CN103813372A - 一种基于IPv6的无线传感器网络管理方法 - Google Patents

一种基于IPv6的无线传感器网络管理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于IPv6的无线传感器网络管理方法，用于配置IPv6无线传感器网络中的节点信息，维护IPv6无线传感器网络的性能。所述方法包括如下内容：根据IPv6无线传感器网络管理的需求和IPv6无线传感器网络的特点，设计节点、路由器和协调器的管理信息交互模式，包括主动交互模式和被动交互模式；设计节点和路由器的管理信息库，包括全局类管理信息对象、协议栈分层管理信息对象、安全固件更新管理对象、时间管理对象和节能管理对象；设计网络管理专用命令帧，用于常用的管理命令，可以减少管理报文的长度，减少节点与路由器的能量消耗；设计对管理对象通用的统一访问方法，对代码进行优化，极大的节省了程序可用空间。本发明可以有效地对IPv6无线传感器网络进行管理，同时尽可能减小网络管理进程的能量消耗。

Description

一种基于IPv6的无线传感器网络管理方法
技术领域
本发明涉及工业无线传感器网络技术领域，具体涉及一种基于IPv6的无线传感器网络管理方法。
背景技术
无线传感器网络是由大量微型、具有无线通信能力的传感器节点组成，具有资源受限、大规模部署、高度动态性等特点。在无线传感器网络中，传感器节点被部署在监控区域内，相互协作完成特定的监控任务。由于传感器节点的内存和能量有限，而传感器节点所负担的任务不同，各传感器节点的能量消耗不平均，导致个别传感器节点容易失效。任何一个传感器节点的变化或故障都有可能影响端到端链路的可靠通信，这是无线传感器网络与计算机网络所存在的显著差异。
IPv6作为下一代互联网的核心协议，具有地址资源丰富、地址自动配置、安全性高、移动性好等优点，无线传感器节点和网络体系结构的IP化是当前无线传感器网络技术发展的重要趋势。基于IPv6的无线传感器网络是IP技术与无线传感器网络的融合，具有两者各自部分特征，同时也具有其独特性，因此，传统的网络管理技术无法应用在储存资源和处理资源受限的传感器网络中，设计一种适用于IPv6无线传感器网络的管理方法变得尤为重要。
目前，虽然对工业无线传感器网络管理方法的研究日益趋多，但是这些方法存在其局限性，不能很好的迎合IPv6无线传感器网络管理的需求。在专利《一种可靠地无线传感器网络管理方法》中，仅提出了对节点入网、退网和自适应调频的管理，并没有对节点其他的性能参数进行系统的管理。本发明提出了一种基于IPv6的无线传感器网络管理方法，目的在于对节点进行系统的管理，维护IPv6无线传感器网络的性能。
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地管理无线传感器网络中的设备，维护无线传感器网络的性能的基于IPv6的无线传感器网络管理方法，本发明的技术方案如下：一种基于IPv6的无线传感器网络管理方法，其中基于IPv6的无线传感器网络包括协调器、路由器及节点，所述网络管理方法包括以下步骤：
101、当节点或路由器采用主动交互模式的因事主动汇报消息时，节点主动发送报告Report/Sink信息给路由器进行汇报，或路由器主动发送报告Report/Sink信息给协调器进行汇报，采用报告Report/Sink通信模式，跳转至步骤103；
当节点或路由器采用主动交互模式的周期性主动汇报消息时，节点或路由器周期性发送发布订阅Publish/Subscribe消息给协调器，包括周期的KeepAlive汇报、周期性的邻居节点及信道质量汇报，跳转至步骤103；
102、当节点或路由器采用被动交互模式与路由器或协调器通信时，路由器或协调器发出读、写、执行命令给节点或路由器，采用客户/服务器Client/Server通信模式访问节点或路由器管理信息库的属性，对于常用信息的获取采用网络专用命令帧，跳转至步骤103；
103、当路由器或协调器采用网络管理专用命令帧，用于常用的属性报告、读和写命令操作，将命令和对象的属性绑定。
104、当路由器或协调器没有采用网络管理专用命令帧时，则采用通用管理对象统一的访问方法。
进一步的，步骤101中节点主动交互模式的因事主动汇报消息包括：设备信息汇报对象，树形拓扑对象，mesh拓扑对象，警报对象，休眠汇报对象，关机汇报对象。
进一步的，步骤101中节点和路由器周期性主动汇报消息包括：周期性KeepAlive汇报对象与周期性邻居信息汇报对象。
进一步的，步骤102中节点和路由器被动交互模式管理信息对象包括：全局类管理信息对象，协议栈分层管理信息对象，固件更新管理对象、时间管理对象和节能管理对象。
