CN103796271B - 一种适用于树型无线传感网的IPv6路由器冗余方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于树型无线传感网的IPv6路由器冗余方法，属于无线传感网技术领域；基于6LoWPAN与无线传感网的树型路由技术，根据6LoWPAN系列协议标准,对IPv6邻居发现协议进行了改进。结合工业无线传感网节点部署密集的特点，路由器从邻居路由器中建立自身的冗余路由器，当路由器不工作时,冗余路由器透明代理其数据路由转发工作。同时，当失效路由器恢复正常工作后，冗余路由器自行停止代理工作。本发明可有效地解决树型网络中因路由器失效而导致后代节点无法通信的问题，从而实现同时迎合工业应用可靠性、实时性和开销小要求的IPv6无线传感网路由技术，提高网络的整体可靠通信能力。

Description

一种适用于树型无线传感网的IPv6路由器冗余方法

技术领域

本发明属于无线传感网技术领域，具体涉及一种适用于树型无线传感网的IPv6路由器冗余方法。

背景技术

随着无线技术的快速发展，无线传感网（WSN）成为国际上备受关注的前沿高科技领域之一，将传感器技术、通信技术和计算机技术等结合在一起，具有信息采集、传输和处理的能力，广泛用于工业自动化、环境监控、智能家居和医疗系统等方面。IPv6作为下一代互联网络技术可引入到无线传感网，使得海量的传感器节点可以拥有自己的全球唯一IPv6地址，实现与Internet主机纯IP的端到端通信，将互联网上的应用延伸到无线传感网。IPv6应用到无线传感网是物联网发展的必然趋势，实现人与人、人与物、物与物之间基于统一协议的自由通信。从中也产生了新的问题与挑战，其中，路由协议的设计至关重要，直接关系着网络的整体性能。

无线传感网节点具有低处理能力、低开销、低功耗和低数据率等特点，而IPv6技术的设计并没有考虑到无线传感网的特点，使得现有的IPv6路由协议并不适用于无线传感网，而传统无线传感网路由协议也未支持IPv6。因此，为了满足在无线传感网中传输IPv6数据的需求，改进或设计新的路由协议是必要的。

目前在IPv6无线传感网的研究与应用中，路由技术大多采用树型路由方法。树型路由充分考虑到IEEE802.15.4设备类型分为全功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD）的特点进行地址的合理分配，并根据地址关系进行路由选择，具有开销小、计算简单、无需路由表和控制报文等优点。互联网工程任务组（IETF）提出的HiLow就是一种典型的分级树型路由方法，借助动态地址分配算法沿树型路径转发数据，不需要建立和维护路由表。然而，树型路由亦有自身局限性，其路径选择单一固定且没有冗余能力，路由器节点失效将导致后代节点无法与其他节点通信，极大地降低了网络的可靠性，尤其不适用于对网络可靠安全性要求较高的工业无线环境。工业环境一般具有高危险、低带宽、环境复杂、易受干扰等特点，容易出现节点失效或重启现象。因此，要在这种低功率、有损耗的设备上实施无线技术，必须充分考虑可靠性和能耗的问题，针对工业无线传感网的这些特点，建立低功耗、高可靠的树型冗余网络已成为一种迫切的需求。

为了迎合树型无线传感网对可靠冗余的要求，本发明针对现场设备部署密集的特点，提出一种IPv6路由器冗余方法，有效提高树型网络的可靠性和整体通信性能。

发明内容

针对以上现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种有效保障数据传输的可靠性、保证工业环境中IPv6树型网络的可靠性的适用于树型无线传感网的IPv6路由器冗余方法，本发明的技术方案如下：一种适用于树型无线传感网的IPv6路由器冗余方法,其包括以下步骤：

101、无线传感网建立动态自组织树型网络，所述树型网络中的请求路由器首先广播发送改进的冗余RS消息给邻居路由器，当邻居路由器收到改进的冗余RS消息，则回复冗余RA响应消息，跳转至步骤102,；否则不进行回复，结束；

