CN104219301A - 一种应用在6lowpan中的服务发现协议 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用在6lowpan中的服务发现协议，以满足静态和动态IP为基础的USNS，本发明的服务发现协议(ADP)的架构包括三个主要部分：用户代理(UA)：负责在拉模式发现服务；服务代理(SA)：负责登记，在推模式中负责广告和维护服务的信息；状态维护机制：负责制定对任何拓扑变化无缝反应的协议。本发明采用了一种基于混合自适应推拉模型的完全分布式方法，提供了完全分布的、节能的、情境感知的应用层SD协议的设计，实现以及评价。具有较强的可行性和广泛的应用性，除了对拓扑结构频繁变化能够及时反应外，还具有高发现率、采集时间快速、较低的网络开销和低能耗的优点。

Description

一种应用在6lowpan中的服务发现协议

技术领域

本发明涉及一种应用层服务发现协议，属于传感器网络技术领域。

背景技术

在普适智能环境下比如普适传感器网络环境(USNs)，设备以一种点对点方式通过无线电通讯，显示自己的特性。为了允许有效设备的可用性，设备必须能够以无缝的方式动态地共享，发现和管理服务。出于这个原因，自动服务发现被看作是所有像USN这种分布式的、开放的、动态的环境的基本需求。因此，面向USN的首要的问题是建立一个自动服务发现框架，允许实体(人/设备)，在适当的时间对于适当的服务保证高可操作性。

为了以一种无缝方式和传统IP网络结合，6LoWPANs使用标准的，可互操作的协议来克服异质性的问题，这使得跨层设计不再合适；有限的功率、内存和USN的带宽，也使得其他普适环境中现有的协议设计不再合适；此外，节点的流动性在这些网络中引发了更多的挑战。设备加入和离开6LoWPAN的高频率意味着服务应经常被公布，这会产生很高的网络开销。

这些限制意味着对6lowpans中SD新方法的需求。尤其是计算，通信和功率等方面的限制，使得对新方法的需求显得十分明显，这种新方法应当能够减少和平衡设备和网络的能量消耗，尽可能使生成的控制包的数量最小，更重要的是它提出的机制能够在设备加入/离开时用来检测该设备的可用/不可用性。考虑到节点大部分处于睡眠状态的现状，设备的合作潜力和和网络环境应被新方法用来增强发现机制。

经检索，现有技术《一种基于6LoWPAN邻居发现的树状路由方法》(公布号为CN102148756A)公开了一种树状路由方法，涉及无线传感网络技术领域，包括如下步骤：a.在6LoWPAN传感器节点加入网络时，建立树状拓扑的根节点，对所述根节点配置网络的基本信息；b.在网络中加入其它普通节点；c.路由的形成；且在所述步骤c中，若发生叶子节点失效或离开、非叶子节点失效或离开、节点的移动三种情况之一时，则触发路由修复过程；若没有情况发生，则保持处理结束。这些举措一定程度上减少了资源消耗，然而其发现率不高，采集时间不够迅速，不适合普适智能环境。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种应用在6lowpan中的服务发现协议，即一种完全分布式的，高效的应用层发现协议(ADP)，本发明考虑到与传统的IP网络无缝集成的需要，不仅具有广泛的应用性、适合普适智能环境，而且采集时间快速，具有能耗低的优点。

本发明中，ADP定义了三个原始数据包类型：广告；请求和回复；再加上可选的数据包类型：删除。

所有的包共享同一个标题，包含有关协议版本和邮件类型信息。然而，对于有效载荷，请求和删除消息都有一个固定的有效载荷长度，并且分别包含有关请求服务的必要标准，和用来唯一标识一个被删除服务的必要信息。取决于服务描述中信息项相异的大小和数量，广告和回复消息有一个可变的负载规模。

本发明的服务发现协议(ADP)的架构包括三个主要部分：

用户代理(UA)：负责在拉模式发现服务；

服务代理(SA)：负责登记，在推模式中负责广告和维护服务的信息；

状态维护机制：负责制定对任何拓扑变化无缝反应的协议。

下面对本服务发现协议的架构的做具体说明：

1.用户代理(UA)

