基于预配置网络拓扑的WAIC网络接入设备的动态入网方法与流程

基于预配置网络拓扑的waic网络接入设备的动态入网方法
技术领域
1.本发明属于网络通信技术领域，涉及无线航空电子通信网络接入设备的入网方法(简称waic)，具体为一种基于预配置网络拓扑的waic网络接入设备的动态入网方法。


背景技术：

2.随着航空制造业的不断发展，航空器生产成本逐渐降低、飞行安全性、可靠性不断提升，其中无线网络因具有部署灵活、减轻航空器重量等优点逐渐代替有线网络进行通信，无线网络入网遵循802.11标准，入网管理过程中遵循扫描、认证、连接三个步骤。
3.无线航空电子内部通信(wireless avionicsintra－communications，waic局域网，简称waic网络)是无线网络的一种通信形成，其能够与无线电导航设备、卫星地球探测设备共享 4.2ghz～4.4ghz的工作频段。与传统机载通信系统相比，waic网络通信主要应用在传感器、作动器以及机载设备运行状态监控等与安全相关的系统，入网；，但由于接入waic网络的设备分布在不同舱室、设备之间通信需求各异、各舱室中各类电子设备间电磁影响等因素的存在，建立通信的过程中存在相邻电子设备之间通信节点未被发现或入网管理长时间无法完成通信等现象，从而产生严重影响机载waic网络的通信性能，造成关键机载信息丢失影响飞机正常工作的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于预配置网络拓扑的waic网络接入设备的动态入网方法，设备接入前根据使用需求对网络拓扑进行预配置，设备接入时通过对需要通信的节点进行认证，从而实现相应通信需求，以确保机载 waic网络正常通信进而保证飞机正常工作。
5.实现发明目的技术方案如下：一种基于预配置网络拓扑的waic网络接入设备的动态入网方法，包括以下步骤：
6.s1、根据需求建立含有多个节点的网络拓扑结构，并配置网络拓扑信息：
7.s2、设备上电后，基于预配置的网络拓扑信息初始化各节点的入网管理信息，并对各节点加载初始化信息；其中，初始化信息内至少包括与各节点建立通信链路的邻节点；
8.s3、基于polling帧和polling响应帧，扫描各节点工作范围内的邻节点，并依据扫描结果建立各节点的邻节点记录表；其中邻节点记录表中至少包括与该节点建立通信链路的邻节点；
9.s4、基于各节点的初始化信息，对邻节点记录表内所有邻节点进行身份识别并标注识别状态；
10.s5、基于connect帧和connect响应帧进行数据链路入网，将网络拓扑结构内预配置的网络拓扑信息内的节点连接，完成waic网络接入设备的动态入网。
11.本发明通过设计waic网络接入设备的动态入网方法的核心是分步实施、分级管理、动态接入策略，依据预配置的网络拓扑信息实现无线设备的动态识别和通信链路的多
跳连接管理，即：在入网前对网络拓扑结构内的各个节点进行预配置，形成预配置的网络拓扑信息，以便于在后续的扫描、识别、标注、入网连接时都能够依照预配置的网络拓扑信息进行，可以避免网络拓扑信息内未定义的邻节点，以及网络拓扑信息内已定义但无通信链路连接关系的邻节点入网，有效预防了隐藏节点(即非法节点、无连接节点)的入侵，提高了应用数据的可靠传输性，确保了入网安全性。
12.其中，在上述步骤s1中，网络拓扑结构中的节点包括网关节点、中继节点、终端节点。网关节点为waic网络集中式管理的根节点，用于与中继节点、终端节点中至少一种建立通信链接。中继节点为waic网络的中间节点，用于与网关节点、其他中继节点、终端节点中一种或多种建立通信链接连接。终端节点为waic网络的末端节点，与网关节点或中继节点建立通信链接连接，且与应用层接口设备建立连接，为应用层接口设备提供数据收发控制。
13.进一步的，上述步骤s2中，各节点初始化过程中，网关节点作为waic 网络集中式管理的根节点，依据完整的配置网络拓扑信息初始化本地入网管理信息。中继节点和终端节点均依据配置网络拓扑信息，以及各自节点的角色信息、标识信息、以及其预配置的邻节点信息，初始化本地入网信息。
14.更进一步的，上述步骤s2中，节点的初始化信息还包括该节点在网络拓扑结构中角色信息、该节点与其建立通信链接的邻节点之间的关系、与该节点建立通信链接的预配置邻节点表及数据链路通信表。
