CN102833803B - 一种基于IPv6的无线传感器网络结构及子网内切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于IPv6的无线传感器网络结构及子网内切换方法。该结构包括：网关节点、固定节点、协同节点和移动簇四类基本实体，移动簇进一步包括移动节点和移动簇首节点；网关节点用于管理和控制传感器网络子网与另外子网或其他网络进行通信；固定节点是一般通信节点，属于全功能节点；协同节点用于缓解网络流量分布不均造的功耗分布不均，同时用于克服同层间节点通信带来的巨大开销；移动簇首节点用于管理和协调移动节点，并负责移动簇与固定节点的通信；该网络的网络节点地址为128位的IPv6地址，完整的128位地址用于对IPv6网络的通信和寻址，在子网内切换和通信中，使用16位的短地址。还公开了一种子网内切换方法。

Description

一种基于IPv6的无线传感器网络结构及子网内切换方法

技术领域

本发明涉及网络通信技术领域，尤其涉及一种基于IPv6的无线传感器网络结构及子网内切换方法。

背景技术

IP协议曾被认为只适用于以PC和服务器为终端的局域网或广域网的网络传输协议，但随着网络技术的发展和异构网络互联需求的不断增强，人们开始关注如何扩大IP协议的适用范围，使得不同的网络之间都可以使用IP协议直接进行通信，尽量减少协议转换等有碍通信效率的通信方式。从2001年起，IETF开始着手组建工作组并研究如何在无线传感器网络中部署IP协议。当前，经过优化的IP协议已经可以部署于无线传感器网络中。目前技术对无线传感器网络节点的移动支持较差，移动时通讯的连续性差、能量开销大、通信开销大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于IPv6的无线传感器网络结构及子网内切换方法，解决节点移动时通信的连续性问题、减少移动切换时的能量开销和通信开销。

为了达到以上目的，本发明实施例公开了一种基于IPv6的无线传感器网络结构，包括：网关节点、固定节点、协同节点和移动簇四类基本实体，其中移动簇进一步包括移动节点和移动簇首节点；网关节点用于管理和控制传感器网络子网与另外子网或其他网络进行通信；固定节点是一般通信节点，属于全功能节点；协同节点用于缓解网络流量分布不均造的功耗分布不均，同时用于克服同层间节点通信带来的巨大开销；移动簇首节点用于管理和协调移动节点，并负责移动簇与固定节点的通信；该网络的网络节点地址为128位的IPv6地址，完整的128位地址用于对IPv6网络的通信和寻址，在子网内切换和通信中，使用16位的短地址。

进一步，作为一种优选，128位的IPv6地址，高64位A为全球路由前缀，接着的低16位B为无线传感器网络类型前缀，再往后低16位C为子网ID，再往后低16位D为固定节点、协同节点或移动簇首节点的地址，最后16位E为移动簇中的移动节点地址。

进一步，作为一种优选，各节点的路由表中记录的即是所述C、D或E部分的16位地址。

本发明实施例同时还公开了一种基于IPv6的无线传感器网络子网内切换方法，包括以下步骤：

a)当移动簇首节点的接入固定节点检测到其移动时，即认为接入的移动簇发生移动，此时该固定节点发送新节点消息给邻居固定节点，即移动簇可能将要移动到的相邻的固定节点；

b)相邻的固定节点收到新节点消息后，开始不间断发出移动探测信号，对该移动簇首节点进行移动监测；

c)当移动簇首节点收到移动探测信号，其向信号发出者发送确认消息；

d)邻居固定节点收到移动簇首节点发出的确认消息，则向移动簇移动前的初始接入固定节点发送确认消息；

e)移动簇的初始接入固定节点收到确认消息，并判断移动是否发生在同一层内，若移动发生在同层内，则初始接入固定节点向其父节点和该层的协同节点发送移动簇首节点的地址更新消息，父节点确认移动簇移动后的新接入点是否是其子节点，若是，则更新路由表，地址更新结束；否则，将该地址更新消息传递给上层父节点，直至新的接入点属于以其为根的树状结构中，同时协同节点在同层内更新接入点信息。

进一步，作为一种优选，步骤e)中，若移动发生在不同层内，则初始接入固定节点发送地址更新消息给父节点，父节点检查并确认新的接入固定节点是否在以其为根的树型结构内，若是，则更新路由表，修改移动簇首节点的接入地址信息，否则继续向上交给父节点，直到新的接入固定节点在以其为根的树形结构内。

