一種無線多媒體傳感器網絡接入ip網絡的方法

文檔序號：7815008閱讀：176來源：國知局

一種無線多媒體傳感器網絡接入ip網絡的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種無線多媒體傳感器網絡接入IP網絡的方法，其特征在于采用虛擬網關的方式實現(xiàn)無線多媒體傳感器網絡接入IP網絡；所述的虛擬網關遵從SOCKET網絡編程規(guī)范的應用程序便可以訪問該無線多媒體傳感網絡；所述的虛擬網關在不同的操作平臺上能動態(tài)加載，完成IP數(shù)據(jù)和多媒體傳感器網絡協(xié)議數(shù)據(jù)的轉換，是對應操作系統(tǒng)的網絡驅動程序。本發(fā)明開發(fā)的虛擬網關中間件，解決了無線多媒體傳感器網絡IP網絡數(shù)據(jù)透明傳輸?shù)膯栴}和無線多媒體傳感器網絡應用程序移植性、通用性差的問題。
【專利說明】-種無線多媒體傳感器網絡接入IP網絡的方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線多媒體傳感器網絡接入其他網絡如IP網絡的問題，可用于運行私有協(xié)議的無線多媒體傳感器網絡系統(tǒng)，屬于信息【技術領域】。

【背景技術】
[0002] 隨著無線傳感器網絡技術的發(fā)展，在網絡中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包類型從比較單一的數(shù)據(jù) 包逐漸發(fā)展到了多媒體類型的數(shù)據(jù)包，應用程序對數(shù)據(jù)的需求也逐漸變大，已有網絡應用程序直接訪問無線網卡數(shù)據(jù)的形式已經不能滿足開發(fā)的需要，如何使得IP數(shù)據(jù)包"透傳" 無線多媒體傳感器網絡，如何增加應用的移植性，如何明顯的減輕開發(fā)人員的負擔，成為無線多媒體傳感器網絡中需要解決的問題。
[0003] 網絡領域IP化的趨勢，同樣影響到了無線多媒體傳感器網絡，但是由于無線多媒體傳感器網絡多業(yè)務的特點，需要傳輸視頻、圖像、語音、數(shù)據(jù)等不同業(yè)務類型的數(shù)據(jù)，考慮到無線信道的環(huán)境，相應的網絡協(xié)議也要適應于無線多媒體傳感器網絡的特點，一般的IP 網絡協(xié)議是不適合于無線多媒體傳感器網絡的，但是，無線多媒體傳感器網絡也需要接入到IP網絡，因此，就需要提供一種方法和機制來完成此項功能。
[0004] 無線多媒體傳感器網絡存在自身的網絡訪問API，但是，在普通的網絡編程中，一般都是采用SOCKET規(guī)范編程方法來訪問網絡，為了增加應用程序的可移植性和標準化，應用程序不用修改即可以訪問網絡資源，也為了降低應用程序的開發(fā)難度，更好的完成無線傳感器網絡接入到IP網絡，所以，需要一套標準化的方法來實現(xiàn)上述功能。
[0005] 在已有技術中，IP網絡數(shù)據(jù)包不能直接到達無線多媒體傳感器節(jié)點，無線多媒體傳感器網絡實現(xiàn)IP化的方法可以是直接在無線網卡上構建IP網絡協(xié)議棧，這樣，一個無線網卡便是一個IP網絡節(jié)點，但是，無線多媒體傳感器網絡的特點使得其采用這種方式并不合適，無線多媒體傳感器網絡節(jié)點通信運行了不同于IP網絡的協(xié)議，IP格式的數(shù)據(jù)包不能被無線多媒體傳感器網絡所識別，因此，影響了網絡的兼容性，不能和應用最為廣泛的IP 網絡實現(xiàn)互聯(lián)互通，這成為了無線多媒體傳感器網絡的一個缺陷；另外一種實現(xiàn)無線多媒體傳感器網絡接入IP網絡的方法是采用網關設備[CN. 200910033224. 1，孫力娟等"無線多媒體傳感器網絡與無線局域網因特網的互聯(lián)方法"。]，在原有的基礎上開發(fā)協(xié)議轉換功能，實現(xiàn)IP數(shù)據(jù)到達無線多媒體傳感器網絡節(jié)點，但這種方式需要增加額外的硬件設備，需要專門為該網關設備開發(fā)不同于無線多媒體傳感器網絡節(jié)點的程序，增加時間和成本上的投入。原有的無線多媒體傳感器網絡實現(xiàn)IP化存在以上所述的問題。
[0006] 在應用程序開發(fā)過程中，原有的技術采用無線傳感器網絡特有的API進行網絡訪問，這樣就給開發(fā)過程中的并行開發(fā)帶來了困難，應用程序開發(fā)人員必須等待無線網卡固件開發(fā)人員完成協(xié)議棧的構建以后才能進行網絡部分的開發(fā)，同時網絡訪問API函數(shù)的非標準化，給應用程序的移植性和通用性帶來了困難，當網絡形式發(fā)生變化時，應用程序也便失效了，應用程序開發(fā)人員針對新的網絡形式進行新的開發(fā)，降低了工作效率，重復勞動，因此，這也成為了無線多媒體傳感器網絡不能與SOCKET網絡編程規(guī)范兼容的一個不足之處。
[0007] 為了克服已有技術上的不足，因此，本申請擬開發(fā)一種基于虛擬網關的無線多媒體傳感器網絡接入IP網絡中間件，實現(xiàn)了協(xié)議轉換，使得無線多媒體傳感器網絡接入到了 IP網絡中。