15.其中，上述步骤s3中，各节点的邻节点记录表依据周期性扫描方式建立，各节点进行周期性扫描邻节点，对邻节点记录表不断更新直至邻节点记录表内至少包括步骤s1中预配置的与该节点建立通信链路的邻节点。
16.进一步的，上述邻节点记录表内还包括网络拓扑信息内未定义的邻节点、网络拓扑信息内已定义但无通信链路连接关系的邻节点。
17.其中，上述步骤s4中，各节点的邻节点记录表内所有邻节点的身份识别，包括判断包括邻节点的身份、邻节点与该节点通信链路的连接关系、该节点的网络级联的层级数。邻节点的标注包括非法节点、无连接节点、已识别节点。
18.更进一步的，上述步骤s4中，对邻节点记录表内扫描的所有邻节点进行身份识别并标注，包括以下步骤：
19.s401、依据节点加载的初始化信息，对邻节点记录表内所有邻节点进行识别；
20.s402、判断邻节点是否为该节点初始化信息内预配置的网络节点，若是则进入步骤s403，若否则在邻节点记录表中将该邻节点的身份识别状态标注为非法节点；
21.s403、判断该邻节点与该节点的连接关系是否与配置网络拓扑定义的关系一致，若一致则进入步骤s404，若不一致则在邻节点记录表中将该邻节点的身份识别状态标注为无连接节点；
22.s404、在邻节点记录表内将该邻节点的身份识别状态标注为已识别节点；基于预配置网络拓扑信息和该节点的标识信息，确认该节点在waic网络中的层级关系；在waic网络中，设置该节点的身份认证通过标记；
23.s405、重复步骤s401～s404，对步骤s3中扫描且加入邻节点记录表中未进行身份识别状态的新邻节点进行标注。
24.其中，上述步骤s5中，入网过程包括以下步骤：
25.s501、依据网络拓扑结构内建立的各节点的层级关系；
26.s502、依据层级数由小到大依次发送connect帧；
27.s503、依据层级数由大到小反馈connect响应帧的管理机制，建立网络拓扑结构的层级数据链路图。
28.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明设计的waic网络接入设备的动态入网方法相比于传统的无线自组织入网管理，不仅能够满足机载多跳确定性连接需求，而且可实现无线网络拓扑的动态维护和通信链路的确定性管理需求，为机载环境下的无线通信提供可靠、安全的数据通信链路。
29.2.本发明的waic网络接入设备的动态入网方法，在对节点扫描后记录在邻节点记录表内的各个邻节点进行识别并标注，对网络拓扑信息内未定义的邻节点，以及网络拓扑信息内已定义但无通信链路连接关系的邻节点进行了隔离，能有效的预防了隐藏节点(即非法节点、无连接节点)的入侵，同时免去了复杂秘钥管理的流程，提高了网络管理的执行效率，节省了协议开销，为应用层数据通信提供了可靠的数据链路，确保了应用数据的可靠传输。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1为本发明基于预配置网络拓扑的waic网络接入设备的动态入网方法的流程图；
32.图2为具体实施方式中waic网络的网络拓扑模型；
33.图3为具体实施方式中节点周期性扫描邻节点的流程图
34.图4为具体实施方式中对节点扫描的邻节点进行识别并标注的流程图
35.图5为具体实施方式中waic网络的节点数据链路连接流程图。
具体实施方式
36.下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
37.在本实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。
38.此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征
可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
39.waic局域网(简称waic网络)由网关节点g、中继节点r、终端节点e 构成，waic网络的拓扑模型如图2所示，网络拓扑结构的节点有很多个，包括网关节点g、中继节点r、终端节点e。其中如图2所示，一个网络拓扑结构含有一个网管节点g，1个或1个以上中继节点，1个或1个以上终端节点 e。
