CN104796333A - 一种基于IPv6的无线传感网络与Internet多网关互联方案 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于IPv6的无线传感网络与Internet多网关互联方案，IPv6无线传感器网络遵循6LoWPAN标准，包括在现有6LoWPAN网络中引入root-LBR（根网关）和多个LBR（普通网关），并在6LoWPAN内采用扩展RPL路由算法的IP网际路由，在所述root-LBR与多LBR间采用IP隧道方案以实现所述root-LBR与多LBR间IP有线高速联通，再统一通过root-LBR与上一级Internet网络互联和路由。本发明提供的基于IPv6的无线传感网络与Internet网络间的互联方案降低了无线IP网关的功耗，不仅无线网关节点实现了负荷分担，提高网络生存期，而且提高了网际联接的容量，降低了互联延迟。

Description

一种基于IPv6的无线传感网络与Internet多网关互联方案

技术领域

本发明涉及在基于IPv6的无线传感器网络（WSN）实现与Internet 网络互联中的连接方法，一种基于IP的无线传感网络与Internet网络间的互联方案。

背景技术

无线传感器网络是一种要求低功耗的无线个域网，将大量的传感器节点或智能应用节点联接起来，是物联网络的核心技术。将IP技术应用于无线传感器网络，实现无线和有线IP网络的无缝连接是物联网络的基本要求。

下一代互联网IPv6 提供了丰富的网络节点地址，将 IP 协议栈裁剪后运用到无线传感网，为每个节点都分配一个IP 地址，能实现无线传感器网和传统 Internet 的无缝对接，真正实现人与物的互联互通，这在应用上会有更广阔的前景。基于 WSN物理层和MAC层标准IEEE802.15.4 的 IPv6 通信已经由 IETF 6LoWPAN（IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks） 工作组发布标准和草案。利用 IEEE 802.15.4 链路支持基于IP的通信，遵守开放标准以及保证与其它IP设备的互操作性，使WSN节点可以IP化，目前该研究尚处在快速发展阶段。

要实现WSN与Internet的互通和融合，需要建立互联网关或者支持多模IP融合节点，并且需要在网关路由中考虑网络的低功耗要求和链路负荷平衡的问题。但当前6LoWPAN标准和草案中关于WSN与Internet IP网络互联相关的描述仍相对缺乏，其中在IETF RFC6775标准（6LoWPAN邻居发现优化协议）中给出了对边界路由（6LBR）的支持，由6LBR管理6LoWPAN网络前缀，定义了边界路由选项（ARO），并定义了由6LBR控制的冲突地址检测信号DAR/DAC。在IETF RFC6550（6LoWPAN路由RPL协议）中将6LBR定义为WSN根节点之一，除此之外，并未给出6LoWPAN网关互联和互联融合的方法。一些文献中给出了实现基于RPL的IP网际互联方法是WSN节点通过单一网关，或者将WSN节点分成多簇，比如RPL中的DODAG，各簇内节点通过簇头实现网际联接。单一互联网关的方法会造成WSN网际流量汇聚到网关节点，不仅造成网关和拓扑靠近网关的WSN节点功耗增大，也造成信道拥塞，出现功耗和负载的不平衡；多簇联接方法可以降低网关的功耗和负荷压力，但需要合理的分簇管理，一旦成簇就难以实现簇间流量分担，对于时间相关的传感信息流量，分簇方式实现多网关的网际互联很难解决整个网络优化问题。

由于通过多IP网关联接到一个WSN IP子网存在路由的冲突问题，因此不仅WSN内节点存在多路径的网际路由问题，而且在Internet侧也存在WSN目标IP节点的多网关路由问题。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明提供了一种能够通过节点间多跳和多网关实现WSN网内节点与网外IPv6节点实现互通互联的路由方案，并且给出了路由分担至多IP互联网关的算法，从而降低了无线IP网关的功耗，不仅在无线网关节点实现了负荷分担，而且在提高了网际联接的容量，降低了互联延迟。