【發(fā)明內容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于提供一種無線多媒體傳感器網絡接入IP網絡的方法，本發(fā)明是基于無線多媒體傳感器網絡形式，構建一種基于操作系統(tǒng)平臺的虛擬網關，所述的虛擬網關可以在軟件層面使IP數(shù)據(jù)包"透傳"無線多媒體傳感器網絡，整個方案的網絡拓撲結構圖可以如圖1描述。
[0009] 在圖1中，多媒體數(shù)據(jù)包括視頻、圖像、語音、數(shù)據(jù)在由無線網卡構成的無線多媒體傳感器網絡中進行傳輸，其網絡拓撲結構可以是多種形式的，例如星型、網型、樹形等。 PC機和手持設備運行IP網絡協(xié)議棧，操作系統(tǒng)內部傳遞的是IP數(shù)據(jù)包的形式，在無線網卡中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式是無線多媒體傳感器網絡的協(xié)議包格式，為了實現(xiàn)IP數(shù)據(jù)包能夠"透傳"無線多媒體傳感器網絡，使應用程序的開發(fā)具有通用性，需要在PC機和手持設備上構建虛擬網關，用來完成協(xié)議的轉換。該虛擬網關所處的層次結構圖如圖2所示：
[0010] 虛擬網關主要存在于PC機與手持設備上，應用程序位于最上層，應用程序的編寫遵從SOCKET規(guī)范，也就是說，有了虛擬網關，遵從SOCKET網絡編程規(guī)范的應用程序便可以訪問該無線多媒體傳感器網絡。應用程序實現(xiàn)網絡應用，具有很好的移植性，當更換網絡形式時，應用程序幾乎不需要做出改變就可以繼續(xù)使用，提高了應用程序的通用性和跨平臺特性。
[0011] 操作系統(tǒng)層面負責應用程序與操作系統(tǒng)之間的接口，即為應用程序提供操作系統(tǒng) API，包括SOCKET API，操作系統(tǒng)內部維護一個IP協(xié)議棧，在涉及到具體的網絡形式時，便通過網絡驅動程序的形式向下進行數(shù)據(jù)交互，虛擬網關在這里對操作系統(tǒng)來說可以看成是對應操作系統(tǒng)的網絡驅動程序。
[0012] 虛擬網關具體是在軟件層面實現(xiàn)的，當數(shù)據(jù)從應用程序經操作系統(tǒng)到達虛擬網關時，其具體的是IP數(shù)據(jù)包的格式，為了讓無線多媒體傳感器網絡節(jié)點識別IP數(shù)據(jù)包，需要對IP數(shù)據(jù)包頭進行分析，轉換成對應于無線多媒體傳感器網絡中的數(shù)據(jù)包格式，其數(shù)據(jù)包頭具有相同的意義。當IP數(shù)據(jù)包的長度很長時，虛擬網關也要完成數(shù)據(jù)包的分片操作，同時，數(shù)據(jù)負載也被拷貝進入了新的數(shù)據(jù)包，這樣，就完成了 IP數(shù)據(jù)包從上到下無線多媒體傳感器網絡數(shù)據(jù)包的轉化，實現(xiàn)了 IP數(shù)據(jù)包的透傳；當數(shù)據(jù)從下往上從無線網卡驅動傳送到虛擬網關時，虛擬網關負責把無線多媒體傳感器網絡中的數(shù)據(jù)包格式轉換為能夠被IP 網絡識別的標準IP數(shù)據(jù)包，同時，根據(jù)無線多媒體傳感器網絡包頭中的標志位，判斷是否進行組包操作，最后，虛擬網關把得到的IP數(shù)據(jù)包向上傳遞給操作系統(tǒng)，進而傳遞給應用程序。
[0013] 無線網卡驅動程序具體負責驅動無線網卡，主要是對硬件的操作，跟無線網卡進行數(shù)據(jù)交互，無線網卡具體負責收發(fā)在空中的無線多媒體傳感器網絡數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)傳輸。
[0014] 虛擬網關的具體實現(xiàn)架構如圖3所示，虛擬網關的向下鏈路為首先從操作系統(tǒng) 下發(fā)IP格式的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)會存入操作系統(tǒng)下發(fā)數(shù)據(jù)接收隊列，在隊列上，會存在一個接收事件或者信號量，來標志該隊列存在數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)循環(huán)派發(fā)線程1等待該事件，當該事件發(fā)生時，即隊列中存在數(shù)據(jù)時，該數(shù)據(jù)循環(huán)派發(fā)線程1開始運行，并把操作系統(tǒng)下發(fā)數(shù)據(jù)接收隊列中的數(shù)據(jù)搬運到無線網卡驅動數(shù)據(jù)發(fā)送隊列中，并在這個過程中完成分片的操作，分片與否是根據(jù)兩個不同網絡中的MTU決定的，在此處，無線傳感器網絡MTU局限于物理條件的限制，IP包的MTU要大于無線多媒體傳感器網絡中的MTU值，因此，需要檢查IP包的數(shù)據(jù) 長度，如果IP包長度大于無線多媒體傳感器網絡MTU，則進行分片；如果小于，則不進行任何操作，直接搬運到無線網卡驅動數(shù)據(jù)發(fā)送隊列即可。分片后的數(shù)據(jù)分片后存入無線網卡驅動數(shù)據(jù)發(fā)送隊列。無線網卡驅動數(shù)據(jù)發(fā)送隊列同樣存在事件監(jiān)聽機制，當數(shù)據(jù)到來時，循環(huán)派發(fā)線程2運行，把數(shù)據(jù)從無線網卡驅動數(shù)據(jù)發(fā)送隊列取出，通過無線網卡驅動把數(shù)據(jù) 發(fā)送到無線網卡，進而通過天線發(fā)送出去。