40.其中，网关节点g为waic网络集中式管理的根节点，用于与中继节点r、终端节点e中至少一种建立通信链接，网关节点g除保证正常的数据通信负责整个网络的维护和管理，还承担与其他waic网络的互连以及与有线网络互连。中继节点r为waic网络的中间节点，与网关节点g、其他中继节点r、终端节点e中一种或多种建立通信链接连接，为waic网络的无线链路数据传输提供路由和转发功能。终端节点e为waic网络的末端节点，与网关节点g或中继节点r建立通信链接连接，且与应用层接口设备建立连接，接收或发送应用层接口设备所需的数据，为应用层接口设备提供数据收发控制。
41.在waic网络入网过程中，为了避免隐藏节点(即非法节点、无连接节点)的入侵，提高了应用数据的可靠传输性，确保了入网安全性，本具体实施方式公开了一种基于预配置网络拓扑的waic网络接入设备的动态入网方法，动态入网方法对节点入网管理采用节点初始化、节点周期发现邻节点、节点周期进行邻节点身份验证、节点数据链路连接四方面组成，其中邻节点扫描、邻节点身份验证、节点数据链路连接三个过程相对独立又互相关联，可以确保接入设备入网管理的一致性。
42.在本具体实施方式中，如图1所示，基于预配置网络拓扑的waic网络接入设备的动态入网方法，包括以下步骤：
43.s1、根据需求建立含有多个节点的网络拓扑结构，并配置网络拓扑信息。
44.本步骤中，对网络拓扑结构进行预先配置，确定网络拓扑信息，例如：对网络拓扑结构各个节点的身份(也可称之为角色，例如网关节点g、中继节点r、终端节点e)进行预设、对各节点的邻节点以及两者之间的关系(例如节点为父子关系或兄弟关系，也可称之为上下级关系或同级关系)进行预设、各节点的层级(第一级、第二级、
……
、最末级)、与其他邻节点的通信链路进行预设。
45.s2、设备上电后，基于预配置的网络拓扑信息初始化各节点的入网管理信息，并对各节点加载初始化信息。
46.在本步骤中，由于预配置的网络拓扑信息中，与每一个节点建立通信链路的邻节点都是提前预设且需要连接的，因此初始化信息内至少包括与各节点建立通信链路的邻节点。
47.本步骤中，当设备上电后，需要对各节点进行初始化，将步骤s1中预配置的网络拓扑信息分别加载到各个节点内。其中网关节点作为waic网络集中式管理的根节点，依据完整的配置网络拓扑信息初始化本地入网管理信息；中继节点和终端节点均依据配置网络拓扑信息，以及各自节点的角色信息、标识信息、以及其预配置的邻节点信息，初始化本地入网信息。
48.更进一步的，节点的初始化信息除包括与各节点建立通信链路的邻节点外，还包括该节点在网络拓扑结构中角色信息(是网关节点g，还是中继节点r或终端节点e)、该节点
与其建立通信链接的邻节点之间的关系(上下级关系还是同级关系)、与该节点建立通信链接的预配置邻节点表及数据链路通信表。
49.s3、基于polling帧和polling响应帧，扫描各节点工作范围内的邻节点，并依据扫描结果建立各节点的邻节点记录表。
50.其中，上述邻节点记录表中至少包括与该节点建立通信链路的邻节点。
51.在本具体实施方式中，在设备上电时，由于某些节点未工作或异常时，在一次扫描可能出现扫描不完全部分邻节点没有扫描出的情况，因此，本具体实施方式中，各节点的邻节点记录表依据周期性扫描方式建立，由于本步骤只对节点的邻节点进行扫描不对其进行判断，但是在初始化时对与该节点建立通信链路连接的邻节点已明确且入网连接时需要将两者进行连接，因此各节点进行周期性扫描邻节点，必须确保预配置中与该邻节点的建立通信链路的邻节点都要被扫描到，即需要对邻节点记录表不断更新直至邻节点记录表内至少包括步骤s1中预配置的与该节点建立通信链路的邻节点。
52.更具体的，参见图3所示，周期性扫描邻节点建立邻节点记录表包括以下步骤：
53.s301、判断是否为周期性扫描，若是则进入步骤s302，若否则结束邻节点扫描；
54.s302、查询并判断是否接收到polling帧，若接收到polling帧则进入步骤s303，若未接收到polling帧则进入步骤s304；
55.s303、解析polling帧并获取邻节点信息，判断该邻节点是否记录在邻节点记录表中，如果是则进入步骤s304，否则进入s305；s304、将发现的邻节点加入邻节点记录表内并向邻节点发送polling响应帧，同时修改记录的邻节点个数；
56.s305、读取邻节点个数，与预配置的邻节点比较，是否所以的邻节点均已发现，如果是则结束本周期扫描，如果不是，则转s306；
57.s306、组织并发送polling帧；
58.s307、判断是否接收到polling响应帧；
