CN104836737A - 以命名数据为中心的物联网通信方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种以命名数据为中心的物联网节点的通信方法，包括：存储本节点的路由能力信息和所能提供数据的数据名字命名数据，所述数据名字命名数据中包括路由信息；路由建立步骤：与本节点通信范围内的其它节点进行路由能力信息交换，建立本节点的路由表；数据请求响应步骤：收到包含数据名字命名数据的数据请求后，判断本节点是否具有所请求的数据内容，若有则返回包含数据名字命名数据和内容的数据响应，否则根据数据名字命名数据的路由信息在本节点的路由表中查找下一跳路由节点，转发该数据请求到该下一跳路由节点，并缓存该数据请求的来源节点；收到数据响应后，根据该数据响应中的数据名字命名数据查找对应的来源节点，将该数据响应返回给该来源节点。本发明可以提高物联网内部的数据通信效率。

Description

以命名数据为中心的物联网通信方法

技术领域

本申请涉及数据通信领域，尤其涉及一种以命名数据为中心的物联网通信方法。

背景技术

物联网，是新一代信息技术的重要组成部分，它将无处不在的终端设备通过无线、有线的通信网络实现互联互通。物联网也是一个动态的全球网络基础设施，基于标准和互操作通信协议的自组织能力，物联网将与媒体互联网、服务互联网和企业互联网一起构成未来的互联网。

随着互联网发展的日新月异，现有的IP体系结构在扩展性、移动性、稳定性以及安全性等方面存在的缺陷也越来越明显。近几年，物联网的发展由概念向实际应用和生活中转化，基于物联网的各种智能硬件和通信技术也迅猛发展。物联网彻底改变了人与物、物与物之间的关系；感知网络和传输网络上产生了巨大的信息量，同时也给网络带来了繁杂的问题。

物联网体系结构是指物联网系统的组成及相互之间的关系，物联网体系结构的设计要遵循以下原则：首先，物联网需要能够与现有的网络进行互连与融合。无论从硬件基础设施、软件应用系统还是用户方式方面，互联网、传感网、移动通信网等现有网络都已深入了人类生产、生活，与现有网络兼容互通是物联网体系结构设计的基本要求之一。其次，物联网体系结构须充分考虑物联网自身的重要特征，特别是物联网中的网元能力差异性、网络环境动态性等特点。物联网发展还处于初步阶段，网络通信协议不标准、网络终端计算能力不统一、网络数据传输不稳定。为了解决物联网的这些问题，业界对物联网的体系结构进行了深入研究，并借鉴互联网中的有效经验来进行标准的制定。

关于物联网的研发，最早从无线传感器网络开始，已经进行了十余年的工作。物联网中的通信方法，主要是为了解决网络中数据的有效传输，有各种各样的解决方案；包括从以数据为中心的DD路由算法，到分簇路由及其改进算法；从以节点号为标识的路由算法，到基于节点地理位置的路由算法；从简单环境的静态路由，到复杂拓扑的动态路由。这些通信机制和路由算法基本是借鉴传统的IP的思路，围绕节点的编号进行设计，而忽视了物联网的体系结构，并没有针对其网元异质性、信息为中心特性、网络环境动态性做系统的考虑。

现有技术的几乎所有的物联网通信技术方案，都是借鉴互联网的思路，在物联网中有一定的效果；但是没有一套通信机制在物联网中实现以信息为中心的通信，并与互联网在网络层无缝连接，以达到真正的全网互联的目的。

目前，物联网面临的最大挑战就是如何将互联网和物联网更高效快捷地连接在一起，以及在此基础上提高物联网内部的数据通信效率。具体表现在：一是各行业之间存在差异，针对每种业务的需求，都需要建立一套管理平台及终端；这不仅导致了平台之间的资源无法共享，也增加了开发成本和维护成本。二是各业务平台都是为了解决特定问题而产生的，并不对社会开放使用，造成了服务的孤岛化，大众没有一个可利用的平台，就不能接入自己的设备，分享自己的数据；没有开放的平台，开发者也无法实现自己的创意物联网产品。三是终端动态网络的数据传输效率低下，自组织能力不够，需要人工干预，增加采集成本和部署成本。这些问题都是物联网发展所需要解决的重要问题。

