CN103338274A - 树形泛在网络中面向路由的地址分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种树形泛在网络中面向路由的地址分配方法，所述树形泛在网络包括叶子节点、中间节点和一个与网关设备相连的根节点，其中非根节点有且仅有一个父节点，叶子节点无子节点，其特征在于所述方法包括首先根节点启动时自行分配地址或由网关设备分配地址；当根节点启动后，开始进行整个网络的地址分配；非根节点尝试向网络中的父节点请求加入树形泛在网络，由网络中的父节点按照分层地址编码格式为其分配地址；其中所有节点的地址编码格式按照分层地址编码格式，且所述网内地址编码格式中每层地址长度为1个字节。该方法能解决现有协议不适合分布式的应用场景和地址无法辅助路由的问题，使泛在网中分布式的地址分配与动态路由易于实现。

Description

树形泛在网络中面向路由的地址分配方法

技术领域

本发明属于泛在网络通信技术领域，具体涉及一种基于IEEE802.15.4标准的泛在网中面向路由的地址分配方法。

背景技术

BOOTP（Bootstrap Protocol）是一个基于IP/UDP协议的集中式地址分配协议，参见Croft,Bill,and John Gilmore."RFC951:BOOTSTRAPPROTOCOL(BOOTP)."Network Working Group,Stanford University,SunMicrosystems(1985)。BOOTP协议可以让客户端从一个中心服务器上获得动态分配的IP地址，并不需要每个用户去设置静态IP地址。BOOTP协议在IP/UDP网络中得到广泛应用，但是该机制应用于泛在网或物联网时将面临许多挑战。

这些挑战主要表现在：一，BOOTP协议不能适应泛在网络拓扑的动态性。在BOOTP协议的应用场景中，一般不会出现如泛在网中设备频繁地加入或离开网络的情况。二，BOOTP协议是一种集中式的地址分配方案，而在泛在网中，大部分设备为非智能节点，计算能力和资源有限，不适合这种集中式的处理方法，需采用分布式的方法完成。

ZigBee是一种广泛使用的基于传感器网络的协议，参见Alliance,ZigBee."ZigBee specification."ZigBee Document053474r13(2006):344-346，其地址分配策略和地址格式只是尝试给网络中的每个节点分配一个唯一标识。由于地址仅是简单的整数值，无法从中获取足够的信息来辅助自顶向下的报文路由。

本发明因此而来，为了解决现有协议中不能解决的树形泛在网络中面向路由的地址分配问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种树形泛在网络中面向路由的地址分配方法，解决了现有技术中树形泛在网络中地址分配策略和地址格式不能满足拓扑变化相对频繁的要求等问题。

为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是：

一种树形泛在网络中面向路由的地址分配方法，所述树形泛在网络包括叶子节点、中间节点和一个与网关设备相连的根节点，其中非根节点有且仅有一个父节点，叶子节点无子节点，其特征在于所述方法包括首先根节点启动时自行分配地址或由网关设备分配地址；当根节点启动后，开始进行整个网络的地址分配；非根节点尝试向网络中的父节点请求加入树形泛在网络，由网络中的父节点按照分层地址编码格式为其分配地址；其中所有节点的地址编码格式按照分层地址编码格式，且所述网内地址编码格式中每层地址长度为1个字节。

优选的，所述方法还包括节点进行报文上行传输时，节点将自己的父节点地址作为下一跳地址，形成新的报文，然后将该新的报文继续向其父节点传达；如此循环，直至到达树形网络的最顶层。

优选的，所述方法还包括节点进行报文下行传输时，节点在收到来自父节点的报文后，首先检查报文中下一跳地址是否与自身的地址匹配；若不匹配，则丢弃该报文；若匹配，再判断目的地址是否与自身的地址匹配；若其匹配，则表明报文的目的节点即为本节点，报文传输完毕；若不匹配，则从目的地址中剥离出下一跳节点的地址，向下一跳节点传输剥离更新后的报文，继续循环。