59.若未接收到，则判断是否相应超声，若响应超时则结束邻节点扫描，若响应未超时则继续判断否接收到polling响应帧；
60.若接受到polling响应帧，则进入步骤s308；
61.s308、解析polling响应帧并获取邻节点信息，判断该邻节点是否已加入邻节点记录表内，如果是，则结束扫描，如果不是则加入邻节点记录表内并标识已扫描，同时结束本周期的扫描。
62.在本步骤中，在节点工作范围内扫描时，只要与该节点的工作频段相同的邻节点都是可以被扫描出来的，因此上述邻节点记录表内除步骤s1中预配置的与该节点建立通信链路的邻节点外，还包括网络拓扑信息内未定义的邻节点、网络拓扑信息内已定义但无通信链路连接关系的邻节点。
63.s4、基于各节点的初始化信息，对邻节点记录表内所有邻节点进行身份识别并标注识别状态。
64.由于步骤s3只扫描邻节点并不对其进行判断，因此需要对扫描的邻节点进行识别、标注，为后续步骤s5中入网连接提供依据，因此，在本步骤中，各节点的邻节点记录表内所有邻节点的身份识别并标注。
65.其中，邻节点的身份识别包括判断包括邻节点的身份(即是网关节点g，还是中继
节点r或终端节点e)、邻节点与该节点通信链路的连接关系(有连接还是无连接)、该节点的网络级联的层级数(第一级、第二级、
……
、最末级)。邻节点的标注包括非法节点、无连接节点、已识别节点，非法节点是指waic网络的配置网络拓扑信息中未定义的节点，无连接节点是指waic 网络的配置网络拓扑信息中定义但未与该节点建立通信链路连接关系的节点，已识别节点是指waic网络的配置网络拓扑信息中定义且与该节点建立通信链路连接关系的节点。
66.其中，邻节点记录表内扫描的所有邻节点身份识别并标注，包括以下步骤：
67.s401、依据节点加载的初始化信息，对邻节点记录表内所有邻节点进行识别；
68.s402、判断邻节点是否为该节点初始化信息内预配置的网络节点，若是则进入步骤s403，若否则在邻节点记录表中将该邻节点的身份识别状态标注为非法节点；
69.s403、判断该邻节点与该节点的连接关系是否与配置网络拓扑定义的关系一致，若一致则进入步骤s404，若不一致则在邻节点记录表中将该邻节点的身份识别状态标注为无连接节点；
70.s404、在邻节点记录表内将该邻节点的身份识别状态标注为已识别节点；基于预配置网络拓扑信息和该节点的标识信息，确认该节点在waic网络中的层级关系；在waic网络中，设置该节点的身份认证通过标记；
71.s405、重复步骤s401～s404，对步骤s3中扫描且加入邻节点记录表中未进行身份识别状态的新邻节点进行标注。
72.上述邻节点记录表内扫描的所有邻节点身份识别并标注的具体过程参见图4所示。
73.在此需要说明的是，当邻节点被标注为无连接节点或非法节点时，可以提前终止非法节点的入网管理，对于无连接节点禁止其进入后续的数据链路管理流程。
74.s5、基于connect帧和connect响应帧进行数据链路入网，将网络拓扑结构内预配置的网络拓扑信息内的节点连接，完成waic网络接入设备的动态入网。
75.waic网络中定义的所有节点入网过程包括以下步骤：
76.s501、依据网络拓扑结构内建立的各节点的层级关系；
77.s502、依据层级数由小到大依次发送connect帧；
78.s503、依据层级数由大到小反馈connect响应帧的管理机制，建立网络拓扑结构的层级数据链路图。
79.上述waic网络中定义的所有节点入网的具体过程参见图5所示。
80.通过经过周期迭代和层级递进，最终可在网关节点处建立waic网络完整的数据链路拓扑图，为集中式waic网络管理提供支撑。
81.本发明通过设计waic网络接入设备的动态入网方法，在入网前对网络拓扑结构内的各个节点进行预配置，形成预配置的网络拓扑信息，以便于在后续的扫描、识别、标注、入网连接时都能够依照预配置的网络拓扑信息进行，可以避免网络拓扑信息内未定义的邻节点，以及网络拓扑信息内已定义但无通信链路连接关系的邻节点入网，有效预防了隐藏节点(即非法节点、无连接节点)的入侵，提高了应用数据的可靠传输性，确保了入网安全性。
82.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
83.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。