102、请求路由器收到冗余RA响应消息后，获知能与自己建立冗余关系的邻居路由器，并获取与之对应邻居路由器通信链路的LQI值，将LQI值与邻居路由器的信息存储于缓存中，选取LQI值最优的邻居路由器作为候选冗余路由器，请求路由器发送TRR冗余关联请求消息给该候选冗余路由器；

103、候选冗余路由器收到TRR冗余关联请求消息后，候选冗余路由器广播发送改进的冗余NS消息给其周围邻居，请求路由器的父节点和子节点将对该改进的冗余NS消息回复改进的冗余NA响应消息，候选冗余路由器则根据接收到的冗余NA响应消息统计出重叠节点的个数n，并发送TRR冗余关联响应消息给请求路由器；

104、请求路由器收到候选冗余路由器的冗余关联响应后，计算与候选冗余路由器的重叠节点个数n占自身父、子节点总个数m的比例n/m，若大于作为冗余路由器的设定比例P，则成功建立冗余关系，发送TRR冗余关联确认消息给候选冗余路由器；若小于设定比例P，则选择剩余LQI值中最大的邻居路由器为候选冗余路由器，重复上述过程，重新查找冗余路由器；邻居路由器收到冗余关联确认消息，则完成冗余关系的建立，设置自己为请求路由器的冗余路由器；

105、请求路由器正常工作时，冗余路由器工作于冗余正常路由模式，冗余路由器只进行自身父子节点间的数据路由转发；

请求路由器失效时，冗余路由器工作于冗余代理路由模式，冗余路由器在接收目的地址为自己的数据的同时，还接收MAC目的地址为请求路由器的数据；冗余路由器通过请求路由器的地址和深度计算出其后代节点地址，若Mesh路由终点地址为请求路由器的地址，则丢弃该数据包；若Mesh路由终点地址为请求路由器的后代节点的地址，则根据树型路由公式计算出下一跳地址，并转发给该节点；若Mesh路由终点地址为非请求路由器的后代节点的地址，则为上行数据，直接转发给请求路由器的父节点;其中冗余路由器为请求路由器代理转发的数据所使用的MAC源地址为该请求路由器的MAC地址；

106、当失效的请求路由器恢复正常工作时，冗余路由器则恢复到冗余正常路由模式，冗余路由器与请求路由器互相监测对方的工作状态以实现冗余关系的维护。

进一步的，步骤105中请求路由器失效时冗余路由器工作切换到冗余代理路由模式采用主动和被动两种失效发现方式：其中主动方式为请求路由器主动发送TRR路由器失效通告消息给冗余路由器；被动方式为冗余路由器周期性监测请求路由器是否正常工作。

进一步的，步骤106中的请求路由器恢复方式，采用主动和被动两种恢复机制。若为主动失效后恢复，请求路由器存储有冗余关系，则发送TRR路由器恢复通告消息给冗余路由器使其转换到冗余正常路由模式；若为被动失效后恢复，请求路由器将重新入网，冗余路由器发现请求路由器已恢复工作，发送TRR冗余关系通告消息给请求路由器，并转换到冗余正常路由模式，请求路由器获知该冗余关系。

进一步的，所述TRR冗余控制消息格式包括类型、编码、校验和、负载和预留域。其中，TRR的类型值为TBD1，编码值为1，代表TRR控制消息类型。

本发明的优点及有益效果如下：

相对于现有的树型路由技术欠缺冗余可靠性问题，本发明可以为树型无线传感网建立IPv6冗余路由器，在保证通信实时性的情况下为网络提供自愈冗余能力，有效解决路由器失效导致后代节点无法与其他节点通信的问题，即保持树型路由原有优点又增强了整个网络的通信可靠性。