为了保证有效服务的发现率尽量高，同时最大限度地减少非生产性的开销，UA采用受距离向量协议启发的有限洪泛法,并使用了无环基元，保证服务请求消息被一个中间节点最多转发一次。

当一个节点需要发现和使用网络共享服务，节点呼叫自己的UA；

UA通过检查节点的本地目录开始以便找到服务：如果发现则过程结束，否则，服务请求消息将由UA产生并被传播到整个网络中。在发现匹配所请求的条件的服务时，UA生成一个服务应答消息并发送给请求者，如图1所示。

2.服务代理(SA)

SA负责控制ADP推模式，SA的主要功能是：登记和广播服务描述。

当一个新的节点加入网络，开始对其有效服务进行广播；

当网络接受到新节点的服务包时，新节点所包含的SA决定所包含条目的效用，SA使用涓流算法调整推模式发送窗口，即通过利用传输消息的数量和性质的相关消息来使广播的大小和数量最小；该算法可以在任何分布式推或混合推拉SD协议中使用；

SA通过使用涓流算法来传递网络消息，把必要广播区分优先次序，同时确保一个情境感知的方式使得发送消息的数量最少，并通过控制和降低包含在一个单一广播消息中的条目数量保证了协议的可扩展性；

在窗口发送结束后，SA包含在本地有效的外推服务和远程缓存服务中。

3.状态维护机制

最后，ADP提出了状态维护机制，旨在及时反应拓扑变化，从而当有些节点不再可用时，防止服务产生错误的广播，以保持网络连贯。

为了提供服务的答复，ADP提出了两种机制1)使用底层路由协议或2)利用转发服务请求时构造一个反向路径。除了其在能量和潜伏期节约方面的优点，第二种机制为该路径上的节点提供了缓存包含应答消息的服务信息的可能性。该状态维护机制利用被请求转换的路径，使用像AODV这样的路由机制来按原路径返回应答。

本发明中的相关术语定义及缩略词如下：

USNs：Ubiquitous Sensor Networks普适传感网络；

SD：Service Discovery服务发现；

ADP：Application-layer Discovery Protocol应用层上的高效服务发现协议；

TTL：Time-To-Live生存周期；

MTU：Maximum Transmission Unit最大传输单元；

UA:User Agent用户代理；

SA：Service Agent服务代理。

本发明服务发现协议(ADP)采用了一种基于混合自适应推拉模型的完全分布式方法，能够满足静态和动态IP为基础的USNS，提供了完全分布的、节能的、情境感知的应用层SD协议的设计，实现以及评价。为民用和军用里的6LoWPANs提供了一种服务发现机制，具有较强的可行性和广泛的应用性，除了对拓扑结构频繁变化能够及时反应外，还具有高发现率、采集时间快速、较低的网络开销和低能耗的优点。

附图说明

图1是本发明服务发现协议(ADP)实现原理示意图。

图2是反向路径的构造示意图。

图中标记代表：P：开始推送服务的新节点；N：网络中已经存在的节点；R：应答消息。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

A.用户代理(UA)：

当一个节点要使用网络共享服务，它呼叫它的UA，UA检查其本地目录；

如果服务被发现，这个发现将由一个纯粹的推模式完成；否则，UA启动一个服务请求包，并将其发送到网络，使用有限洪泛法以保证有效服务的发现率为100％；

同时，UA组为wait_response_time(等待应答计时器)设置它的应答计时器来等待应答；

在定时器结束后，如果反应尚未收到，UA将重新发送相同的数据包，同时request_retransmission_counter(请求重发计数器)开始计时减少。

当计数器达到零(洪泛法要求)，UA中止请求，并得出结论认为，由于网络过载,断线或拒绝服务,服务要么不存在要么无法访问；

另一方面，UA总是监听服务请求数据包，处理它们与REQUEST_DISK比较并决定是否转发，中止或产生应答消息。

因此，在接收到请求消息时，UA用其本地目录条目对该消息进行匹配：如果一个服务匹配了请求消息，答复将发出；否则，UA调查数据包传输的距离，并将其与REQUEST_DISK(请求盘)进行比较。根据这些结果，决定是否中止或转发请求。