本发明以无线传感器类簇树网络架构为基础，可以确保无线传感器网络在节点移动情况下通信的连续性，相关控制信息可以在链路层进行传输，与传统在网络层传输相比，可以有效节约传输能量；节点切换过程中，地址均采用16位短地址，可以有效减少消息中地址长度，节约通信开销；“协同节点”在通信中的有效协同机制，可以克服簇树结构带来的同级节点通信效率低下问题。总体上能够节约整个网络的能量消耗，延长网络寿命。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

图1为本发明实施例网络架构示意图。

图2为本发明实施例网络节点地址结构示意图。

图3为本发明实施例不同情形下的加入请求消息格式示意图。

图4为本发明实施例不同情形下的节点应答消息格式示意图。

图5为本发明实施节点信息、新节点信息、位置更新消息格式示意图。

具体实施方式

为使上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些具体实施方式仅是举例说明，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以对上述方法和系统的细节进行各种省略、替换和改变。例如，合并上述方法步骤，从而按照实质相同的方法执行实质相同的功能以实现实质相同的结果则属于本发明的范围。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

如图1所示，一种基于IPv6的无线传感器网络结构，采用“类簇树”（Tree-Like）架构，包括：网关节点(GW)1、固定节点(FMN)2、协同节点(LC)3和移动簇(MC)4四类基本实体，其中所述移动簇4进一步包括移动节点(MN)42和移动簇首节点(MHN)41；网关节点1用于管理和控制传感器网络子网与另外子网或其他网络进行通信；固定节点2是一般通信节点，属于全功能节点（FFD）；协同节点3用于缓解网络流量分布不均造的功耗分布不均，同时用于克服同层间节点通信带来的巨大开销；移动簇首节点41用于管理和协调移动节点42，并负责移动簇4与固定节点2的通信；该网络的网络节点地址为128位的IPv6地址，完整的128位地址用于对IPv6网络的通信和寻址，在子网内切换和通信中，使用16位的短地址。

在该网络架构下，本方案中切换相关的控制消息可以在链路层进行传输，且切换过程中均采用16位短地址来表示和描述节点的位置。

该网络架构通过引入协同节点3，可以缓解网络流量分布不均造的功耗分布不均，同时用于克服同层间节点通信带来的巨大开销。

本发明只涉及类簇树架构，及该架构下各节点的功能，不涉及该架构下具体的路由协议，但出于本方案的完善性，对于该架构下的路由过程进行举例说明。

举例如下：

若第四层左边第二个固定节点2向第四层左边第三个固定节点2发送消息：

1)第四层左边第二个固定节点2确认第四层左边第三个固定节点2与其在同一层内；

2)第四层左边第二个协同节点3将该消息向同层内的协同节点3发送；

3)第四层协同节点3收到消息后将该消息发送给第四层左边第三个固定节点2。

若没有第四层协同节点3，则消息需要通过簇树根节点，即网关节点(GW)1，一步一步转发到第四层左边第三个固定节点2，一共需要6跳。此案例中仅需2跳。

如图2所示，该网络的网络节点地址为128位的IPv6地址，完整的128位地址用于对IPv6网络的通信和寻址，在子网内切换和通信中，使用16位的短地址，即位置C或D或E部分的16位地址。其具体结构如图2所示。在一个完整的地址中，位置A代表全球路由前缀，长度为64位，位置B代表无线传感器网络类型前缀，如6LoWPAN网络，以区分网络类型。位置C代表子网ID，其值是GW节点的16位的硬件地址，该地址由生产商事先写入硬件中。位置D是FFD节点的地址，即FMN节点、LC节点、MHN节点的地址，其值是节点的16位的硬件地址，该地址由生产商事先写入硬件中。位置E记录的是MC中的MN节点地址，其值是节点的16位的硬件地址，该地址由生产商事先写入硬件中。在移动切换和网络通信过程中，各节点的路由表中记录的即是C、D或E部分的16位地址。

新节点的加入过程：

新节点的加入实际上是网络组建的过程，此过程分为两个阶段，第一阶段是基本网络架构的组件，此阶段需要人工组网，组网完成的标志是，该网络要包括至少一个以上的所有四类基本实体。在满足该条件的基础上，后续节点的加入可以自行完成。不同类型节点加入网络的过程如下：

