网格WiFi数据传输系统
文献发布时间：2024-04-18 20:01:23
技术领域
本申请涉及一种无线数据传输系统，特别涉及一种网格-树状(mesh-tree)WiFi数据传输系统。
背景技术
WiFi数据传输系统广泛用于无线数据通信中。但是，某些WiFi数据传输系统可能会消耗IoT设备的大量CPU和内存使用，可能需要为用户应用程序使用私有API以与所有节点进行通信，因此可能会经历通信效率低下。
发明内容
根据一个实施例，本申请提供一种网格-树状拓扑的WiFi数据传输系统，可以包括：路由器；和多个节点，所述多个节点经由根节点连接到所述路由器，所述多个节点的一个节点包括工作站(STA)接口、接入点(AP)接口、网桥接口以及转发数据库(FDB)，其中，在所述节点接收到数据帧之后，所述网桥接口在所述FDB中使用所述数据帧的信息对现有数据记录执行更新搜索，以确定是否更新所述现有数据记录或创建新数据记录以在FDB保存数据帧的输入信息，在所述节点接收到所述数据帧之后，所述网桥接口在所述FDB中使用所述数据帧的信息执行输出路径搜索，以找到输出节点的输出接口，以确定所述数据帧的输出路径。
根据一个实施例，一种网格树状节点可以包括：工作站(STA)接口；接入点(AP)接口；网桥接口；以及转发数据库(FDB)，所述转发数据库用于为所述节点接收的数据帧引导输出路径，其中，在介质中所述数据帧为802.11格式，并且包括：MAC接收地址(RA)报头，MAC发送地址(TA)报头，MAC目标地址(DA)报头，以及MAC源地址(SA)报头，其中，所述FDB包括：MAC地址字段，接口标识(ID)字段，以及老化时间字段，其中，所述网桥接口在所述FDB中使用所述数据帧的信息执行输出路径搜索以确定所述数据帧的输出路径。
根据一个实施例，在具有网格-树状拓扑的WiFi数据传输系统中传输数据帧的方法，其中，系统包括路由器；和多个节点，所述多个节点经由根节点连接到所述路由器，其中所述多个节点的一个节点包括工作站(STA)接口、接入点(AP)接口、网桥接口以及转发数据库(FDB)其中，在介质中所述数据帧为802.11格式，并且包括：MAC接收地址(RA)报头，MAC发送地址(TA)报头，MAC目标地址(DA)报头，以及MAC源地址(SA)报头，其中，所述FDB包括：MAC地址字段，接口标识(ID)字段，以及老化时间字段，所述方法包括；在节点接收到数据帧之后，所述节点的网桥接口在所述节点的转发数据库(FDB)中使用所述数据帧的信息为所述数据帧的输出路径执行输出路径搜索；在所述节点接收到所述数据帧之后，所述网桥接口在所述FDB中使用所述数据帧的信息执行更新搜索以找到与所述数据帧相关联的现有记录；如果在FDB中没有找到现有记录，则通过所述网桥接口将与所述数据帧相关联的新记录添加到所述FDB中；以及如果在FDB中通过所述更新搜索找到了所述现有记录，则通过所述网桥接口更新所述FDB中的所述现有记录。
根据一个实施例，本申请提供一种系统，可以包括：存储器，所述存储器存储指令；和一个或多个处理器，所述一个或多个处理器被所述指令配置为执行操作，所述操作包括：在节点接收到数据帧之后，所述节点的网桥接口在所述节点的转发数据库(FDB)中使用所述数据帧的信息为所述数据帧的输出路径执行输出路径搜索；在所述节点接收到所述数据帧之后，所述网桥接口在所述FDB中使用所述数据帧的信息执行更新搜索以找到与所述数据帧相关联的现有记录；如果在FDB中没有通过所述更新搜索找到现有记录，则通过所述网桥接口将与所述数据帧相关联的新记录添加到所述FDB中；以及如果在FDB中通过所述更新搜索找到了所述现有记录，则通过所述网桥接口更新所述FDB中的所述现有记录。
附图说明
参考以下附图描述本申请的非限制性和非穷举性实施例，其中除非另有说明，否则相同的附图标记在各个视图中指代相同的部分。
图1示出了根据一个实施例的WiFi数据传输系统。