更进一步的，所述全局类管理信息对象包括设备信息管理对象，设备监视状态管理对象，协议栈系统信息管理对象；所述协议栈分层管理信息对象包括：物理层管理对象，数据链路层管理对象，适配层和网络层管理对象，应用支持子层管理对象。
更进一步的，所述适配层和网络层管理对象包括：拓扑管理对象，邻居发现管理对象，IP管理对象，ICMP管理对象，6LoWPAN管理对象，RPL管理对象，树形路由管理对象。
本发明的优点及有益效果如下：
本方法有效地管理无线传感器网络中的设备，维护无线传感器网络的性能，并且在实现其网络管理功能的时候，设计网络管理专用命令帧，减小网络管理进程的能量消耗，设计对管理对象通用的统一访问方法，对代码进行优化，极大的节省程序可用空间
附图说明
图1是网络管理通信图；
图2网络管理交互模式与管理信息对象图；
图3适配层和网络层管理对象图；
图4网络管理帧结构图；
图5网络管理帧首部帧控制域结构图；
图6Report/Sink和Publish/Subscribe帧的负载结构图；
图7Client/Server读请求帧的负载结构图；
图8Client/Server读响应帧的负载结构图；
图9Client/Server写请求帧的负载结构图；
图10Client/Server写响应帧的负载结构图；
图11Client/Server执行请求帧的负载结构图；
图12Client/Server执行响应帧的负载结构图。
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。
在基于IPv6的无线传感器网络中，协调器作为管理者，管理网络中的其他节点，也就是IPv6无线传感器网络中的其他无线设备，包括无线路由、无线终端；路由器可作为管理者，管理网络中其他节点，亦作为被管理者，被上级路由器或协调器管理；节点只可作为被管理者，被路由器和协调器管理。网络管理通信图如图1所示。
协调器管理进程的功能是发送读、写和执行命令给节点；接收节点管理进程发送的读响应、写响应和执行响应；接收节点管理进程发送的Report/Sink信息和Publish/Subscribe信息。
路由器管理进程的功能是转发协调器管理进程发送给节点管理进程的读、写和执行命令；转发节点管理进程发送给协调器管理进程的读响应、写响应和执行响应；转发节点管理进程发送给协调器管理进程的Report/Sink信息和Publish/Subscribe信息；接收协调器管理进程发送给自己的读、写和执行命令；发送读响应、写响应和执行响应给协调器管理进程；发送Report/Sink信息和Publish/Subscribe信息。
节点管理进程的功能是接收协调器管理进程发送的读、写和执行命令；发送读响应、写响应和执行响应给协调器管理进程；发送Report/Sink信息和Publish/Subscribe信息。
管理信息交互模式分为主动交互模式和被动交互模式。
网络管理交互模式与管理信息对象如图2所示，主动交互模式，包括节点和路由器因事主动汇报消息与节点和路由器周期性主动汇报消息，利用网络管理辅助通信模式，Report/Sink和Publish/Subscribe通信模式，节点管理进程或路由器管理进程向协调器管理进程分别发送Report/Sink信息和Publish/Subscribe信息。Report/Sink和Publish/Subscribe管理信息帧采用如图4所示的网络管理帧结构，其负载的格式如图6所示。
（1）设备因事主动汇报消息
节点管理进程或路由器管理进程因事件触发主动发送Report/Sink信息给路由器管理进程或协调器管理进程，向管理者进行汇报，使用应用层提供的Report/Sink通信模式。节点遇事主动汇报消息的情况，包括以下几种：
1）设备入网后需要主动汇报的管理信息
节点或路由器入网成功并获得前缀后，节点管理进程或路由器管理进程需要主动向协调器管理进程发送设备信息帧，汇报设备自身的消息，如设备的短地址、设备的类型、设备的深度等。设备信息帧里包含设备信息汇报对象，内容如表1所示。
表1：设备信息汇报对象
Figure BDA0000467452200000041
2）设备拓扑变化汇报
当设备树形路由发生变化时，如有路由器下挂新的子节点时，节点管理进程或路由器管理进程向协调器管理进程发送树形路由信息帧，汇报设备的树形路由信息，树形路由信息帧包含树形拓扑对象，内容如表2所示。
表2：树形拓扑对象
Figure BDA0000467452200000042
Figure BDA0000467452200000051
当设备mesh路由发生变化时，如有路由器下挂新的子节点时，节点管理进程或路由器管理进程向协调器管理进程发送mesh路由信息帧，汇报设备的mesh路由信息，mesh路由信息帧包含mesh拓扑对象，内容如表3所示。