一种基于IP的无线传感网络与Internet网络间的互联方案，其特征在于包括在现有6LoWPAN IP网络中引入root-LBR和多个LBR，并在6LoWPAN内采用遵循扩展RPL路由算法的IP网际路由，在所述root-LBR与所述多LBR间采用IP隧道方案以实现所述root-LBR与所述多LBR间IP有线联通，再统一通过root-LBR与上一级Internet网络互联和路由。

该发明通过引入root-LBR和多个LBR，能够保证6LoWPAN内IP前缀分配的一致性，通过在6LoWPAN内采用遵循扩展RPL路由算法，增加LBR和LR的网际路由算法，即可灵活的优化整个网络中的网际互联流量和功耗分配;实现IPv6无线传感器网络与Internet的多点联接，降低网际互联中功耗和流量在网络中的不平衡，提高网络生存期和提高网络容量。

本发明的一个实施例还包括如下特征：

具体的，在网关的6LoWPAN一侧，LBR具有网关公告能力，LBR公告的网关信息会存储在本分支的父节点和root-LBR节点，网关信息包括网关拓扑位置、剩余能量、当前负荷。

具体的，6LoWPAN内IP网际路由遵循的RPL路由算法为根据6LoWPAN内的路由节点的功耗、跳数和距离因素综合计算RANK值，并比较各路由节点的RANK值来选择路由方向。

进一步的，6LoWPAN内网至外网的路由过程为：

S1)将目前IPv6前缀与本6LoWPAN不同的IP包发送至父节点LR（LoWPAN Router）,若父节点为root-LBR，则直接由root-LBR网关输出；否则进入S2;

S2)判断父节点LR下是否有子节点LBR,若无则返回S1，若有进入S3;

S3)分别计算至root-LBR、子节点LBR的RANK值，若root-LBR的RANK值大于LBR的RANK值则返回S1，否则路由至子节点LBR的网关输出。

进一步的，所述Internet至6LoWPAN内网的路由过程为:当Internet 目的IP前缀为6LoWPAN前置时，IP包会首先路由至目的6LoWPAN的root-LBR；然后root-LBR根据6LoWPAN网络拓扑，并计算到达目的节点不同路径的RANK值并比较RANK值，确定延根网关还是普通网关路由，并延IP隧道发送至指定网关/LBR。

进一步的，所述IP隧道的实现是将IP数据包直接封装在隧道TCP/UDP报文中转发至隧道链路的对端节点，而不受原IP数据包的路由和目的地址影响。

通过本发明中提出的基于IPv6的无线传感器网络与Internet网络间互联方案，使无线传感器网络数据通过多网关分担能耗和负荷，解决了网际数据环境下的传感网能耗、容量和网络生存期问题。另外，通过引入IPv6无线传感器网络的root-LBR（根网关）和IP隧道，解决了6LoWPAN网通过多网关与Internet间的路由问题。并且该多网关方法是对原RPL路由的补充，并不影响原RPL路由算法的完整性和兼容性，更具体的实施方案和效果通过下面的实施例更在充分的体现出来。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明的6LoWPAN多网关IP互联结构示意图；

图2为本发明的6LoWPAN内多网关LBR路由示意图；

图3为本发明的6LoWPAN内网至外网路由过程示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面参照图1-3对本发明实施例的基于6LoWPAN的IPv6无线传感网络与Internet网络间的互联方案做进一步的描述。

如图1所示，通过在现有6LoWPAN IP网络中引入root-LBR和多个LBR，6LoWPAN网络节点拓扑采用类树形结构，图中示出的root-LBR在Internet网络一侧对应称为“根网关”， LBR1和LBR2 在Internet网络一侧对应分别称为其中的一个“普通网关”，并修改6LoWPAN内的IP网际路由算法，在6LoWPAN内采用遵循RPL路由算法的IP网际路由，在各网关的Internet一侧采用IP隧道方案，也即是在LBR1与root-LBR之间建立了IP隧道1，在LBR2和root-LBR之间建立了IP隧道2， 实现root-LBR与各LBR的IP有线联通，并统一通过root-LBR与上一级Internet网络互联和路由。这样能够保证6LoWPAN内IP前缀分配的一致性，在6LoWPAN内采用遵循RPL路由算法的IP网际路由，可灵活的优化整个网络中的网际互联流量和功耗分配。