图2示出了根据一个实施例的WiFi数据传输系统中的节点。
图3示出了根据一个实施例的节点中的转发数据库。
图4是使用根据一个实施例的WiFi数据传输系统来传输数据帧的方法的流程图。
图5是其中可以实现示例的软件架构的框图。
具体实施方式
现在将描述本申请的各个方面和示例。以下描述提供了用于彻底理解和实现这些示例的描述的具体细节。然而，本领域技术人员将理解，可以在没有许多这些细节的情况下实践本申请。
另外，可能未详细示出或描述一些众所周知的结构或功能，以便简明扼要并避免不必要地模糊相关描述。
即使在下面给出的描述中使用的术语与本申请的某些特定示例的详细描述一起使用，应以其最广泛的合理方式解释。以下甚至可以强调某些术语，然而，任何旨在以任何受限制的方式解释的术语将在本具体描述部分中明确且具体地定义。以下是描述中使用的一些缩写词和首字母缩略词的定义：
SoftAP或AP：接入点；
API：应用程序接口；
STA：工作站；
RA：接收地址；
TA：发送地址；
DA：目标地址；
SA：源地址；
FDB：转发数据库；
AID：关联ID；
PC：个人电脑；
在不失一般性的前提下，将以使用网格-树状WiFi数据传输系统传输数据帧的方法为例来参考说明性实施例。本领域普通技术人员理解，这仅仅是为了清楚和充分地描述本申请，而不是限制由所附权利要求限定的本申请的范围。
图1示出了根据一个实施例的WiFi数据传输系统100。WiFi数据传输系统100可以在网格-树状拓扑中。WiFi数据传输系统100可以包括路由器(RTR)以及经由根节点(例如200-1)连接到路由器(RTR)的多个节点(例如200-1、200-2、200-3、200-4和200-5)。
图2示出了根据一个实施例的在WiFi数据传输系统100中的多个节点(例如200-1、200-2、200-3、200-4和200-5)中的节点200(例如200-2)。节点200可以包括工作站(STA)接口211、接入点(SoftAP或AP)接口212、网桥接口213、转发数据库(FDB)214、计时器215和驱动器216。AP接口212可以包括多个端口。WiFi数据传输系统100的节点200可以接收和发送数据帧(例如，数据帧1-7)。
如图1所示，在节点200外部，在无线介质中，数据帧(例如数据帧2和4)遵循IEEE802.11无线协议。802.11无线数据帧可以包括四个MAC报头：接收地址(RA)报头、发送地址(TA)报头、目标地址(DA)报头和源地址(SA)报头。
在节点200内，数据帧(例如数据帧1、3、5、6和7)遵循IEEE 802.3以太网协议。802.3以太网数据帧可以包括两个MAC报头：目的地址(DA)报头和源地址(SA)报头。
当数据帧从无线电介质传输到节点时，该节点的无线驱动程序会将数据帧的格式从802.11格式转换为802.3以太网格式。并且基于802.3以太网格式对数据包进行进一步的处理(网桥转发，TCP/IP)。否则，当数据帧从节点传输到介质中时，节点的无线驱动程序会将数据帧的格式从802.3以太网格式转换为802.11格式。
下面相对于图1提供一个示例来解释WiFi数据传输系统100如何工作。如图1所示，节点200-1的接口AP1直接从节点200-2的接口STA2接收802.11数据帧4，并且数据帧4源自节点200-4的接口STA4。
当节点200-1接收到数据帧4时，无线驱动程序首先将帧4转换为802.3以太网格式的帧5，然后节点200-1的网桥接口213将在节点200-1的FDB 214中执行更新搜索以确定是更新现有数据记录还是创建新数据记录，并将在节点200-1的FDB 214中执行输出路径搜索以查找最新数据记录，以确定数据帧5的输出路径。