优选的，所述方法还包括在树形泛在网络间进行通信时，通过采用无状态的地址转换方法构建节点网内地址与全网地址之间的地址映射。

优选的，所述方法还包括在树形泛在网络中，当有某个非叶子节点失效时，其子节点侦测后重新寻找父节点，再次加入网络，自动修复网络的路由，并向上通告这一信息。

优选的，所述方法中当非根新节点启动后，非根新节点尝试向网络中的网络中的各节点发出加入网络的请求（Request），网络中的节点在收到该请求后，都响应该请求，并从自己的地址池中为该节点分配一个地址；新节点根据策略来选择分配的地址，并向选择的父节点反馈一条地址确认消息；父节点在收到地址确认消息后，将这一消息从地址池中删去，并向网关设备通知完成新非根节点的地址分配。

优选的，所述方法中新非根节点选择分配的地址的方法选自选择最先收到的地址或者选择最短的地址作为自己的地址。

本发明针对树形网络提出了一种新的基于802.15.4的泛在网面向路由的地址分配方法。其中包括节点的网内地址的生成和管理方法，地址辅助路由方法，全网地址的分配方法。本发明中描述的方法能够很好的适应资源受限节点通信的需求应用到多种类型的应用场景中，具有低功耗，可扩展，并能辅助进行路由的特点。在树形泛在网络间进行通信时，通过构建节点网内地址与全网地址之间的地址映射。拟采用无状态的地址转换方法，仅从待转换地址和可选的其他常量信息即可完成地址的转换，无需维护状态信息。

相对于现有技术中的方案，本发明的优点是：

1.本发明中描述的方法对树形网络的深度没有限制，可用地址的数量足以满足泛在网的需求。

2.通常情况下，节点只需维护自身和父节点的网内地址即可，对于泛在网中资源受限节点的兼容性较好。

3.本发明中设计的地址结构可用于辅助全网路由，实现全网各种设备之间的通信。

4.可以很好地解决由于设备加入或离开网络造成的网络拓扑和节点地址频繁变化造成的问题。

本发明提供了一种树形泛在网络中面向路由的分布式地址分配方法，待分配节点均按照本发明中所述的分层地址编码格式为其分配地址。一方面，该地址分配方案可以辅助网络中的上行与下行路由；另一方面，该地址分配方案易于满足泛在网中由于节点频繁地加入或离开网络造成的对于动态路由的需求，能根据网络的情况进行地址调整。对于异构网络中的设备，本发明中的全网地址分配能够满足其相互之间的通信。本发明中描述的地址分配方法，能解决现有协议不适合分布式的应用场景和地址无法辅助路由的问题，使泛在网中分布式的地址分配与动态路由易于实现。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明技术方案树形泛在网络中新节点加入网络的地址分配的原理图；

图2为本发明技术方案树形泛在网络中节点进行报文上行传输的原理图；

图3为本发明技术方案树形泛在网络中节点进行报文下行传输的原理图。

图4为本发明技术方案树形泛在网络中失效节点的子节点重新寻找父节点的原理图。

图5为结合本发明的地址分配方案进行分配实验得到的网络拓扑图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

实施例

本实施例的泛在网络为树形网络。除根节点外，其他节点有且仅有一个父节点，叶节点无子节点，中间节点可有多个子节点。根节点与网关设备相连。

1、节点的网内地址的生成和管理

分层地址编码格式中每层地址为整数类型，其长度为1个字节，各层地址拼接起来组成节点的网内地址。

有效位为全零的单层地址保留不使用。以单层地址为例，有效位数为8位，则共可表示2⁸-1=255个地址。当某节点尝试向父节点请求加入网络时，就由父节点从中为其分配单层地址，然后拼接上父节点本身的网内地址，就形成了该节点的网内地址。由此推导可知，一个节点理论上可拥有255个子节点。

一般情况下，很少出现一个节点同时拥有超过255个直接子节点的情况。因此，单字节的单层地址在绝大部分情况下已经足够使用。若以比特位（bitmap）来标记地址的使用情况，256个地址仅需要32个字节（256/8）即可完成对地址使用情况的跟踪。对于地址池的管理，应使已分配的地址和未分配的地址集合各自尽量连续。比如，在给新的子节点分配地址时，使用最小可用地址，使得已分配的地址向短地址聚集。

