
[0021] 附图1为本发明中窄带电力线载波通信节点的内部软件结构图；
[0022] 附图2为本发明中窄带电力线载波通信帧结构图；
[0023] 附图3为本发明中相位与子网的网络地址对应关系图；
[0024] 附图4为本发明中物理层驱动框图。
具体实施方式
[0025] 下面通过附图和例子，对本发明的技术方案做进一步的详细描述：
[0026] 图1为本发明提出的通信节点的内部软件结构图，其中模块10是窄带电力线载波通信芯片的驱动程序，它不是本发明的一部分，依赖于芯片提供商。此驱动程序的实现要根据芯片商提供的数据手册，把MAC层来的要发送的数据，放到芯片的发送缓冲寄存器；也通过中断或查询，把芯片的接收缓冲寄存器中的内容，取出送给MAC层处理。其框图如图6所示。
[0027] 图1中的模块20是本发明用软件的方法实现了CSMA/CD功能；模块30是本发明所移植的TCP/IP协议，TCP/IP协议不属于本发明申请保护的内容。此部分相关的帧的设计、IP组网方法是申请保护的权利。为了实现模块20、模块30的功能，本发明设计了一些申请保护的数据帧格式。此窄带电力线载波通信IP组网算法不针对任何载波芯片，因此，与此算法对应的帧格式，只限于载波芯片通信帧的用户数据区。具体特征是用户数据区的第一个字节表示的是帧类型。帧类型包括IP组网算法所用到帧、网络管理帧及普通点对点通信所用到的帧。申请保护的帧类型有：
[0028] ●组网广播帧hello， 0x01；
[0029] ●IP地址请求帧IPreq， 0x02；
[0030] ●IP地址分配帧IPassign， 0x03；
[0031] ●IP地址确认帧IPack， 0x04；
[0032] ●组播帧multicast， 0x05；
[0033] ●组播应答帧multicastrep， 0x06；
[0034] ●点对点请求帧P2Preq， 0x07；
[0035] ●点对点应答帧P2Prep， 0x08；
[0036] 各类帧的数据域结构如图2所示。
[0037] 软件实现的随机退避原理如下：
[0038] 任何节点发送之前，都处于接收状态，检测是否接收到有效帧的同步头字节。
[0039] 所有收到同步头子节的节点，都要保持接收状态，继续接收直到长度字节，然后根据长度字节，判断此帧是否全部接收完毕；
[0040] 根据所接收帧中的帧类型字节，判断所接收的帧是广播帧、组播帧还是点对点通信帧，并据此判断目标节点是否是自己，无论是否是自己，都要根据帧类型及帧长度，判断自身应该等待的时间，然后启动定时器，等待这个时间长度，并继续保持接收状态；
[0041] 发送节点发送完毕后，切换到接收状态，并等待应答。同时启动一个定时器，判断应答帧是否在规定的时间内到达；每接收一个应答帧，此定时器复位并重新启动定时；若定时期满后仍无应答，则根据会话的性质，确定下一步应该采取的措施。
[0042] 接收节点若是目标节点，则需要构造应答帧。若目标节点是单个，则它立即构造应答帧并发送；而其它所有在通信双方有效距离内的节点，都根据通信语义及帧长度，等待相应的时间。若目标节点是多个，则各节点根据退避算法，形成一个随机的退避时间，在此时间内，仍处于接收状态。最早结束退避时间的节点，切换到发送状态，发送帧同步字节；其它仍然处于退避期的节点，收到此同步头后，结束此轮定时，处于等待状态，直至发送节点会话结束后，重新开始新的一轮随机退避定时。
[0043] 接收节点若不是目标节点，则无需构造应答帧。但仍然需要根据所接收到帧的类型，决定自己应该处于等待状态还是定时状态；若处于等待状态，则设置等待状态结束的触发条件；若处于定时状态，则需要计算定时的长度；并且在每一次定时期满之前，若收到同一发送节点新的会话帧，则定时器复位并重新启动定时。
[0044] 在IP组网过程中，主动节点初始化后或收到IPack帧后，立即发出hello帧，并启动较长的定时；收到IPreq帧后，发出IPassign帧，此定时复位，启动较短的定时，此定时与期望收到的IPack帧时间的相匹配；发出p2p帧后，则启动与期望收到的帧长度匹配的定时[0045] IP地址的分配方案采用CIDR(无类域间路由)地址方案，以解决子网数和主机数不平衡的问题。决定采用172.16.0.0生成子网和主机IP地址。172.16.0.0是一个属于C类的保留地址，用于Intranet主机编址。决定采用的子网掩码是255.255.255.0，这是一个B类的定制子网掩码(非标准子网掩码，B类的标准子网掩码是255.255.0.0)。以上子网和IP编址方案用CIDR表示就是：172.16.0.0/24。这种方案生成的子网数是254个，每个子网上可容纳的主机数是254个，完全可以满足单台变下载波节点通过TCP/IP进行通信的需求。每一相位上的载波模块单独组网，分配给不同的网络地址，相位与子网的网络地址对应关系如图3所示。