[0015] 虛擬網關的向上鏈路為從無線網卡驅動接收到數(shù)據(jù)后，該數(shù)據(jù)便是無線多媒體傳感器網絡格式的數(shù)據(jù)，接收監(jiān)聽線程1負責把數(shù)據(jù)從無線網卡搬運到無線網卡驅動數(shù)據(jù)接收隊列中，相應的隊列上同樣存在事件或者信號量，內部數(shù)據(jù)緩存入隊線程開始工作，它首先根據(jù)包頭中的標志位進行分片與否的判斷，如果沒有分片，則直接存入IP數(shù)據(jù)接收隊列，如果是分片數(shù)據(jù)，則存入內部數(shù)據(jù)緩存隊列，每到達一個分片，則存入分片對應的緩存結構，當所有的分片到達后，檢查線程會檢測到所有分片已經接收完畢，在這一階段，完成無線多媒體傳感器網絡格式的數(shù)據(jù)包轉換為IP格式數(shù)據(jù)包的過程，完成組包后，設置相應的事件用來啟動接收監(jiān)聽線程2,把數(shù)據(jù)存入IP數(shù)據(jù)接收隊列；如果因為無線多媒體傳感器網絡信道的原因或者其他原因造成丟包，使得分片數(shù)據(jù)不能全部收到，數(shù)據(jù)會一直堆放在緩存隊列中，如果信道很壞的情況下，會造成緩存隊列滿的情況，這時，會存在一個超時檢查線程，設置相應的超時時限，當緩存隊列中相應包的時間超過時限后還沒有全部收到分片，則超時線程會清理緩存隊列相應的數(shù)據(jù)結構，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃杂缮蠈觼砭S護。當IP 數(shù)據(jù)接收隊列接收到數(shù)據(jù)后，通過設置接收事件或者信號量，啟動等待此事件或者信號量的遞交操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)線程，用來完成IP數(shù)據(jù)從IP數(shù)據(jù)接收隊列向操作系統(tǒng)的遞交。
[0016] 綜上所述，在一般的自主開發(fā)無線多媒體傳感器網絡中，由于無線多媒體傳感器網絡協(xié)議的私有性，使得IP網絡數(shù)據(jù)包不能直接到達無線傳感器網絡節(jié)點，無線多媒體傳感器網絡接入不進IP化的網絡。本發(fā)明提供一種無線多媒體傳感器網絡接入IP網絡的方法。
[0017] 在已有情況下，無線多媒體傳感器網絡節(jié)點之間運行私有協(xié)議，IP網絡數(shù)據(jù)包不能直接到達無線多媒體傳感器節(jié)點；在IP網絡中普遍使用的SOCKET編程規(guī)范在此處不再適用，應用程序要想訪問網絡，需要自行開發(fā)網絡接口 API，這樣不僅給無線網卡固件開發(fā) 者增加了負擔，同時也給應用程序開發(fā)人員增加了負擔，在實際情況下，因為網絡接口 API 的私有性，不兼容IP網絡，應用程序不具有很好的移植性。本發(fā)明是在已有技術的基礎上，通過開發(fā)虛擬網關中間件，使得IP網絡中的數(shù)據(jù)包能夠到達無線多媒體傳感器網絡節(jié)點；應用程序可以直接通過SOCKET編程規(guī)范訪問網絡節(jié)點，從而減輕了應用程序開發(fā)人員的負擔，是一種運行私有網絡協(xié)議的無線多媒體傳感器網絡接入IP網絡的方法。
[0018] 本發(fā)明是在已有技術的基礎上，開發(fā)虛擬網關中間件，解決了無線多媒體傳感器網絡IP網絡數(shù)據(jù)透明傳輸?shù)膯栴}和無線多媒體傳感器網絡應用程序移植性、通用性差的問題，主要具有以下優(yōu)點：
[0019] ①無線多媒體傳感器網絡接入IP網絡采用虛擬網關的方式，即采用軟件而非硬件的方式來實現(xiàn)。該虛擬網關在不同的操作系統(tǒng)平臺上能夠動態(tài)加載，完成IP數(shù)據(jù)和無線多媒體傳感器網絡協(xié)議數(shù)據(jù)的轉換；
[0020] ②通過虛擬網關的形式，使得采用SOCKET編程規(guī)范的應用程序不需要改動便可以訪問無線多媒體傳感器網絡，使應用程序具有通用性和移植性；
[0021] ③通過虛擬網關，IP網絡數(shù)據(jù)可以透明傳輸無線多媒體傳感器網絡，可以直接通過IP地址訪問無線多媒體傳感器網絡節(jié)點；
[0022] ④不需要增加額外的網關硬件設備，只需要通過虛擬的動態(tài)加載網關中間件，便可以實現(xiàn)不同網絡之間協(xié)議的轉換；