通过采用受距离向量协议启发的有限洪泛法，UA保证有效服务的发现率100％，而在同时，由于使用了无环基元，UA能最大限度地减少非生产性的开销，保证服务请求消息被一个中间节点最多转发一次。

B.服务代理(SA)：

SA负责控制ADP推模式。为此，SA使用涓流算法，通过利用传输消息的数量和性质的相关消息来使广播的大小和数量最小。涓流算法通过使用涓流计时器I,范围是[Imin；Imax]来设置传递窗t，t的值在[I/2；I]间随机挑选。该算法可以在任何分布式推或混合推拉SD协议中使用。SA的主要功能是：登记和广播服务描述，详细如下:

(1)涓流算法控制服务登记：当接收广播消息时，SA开始匹配算法。根据算法的输出，SA可以决定是否缩小发送窗口。

在接收到的广播消息adv_msg中每一个条目代表一个服务描述S，附加上M(跳跃距离)并用序号值F来修饰。前两个用来限制消息的传播，而第三个是用来保证广告的无环路的传输；它仅由提供商设置和增加。因此，进入服务广告的消息基本上可以按本矢量(S，F，M)代表。

登记算法研究了条目(S，F，M)中的M。如果M是大于ADVERTISMENT_DISK的，条目被终止，这使得广告服务只有在供应商的附近。另一方面，该配准算法研究adv_msg服务条目的一致性。当条目已经在节点的本地目录里时，接收到的服务条目被认为是始终不变的。这些条目被证实具有以下两点特征：1)接收的服务条目(S，F，M)已经在该节点的本地目录(S，F，M)中并且拥有更小的f值(F<F′)；2)接收的服务条目(S，F，M)已经在该节点的本地目录(S，F，M)和F值相同(F＝F’)和一个大于或等于M(M＞＝M’)。在这种情况下，登记算法只增加相关的计数器C。

另一方面，若条目是变化的的，登记也是可行的(无论是条目不存在于接收者新的本地目录中还是节点接收到一个对现存有效条目的更新)。SA在一个生存时间(TTL)周期内对这样的条目进行登记，并将其计数器C清为零。对adv_msg中第一个可行的条目来说，如果I大于Imin，则涓流计时器I被设置为Imin，且传输定时器T相应复位重置。这意味着通过快速转发下一个广告，能够对不同设备网络实现近实时更新。如果一个节点保持不变，当I结束(在I时间段内没有登记)，I时间段扩大而且被设定成(2I，IMAX)间的最小值。

(2)广告规则和协议的可扩展性：在传送定时器T结束后，SA呼叫广告算法形成播出消息。

标记不一致(以C值等于零)的条目所代表的新的或更新的信息，包括在即将外推的广播内。因为这些项目尚未被网络知道，因此他们的声明是非常重要的且因此它们是优先的。然而，只发送高实用信息可能不足以优化采集时间，尤其是对无线传输不可靠(反射，噪音……等)或者网络稀少或者网络有漏洞的情况来说，如图1所示。

如果节点N1接受一个相同的信息并停止转发它，网络的一部分将不能被更新，这会延误对来自这些区域请求的后续答复。因为这个原因，一个冗余的常数K(K＞＝1)被用来包含其他不太有用的信息。因此，传出的消息将由其他一些条目填满，这些条目按顺序核实，条件是C小于或等于K(C≤K)。为了确保消息不会超过物理MTU，当服务数量的增多，应给予K的选择很大的关注；另外，TTL值用于阻止发送过期消息。

以上广告规则利用由涓流算法传递网络消息，把必要广播区分优先次序，同时确保一个情境感知的方式使得发送消息的数量最少，通过控制和降低包含在一个单一广播消息中的条目数量保证了协议的可扩展性。