当在节点(例如200-1)的FDB中更新或创建数据记录时，数据记录将记录：数据帧5的原始源信息，所述原始源信息指示数据帧5最初来自何处(例如，节点200-4的接口STA4)，数据帧5的直接输入源信息指示先前节点的先前接口(例如，节点200-2的接口STA 2)，和默认时间段(例如600秒)。
在更新搜索找到现有数据记录的情况下，节点200-1的网桥接口213将在节点200-1的FDB 214中更新与数据帧5有关的数据记录。否则，在更新搜索找不到任何现有数据记录的情况下，节点200-1的网桥接口213将在节点200-1的FDB 214中创建有关数据帧5的数据记录。以此方式，数据帧5的输入路径信息将被记录在节点200-1的FDB 214中，并且对于将来对另一数据帧的输出路径搜索将是有用的。
在处理数据帧5时，节点200-1的网桥接口213还将在节点200-1的FDB 214中使用包含在数据帧5中的信息执行输出路径搜索以获得最新数据记录，以确定数据帧5的输出路径。通过输出路径搜索在FDB 214中找到的最新数据记录将有助于引导数据帧5的传输。以此方式，节点200-1可以确定传输数据帧5至何处(例如，将数据帧5传输到输出节点200-3的输出接口STA 3)。
图3示出了根据一个实施例的节点200(例如，200-1)中的FDB 214。节点200的FDB214可以包括：第一字段：MAC地址字段301；第二字段：接口ID字段302；第三字段：标志字段303；第四字段：老化时间字段304。在一些实施例中，第二字段：接口ID字段302是接口的内部标识或关联标识，例如，STA 1的接口ID为1，AP 1的接口ID为2，AID_STA2的ID为1。应当注意的是，STA 1的ID和AID_STA2的ID可能相同，这意味着需要一个标志来区分它们；对于连接到AP的每个STA，每个连接到AP的STA具有不同的关联ID。AP的无线驱动保留每个STA的信息，例如STA的MAC地址、关联ID和其他信息，这意味着如果网桥要向STA 2发送数据，则网桥只需要指定STA 2的关联ID，即IEEE 802.11帧的构建是无线驱动的责任，例如，RA地址设置为STA 2的MAC地址、TA设置为AP的MAC地址、SA和DA从IEEE 802.3帧设置。
节点(例如200-1)的FDB 214中的更新搜索和输出路径搜索利用不同的方法。在一些实施例中，更新搜索和输出路径搜索以不同的方式利用节点(例如200-1)的FDB 214。
当执行更新搜索时，第一字段：MAC地址字段301代表源地址(SA)报头(例如，MAC_STA4)。第二字段：接口ID字段302代表接口ID或关联ID(例如，AID_STA2，无线驱动知道)。第三字段：标志字段303代表该节点的STA接口或AP接口的端口是否用于接收或传输数据帧，例如0＝使用了STA接口，或1＝使用了节点的AP接口的端口。第四字段：老化时间字段304代表数据记录的剩余时间。一旦数据记录被更新或创建，老化时间的值将被设置为默认值(例如600秒)，并且该值将以恒定的速度减小至零。在老化时间的值达到零之后，将从节点200-1的FDB 214中删除数据记录。
在一些实施例中，第三字段：标志字段304是可选的。第二字段：接口ID字段302可以指示节点的AP接口的端口用于通过使用诸如“AID”之类的符号来接收或传输数据帧。例如，节点200-1的FDB 214中的“AID_STA2”可以指示节点200-1的AP接口212的端口(连接到节点200-2的STA2)用于接收或传输数据。节点200-1的AP接口212可以具有分别连接到节点(例如200-2、200-3)的多个STA接口的多个端口。
为了在节点200-1的FDB 214中创建或更新关于数据帧5的数据记录，将数据帧5的原始输入源信息(例如，节点200-4的接口STA 4的地址)存储在MAC地址字段301(第一字段)中，并且将数据帧5的直接输入接口ID信息(例如，节点200-2的接口STA 2的关联ID，无线驱动知道该关联ID)存储在接口ID字段(第二字段)中。