[0023] ⑤不需要額外的硬件設備和在資源有限的無線傳感器網絡節(jié)點上構建復雜的IP 協(xié)議棧，使得IP網絡中的數(shù)據(jù)包能夠到達無線多媒體傳感器網絡節(jié)點；
[0024] ⑥應用程序可以通過SOCKET編程規(guī)范訪問無線傳感器網絡節(jié)點，避免開發(fā)私有網絡協(xié)議的無線多媒體傳感器網絡訪問API，減輕了應用程序開發(fā)人員的負擔，增加了程序開發(fā)的標準性和移植性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 圖1整個方案的網絡拓撲結構圖；
[0026] 圖2虛擬網關所在層次結構圖；
[0027] 圖3虛擬網關的實現(xiàn)架構；
[0028] 圖4Window體系下虛擬網關層次結構圖；
[0029] 圖5分包過程；
[0030] 圖6組包過程相關數(shù)據(jù)結構示意圖；
[0031] 圖7組包過程。

【具體實施方式】
[0032] 下面，通過【具體實施方式】進一步闡述本發(fā)明的實質性特點和顯著的進步。但本發(fā) 明決非僅局限于介紹的【具體實施方式】。
[0033] 在具體實施中，平臺主要為PC機和手持設備，以PC機運行Windows操作系統(tǒng)、手持設備運行Windows CE為例，對具體實施例進行詳細的說明。其具體的層次架構圖如圖4 所示。
[0034] 遵從SOCKET規(guī)范的應用程序調用Windows API,數(shù)據(jù)從APP進入操作系統(tǒng)， Windows操作系統(tǒng)維護一個IP協(xié)議棧，并對外提供NDIS接口，以用來適配不同網絡形式的物理網卡，在這里，虛擬網關構建于NDIS下層，用來獲得從操作系統(tǒng)傳送下來的IP數(shù)據(jù)包，在虛擬網關，IP數(shù)據(jù)包完成了分包過程并轉化為無線多媒體傳感器網絡格式的數(shù)據(jù)，從無線網卡得到的無線多媒體傳感器網絡數(shù)據(jù)在這里完成了組包過程并把該數(shù)據(jù)包格式轉換為IP網絡數(shù)據(jù)包的格式，完成了協(xié)議的轉換。無線網卡流驅動程序用來驅動無線網卡，即傳輸無線多媒體傳感器網絡數(shù)據(jù)的無線通信板，在Windows體系結構下一般采用流驅動的方法進行開發(fā)。
[0035] 在Windows開發(fā)體系的應用程序層面，主要是開發(fā)符合SOCKET網絡程序規(guī)范的應用程序，其開發(fā)語言可以采用C/C++、java等不同的開發(fā)語言進行開發(fā)，這些應用程序最終都是通過調用Window操作系統(tǒng)API來實現(xiàn)應用程序與操作系統(tǒng)的交互，Windows和Wince 操作系統(tǒng)雖然在操作系統(tǒng)內核方面實現(xiàn)不相同，但是其提供給應用程序的操作系統(tǒng)接口基本是相同的，SOCKET網絡規(guī)范在Windows操作系統(tǒng)的表現(xiàn)形式為一組網絡API，這樣，應用程序和操作系統(tǒng)便可以完成數(shù)據(jù)的交互，應用程序可以把數(shù)據(jù)傳遞給Windows操作系統(tǒng)， Windows操作系統(tǒng)也可以把數(shù)據(jù)傳遞給應用程序。
[0036] Windows、Wince操作系統(tǒng)維護一個IP協(xié)議棧，例如在傳輸層層面實現(xiàn)了 TCP狀態(tài) 機，實現(xiàn)了 UDP、IP等協(xié)議，提供給外部一個NDIS的網絡驅動程序接口，用來適配于不同的通信網卡，在操作系統(tǒng)層面實現(xiàn)了一個統(tǒng)一的結構，根據(jù)設置的不同，數(shù)據(jù)最終流向不同的物理網卡，在這里，數(shù)據(jù)通過操作系統(tǒng)提供的NDIS接口流向了運行私有協(xié)議的無線傳感器網絡無線通信網卡。
[0037] NDIS接口提供虛擬網卡注冊、卸載等函數(shù)，能夠保證虛擬網關被操作系統(tǒng)所識別， NDIS起到了承上啟下的功能，對上作為操作系統(tǒng)的接口，對下可以跟虛擬網關進行數(shù)據(jù)交互，NDIS接口也是操作系統(tǒng)提供的接口，在這里虛擬網關中通過調用NDIS接口函數(shù)，可以從操作系統(tǒng)中拷貝數(shù)據(jù)進入到虛擬網關，也可以從虛擬網關中拷貝數(shù)據(jù)到操作系統(tǒng)，從而完成了數(shù)據(jù)交互與流動。
[0038] 在虛擬網關中，其具體實現(xiàn)架構如圖3所示，在Windows操作系統(tǒng)體系，采用C語言開發(fā)，在Wince環(huán)境下可以是BSP包中進行編譯，也可以在APP SDK中進行編譯，編譯的選項要進行仔細的設置才能夠實現(xiàn)。虛擬網關每個隊列都存在相應的事件和線程，事件用來標標識是否有數(shù)據(jù)進入到隊列，線程等待事件的發(fā)生并執(zhí)行，最終完成數(shù)據(jù)在不同層次的層層遞交。