附图说明

图1冗余路由器建立的消息交互过程；

图2树型网络冗余路由器示意图；

图3冗余路由器工作状态转换图；

图4 TRR消息格式图；

图5改进的RS消息格式图；

图6改进的RA消息格式图；

图7改进的NS消息格式图；

图8改进的NA消息格式图。

具体实施方式

下面结合附图给出一个非限定性的实施例对本发明作进一步的阐述。

IPv6无线传感网在树型路由中节点只与自身父节点和子节点通信，在适配层根据Mesh路由头部的地址转发数据，严格遵守树型拓扑结构进行路由决策，但当某个节点故障失效时，会导致其后代节点无法再与其他节点通信，成为网络中孤立的一部分。而树型无线传感网在实际的部署应用中具有节点部署密集的特点，通常路由器节点相距较近而有较大的射频重叠覆盖范围，存在路由器能与另一个邻居路由器的所有子节点和父节点直接一跳通信的情况，本发明正是基于该特性设计一种适用于树型无线传感网的IPv6路由器冗余方法。本发明的设计方法为路由器提供一个备份的冗余路由器，当路由器出现故障或者需要暂时休眠等原因而无法正常工作时，冗余路由器将代理其树型上下行数据的路由转发工作，而对于该路由器的子节点和父节点而言冗余路由器透明不可见，保持着网络的树型结构且不影响数据包的重新构造和地址改变，能够不增加网络延迟而平滑地维持路由器的后代节点与其他节点间的连通性，提高了网络的健壮可靠性。相比现有Internet上的虚拟冗余路由器机制需要额外的路由器进行备份，本发明选择正常工作的路由器为冗余路由器，没有额外增加路由器，节省了网络设备成本。

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

1.冗余路由器的建立

无线传感网建立动态自组织树型网络，入网节点选取链路质量指示LQI值最好的路由器作为父节点，获得子网内唯一的16位短地址，通过该地址进行树路由选择。待整个网络建立稳定后，路由器节点收到上层协议发出的路由器冗余启动指示则开始建立冗余路由器的工作，执行下面的具体步骤，冗余路由器建立的消息交互过程如图1所示。

a）路由器首先广播发送改进的冗余RS消息给邻居路由器，发现周围可以作为冗余路由器的邻居路由器；

b）邻居路由器收到冗余RS消息，若愿意作为该路由器的冗余路由器，则回复冗余RA响应消息，否则不进行回复；

c）请求路由器收到冗余RA响应消息后，获知愿意与自己建立冗余关系的邻居路由器，并从底层协议处获取与之对应邻居通信链路的LQI值，并将相应信息存储于缓存中。根据LQI值越大距离通常越近的关系，选取LQI最优的邻居路由器作为候选的冗余路由器，发送TRR冗余关联请求消息给该邻居路由器；

d）邻居路由器收到冗余关联请求消息后，需先计算出与该请求路由器重叠节点个数n，广播发送改进的冗余NS消息给周围邻居，请求路由器的父节点和子节点将对该NS消息回复改进的冗余NA响应消息。候选冗余路由器根据接收到的冗余NA消息统计出重叠节点的个数n，并发送TRR冗余关联响应消息给请求路由器（若不能收到其父节点的回复，则说明候选冗余路由器没有该请求路由器的唯一上行通路，则必须置n为0值，表示不能作为冗余路由器）；

e）请求路由器收到候选冗余路由器的冗余关联响应，计算与候选冗余路由器的重叠节点个数n占自身父、子节点总个数m的比例n/m，若大于作为冗余路由器所要求的预定比例P，则成功建立冗余关系，发送TRR冗余关联确认消息给候选的冗余路由器；若小于要求比例P，则选择下一个LQI较好的邻居路由器为候选的冗余路由器，重复上述过程，重新查找合适的冗余路由器；

f）邻居路由器收到冗余关联确认消息，则完成冗余关系的建立，设置自己为请求路由器的冗余路由器，开始相应的冗余工作。

2.冗余代理工作

冗余关系一旦建立成功后，冗余路由器转换工作在两种模式中：冗余正常路由模式和冗余代理路由模式。工作于冗余正常路由模式时，冗余路由器只进行自身父子节点间的数据路由转发工作，只有一个链路层MAC地址。而当工作于冗余代理路由模式时，冗余路由器相当于具有双MAC地址，一个是自身MAC地址，继续接收、处理MAC目的地址为自己的数据；另一个则是请求路由器的MAC地址，代理请求路由器的路由转发工作，将接收MAC目的地址为请求路由器的数据。