C.状态维护机制：

ADP提出了状态维护机制，旨在及时应对拓扑变化，从而当有些节点不再可用时，防止服务产生错误的广播。状态维护机制提供了两个机制保持网络更新：

机制一：供应商通过可选的删除消息来宣布服务分离。为了不让网络充斥着删除包，ADP对这些消息实施了一些简单分析。实际上，ADP使用了用于控制服务广播的涓流算法来管理删除包的转发。因此，一旦提供的服务不可用(举例来说，传感/驱动部分的错误等)或，者故意变得不可用(例如供应商决定离开网络，设备重新启动……等)，它启动一个删除包，这个删除包将会被发送到网络中去。出于优化的原因，必须注意两个事项：1)即将外推的包可能包含一个或多个将被删除的或者将要被广播的服务条目；2)当一个供应商要离开网络，它可以发送一个包含0服务条目的删除包来通知网络删除它所有提供的服务。在接收到删除包时，节点从本地目录删除相应的服务信息(当删除包含有0事项时，所有服务条目由供应商提供)，然后用上述涓流算法来管理其转发。使用涓流算法来管理删除转发能够节约能源和网络吞吐量，更重要的是，保持网络对节点分离的实时跟新，从而提高了协议的可靠性。值得注意的是，结算网络形成无效服务的速度(删除分离服务)，取决于流的最小间隔的Imin。

然而，由于这一机制在节点意外离开的情况下不会工作，ADP可以利用基本的邻居发现协议强制执行TTL机制，从而使网络对分离节点保持更新。

机制二：正如在本节开始所述，ADP提供了另一种反向路径路由来降低协议的资源消耗。该机制利用被请求转换的路径，使用像AODV这样的路由机制来按原路径返回应答。这种机制主要有3个优点：1)消除由底层路由协议产生的开销；2)当试图建立路线，尤其是在反应式路由协议时，避免延迟响应；3)使用最低成本的基元，它们适合那些很少见的发现流量。这样做，它意味着一个有限大小的路由表的使用，具有下列结构：

<destination_addr,next_hop,TTL>

此外，当一个链路的路径被打破，该机制可以检测到它，调用路由协议继续提供包给请求者(如图2所示)。

除了对节约资源的重要性，该机制允许SA节点构建路径来注册包含了应答的服务信息，提高后续请求的延迟。

上述实施方式中所涉及到的技术特征，只要彼此间未构成冲突就可以相互组合。本发明不限于上述实施例，一切采用等同替换或等效替换形成的技术方案均属于本发明要求保护的范围。

Claims (3)

1.一种应用在6lowpan中的服务发现协议，其特征在于，包括如下部分：

(1)UA：负责在拉模式发现服务；

UA采用有限洪泛法,并使用无环基元，保证服务请求消息被一个中间节点最多转发一次；

当一个节点需要发现和使用网络共享服务，该节点呼叫自己的UA；

UA检查节点的本地目录：如果发现则过程结束；否则，服务请求消息将由UA产生并被传播到整个网络中；

在发现匹配所请求的条件的服务时，UA生成一个服务应答消息并发送给请求者；

(2)SA：负责登记，在推模式中负责广告和维护服务的信息；

当一个新的节点加入网络，开始对其有效服务进行广播；

当接受到新节点的服务包时，对应节点所包含的SA决定网络所包含条目的效用，SA使用涓流算法调整推模式发送窗口，即通过利用传输消息的数量和性质的相关消息来使广播的大小和数量最小；

在窗口发送结束后，SA包含在本地有效的外推服务和远程缓存服务中；

(3)状态维护机制：负责制定对任何拓扑变化无缝反应的协议；

所述状态维护机制提供一种反向路径路由来降低协议的资源消耗，所述状态维护机制利用被请求转换的路径，使用路由机制来按原路径返回应答。

2.根据权利要求1所述的服务发现协议，其特征是，本服务发现协议定义了三个原始数据包类型：广告；请求和回复；可选的数据包类型：删除。

3.根据权利要求2所述的服务发现协议，其特征是，所有数据包均共享同一个标题，包含有关协议版本和邮件类型信息；所述请求和删除消息都有一个固定的有效载荷长度，广告和回复消息有一个可变的负载规模。