树形网络中根节点是唯一的，其地址的分配可随应用的需求不同作出灵活的变化；如，节点启动时自行为自己分配，由网关的为其分配等；根节点的地址也必须符合本发明中描述的编码方法（一般地，根节点地址分配为0x01）。

根节点启动后，整个网络的地址分配才能随之开始。当新节点启动后，该节点向网络中的各节点发出加入网络的请求（Request），网络中的节点在收到该请求后，都能响应该请求，并从自己的地址池中为该节点分配一个地址，新节点可根据某种策略来选择地址（比如选择最先收到的地址或者选择最短的地址作为自己的地址），并向选择的父节点反馈一条地址确认消息。父节点在收到地址确认消息后，将这一消息从地址池中删去，并向网关通告这一消息，到达网关后，这个网内地址由业务管理接收存档。至此一次地址分配交互结束。过程示意如图1所示。

2、面向动态路由的地址调整

由分层地址编码格式可知，每个节点的网内地址中包含了该节点到根节点之间的路由信息，这就便于地址辅助路由通信，也易于满足泛在网中节点不稳定造成的对于动态路由的需求。

对于网络中的节点，若有向上发送报文的需求，则该节点将将报文中的目标节点设为根节点，下一条节点设置为该节点的父节点。如此循环，直至到达树形网络的最顶层。根节点在收到该报文后，将其发送至网关。至此，这一报文向上发送的过程结束。过程示意如图2所示。

对于网络中的节点，如收到自顶向下发送的报文。则按如下的规则进行传输：节点在收到来自父节点的报文后，首先检查报文中下一跳地址是否与自身的地址匹配；若不匹配，则丢弃该报文；若匹配。再判断目的地址是否与自身的地址匹配；若其匹配，则表明报文的目的节点即为本节点，报文传输完毕；若不匹配，则从目的地址中剥离出下一跳节点的地址，向下一跳节点进行传输剥离更新后的报文，继续循环。这一过程以目标节点收到报文为止，过程示意如图3所示。

由于泛在网中的节点多为资源受限的节点，很可能出现某一中间节点突然失效的情况，这就需要地址分配方案能便于路由的修复。对于本发明中的地址分配方案，很容易实现路由的修复。当有某个非叶子节点失效时，其子节点能够发现这一情况，并重新寻找父节点，再次加入网络，自动修复网络的路由，并按照向上发送报文的规则向网关通告这一消息。失效节点的子孙节点按层次依次进行该过程，最终恢复网络的路由。过程示意如图4所示。

当由于节点失效造成的地址调整过程完成后，网络再次恢复为一个完整的树形结构，网络中的上下行路由依然按照前文所述的路由规则进行。

3、全网地址的分配

网内地址是作为一个节点在网络中的唯一标识，而当Internet上的主机需要对特定节点进行寻址时，就需要节点在整个网络中有一个唯一的地址。本节描述的即是节点的全网地址分配方法。

当节点所在的网络接入Internet时，网关设备本身应具备有Internet访问能力。当Internet上的主机需要访问网络中的特定节点时，需要网关设备为该节点分配一个全网地址。网络中的节点本身并不需要具有直接与Internet进行通信的能力，节点与Internet上的主机之间的通信可以由适配模块完成。适配模块应实现的功能包括地址的映射转换以及报文的编码等。本发明只对其中的地址映射进行描述，报文的具体格式和与的转换与具体应用相关，不在本发明讨论范围之内。

本发明采用无状态的地址转换，不需要管理和维护表结构，从一种地址通过计算可以直接导出另外一种地址。

以IPv6地址与节点的网内地址为例，若网关设备可分配的地址块前缀为2001::/56，则其所分配的地址中共有9个字节（72/8）可用于主机地址。若资源受限节点的网内地址长度小于等于9个字节，则可以采用此种无状态转换方法。从网内地址到IPv6地址的映射只需要在网内地址的前面添加网络地址前缀即可。例如，网内地址0x011012可被映射为IPv6地址2001::01:1012.从IPv6地址到网内地址的转换只需要去除地址头部的网络前缀即可。例如，IPv6地址2001::0103在此方法下，转换为网内地址即为0x0103。