[0039] 在虛擬網關實現(xiàn)中，需要完成IP數(shù)據(jù)包分包和組包的過程，分包的具體過程如 [0040] 圖5所示，分包的過程中，IP包頭中的信息被轉換為無線多媒體傳感器網絡中的包頭信息，在這個過程中，進行了包頭壓縮，但是不喪失有效信息。數(shù)據(jù)負載則被分入了各個分片包中，數(shù)據(jù)僅僅是做簡單的拷貝。分包的過程中，首先，在無線多媒體傳感器網絡包頭中設置不分片、分片首包、分片中間包、分片末包包標志位，在包頭中設置分片偏移量，設置包標識符（ID)，設置所承載的IP包包類型標識。然后，設置無線多媒體傳感器網絡包中承載的IP包頭信息，包括IP目標地址、原地址和IP頭中的其他信息，如果在同一個網段，則可以使用短地址形式，是否在同一個網段的標志可以設置在無線多媒體傳感器網絡包頭中的IP包包類型標識中。IP頭中的其他信息在無線多媒體傳感器網絡包格式中可以進行壓縮。壓縮的目的是為了增大有用數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋壤?，減少資源的浪費。最后，設置UDP、 TCP、ICMP包在無線多媒體傳感器網絡包中字段，包括端口信息等。數(shù)據(jù)域的負載則需要詳細的計算好需要分割的位置，對數(shù)據(jù)負載進行分割，填充到首包、中間包和末包中，當然，如果長度不太大，數(shù)據(jù)分割只分為兩片，則最終只會存在首包和末包，長度足夠長，則會有多個中間包出現(xiàn)，數(shù)據(jù)分割的長度也不僅僅只是為兩片了。
[0041] 組包過程如圖7所示，在組包過程中，其數(shù)據(jù)結構如圖6所示，直觀來看，是一個二維鏈表，從橫向看，其構成了一個鏈表，每個分包管理數(shù)據(jù)結構代表能夠處理一個IP包，鏈表的長度代表了其正在處理的IP包的個數(shù)。每一個IP數(shù)據(jù)包都會存在一個數(shù)據(jù)包ID用來標識不同的IP數(shù)據(jù)包，如圖6中分包管理結構，其內部存在數(shù)據(jù)包ID記錄，用來代表一個 IP包，此數(shù)據(jù)結構存儲有IP包的相應信息，它的填充由不斷收到的無線多媒體傳感器網絡數(shù)據(jù)分片包頭來填充，具體是首個包的包頭來填充，其下面掛載的鏈表便代表了所有此IP 包所拆分成的無線多媒體傳感器網絡分片，隨著數(shù)據(jù)的不斷到來，相應的分片根據(jù)其偏移量找到在此鏈表中的位置并插入進去，等所有的分包被接收完成以后，便會啟動類似于圖3 中的接收監(jiān)聽線程2,完成分包的組合過程，整個過程中，檢查線程不斷檢查是否完成，以用來確保組包過程的啟動。超時檢查依據(jù)分包管理結構中的超時標志，用來判斷在一定時間范圍內一個IP包的所有分片數(shù)據(jù)是否全部收到，如果沒有，則會清理掉，釋放掉其所占用的資源，避免出現(xiàn)某一個不完整的IP包一直占用資源的情況，如果丟包現(xiàn)象嚴重，則會消耗掉接收機大量的資源，超時檢查即是完成此項功能。
[0042] 在一個IP數(shù)據(jù)包分片鏈表中，存在著內存管理結構，其中的標志位可以用來區(qū)分是首包、中間包還是末包，這些標志位在判斷數(shù)據(jù)是否完整即檢查是否完成方面起著重要的作用。如圖中所示，數(shù)據(jù)分片是順序的，整個鏈表是動態(tài)構建的，考慮到在發(fā)送的過程中，分片數(shù)據(jù)可能不是順序發(fā)送，即默認為是亂序，數(shù)據(jù)分片到來以后，根據(jù)包頭中的標志位，判斷首包、末包和偏移量，從而找到該分片在此鏈表中位置，保證了分片數(shù)據(jù)順序的正確性，減少了組包過程中的負擔。該內存管理結構指向負載數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的合并組成IP數(shù) 據(jù)包的數(shù)據(jù)域。
[0043] 組包過程如圖7所示，組包過程為根據(jù)首個包的包頭內容來填充IP包頭，無線多媒體傳感器網絡分片首包提供了 IP數(shù)據(jù)包的有效信息，在這個過程中，壓縮的信息要還原出來，完成IP包頭的填充。還原的過程為分包過程的逆過程，根據(jù)分包過程中不同網絡協(xié) 議形成的對應關系，在組包的過程中還原出來。IP包中的數(shù)據(jù)域由各個分片數(shù)據(jù)進行合并拷貝，其在合并拷貝的過程中需要不斷計算IP包數(shù)據(jù)域拷貝目標地址，防止數(shù)據(jù)組裝的出錯，最終完成數(shù)據(jù)域的組裝，完成組包過程。