如图1所示，在6LoWPAN一侧，设定与root节点对应的root-LBR，也称根网关，其它为普通网关，即LBR1和LBR2为一般的普通网关, LBR1和LBR2位于6LoWPAN中的分支或叶子节点。LBR1和LBR2具有网关公告能力，公告的网关信息会存储在本分支的父节点和root-LBR节点，网关信息包括网关拓扑位置、剩余能量、当前负荷等。而在网关的Internet一侧，与root-LBR对应的成为根网关，LBR1和LBR2对应的被称为普通网关，根网关和普通网关不一定在同一IP子网,在根网关和普通网关之间建立有线的IP隧道。

从6LoWPAN中上行的网际数据经过网关被路由入IP隧道，经Internet转发至根网关再发往目标IP，如图1所示为(1)号节点网际IP数据经过LBR1（普通网关1）,再经IP隧道转发到root-LBR（根网关）输出，又Internet网络再发往目标终端(H)；由Internet下行的报文目的IP在6LoWPAN内时，统一路由发往根网关（root-LBR），由根网关综合依据6LoWPAN网络拓扑、能耗和容量等条件，根据算法确立路由，将报文送入IP隧道发往指定的普通网关，由普通网关发往6LoWPAN内IP节点,如图1中所示Internet终端(H)号节点数据要发往6LoWPAN网内(6)号节点，首先IP数据路由至root-LBR（根网关），由根网关根据算法将IP数据经隧道发往LBR2（普通网关2），由LBR2发往节点(6)。这样就解决了IP多网关和同一6LoWPAN IP子网的矛盾。

下面结合图1-图3进一步说明以6LoWPAN标准和RPL路由协议为基础所给出网际路由方法的实现过程。

6LoWPAN RPL路由协议运行于存储模式（storing），节点拓扑关系为有向无环图（DODAG）结构，网关信息包括网关拓扑位置、剩余能量、当前负荷，LBR（LoWPAN边界路由器）的信息只需要其父节点记录即可。网关公告可以借助于DAO消息（RFC6775中邻居检测协议NDP定义）。DAO消息由子节点向父节点发送，即可将网关信息依次最终达到root/root-LBR节点。以图1中，包含LBR2信息的节点有：(6)、(5)、root-LBR；包含LBR1信息的节点有(2)、root-LBR。

6LoWPAN网内数据路由遵循RPL路由算法，例如：RFC6550、RFC6551、RFC6552、RFC6719等，根据路由节点的功耗、跳数和距离等因素综合计算RANK值，并比较各路由节点的RANK值，选择路由方向。如图2所示，如果是目的地址前缀与本6LoWPAN IP前缀不同，则判定为外网数据，将数据延DODAG拓扑向root/root-LBR进行路由，当数据经过父节点LR时，根据该LR中存储的子节点LBR信息以及至root-LBR的信息，分别计算RANK确定数据包从该父节点LR沿路由r2向下至其子节点LBR，还是继续沿路由r1上行至root-LBR。如果路由选择沿路由r2下行向子节点LBR，当父节点LR有多个子节点LBR时，需要根据各子节点LBR的RANK确定向哪一个LBR路由，如图2中路由r2选择LBR1，且数据通过RPL多跳向下路由时，需要在IPv6的扩展报头，hop-by-hop rpl扩展选项中确认是向下路由的数据。该路由过程可用图3表示，具体为：

S1)将目的IPv6前缀与本6LoWPAN不同的IP包发送至父节点LR,若父节点为root-LBR，则直接由root-LBR网关输出；否则进入S2;

S2)判断父节点LR下是否有子节点LBR,若无则返回S1即返回，若有进入S3;

S3)分别计算至root-LBR、子节点LBR的RANK值，若root-LBR的RANK值大于子节点LBR的RANK值则返回S1，否则路由至子节点LBR的网关输出。