冗余路由器工作在冗余代理路由模式时，通过请求路由器的地址和深度可计算出其后代节点地址，在Mesh适配层进一步对请求路由器的数据进行处理：若Mesh路由终点地址为请求路由器，则丢弃该数据包；若Mesh路由终点地址为请求路由器的后代节点，则根据树型路由公式计算出下一跳地址，并转发给该节点；若Mesh路由终点地址为非请求路由器的后代节点，则为上行数据，直接转发给请求路由器的父节点。冗余路由器为请求路由器代理转发的数据所使用的MAC源地址，为该请求路由器MAC地址，因此，该过程完全透明，父节点和子节点不会发现代理过程，保持原树型网络的结构。

图2所示为树型网络冗余路由器示意图，该网络的节点A为根节点，实线连接代表节点间树型父子关系，节点D和节点E间建立冗余关系，节点D为请求路由器，节点E为冗余路由器，虚线连接为请求路由器的子节点、父节点与冗余路由器的通信链路连接。冗余路由器与请求路由器的重叠节点个数n为4，请求路由器关联的父、子节点总个数m为4，则n/m等于1，大于作为冗余路由器的预定P比值0.8。在请求路由器D工作正常时，其后代节点到节点A的数据路径为F/G/H→D→B→A，节点E工作于冗余正常路由模式时，只进行自身数据的转发任务；而当请求路由器失效时，冗余路由器工作模式转换到冗余代理路由模式，同时为自身和节点D提供数据路由转发工作，节点E相当于有自身和节点D的两个MAC地址，虽然节点D已经不工作，但其后代节点仍然以节点D为MAC目的地址发送数据，而节点E将会转发该数据，实际的路径为F/G/H→E→B→A，下行数据同理。

3.路由器失效发现与恢复

请求路由器的失效将启动冗余路由器从冗余正常路由切换工作模式到冗余代理路由模式，本发明设计有主动和被动两种方式发现失效。一是请求路由器因休眠等因素不再进行路由工作，便主动发送TRR路由器失效通告消息给冗余路由器，同时停止路由转发数据；二是冗余路由器周期性监测请求路由器是否正常工作，请求路由器被动发现失效状态。

请求路由器失效后再恢复正常工作，应当解除冗余路由器的代理工作，对自身数据进行路由转发，而冗余路由器工作模式从冗余代理路由转换到冗余正常路由。根据路由器失效后恢复是否重新入网，恢复方式对应失效方式分为主动和被动两种。如果请求路由器为主动失效后恢复工作，其已经存储有冗余关系并且知道冗余路由器正在代理工作，则请求路由器将发送路由器恢复通告消息给冗余路由器，冗余路由器则转换到冗余正常路由模式。如果请求路由器是故障断电等情况导致被动失效后又恢复工作，则其没有存储自身动态MAC地址和已经建立的冗余关系，将发送信标帧重新入网，并从父节点处获取原来的短地址，请求路由器重入网的交互过程将被冗余路由器发现，认为请求路由器工作恢复正常，但并不知道与自己的冗余关系，于是发送冗余关系通告消息给请求路由器，并转换到冗余正常路由模式，请求路由器便能获知该冗余关系。图3说明了请求路由器的失效与恢复对冗余路由器工作状态的转换。

4.冗余关系维护

树型网络为动态自组织网络，节点入网时间也许不一致，请求路由器选择冗余路由器后仍可能还有新的子节点或者邻居路由器加入，或者出现节点故障掉线等情况，网络拓扑可能会发生变化且冗余路由器也可能发生故障失效。因此，请求路由器在建立冗余关系后将进行冗余关系维护，周期性不断监测冗余路由器工作状态，如果发现失效，则取消与该路由器的冗余关系并向上层协议汇报。在网络拓扑变化较大的情况，当前冗余路由器和请求路由器的节点重叠率可能有所下降，或者有更优的邻居路由器作为冗余路由器，所以，上层协议将发出重新建立冗余关系的指示，请求路由器则将先发送TRR冗余关系取消消息给当前冗余路由器，再发起新的冗余关系的建立，得到更优的冗余路由器。