[0044] 虛擬網關完成以后，需要開發(fā)無線網卡驅動程序，用來驅動無線多媒體傳感器網絡網卡，在Windows操作系統(tǒng)體系，可以采用SPI總線進行處理器和無線多媒體傳感器網絡網卡的通信，因此，驅動程序可以采用Windows流驅動進行開發(fā)，虛擬網關通過該驅動，把無線多媒體傳感器網絡包發(fā)送給無線多媒體傳感器網絡網卡，進而把數(shù)據(jù)通過無線電發(fā)送出去，同樣的，無線多媒體傳感器網絡網卡收到數(shù)據(jù)后，通過該驅動交付給虛擬網關，實現(xiàn) 數(shù)據(jù)的交互以及信息的傳輸。
[0045] 最后，本申請文件中涉及的英文縮寫的全稱及中文譯名匯總于下面，以免引起歧義。
[0046] IP Internet Protocol 因特網協(xié)議
[0047] API Application Programming Interface 應用程序接口
[0048] MTU Maximum Transmission Unit 最大傳輸單兀
[0049] PC Personal Computer 個人計算機
[0050] NDIS Network Driver Interface Specification 網絡驅動程序接口規(guī)范
[0051] Wince Windows CE 微軟嵌入式操作系統(tǒng)
[0052] TCP Transmission Control Protocol 傳輸控制協(xié)議
[0053] UDP User Datagram Protocol 用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議
[0054] BSP Board Support Package 板級支持包
[0055] APP Application 應用程序
[0056] SDK Software Development Kit 軟件開發(fā)工具包
[0057] ID Identity 標識
[0058] SPI Serial Peripheral Interface 串行外設接口
[0059] Windows 微軟視窗操作系統(tǒng)
[0060] Window CE Windows Embedded Compact 微軟公司嵌入式操作系統(tǒng)
[0061] Socket 孔/插座套接字，用于描述IP地址和端口
[0062] c/C++ java 編程語目。
【權利要求】
1. 一種無線多媒體傳感器網絡接入IP網絡的方法，其特征在于采用虛擬網關的方式實現(xiàn)無線多媒體傳感器網絡接入IP網絡； ① 所述的虛擬網關遵從SOCKET網絡編程規(guī)范的應用程序便可以訪問該無線多媒體傳感網絡； ② 所述的虛擬網關在不同的操作平臺上能動態(tài)加載，完成IP數(shù)據(jù)和多媒體傳感器網絡協(xié)議數(shù)據(jù)的轉換，是對應操作系統(tǒng)的網絡驅動程序。
2. 按權利要求1所述的方法，其特征在于所述的虛擬網關存在于PC機與手持設備上，應用程序位于最上層，應用程序的編寫遵從SOCKET規(guī)范；應用程序提供操作系統(tǒng)API。
3. 按權利要求1所述的方法，其特征在于所述的虛擬網關具體是在軟件層面實現(xiàn)的；當數(shù)據(jù)從應用程序經操作系統(tǒng)到達虛擬網關時，是以IP數(shù)據(jù)包的格式，為使無線多媒體傳感器網絡節(jié)點識別IP數(shù)據(jù)包，需要對IP數(shù)據(jù)包頭進行分析，轉換成對應于無線多媒體傳感器網絡中的數(shù)據(jù)包格式，兩個數(shù)據(jù)包頭具有相同的意義；當IP數(shù)據(jù)包的長度很長時，虛擬網關要完成數(shù)據(jù)包的分片操作，同時，數(shù)據(jù)負載也被拷貝進入了新的數(shù)據(jù)包，這樣，就完成了 IP數(shù)據(jù)包從上到下無線多媒體傳感器網絡數(shù)據(jù)包的轉化，實現(xiàn)了 IP數(shù)據(jù)包的透傳；當數(shù) 據(jù)從下往上從無線網卡驅動傳送到虛擬網關時，虛擬網關負責把無線多媒體傳感器網絡中的數(shù)據(jù)包格式轉換為能夠被IP網絡識別的標準IP數(shù)據(jù)包，同時，根據(jù)無線多媒體傳感器網絡包頭中的標志位，判斷是否進行組包操作，最后，虛擬網關把得到的IP數(shù)據(jù)包向上傳遞給操作系統(tǒng)，進而傳遞給應用程序；無線網卡驅動程序具體負責驅動無線網卡，是對硬件的操作，跟無線網卡進行數(shù)據(jù)交互，無線網卡具體負責收發(fā)在空中的無線多媒體傳感器網絡數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)傳輸。