地址分配实验基于TinyOS的无线传感器网络，其支撑平台为CrossBow公司生产的Micaz系列节点（0x1、0x102、0x101、0x10201、0x10101、0x10102），网关板采用CrossBow公司生产的MIB520板。依据本实施例的原理，采用自动演示配置系统进行模拟操作，所做的实验操作过程依次为：

1.根节点启动，得到地址为0x1。对应于模拟环境提示内容显示：node0x1is online；

2.依次启动4个新的节点，这些节点获得的网内地址分别为0x101，0x10101，0x10102，0x102。对应于模拟环境提示内容显示：node0x101isonline；node0x10101is online；node0x10102is online；node0x102isonline；

3.关闭地址为0x101的节点，其子节点发现父节点失效，重新寻找父节点。对应于模拟环境提示内容显示：node0x101is off；

4.原地址为0x10101的节点地址变为0x101，原地址为0x10102的节点地址变为0x10201。对应于模拟环境提示内容显示：The node0x10101haschanged its address to0x101;The node0x10102has changed its address to0x10201;

5.得到最终呈现的网络拓扑图，如图5所示。

综上所述，本发明中描述的地址分配方法对泛在网中多类通信需求具有很好的适应性，包括网内通信，全网通信等；具有低功耗，扩展性良好的优势，本发明具有实质性技术特点和显著的技术进步，其应用前景非常广阔。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种树形泛在网络中面向路由的地址分配方法，所述树形泛在网络包括叶子节点、中间节点和一个与网关设备相连的根节点，其中非根节点有且仅有一个父节点，叶子节点无子节点，其特征在于所述方法包括根节点启动时自行分配地址或由网关设备分配地址；当根节点启动后，开始进行整个网络的地址分配；非根节点尝试向网络中的父节点请求加入树形泛在网络，由网络中的父节点按照分层地址编码格式为其分配地址；其中所有节点的地址编码格式按照分层地址编码格式，且所述网内地址编码格式中每层地址长度为1个字节。

2.根据权利要求1所述的树形泛在网络中面向路由的地址分配方法，其特征在于所述方法还包括节点进行报文上行传输时，节点将自己的父节点地址作为下一跳地址，形成新的报文，然后将该新的报文继续向其父节点传达；如此循环，直至到达树形网络的最顶层。

3.根据权利要求1所述的树形泛在网络中面向路由的地址分配方法，其特征在于所述方法还包括节点进行报文下行传输时，节点在收到来自父节点的报文后，首先检查报文中下一跳地址是否与自身的地址匹配；若不匹配，则丢弃该报文；若匹配，再判断目的地址是否与自身的地址匹配；若其匹配，则表明报文的目的节点即为本节点，报文传输完毕；若不匹配，则从目的地址中剥离出下一跳节点的地址，向下一跳节点传输剥离更新后的报文，继续循环。

4.根据权利要求1所述的树形泛在网络中面向路由的地址分配方法，其特征在于所述方法还包括在树形泛在网络间进行通信时，通过采用无状态的地址转换方法构建节点网内地址与全网地址之间的地址映射。

5.根据权利要求1所述的树形泛在网络中面向路由的地址分配方法，其特征在于所述方法还包括在树形泛在网络中，当有某个非叶子节点失效时，其子节点侦测后重新寻找父节点，再次加入网络，自动修复网络的路由，并向上通告这一信息。

6.根据权利要求1所述的树形泛在网络中面向路由的地址分配方法，其特征在于所述方法中当非根新节点启动后，非根新节点尝试向网络中的网络中的各节点发出加入网络的请求（Request），网络中的节点在收到该请求后，都响应该请求，并从自己的地址池中为该节点分配一个地址；新节点根据策略来选择分配的地址，并向选择的父节点反馈一条地址确认消息；父节点在收到地址确认消息后，将这一消息从地址池中删去，并向网关设备通知完成新非根节点的地址分配。

7.根据权利要求6所述的树形泛在网络中面向路由的地址分配方法，其特征在于所述方法中新非根节点选择分配的地址的方法选自选择最先收到的地址或者选择最短的地址作为自己的地址。

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