①FMN的加入

a)一个FFD节点要加入网络作为FMN，首先发送广播消息加入请求join_request，并监听对加入请求join_request的相应节点应答消息node_ack，即网络对其加入请求的确认。

b)在预先设定的等待时间内，即将加入网络的该节点收到若干个节点应答消息node_ack，这些消息的发送者是既有FMN节点和既有LC节点，消息中都包括节点类型、节点的16位短地址和在类簇树中的深度信息。

对于收到的FMN发出的节点应答消息node_ack，即将加入网络的新FMN根据预先定义的规则选择一个既有FMN节点作为它的父节点，预先定义的规则根据网络部署的具体场景约定，可以是：选择深度最小的FMN作为自己的父节点、选择特定深度的FMN作为自己的父节点等。在选定了自己的父节点后，新加入的FMN节点计算出自己在类簇树中的深度。

进而，对于收到的LC发出的节点应答消息node_ack，新加入的FMN根据预先定义的规则，选择具有同样深度的、特定的LC作为其协同节点准备与其交换节点信息。预先定义的规则根据网络部署的具体场景约定，可以是：选择最先收到的既有LC发出的node_ack消息的节点。

c)新加入的FMN发送节点信息消息node_inf给其协同节点和父节点。父节点收到消息后，将该节点地址加入路由表，并将此信息转交给父节点，父节点加入其路由表，此循环直到网关节点结束。协同节点收到该消息后，将其加入路由表，并更新同层LC的路由信息。

②LC的加入

a)当一个FFD节点要以LC节点的身份加入网络，广播加入请求消息join_request，并监听对加入请求join_request的相应节点应答消息node_ack，即网络对其加入请求的确认。

b)将要加入网络的LC已经预设其在类簇树结构中的既定深度。该节点若收到未在既有LC登记过的FMN节点的节点应答消息node_ack，且位于同一层，则把该节点加入其路由信息表中；若收到既有LC的节点应答消息node_ack，则只选择在同一层的LC，将该节点信息加入其路由表中。

c)将要加入网络的LC与登记在其路由表内的FMN和LC交换路由信息。

③MC的加入

a)该MC的MHN首先发送广播加入请求消息join_request，并监听对加入请求join_request的相应节点应答消息node_ack，即网络对其加入请求的确认。

b)在预先设定的等待时间内，MHN节点收到若干个节点应答消息node_ack，这些消息的发送者是既有FMN节点，消息中包括节点类型、节点的16位短地址和在类簇树中的深度信息。

对于收到的节点应答消息node_ack，MHN根据预先定义的规则选择一个既有FMN节点作为它的父节点，预先定义的规则根据网络部署的具体场景约定，可以是：选择深度最小的FMN作为MC的接入节点、选择特定深度的FMN作为MC的接入节点等。在选定了自己的接入节点后，代表新加入的MC的MHN节点计算出自己在类簇树中的深度。

c)MHN发送节点信息消息node_inf给其接入节点。接入节点收到消息后，将该节点地址加入路由表，并将此信息转交给父节点，父节点加入其路由表，此循环直到网关节点结束。

移动切换过程：

在移动切换中，需要网络事先发现MC的移动，即需要有移动监测功能。移动监测不是本发明的核心内容，移动监测可以使用现有的公知算法，如AoA算法、ToA算法以及TDoA算法等。移动监测算法在本发明中只要能够实现对移动节点的移动方位的监测即可。根据移动过程中不同的处理方案，分为同层内切换和跨层间切换。同层即以MHN节点为代表的MC当前接入节点的深度和移动一步以后接入节点的深度相同。若两者不同，即为跨层移动切换。

a)当MHN的接入节点FMN检测到其移动时，即认为接入的MC发生移动。此时该FMN发送新节点信息消息newnode_inf给邻居FMN，即MC可能将要移动到的相邻的FMN。