4. 按權利要求1-3任一項所述的方法，其特征在于： A、所述的虛擬網關的向下鏈路為首先從操作系統(tǒng)下發(fā)IP格式的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)會存入操作系統(tǒng)下發(fā)數(shù)據(jù)接收隊列，在隊列上，會存在一個接收事件或者信號量，來標志該隊列存在數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)循環(huán)派發(fā)線程1等待該事件，當該事件發(fā)生時，即隊列中存在數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)循環(huán) 派發(fā)線程1開始運行，并把操作系統(tǒng)下發(fā)數(shù)據(jù)接收隊列中的數(shù)據(jù)搬運到無線網卡驅動數(shù)據(jù) 發(fā)送隊列中，并在這個過程中完成分片的操作，分片與否是根據(jù)兩個不同網絡中的MTU決定的，IP包的MTU要大于無線多媒體傳感器網絡中的MTU值，如果IP包長度大于無線多媒體傳感器網絡MTU，則進行分片；如果小于，則不進行任何操作，直接搬運到無線網卡驅動數(shù)據(jù)發(fā)送隊列即可，分片后的數(shù)據(jù)分片后存入無線網卡驅動數(shù)據(jù)發(fā)送隊列。無線網卡驅動數(shù)據(jù)發(fā)送隊列同樣存在事件監(jiān)聽機制，當數(shù)據(jù)到來時，循環(huán)派發(fā)線程2運行，把數(shù)據(jù)從無線網卡驅動數(shù)據(jù)發(fā)送隊列取出，通過無線網卡驅動把數(shù)據(jù)發(fā)送到無線網卡，進而通過天線發(fā) 送出去； B、虛擬網關的向上鏈路為從無線網卡驅動接收到數(shù)據(jù)后，該數(shù)據(jù)便是無線多媒體傳感器網絡格式的數(shù)據(jù)，接收監(jiān)聽線程1負責把數(shù)據(jù)從無線網卡搬運到無線網卡驅動數(shù)據(jù)接收隊列中，相應的隊列上同樣存在事件或者信號量，內部數(shù)據(jù)緩存入隊線程開始工作，它首先根據(jù)包頭中的標志位進行分片與否的判斷，如果沒有分片，則直接存入IP數(shù)據(jù)接收隊列，如果是分片數(shù)據(jù)，則存入內部數(shù)據(jù)緩存隊列，每到達一個分片，則存入分片對應的緩存結構，當所有的分片到達后，檢查線程會檢測到所有分片已經接收完畢，在這一階段，完成無線多媒體傳感器網絡格式的數(shù)據(jù)包轉換為IP格式數(shù)據(jù)包的過程，完成組包后，設置相應的事件用來啟動接收監(jiān)聽線程2,把數(shù)據(jù)存入IP數(shù)據(jù)接收隊列；如果因為無線多媒體傳感器網絡信道的原因或者其他原因造成丟包，使得分片數(shù)據(jù)不能全部收到，數(shù)據(jù)會一直堆放在緩存隊列中，如果信道很壞的情況下，會造成緩存隊列滿的情況，存在一個超時檢查線程，設置相應的超時時限，當緩存隊列中相應包的時間超過時限后還沒有全部收到分片，則超時線程會清理緩存隊列相應的數(shù)據(jù)結構，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃杂缮蠈觼砭S護；當IP數(shù)據(jù)接收隊列接收到數(shù)據(jù)后，通過設置接收事件或者信號量，啟動等待此事件或者信號量的遞交操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)線程，用來完成IP數(shù)據(jù)從IP數(shù)據(jù)接收隊列向操作系統(tǒng)的遞交。
5. 按權利要求4所述的方法，其特征在于A中所述的無線傳感器網絡MTU局限于物理條件的限制。
6. 按權利要求2所述的方法，其特征在于PC機運行的Windows操作系統(tǒng)時虛擬網塊的運行層次是： ① 遵從SOCKET規(guī)范的應用程序調用Windows API,數(shù)據(jù)從APP進入操作系統(tǒng)，Windows 操作系統(tǒng)維護一個IP協(xié)議棧，并對外提供NDIS接口，以用來適配不同網絡形式的物理網卡； ② 虛擬網關構建于NDIS下層，用來獲得從操作系統(tǒng)傳送下來的IP數(shù)據(jù)包，在虛擬網關，IP數(shù)據(jù)包完成了分包過程并轉化為無線多媒體傳感器網絡格式的數(shù)據(jù)，從無線網卡得到的無線多媒體傳感器網絡數(shù)據(jù)在這里完成了組包過程并把該數(shù)據(jù)包格式轉換為IP網絡數(shù)據(jù)包的格式，完成了協(xié)議的轉換； ③ 無線網卡流驅動程序用來驅動無線網卡，即傳輸無線多媒體傳感器網絡數(shù)據(jù)的無線通信板，在Windows體系結構下采用流驅動的方法進行開發(fā)；其中，a)在Windows開發(fā)體系的應用程序層面開發(fā)符合SOCKET網絡程序規(guī)范的應用程序，開發(fā)的應用程序最終均是通過調用Window操作系統(tǒng)API來實現(xiàn)應用程序與操作系統(tǒng) 的交互，SOCKET網絡規(guī)范在Windows操作系統(tǒng)的表現(xiàn)形式為一組網絡API，應用程序和操作系統(tǒng)便可以完成數(shù)據(jù)的交互； b) Wind〇WS、WinCe操作系統(tǒng)維護一個IP協(xié)議棧，例如在傳輸層層面實現(xiàn)了 