以此方式，节点200-1的FBD 214可以存储并在默认时间段内保留数据帧的原始输入源信息和直接输入源信息，以帮助跟踪数据帧的原始来源和直接来源。
在执行输出路径搜索时，第一字段：MAC地址字段301代表目标地址(DA)(例如，MAC_STA3)。第二字段：接口ID字段302代表接口ID(例如，AID_STA2)。第四字段：老化时间字段304代表数据记录的剩余时间。
例如，当在节点200-1中的FDB 214中对数据帧5执行输出路径搜索时，第一字段：MAC地址字段301＝目标地址(DA)(例如，MAC_STA3)用作进行搜索的关键字。
在找到搜索结果的情况下，第二字段：接口ID字段302＝STA3的关联ID(AID_STA3)将被确定为节点200-1传输数据帧5的接收地址。然后将帧5转换为802.11格式帧，其DA＝帧5的DA，SA＝帧5的SA，TA＝AP 1的MAC地址，RA＝AID_STA3的MAC地址(无线驱动根据关联IDAID_STA3知道STA3的MAC地址)。由于MAC地址是唯一的一个主关键字，因此可以找到零个或一个记录。
在没有找到搜索结果的情况下，节点200-1将向系统100的所有节点广播(broadcast)数据帧5。应当注意的是，在将帧5传输到介质之前，将通过无线驱动将其转换为802.11格式。
以此方式，基于输出路径搜索的搜索结果，节点200-1可以确定将接收到的数据帧5发送到哪里。
图1示出了根据一个实施例使用WiFi数据传输系统100引导数据帧的传输的示例。
如图1所示，例如，节点200-4中的数据帧1为802.3以太网格式：802.3
外部节点的数据帧2采用802.11格式：
节点200-2中的数据帧3是802.3以太网格式：802.3
外部节点的数据帧4采用802.11格式：
节点200-1中的数据帧5是802.3以太网格式：802.3
当节点(例如200-1)从输入节点(例如200-2)接收到数据帧(例如4)时，该节点的无线驱动会将其格式从802.11转换为802.3格式，以便节点的网桥进行处理。节点(200-1)的网桥接口213将记录数据帧(例如5)的原始源信息(例如，节点200-4的STA 4)以标识该数据帧(5)的原始源，以及数据帧(4)的输入源信息(例如，节点200-2的接口STA 2)以识别输入节点(例如，节点200-2)的接口，该接口直接将数据帧(5)传输到节点(200-1)，并且节点(200-1)的网桥接口213因此将在节点(200-1)的FDB 214中创建或更新有关数据帧(5)的数据记录或条目。
如果在节点(200-1)的FDB 214中未找到与数据帧(5)有关的现有记录，节点(200-1)的网桥接口213将在节点(200-1)的FDB 214中增加数据帧(5)的数据帧信息(例如
节点(200-1)的网桥接口213将使用数据帧(5)的数据帧信息(例如，
当在节点200-1的FDB 214中添加或更新有关数据帧5的新数据记录或条目时，FDB214的MAC地址字段＝来自数据帧5的SA(例如，STA 4，指示数据帧4的原始源是节点200-4的STA 4接口)，FDB 214的接口ID字段＝关联ID(来自无线驱动的信息)(例如AID_STA2，指示数据帧4的输入源是节点200-2的接口STA 2)。
当在节点200-1的FDB 214中搜索有关数据帧5的现有数据记录时，FDB 214的MAC地址字段＝来自数据帧5的DA(例如FF：FF：FF：FF：FF：FF通过广播指示数据帧5的目标是每个节点)可以用作执行搜索的关键字。假设找到了与数据帧5相关联的现有记录，则找到的记录的接口ID字段将被用于为数据帧5指定输出接口。
例如，如果找到的记录的接口ID字段＝AID_STA3，则节点200-1的网桥接口213将引导数据帧5经由AP1被发送到节点200-3的接口STA3。