表3：mesh拓扑对象
Figure BDA0000467452200000052
3）设备发生警报
当节点或路由器出现以下几个状况时，节点管理进程或路由器管理进程向路由器管理进程或协调器管理进程发送警报帧，汇报警报事件。警报帧里面只有警报对象标识符和警报对象的属性ID，警报对象如表4所示。
表4：警报对象
Figure BDA0000467452200000053
Figure BDA0000467452200000061
4）节点休眠前汇报
节点准备休眠时，节点管理进程向协调器管理进程发送休眠汇报帧，汇报节点即将进入休眠状态，休眠汇报帧的休眠汇报对象包括节点的地址信息和休眠的时间，其内容如表5所示。
表5：休眠汇报对象
Figure BDA0000467452200000062
5）设备主动关机前的汇报
准备关机时，节点管理进程或路由器管理进程向协调器管理进程发送关机汇报帧，汇报设备即将进入关机状态，关机汇报帧的关机汇报对象包括节点的地址信息，关机汇报对象表6所示。
表6：关机汇报对象
（2）设备周期性汇报消息
基于应用层提供的Publish/Subscribe通信模式，节点管理进程或路由器管理进程周期性发送Publish/Subscribe消息给协调器管理进程，包括周期的KeepAlive汇报和周期性的邻居节点和信道质量汇报。
1）周期性的KeepAlive汇报
节点管理进程或路由器管理进程周期性地发送负载为空的KeepAlive信息给协调器管理进程，验证设备的有效性。周期性KeepAlive汇报对象如表7所示。
表7：KeepAlive信息
Figure BDA0000467452200000071
2）周期性的邻居节点及信道质量汇报
节点管理进程周期性地发送邻居信息帧给协调器管理进程，汇报邻居节点和信道质量。周期性邻居信息对象如表8所示。
表8：邻居和信道信息管理对象
Figure BDA0000467452200000072
被动交互模式，即协调器管理进程或路由器管理进程发出读、写、执行命令给路由器上或节点上的管理进程，访问路由器或节点管理信息库的属性，节点管理进程或路由器管理进程发送相应的响应给协调器管理进程或路由器管理进程。被动交互模式采用网络管理通信的基本方式Client/Server。读请求帧的负载结构如图7所示，读响应帧的负载结构如图8所示；写请求帧的负载结构如图9所示，写响应帧的负载结构如图10所示；执行请求帧的负载结构如图11所示，执行响应帧的负载结构如图12所示。
管理信息库包含节点全局类管理信息对象，协议栈分层管理信息对象，固件更新管理对象、时间管理对象和节能管理对象。其中全局类管理信息对象包括设备信息管理对象、设备监视状态管理对象和协议栈系统信息管理对象。协议栈分层管理信息对象包括物理层管理对象、数据链路层管理对象、网络层和适配层管理对象和应用支持子层管理对象。协调器或路由器管理进程通过访问各种管理信息对象属性，对节点或路由器的各种参数进行配置，同时获取各种网络性能相关的参数。
（1）全局类管理信息对象
1）设备信息管理对象
设备信息管理对象包含设备的基本信息，设备的地址信息，设备的生产信息，管理者的地址信息等，设备信息对象的属性定义如表9所示。协调器管理进程（或路由器管理进程）可以发送读、写命令，访问设备信息管理对象属性。
表9：节点信息管理对象
Figure BDA0000467452200000081
2）设备监视状态管理对象
设备监视状态管理对象包含节点在运行中的动态信息，设备监视状态对象如表10所示。协调器管理进程（或路由器管理进程）可以发送读、写命令，访问设备监视状态对象属性，可以读取设备的电源状态，内存状态。
表10：节点监视状态对象
Figure BDA0000467452200000092
3）协议栈系统信息管理对象
协议栈系统信息管理对象包含协议栈的基本信息，协议栈的类型，版本号等，如表11所示。协调器管理进程（或路由器管理进程）可以发送读、写命令，访问协议栈系统信息管理对象属性。
表11：协议栈系统信息管理对象
Figure BDA0000467452200000093
Figure BDA0000467452200000101
（2）协议栈分层管理信息对象
1）物理层管理对象
物理层的管理对象包含协议栈物理层的管理信息，如信道信息，当前频率等信息，如表12所示。协调器管理进程（或路由器管理进程）可以发送读、写命令，访问物理层管理对象属性。
表12：物理层管理对象
Figure BDA0000467452200000102
2）数据链路层管理对象