b)相邻的FMN收到新节点信息消息newnode_inf后，开始不间断发出移动探测信号，对该MHN进行移动监测。

c)当MHN收到移动探测信号，其向信号发出者发送确认消息node_ack。

d)邻居FMN收到MHN节点发出的确认消息node_ack，则向MC移动前的初始接入节点FMN发送确认消息node_ack。

e)MC的初始接入节点FMN收到确认消息，并判断移动是否发生在同一层内。若移动发生在同层内，进行步骤f)，否则进行步骤g)。

f)初始接入点FMN向其父节点和该层的LC发送MHN的地址更新消息location_update，父节点确认MC移动后的新接入点是否是其子节点，若是，则更新路由表，地址更新结束；否则，将该地址更新消息传递给上层父节点，直至新的接入点属于以其为根的树状结构中。同时LC在同层内更新的接入点信息。

g)初始接入点FMN发送地址更新消息location_update给父节点，父节点检查并确认新的接入点FMN是否在以其为根的树型结构内，若是，则更新路由表，修改MHN的接入地址信息。否则继续向上交给父节点，直到新的接入点FMN在以其为根的树形结构内。

移动切换相关消息格式：

上述技术方案中的消息格式具体如图3、图4、图5和表1所示。

①如图3所示为FMN节点、LC节点、MHN节点的加入网络请求消息（join_request）格式。

2如图4所示为节点应答确认node_ack的消息格式。

③如图5所示为节点信息node_inf、新节点信息newnode_inf、位置更新location_update消息格式。

表1信息字段值

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些具体实施方式仅是举例说明，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以对上述方法和系统的细节进行各种省略、替换和改变。例如，合并上述方法步骤，从而按照实质相同的方法执行实质相同的功能以实现实质相同的结果则属于本发明的范围；再例如：在有消息反馈（如ack消息）的情形下，发送消息的节点往往会有相应的等待计时，若在计时内没有收到消息反馈，则节点认为上一条消息发送失败，进而可以选择重新发送或结束相关任务。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (2)

1.一种基于IPv6的无线传感器网络结构，其特征在于，包括：网关节点、固定节点、协同节点和移动簇四类基本实体，其中所述移动簇进一步包括移动节点和移动簇首节点；网关节点用于管理和控制传感器网络子网与另外子网或其他网络进行通信；固定节点是一般通信节点，属于全功能节点；协同节点用于缓解网络流量分布不均造的功耗分布不均，同时用于克服同层间节点通信带来的巨大开销；移动簇首节点用于管理和协调移动节点，并负责移动簇与固定节点的通信；该网络的网络节点地址为128位的IPv6地址，完整的128位地址用于对IPv6网络的通信和寻址，在子网内切换和通信中，使用16位的短地址；

所述128位的IPv6地址，高64位A为全球路由前缀，接着的低16位B为无线传感器网络类型前缀，再往后低16位C为子网ID，再往后低16位D为固定节点、协同节点或移动簇首节点的地址，最后16位E为移动簇中的移动节点地址；

各节点的路由表中记录的即是所述C、D或E部分的16位地址；

所述协同节点的实施方式为：用于接收同层固定节点发来的移动簇首节点的地址更新消息，转发消息给同层内的其它协同节点或同层内的固定节点。

2.一种基于IPv6的无线传感器网络子网内切换方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)当移动簇首节点的接入固定节点检测到其移动时，即认为接入的移动簇发生移动，此时该固定节点发送新节点消息给邻居固定节点，即移动簇可能将要移动到的相邻的固定节点；

b)相邻的固定节点收到新节点消息后，开始不间断发出移动探测信号，对该移动簇首节点进行移动监测；

c)当移动簇首节点收到移动探测信号，其向信号发出者发送确认消息；

d)邻居固定节点收到移动簇首节点发出的确认消息，则向移动簇移动前的初始接入固定节点发送确认消息；

e)移动簇的初始接入固定节点收到确认消息，并判断移动是否发生在同一层内，若移动发生在同层内，则初始接入固定节点向其父节点和该层的协同节点发送移动簇首节点的地址更新消息，父节点确认移动簇移动后的新接入点是否是其子节点，若是，则更新路由表，地址更新结束；否则，将该地址更新消息传递给上层父节点，直至新的接入点属于以其为根的树状结构中，同时协同节点在同层内更新接入点信息；

所述步骤e)中，若移动发生在不同层内，则初始接入固定节点发送地址更新消息给父节点，父节点检查并确认新的接入固定节点是否在以其为根的树型结构内，若是，则更新路由表，修改移动簇首节点的接入地址信息，否则继续向上交给父节点，直到新的接入固定节点在以其为根的树形结构内。