以这种方式，节点200-1的网桥213可以使用包含在数据帧5中的信息(例如
下面示出了节点200-1的FDB 214的示例表1。节点200-1的FDB 214可以用于记录数据帧的输入路径信息，并且还可以用于找到数据帧的输出路径信息。更新搜索和输出路径搜索均可以在节点200-1的FDB 214中执行。执行更新搜索的目的是为了更新或创建节点200-1的FDB 214中的数据记录。执行输出路径搜索的目的是为了找到接收到的数据帧的输出路径。更新搜索和输出路径搜索以不同的方式执行。
节点200-1的FDB 214的示例表
对于第一条数据记录，在节点200-1的FDB 214中执行更新搜索之后，MAC地址＝MAC_STA4指示该数据帧的原始输入源是节点200-4的接口STA4，接口ID＝AID_STA2指示该数据帧是通过节点200-1的AP接口的端口从节点200-2的接口STA2接收的，并且老化时间＝600指示第一条数据记录是新创建或更新的。
对于第二条数据记录，在节点200-1的FDB 214中执行更新搜索之后，MAC地址＝MAC_STA5指示该数据帧的原始输入源是节点200-5的接口STA5，接口ID＝AID_STA2指示该数据帧是通过节点200-1的AP接口的端口从节点200-2的接口STA2接收的，并且老化时间＝350指示第二条数据记录是在250(600-350)秒前创建或更新的。
对于第三条数据记录，在节点200-1的FDB 214中执行更新搜索之后，MAC地址＝MAC_PC指示该数据帧的原始输入源是PC，接口ID＝STA1指示该数据帧是通过连接到PC的节点200-1的接口STA1接收的，并且老化时间＝500指示第三条数据记录是在100(600-500)秒前创建或更新的。
当执行输出路径搜索时，假设已知数据帧的目标地址(DA)为MAC_STA5，则MAC地址＝MAC_STA5可以用作关键字以搜索节点200-1的FDB 214。由于老化时间＝350大于0，因此输出路径搜索可以找到接口ID＝AID_STA2的第二条记录。因此，节点200-1可以确定经由连接到节点200-2的接口STA2的节点200-1的AP接口的端口将数据帧发送到节点200-2的接口STA2。
图4是示出根据实施例的使用具有网格-树状拓扑的WiFi数据传输系统100来传输数据帧的方法400的流程图。如图1所示，系统100可以包括路由器(RTR)和经由根节点200-连接到路由器RTR的多个节点(例如200-1、200-2、200-3、200-4、200-5等)。如图2所示，这些节点中的节点可以包括工作站(STA)接口211，接入点(AP)接口212，网桥接口213和转发数据库(FDB)214。当在介质中传输时，数据帧为802.11格式并包含四个报头：MAC接收地址(RA)报头、MAC发送地址(TA)报头、MAC目标地址(DA)报头和MAC源地址(SA)报头。在节点中进行处理时，数据帧为802.3格式并包含两个报头：目的地址(DA)报头和源地址(SA)报头。如图3所示，节点的FDB 214可以包括MAC地址字段301、接口标识(ID)字段30、标志字段303和老化时间字段304。
在框402中，在节点(例如200-2)接收到数据帧(例如2)之后，网桥接口(213)使用该数据帧的信息来在FDB(214)中为数据帧的输出路径执行输出路径搜索。
在框404中，在节点(例如200-2)接收到数据帧(例如2)之后，网桥接口(213)使用数据帧的信息在FDB(214)中执行更新搜索以找到与数据帧关联的现有记录。
在框406中，如果在FDB(214)中没有通过更新搜索找到现有记录，则网桥接口(213)将添加与数据帧相关联的新记录到FDB中。
在框408中，如果通过在FDB中的更新搜索找到了现有记录(214)，则网桥接口(213)更新FDB中的现有记录。