冗余路由器若发现自身电量即将耗尽不能继续工作，或是资源有限及其他原因不再为请求路由器担任冗余路由器，便会发送TRR冗余关系取消消息给请求路由器，请求路由器取则消该冗余关系，重新发起新的冗余路由器的冗余关系建立。

5.TRR消息设计与邻居发现协议的改进

IPv6无线传感网中适配层树型路由无需控制消息即可进行路由，而为了对树型无线传感网的IPv6路由器冗余方法的实现提供支持，本发明设计了用于冗余机制的ICMPv6TRR控制消息报文。为了减少传感器节点能量的消耗和节省网络带宽，TRR控制消息报文的设计相当精简，同时遵循ICMPv6报文格式规范，TRR报文由ICMPv6头部主体和必要的控制信息组成，其基本格式如图1所示。

TRR报文包括类型、编码、校验和、负载和保留位。如前所述，TRR的类型值设置为TBD1（“TBD”为“To Be Determined”的缩写，表示“待决定”），该值暂定为1，表示为树型路由冗余控制消息。编码域占一个字节，标识TRR控制消息类型，如表1所示。负载域为对应TRR类型的负载内容，若为冗余关联请求，则代表请求路由器的网络深度；若为冗余关联响应消息，则代表重叠子节点个数n；其他类型该域应忽略且置0。

表1：TRR消息类型

编码值	TRR消息类型	功能描述
			0x01	冗余关联请求	请求邻居路由器建立冗余关系
0x02	冗余关联响应	邻居路由器响应冗余关系请求
			0x03	冗余关联确认	确认冗余关系的建立
0x04	路由器失效通告	主动方式通告路由器的失效
			0x05	路由器恢复通告	主动方式通告路由器的恢复工作状态
0x06	冗余关联取消	取消已建立的冗余关系

为了对路由器冗余方法中的冗余邻居路由器发现和请求路由器的父子节点发现提供支持，本发明对IPv6邻居发现协议RS/RA和NS/NA消息进行了相应的改进，分别更改原有RS、RA、NS、NA消息中保留域的第一位为路由器冗余标识位F，如图5、6、7、8分别为改进后RS、RA、NS、NA消息格式。RS消息设置F位值为1，则代表请求具备冗余能力的邻居路由器回复响应，否则值为0，代表RS消息与原普通RS消息意思一致；RA消息设置F位值为1，则代表该路由器可以作为冗余路由器，否则值为0，代表RA消息与原普通RA消息意思一致；NS消息设置F位值为1，则代表请求目标地址的父节点和子节点回复响应，否则值为0，代表NS消息与原普通NS消息意思一致；NA消息设置F位值为1，则代表该节点是目标地址的父节点或子节点，否则值为0，代表NA消息与原普通NA消息意思一致。本发明为了叙述方便，将F位置1的RS、RA、NS、NA消息分别称为冗余RS、冗余RA、冗余NS、冗余NA消息。

路由器通过广播发送冗余RS消息发现周围邻居中能够建立冗余关系的路由器，收到冗余RS消息的邻居路由器若能作为冗余路由器，则应当回复冗余RA消息，否则不应当回复冗余RA消息。当路由器需要知道与另一个邻居路由器的父、子节点的重叠数量时，则可以通过发送冗余NS消息给周围邻居，若是目标地址的父节点或者子节点，则应当回复冗余NA消息。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明方法权利要求所限定的范围。

Claims (4)