数据链路层的管理对象包含协议栈数据链路层的管理信息，如表13所示。协调器管理进程（或路由器管理进程）可以发送读、写命令，访问数据链路层管理对象属性。
表13：数据链路层管理对象
Figure BDA0000467452200000111
Figure BDA0000467452200000121
Figure BDA0000467452200000131
Figure BDA0000467452200000141
3）适配层和网络层管理对象
IPv6无线传感网网络层和适配层的功能比较复杂，根据网络层和适配层的功能，如图3所示将网络层和适配层的管理信息对象划分为几下几个大类。
（a）拓扑管理对象
拓扑管理对象包括入网节点和脱网节点的信息，如表14所示。协调器管理进程（或路由器管理进程）可以发送读、写命令，访问拓扑管理对象属性。
表14：拓扑管理对象
Figure BDA0000467452200000142
（b）邻居发现管理对象
邻居发现管理对象包含邻居节点的信息如表15所示。协调器管理进程（或路由器管理进程）可以发送读、写命令，访问邻居发现管理对象属性。
表15：邻居发现管理对象
Figure BDA0000467452200000143
Figure BDA0000467452200000151
（c）IP管理对象
IP的管理对象包含节点的IP数据报的信息，如表16所示。协调器管理进程（或路由器管理进程）可以发送读、写命令，访问IP管理对象属性。
表16：IP管理对象
Figure BDA0000467452200000152
Figure BDA0000467452200000161
Figure BDA0000467452200000171
（d）ICMP管理对象
ICMP的管理对象包含节点接收ICMP消息状况，如表17所示。协调器管理进程（或路由器管理进程）可以发送读、写命令，访问ICMP管理对象属性。
表17：ICMP管理对象
Figure BDA0000467452200000172
Figure BDA0000467452200000181
（e）6LoWPAN管理对象
6LoWPAN管理对象包含了节点分片重组的信息，如表18所示。协调器管理进程（或路由器管理进程）可以发送读、写命令，访问6LoWPAN管理对象属性。
表18：6LoWPAN管理对象
Figure BDA0000467452200000182
（f）RPL管理对象
RPL管理对象包含RPL路由的信息，如表19所示。协调器管理进程（或路由器管理进程）可以发送读、写命令，访问RPL管理对象属性。
表19：RPL管理对象
Figure BDA0000467452200000202
Figure BDA0000467452200000211
（g）树形路由管理对象
树形路由管理对象包含了树形路由信息，如表20所示。协调器管理进程（或路由器管理进程）可以发送读写命令，访问树形路由管理对象属性。
表20：树形路由管理对象标识符
属性 ID 类型 可访问性 描述
EUI64 1 Unsigned64 只读 设备的EUI-64
DL_Address_16_Bit 2 Unsigned16 读/写 设备16位短地址
Deep 3 Unsigned8 只读 设备深度
DeviceCapabilities 4 Unsigned16 只读 设备的能力；
ParentAddress16bit 5 Unsigned16 读/写 设备父节点的短地址
ParentEUI64 6 Unsigned64 只读 设备父节点的EUI-64
ChildNode 7 Unsigned8 只读 设备子节点数目
ChildNode Address16bit 8 Unsigned16 读/写 设备子节点短地址
ChildNodeEUI 9 Unsigned64 只读 设备子节点的EUI-64
4）应用支持子层管理对象
应用支持子层管理对象包含了协议栈应用支持子层的管理信息，如表21所示。协调器管理进程（或路由器管理进程）可以发送读、写命令，访问应用支持子层管理对象属性。
表21：应用支持子层管理对象
Figure BDA0000467452200000212
Figure BDA0000467452200000221
（3）固件更新管理对象、时间管理对象和节能管理对象
1）固件更新管理对象
固件更新管理对象，包含了上传和下载的管理信息，如表22所示。协调器管理进程（或路由器管理进程）可以发送读、写命令，访问固件更新管理对象属性。
表22：固件更新管理对象
Figure BDA0000467452200000222
2）时间管理对象
系统时间管理对象包含了协议栈的时间信息，如表23所示。协调器管理进程（或路由器管理进程）可以发送读、写命令，访问时间管理对象属性。