这样，在节点接收到数据帧之后，节点的网桥接口将使用数据帧的信息在FDB中对现有数据记录进行输出路径搜索，以确定输出节点的输出接口地址，以及因此，该节点将知道将数据帧传输到何处。在节点接收到数据帧之后，节点的网桥接口还将在FDB中进行更新搜索，并将保存具有该数据帧的原始输入源信息和直接输入源信息的数据记录，以备将来使用。传输系统的结构和利用率可以带来适应性和通信效率的提高，并减少资源消耗。
图5示出了软件架构504的框图500，其可以被安装在本文所述的任何一个或多个设备(诸如节点)上。软件结构504由诸如机器502的硬件支持，该硬件包括处理器520、存储器526以及I/O组件538。在该示例中，软件架构504可以被概念化为层的堆叠，其中每个层提供特定的功能。软件架构504包括诸如操作系统512、库510、框架508以及应用程序506之类的层。在操作上，应用程序506通过软件堆栈调用API调用550，并响应API调用550接收消息552。
操作系统512管理硬件资源并提供公共服务。操作系统512包括例如内核514、服务516以及驱动器522。内核514充当硬件和其他软件层之间的抽象层。例如，内核514提供存储器管理、处理器管理(例如，调度)、组件管理、联网和安全设置以及其他功能。服务516可以为其他软件层提供其他公共服务。驱动器522负责控制或与底层硬件接口。例如，驱动器522可以包括显示驱动器、照相机驱动器、蓝牙或低功耗蓝牙驱动器、闪存驱动器、串行通信驱动器(例如，USB驱动器)、
库510提供了应用程序506使用的通用低级基础结构。库510可以包括系统库518(例如，C标准库)，其提供诸如存储器分配功能、字符串操纵功能、数学功能等的功能。另外，库510可以包括诸如媒体库之类的API库524(例如，用于支持各种媒体格式的呈现和操纵的库，例如运动图像专家组4(MPEG4)、高级视频编码(H.264或AVC)、第3层运动图像专家组(MP3)、高级音频编码(AAC)、自适应多速率(AMR)音频编解码器、联合图像专家组(JPEG或JPG)或便携式网络图形(PNG)、图形库(例如，用于在显示器上以图形内容呈现二维(2D)和三维(3D)的OpenGL框架)、数据库库(例如提供各种关系数据库功能的SQLite)、Web库(例如WebKit以提供网络浏览功能)等。库510还可以包括各种各样的其他库528以向应用程序506提供许多其他API。
框架508提供了由应用程序506使用的通用高级基础结构。例如，框架508提供各种图形用户界面(GUI)功能、高级资源管理和高级位置服务。框架508可以提供可以由应用程序506使用的广谱的其他API，其中一些可以特定于特定的操作系统或平台。
在示例中，应用程序506可以包括家庭应用536、联系人应用530、浏览器应用532、阅读器应用534、位置应用542、媒体应用544、信息应用546、游戏应用548，以及其他各种应用程序，例如第三方应用程序540。应用程序506是执行在程序中定义的功能的程序。可以采用各种编程语言来创建以多种方式构造的一个或多个应用程序506，例如面向对象的编程语言(例如，Objective-C、Java或C++)或过程编程语言(例如，C或汇编语言)。在特定示例中，第三方应用程序540(例如，由特定平台的供应商以外的实体使用ANDROID
各种实施例的特征和方面可以集成到其他实施例中，并且可以在没有示出或描述所有特征或方面的情况下实现本文档中示出的实施例。
本领域技术人员将理解，尽管出于说明的目的描述了系统和方法的特定示例和实施例，但是在不脱离本申请的精神和范围的情况下可以进行各种修改。此外，一个实施例的特征可以结合到其他实施例中，即使在本说明书中的单个实施例中，这些特征没有一起描述。因此，本申请由所附权利要求描述。
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