[0046] 每个相位上的主动节点所在的网络地址是所有子网地址中最小的，其主机地址又是其所在子网中最小的。例如A相主动节点所在的网络地址是172.16.1.0，其主机地址是172.16.1.1；B相主动节点所在的网络地址是172.16.64.0，其主机地址是172.16.64.1；C相主动节点所在的网络地址是172.16.128.0，其主机地址是172.16.128.1。
[0047] 图4结合随机退避功能，说明了本发明提出的IP组网算法。其中 是所在相位的主动节点，虚线圆弧是它发出的通信帧能够覆盖的范围，此圆弧内的节点收到hello帧后，都要启动随机的退避定时；★是收到hello帧后最先结束退避定时的节点， 是未参与此轮通信的节点。最后的虚线圆圈表示所形成的每个IP子网，它们的重叠部分是网关簇节点。它们经过上层节点轮询而生成，具体过程为：主动节点先为自己的所有邻居节点分配自己所属子网的IP地址。若较长的定时已满，仍未收到收到IPreq帧，则结束其寻找邻居节点并为其分配IP地址的过程。然后对其邻居节点，按IP地址由小到大的次序，逐一用hello帧轮询，hello帧中的网络地址也对应于邻居节点的IP地址由小到大逐一递增。被轮询到的节点，由于已经有IP地址，所以不再发出IPreq帧，而是，以新的子网地址，发hello帧，寻找它自己的邻居节点；其它未被轮询的邻居节点，收到此帧后，处于等待状态，直到被主动节点轮询到为止。
[0048] 被轮询的邻居节点确定其下层邻居节点的定时长度及步骤，类似于主动节点寻找其邻居节点的定时长度及步骤。即：若较长的定时已满，仍未收到收到IPreq帧，则结束其寻找邻居节点并为其分配IP地址的过程。不同之处是：它要对轮询节点回复一个应答帧，以便轮询节点轮询其下一个邻居节点。
[0049] 若一个子网的被轮询节点找到了其下层邻居节点，则它与其所有的下层节点形成一个新的子网，网络IP地址就是被轮询帧中IP地址。被轮询节点既具有上层子网中一个主机地址，也具有新子网中最小的主机地址，因此，它就是两个子网之间的网关节点，并且负责维护两个子网之间的路由表。
[0050] 与被轮询的节点属于同一子网，但还未被轮询到的节点，也可能收到被轮询节点寻找其子层邻居节点的hello帧。通过对被轮询节点所发的帧计数的方法，最先达到规定计数值的所有节点，启动一个随机退避定时，在退避定时到后，申请加入被轮询节点的下层子网。若成功加入，则它具有两个子网的IP地址，从而与被轮询节点一样，成为两个子网之间的网关节点。将具有两个IP地址的节点数目，限制在一定范围内。这样，两个子网之间的网关节点形成一个网关簇，提高了通信的可靠性。当子网内节点的目标节点不在本子网内时，它可以任意组播一个含外网网络地址的通信帧，具有此外网网络地址的网关簇节点，启动退避定时，定时最短的网关节点，负责转发这次通信，其它网关簇节点复位其定时器，重新出于等待状态。
[0051] 成为网关簇的节点，也负责维护两个子网之间的路由表。当它被轮询时，不再以新的网络地址发hello帧组网，而是立即以一个应答帧回复轮询节点，以便轮询节点轮询其下一个邻居节点。这样直至组网完毕。
[0052] 应用层的拓扑形式为对等网，即每个节点中至少同时运行着一个服务器进程和一个客户机进程；服务器进程用来侦听其它节点的连接，并在连接后提供所请求的服务。客户机进程用来向特定的节点请求服务。例如：在抄表应用中，每一相上的主动节点，可以是集中器上的一个载波节点，其中运行着用于收集电能表用电信息的服务器进程，也运行着用于收集主动上报信息的服务器进程；每个电能表中的载波节点中的客户机进程，知道它的IP地址(如集中器在A相上的载波节点的主机地址是172.16.1.1；在B相上的载波节点的主机地址是172.16.64.1；在C相上的载波节点的主机地址是172.16.128.1)，也知道它用于收集电能信息的服务端口，因此，发起连接，把电能信息汇报给集中器；也知道它用于收集主动上报信息的的服务器进程，发起连接，主动上报有关信息。
[0053] 同样，主动节点中可运行着客户机进程，而每个节点中运行着服务器进程，用来接收主动节点的查询。主动节点向特定的节点发起查询，而特定节点中的服务器进程提供给所查询的信息。
[0054] 以下为本发明中IP组网流程；
[0055]