总之，现有的物联网通信技术，都是基于节点号的点对点方式，大部分只适用于各传感器节点向汇聚节点(SINK节点)汇聚传感信息，再由SINK节点在应用层统一处理，才能使用传感数据，通信效率较低。所述SINK节点主要用于物联网与外网(例如移动网，因特网等)的连接，可看作网关节点。另外，现有物联网通信的路由建立和维护方式主要有静态路由、自组织路由等，最终目的是建立传感器节点到SINK节点的路径。路由的建立基于无线链路的质量，到SINK节点的跳数等参数，和具体数据内容无关，这些特点也导致了其物联网内部的数据通信效率低下。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种以命名数据为中心的物联网通信方法，以提高物联网内部的数据通信效率。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种以命名数据为中心的物联网通信方法，包括：

存储本节点的路由能力信息和所能提供数据的命名数据，所述命名数据中包括路由信息；

路由建立步骤：与本节点通信范围内的其它节点进行路由能力信息交换，建立本节点的路由表；

数据请求响应步骤：收到包含命名数据的数据请求后，判断本节点是否具有所请求的数据内容，若有则返回包含命名数据和内容的数据响应，否则根据命名数据的路由信息在本节点的路由表中查找下一跳路由节点，转发该数据请求到该下一跳路由节点，并缓存该数据请求的来源节点；收到数据响应后，根据该数据响应中的命名数据查找对应的来源节点，将该数据响应返回给该来源节点。

在一种优选实施例中，所述路由建立步骤具体包括：上电后初始化，广播包含本节点路由能力信息的路由信息包；在收到其它节点的路由信息包后，判断该路由信息包中的路由能力信息是否与本节点的路由能力信息匹配，在能够匹配时在所述路由表中添加一条路由记录，该路由记录包括该路由信息包的路由能力信息及其来源节点的节点标记。

在一种优选实施例中，所述路由信息包为：上电路由信息包或通用路由信息包；所述广播包含本节点路由能力信息的路由信息包，具体包括：在上电初始化后广播一次包含本节点路由能力信息的上电路由信息包，之后周期广播包含本节点路由能力的通用路由信息包；在收到其它节点的上电路由信息包后，进一步包括：立即向该上电路由信息包的来源节点发送一个通用路由信息包。

在一种优选实施例中，所述在所述路由表中添加一条路由记录后，进一步包括：为该条路由记录设置计时器，在该计时器时间未耗尽的情况下，如果再次收到该条路由记录所标记的节点发来的路由信息包，则重置该计时器；如果该计时器时间耗尽，则删除该条路由记录。

在一种优选实施例中，所述判断该路由信息包中的路由能力信息是否与本节点的路由能力信息匹配，具体包括：判断该路由信息包中的路由能力是否为本节点的路由能力的子集，如果是则判定能够匹配，否则不能匹配。

在一种优选实施例中，所述缓存该数据请求的来源节点，具体包括：在请求等待列表PIT中增加一条等待记录，该条等待记录包括：该数据请求的命名数据和该数据请求的来源节点标记；为该条等待记录设置计时器，如果该计时器时间耗尽，则删除该条等待记录。

在一种优选实施例中，在收到包含命名数据的数据响应后，进一步包括：在本节点的内容库中缓存该数据响应中的命名数据和数据内容；

在收到包含命名数据的数据请求后，判断本节点是否有所请求的数据内容时，具体包括：判断本节点所能提供数据的命名数据是否与数据请求中的命名数据相同，如果相同则读取本节点的数据内容，返回包含命名数据和内容的数据响应，如果不同则在本节点的内容库中查找是否有所述数据请求的命名数据，如果有则从内容库中读取该命名数据的数据内容，返回包含命名数据和内容的数据响应；否则根据命名数据的路由信息在本节点的路由表中查找下一跳路由节点，转发该数据请求到该下一跳路由节点，并缓存该数据请求的来源节点。

在一种优选实施例中，所述在本节点的内容库中缓存该数据响应中的命名数据和数据内容后，进一步包括：为该条命名数据和数据内容设置计时器，如果该计时器时间耗尽，则删除该条命名数据和数据内容。

在一种优选实施例中，所述命名数据根据物联网的网络拓扑结构和数据类型命名，所述路由信息为网络拓扑结构的等级结构信息。

在一种优选实施例中，所述网络拓扑结构为树状网络拓扑结构。

与现有技术相比，本发明所述的物联网中，物联网节点中存储命名数据，所述命名数据中包括路由信息，并根据各节点的路由能力信息的交换，建立各自节点的路由表；由于命名数据中就包括了路由信息，因此本发明可以直接根据数据请求的命名数据进行路径的查找，寻找下一跳的路由节点，在中间节点收到数据响应后，也是根据命名数据迅速查找到对应的来源节点，并返回数据响应。通过本发明的这种基于含有路由信息的命名数据的通信方法，可以大大提高数据转发速度和回应速度，从而提高了物联网内部的数据通信效率。