TCP狀態(tài)機，實現(xiàn)了 UDP和IP協(xié)議，提供給外部一個NDIS的網絡驅動程序接口，來適配于不同的通信網卡，在操作系統(tǒng)層面實現(xiàn)了一個統(tǒng)一的結構，根據(jù)設置的不同，數(shù)據(jù)最終流向不同的物理網卡，數(shù)據(jù)通過操作系統(tǒng)提供的NDIS接口流向了運行私有協(xié)議的無線傳感器網絡無線通信網卡； c) NDIS接口提供虛擬網卡注冊、卸載函數(shù)，保證虛擬網關被操作系統(tǒng)所識別，NDIS起到了承上啟下的功能，對上作為操作系統(tǒng)的接口，對下可以跟虛擬網關進行數(shù)據(jù)交互，NDIS 接口也是操作系統(tǒng)提供的接口，虛擬網關中通過調用NDIS接口函數(shù)，從操作系統(tǒng)中拷貝數(shù) 據(jù)進入到虛擬網關或從虛擬網關中拷貝數(shù)據(jù)到操作系統(tǒng)，從而完成了數(shù)據(jù)交互與流動。
7. 按權利要求6所述的方法，其特征在于： a) 所述的開發(fā)符合SOCKET網絡程序規(guī)范的應用程序時使用C/C++或Java編程語言； b) Windows和Wince雖然在操作系統(tǒng)內核方面實現(xiàn)不相同，但提供給應用程序的操作系統(tǒng)接口是相同的；應用程序可把數(shù)據(jù)傳遞給Windows操作系統(tǒng)，相反Windows操作系統(tǒng)也可把數(shù)據(jù)傳遞給應用程序。
8. 按權利要求7所述的方法，其特征在于在Windows操作系統(tǒng)體系，采用C語言開發(fā)，在Wince環(huán)境下是在BSP包中進行編譯，或在APP SDK中進行編譯，編譯的選項要進行仔細的設置才能夠實現(xiàn)；虛擬網關每個隊列都存在相應的事件和線程，事件用來標標識是否有數(shù)據(jù)進入到隊列，線程等待事件的發(fā)生并執(zhí)行，最終完成數(shù)據(jù)在不同層次的層層遞交。
9. 按權利要求4所述的方法，其特征在于： A、分包分包的過程中，IP包頭中的信息被轉換為無線多媒體傳感器網絡中的包頭信息，在不喪失有效信息前提下進行了包頭壓縮，數(shù)據(jù)負載則被分入了各個分片包中，數(shù)據(jù)僅僅是做簡單的拷貝； a) 分包的過程中，首先，在無線多媒體傳感器網絡包頭中設置不分片、分片首包、分片中間包、分片末包包標志位，在包頭中設置分片偏移量，設置包標識符（ID)，設置所承載的 IP包包類型標識； b) 然后，設置無線多媒體傳感器網絡包中承載的IP包頭信息，包括IP目標地址、原地址和IP頭中的其他信息，如果在同一個網段，則可以使用短地址形式，是否在同一個網段的標志可以設置在無線多媒體傳感器網絡包頭中的IP包包類型標識中。IP頭中的其他信息在無線多媒體傳感器網絡包格式中可以進行壓縮。壓縮的目的是為了增大有用數(shù)據(jù)傳輸的比例，減少資源的浪費； C)最后，設置UDP、TCP、ICMP包在無線多媒體傳感器網絡包中字段，包括端口信息；數(shù) 據(jù)域的負載則需要詳細的計算好需要分割的位置，對數(shù)據(jù)負載進行分割，填充到首包、中間包和末包中； B、組包組包過程為根據(jù)首個包的包頭內容來填充IP包頭，無線多媒體傳感器網絡分片首包提供了 IP數(shù)據(jù)包的有效信息，在這個過程中，壓縮的信息要還原出來，完成IP包頭的填充；還原的過程為分包過程的逆過程，根據(jù)分包過程中不同網絡協(xié)議形成的對應關系，在組包的過程中還原出來；IP包中的數(shù)據(jù)域由各個分片數(shù)據(jù)進行合并拷貝，其在合并拷貝的過程中需要不斷計算IP包數(shù)據(jù)域拷貝目標地址，防止數(shù)據(jù)組裝的出錯，最終完成數(shù)據(jù)域的組裝，完成組包過程。
10. 按權利要求6所述的方法，其特征在于虛擬網關運行層次③中涉及無線網卡的驅動程序是：在Windows操作系統(tǒng)體系，采用SPI總線進行處理器和無線多媒體傳感器網絡網卡的通信；驅動程序可以采用Windows流驅動進行開發(fā)，虛擬網關通過該驅動，把無線多媒體傳感器網絡包發(fā)送給無線多媒體傳感器網絡網卡，進而把數(shù)據(jù)通過無線電發(fā)送出去；同樣的，無線多媒體傳感器網絡網卡收到數(shù)據(jù)后，通過該驅動交付給虛擬網關，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互以及信息的傳輸。
【文檔編號】H04L29/06GK104219247SQ201410486749
【公開日】2014年12月17日申請日期:2014年9月22日優(yōu)先權日:2014年9月22日
【發(fā)明者】程勇博, 肖世良, 錢漢望, 陳昕鞾, 潘樂炳, 劉建坡, 袁曉兵申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所

完整全部詳細技術資料下載