1.一种适用于树型无线传感网的IPv6路由器冗余方法,其特征在于，包括以下步骤：

101、无线传感网建立动态自组织树型网络，所述树型网络中的请求路由器首先广播发送改进的冗余RS消息给邻居路由器，当邻居路由器收到改进的冗余RS消息，则回复冗余RA响应消息，跳转至步骤102,；否则不进行回复，结束；

102、请求路由器收到冗余RA响应消息后，获知能与自己建立冗余关系的邻居路由器，并获取与之对应邻居路由器通信链路的LQI值，将LQI值与邻居路由器的信息存储于缓存中，选取LQI值最优的邻居路由器作为候选冗余路由器，请求路由器发送ICMPV6TRR冗余关联请求消息给该候选冗余路由器；

103、候选冗余路由器收到ICMPV6TRR冗余关联请求消息后，候选冗余路由器广播发送改进的冗余NS消息给其周围邻居，请求路由器的父节点和子节点将对该改进的冗余NS消息回复改进的冗余NA响应消息，候选冗余路由器则根据接收到的冗余NA响应消息统计出重叠节点的个数n，并发送ICMPV6TRR冗余关联响应消息给请求路由器；

104、请求路由器收到候选冗余路由器的冗余关联响应后，计算与候选冗余路由器的重叠节点个数n占自身父、子节点总个数m的比例n/m，若大于作为冗余路由器的设定比例P，则成功建立冗余关系，发送ICMPV6TRR冗余关联确认消息给候选冗余路由器；若小于设定比例P，则选择剩余LQI值中最大的邻居路由器为候选冗余路由器，重复上述过程，重新查找冗余路由器；邻居路由器收到冗余关联确认消息，则完成冗余关系的建立，设置自己为请求路由器的冗余路由器；

105、请求路由器正常工作时，冗余路由器工作于冗余正常路由模式，冗余路由器只进行自身父子节点间的数据路由转发；

请求路由器失效时，冗余路由器工作于冗余代理路由模式，冗余路由器在接收目的地址为自己的数据的同时，还接收MAC目的地址为请求路由器的数据；冗余路由器通过请求路由器的地址和深度计算出其后代节点地址，若Mesh路由终点地址为请求路由器的地址，则丢弃该数据包；若Mesh路由终点地址为请求路由器的后代节点的地址，则根据树型路由公式计算出下一跳地址，并转发给该节点；若Mesh路由终点地址为非请求路由器的后代节点的地址，则为上行数据，直接转发给请求路由器的父节点；其中冗余路由器为请求路由器代理转发的数据所使用的MAC源地址为该请求路由器的MAC地址；

106、当失效的请求路由器恢复正常工作时，冗余路由器则恢复到冗余正常路由模式，冗余路由器与请求路由器互相监测对方的工作状态以实现冗余关系的维护。

2.根据权利要求1所述的适用于树型无线传感网的IPv6路由器冗余方法,其特征在于，步骤105中请求路由器失效时冗余路由器工作切换到冗余代理路由模式采用主动和被动两种失效发现方式：其中主动方式为请求路由器主动发送ICMPV6TRR路由器失效通告消息给冗余路由器；被动方式为冗余路由器周期性监测请求路由器是否正常工作。

3.根据权利要求1所述的适用于树型无线传感网的IPv6路由器冗余方法,其特征在于，步骤106中的请求路由器恢复方式，采用主动和被动两种恢复机制，若为主动失效后恢复，请求路由器存储有冗余关系，则发送ICMPV6TRR路由器恢复通告消息给冗余路由器使其转换到冗余正常路由模式；若为被动失效后恢复，请求路由器将重新入网，冗余路由器发现请求路由器已恢复工作，发送ICMPV6TRR冗余关系通告消息给请求路由器，并转换到冗余正常路由模式，请求路由器获知该冗余关系。

4.根据权利要求1所述的适用于树型无线传感网的IPv6路由器冗余方法,其特征在于，所述ICMPV6TRR冗余控制消息格式包括类型、编码、校验和、负载和预留域,其中，ICMPV6TRR的类型值为TBD1，编码值为1，代表ICMPV6TRR控制消息类型。