表23：时间管理对象
Figure BDA0000467452200000231
3）节能管理对象
节能管理对象包含了节点的电量、休眠时间等管理信息，如表24所示。协调器管理进程（或路由器管理进程）可以发送读、写命令，访问节能管理对象属性。
表24：节能管理对象
为了减小各网络管理进程的能量消耗，本发明设计了一种网络管理专用命令帧，如表25所示，将常用的管理信息固定，使协调器管理进程或路由器管理进程在读取或设置节点大量的常用管理对象属性时，只需要一个命令ID和属性值即可。例如，协调器管理进程在读取设备信息，包括设备深度、设备短地址、设备父节点短地址、设备的EUI地址、设备的能力等信息时，负载只需要一个命令ID100即可。
表25：专用管理命令帧
Figure BDA0000467452200000233
Figure BDA0000467452200000241
Figure BDA0000467452200000251
协调器管理进程或路由器管理进程在对一些常用管理对象属性进行重复性访问时，使用网络管理专用命令帧，可以减少网络管理报文的长度，减小能量消耗，同时也减小了网络流量。
特别地，在被动交互模式的实现方法中，采用通用的访问方法对各管理信息对象属性的读、写和执行服务进行处理和响应，支持一次性对同一管理信息对象的单个属性或多个属性的操作，在确定管理信息对象ID的前提下，通过通用的访问响应函数分别就读、写和执行三种服务以及接收到的管理命令的管理信息对象属性ID，调用查找函数中存放被管理信息对象的属性数目、属性地址、属性ID和对应属性长度的表格，获取对应管理信息对象属性值。
使用该实现方法减少了节点管理进程或路由器管理进程对协调器管理进程或路由器管理进程下发的管理信息进行对象属性查找、解析与响应的繁琐性，对代码进行优化，极大的节省了程序可用空间。
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 (6)

1.一种基于IPv6的无线传感器网络管理方法，其中基于IPv6的无线传感器网络包括协调器、路由器及节点，其特征在于，所述网络管理方法包括以下步骤：
101、当节点或路由器采用主动交互模式的因事主动汇报消息时，节点主动发送报告Report/Sink信息给路由器进行汇报，或路由器主动发送报告Report/Sink信息给协调器进行汇报，采用报告Report/Sink通信模式，跳转至步骤103；
当节点或路由器采用主动交互模式的周期性主动汇报消息时，节点或路由器周期性发送发布订阅Publish/Subscribe消息给协调器，包括周期的KeepAlive汇报、周期性的邻居节点及信道质量汇报，跳转至步骤103；
102、当节点或路由器采用被动交互模式与路由器或协调器通信时，路由器或协调器发出读、写、执行命令给节点或路由器，采用客户/服务器Client/Server通信模式访问节点或路由器管理信息库的属性，对于常用信息的获取采用网络专用命令帧，跳转至步骤103；
103、当路由器或协调器采用网络管理专用命令帧，用于常用的属性报告、读和写命令操作，将命令和对象的属性绑定。
104、当路由器或协调器没有采用网络管理专用命令帧时，则采用通用管理对象统一的访问方法。
2.根据权利要求1所述的基于IPv6的无线传感器网络管理方法，其特征在于：步骤101中节点主动交互模式的因事主动汇报消息包括：设备信息汇报对象，树形拓扑对象，mesh拓扑对象，警报对象，休眠汇报对象，关机汇报对象。
3.根据权利要求1所述的基于IPv6的无线传感器网络管理方法，其特征在于：步骤101中节点和路由器周期性主动汇报消息包括：周期性KeepAlive汇报对象与周期性邻居信息汇报对象。
4.根据权利要求1所述的基于IPv6的无线传感器网络管理方法，其特征在于：步骤102中节点和路由器被动交互模式管理信息对象包括：全局类管理信息对象，协议栈分层管理信息对象，固件更新管理对象、时间管理对象和节能管理对象。
5.根据权利要求4所述的基于IPv6的无线传感器网络管理方法，其特征在于：所述全局类管理信息对象包括设备信息管理对象，设备监视状态管理对象，协议栈系统信息管理对象；所述协议栈分层管理信息对象包括：物理层管理对象，数据链路层管理对象，适配层和网络层管理对象，应用支持子层管理对象。
6.根据权利要求5所述的基于IPv6的无线传感器网络管理方法，其特征在于：所述适配层和网络层管理对象包括：拓扑管理对象，邻居发现管理对象，IP管理对象，ICMP管理对象，6LoWPAN管理对象，RPL管理对象，树形路由管理对象。
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