从6LoWPAN网内到达LBR的IP数据包经过分片重组、以及IP/UDP/TCP报头解压缩后、IPv6地址恢复，到达网关外网Internet侧，再经过有线IP隧道转发至根网关（root-LBR）,再由根网关延Internet路由至目的IP节点。IP隧道是两网关节点之间IPv6传感数据包或进入6LoWPAN数据包的隧道，实现方法是：将IP数据包直接封装在隧道TCP/UDP报文中转发至隧道链路的对端节点，而不管原IP数据包的路由和目的地址，即IP数据包不受原IP数据包的路由和目的地址影响。

在RPL协议中，根节点root/root-LBR包含所有子节点和LBR的信息，即Internet侧根网关拥有6LoWPAN网内拓扑信息，根网关具有6LoWPAN子网与Internet间的路由。这样，当Internet 目的IP前缀为6LoWPAN的IP前缀时，IP包会首先路由至目的6LoWPAN的root-LBR（根网关），然后root-LBR根据6LoWPAN网络拓扑，并计算到达目的节点不同路径的RANK值，以确定延根网关还是普通网关路由，并延IP隧道发送至指定网关/LBR。在root-LBR或LBR上，将IP包进行IP/UDP/TCP报头压缩、地址映射，进入6LoWPAN网，并按RPL协议路由至目的IP节点。

以上实施例不仅给出实现多网关的方案，也提出具体的6LoWPAN 多网关路由算法，但仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的创造性精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于IPv6的无线传感网络与Internet多网关互联方案其特征在于包括在现有6LoWPAN网络中引入root-LBR（根LoWPAN边界路由器/网关）和多个LBR（普通LoWPAN边际路由器/普通网关），并在6LoWPAN内采用扩展RPL路由算法的IP网际路由，在所述root-LBR与多LBR间采用IP隧道方案以实现所述root-LBR与多LBR间IP有线高速联通，再统一通过root-LBR与上一级Internet网络互联和路由。

2.如权利要求1所述的基于IPv6的无线传感网络与Internet多网关互联方案，其特征在于网关的6LoWPAN一侧，LBR具有网关公告能力，LBR公告的网关信息会存储在本分支的父节点和root-LBR节点，网关信息包括网关拓扑位置、剩余能量、当前负荷。

3.如权利要求2所述的基于IPv6的无线传感网络与Internet多网关互联方案，其特征在于6LoWPAN内IP网际路由遵循扩展的RPL路由算法，根据6LoWPAN内的路由节点的功耗、跳数和距离因素综合计算RANK值，并比较各路由节点的RANK值来选择路由方向。

4.如权利要求3所述的基于IPv6的无线传感网络与Internet多网关互联方案，其特征在于6LoWPAN内网至外网的路由过程为：

S1)将目的IP前缀与本6LoWPAN不同的IP包发送至父节点LR（LoWPAN Router）,若父节点为root-LBR，则直接由root-LBR网关输出；否则进入S2;

S2)判断父节点LR下是否有子节点LBR,若无则返回S1，若有进入S3;

S3)分别计算至root-LBR、子节点LBR的RANK值，若root-LBR的RANK值大于LBR的RANK值则返回S1，否则路由至子节点LBR的网关输出。

5.如权利要求3所述的基于IPv6的无线传感网络与Internet多网关互联方案，其特征在于Internet至6LoWPAN内网的路由过程为:

当Internet 目的IPv6前缀为6LoWPAN无线传感网络前缀时，IP包会首先路由至目的6LoWPAN的root-LBR；然后root-LBR根据6LoWPAN网络拓扑，并计算到达目的节点不同路径的RANK值，以确定延根网关还是普通网关路由，并延IP隧道发送至指定网关/LBR。

6.根据权利要求1至5任一所述的基于IPv6的无线传感网络与Internet多网关互联方案，其特征在于所述IP隧道的实现是将IP数据包直接封装在隧道TCP/UDP报文中转发至隧道链路的对端节点，而不受原IP数据包的路由和目的地址影响。