附图说明

图1为本发明所述以命名数据为中心的物联网通信方法的一种通信框架示意图；

图2为本发明一种实施例的物联网节点的交互示意图；

图3为本发明所述物联网节点的通信方法的一种处理示意图；

图4为节点通信架构图以及CS表、PIT表、FIB表的数据结构示意图；

图5为本发明一种教学楼应用场景中的命名数据命名方法的说明图；

图6为本发明路由信息包的数据格式示意图；

图7为本发明数据信息包的数据格式示意图；

图8为本发明所述仿真实验不同发送时间间隔的丢包率变化图；

图9为本发明所述仿真实验不同发送时间间隔的时延变化图；

图10为本发明所述仿真实验不同发送时间间隔的能量消耗变化图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。

本发明中，所述物联网通信方法综合考虑了物联网通信的特点：数据量小，重复请求，节点能力弱，能耗尽量低；节点可能在一定范围内移动，随时离开或者接入网络。针对物联网的这些特点，本发明提出了一种在物联网环境中使用的以信息为中心的通信方法。本发明的通信方法可以把数据用名字来表示，直接查找命名数据而不是节点号来请求数据；利用命名数据的语义信息来提高路由效率；同时使节点移动对数据发送影响更小，还可以进一步利用数据缓存来提高数据重复利用的效率。

图1为本发明所述物联网节点的一种通信框架示意图。参见图1所示，在本发明的物联网节点中，其系统模块分为三大部分，分别是数据更新模块、数据查找模块、数据通信模块。

其中数据查找模块围绕三个存储结构展开，分别是内容缓存库(CS，Content Store)、兴趣等待列表(PIT，Pending Interest Table)、路由表即转发表(FIB，Forwarding Information Base)。围绕CS、PIT和FIB三个存储结构有四个查询模块，其中本地数据查询模块用于查询所请求的数据是否为本节点的数据，CS查找模块用于查询请求的数据是否在缓存中，PIT查找模块用于查询数据请求是否已经被记录，FIB查找模块用于根据命名数据查询下一跳的转发出口节点。四个查询模块用于对于收到的数据分组按照命名数据进行相应的查询处理，完成系统通信流程的最核心的处理环节。

数据更新模块包括：数据更新模块，主要用于传感数据(如温度、湿度等数据)的采集和存储；CS表更新模块，主要用于执行缓存更新策略，对缓存内容进行实时更新，保证数据的有效性和命中率；PIT表更新模块，主要用于清除超时为满足的数据请求条目。

数据通信模块主要包括：TinyOS底层通信模块，用于TinyOS的底层无线通信模块与数据更新模块的交互，把处理后需要发送的数据通过数据发送模块以无线频段发送出去。所述TinyOS一种嵌入式无线传感网络系统的开放源代码操作系统，但是本发明并不限定于此，也可以采用其它操作系统。

图2为本发明一种实施例的物联网节点的交互示意图。此实施例中，以该物联网系统由25个传感器节点(Telosb节点)构成为例进行说明，其中包括1个SINK节点和24个普通节点。所述Telosb节点自带温度、湿度、光照等传感器，使用TinyOS操作系统，使用2.4GHz无线频段进行通信。

本发明是以命名数据为中心的，总体流程是首先可以让任何一个命名数据网络(NDN，Named Data Networking)中的PC节点发送一个对物联网中数据的请求，通过与物联网SINK节点连接的PC获取指定的数据内容；同时，内容可以在NDN网络中执行相应的缓存和分发策略。其次，来自PC网络的兴趣请求(Interest)到达转换网关后，可以由转换网关把Interest转换为物联网中的REQ请求，由SINK节点执行查找指定数据的流程。最后找到指定数据内容之后，沿着PIT记录的路径信息返回给转换网关，并通过NDN网络返回给发送最初Interest的PC节点。

本发明所述的通信机制主要是指物联网中的数据通信部分，即如何从SINK节点通过命名数据来请求物联网的数据内容；物联网中的节点是如何根据数据请求的名字来进行路径查找以及数据取回的。

NDN采用分层结构的统一资源标识符(URI)来当做NDN名字，并采用SHA256算法生成序列号，长度可变没有限制；NDN名字全球唯一，并有签名认证。本发明所述方法可以面向Telosb传感应用场景，采用固定长度为12字节的字符串来表示传感数据；且命名数据是传感网范围内使用，可以通过网关转换为NDN全球唯一名字。

NDN的兴趣请求中有Selector字段，标识了兴趣的一些属性；NDN的内容包有数据签名和认证信息字段，用来进行对内容的加密处理等。本发明所述方法的数据请求中仅保留最核心的命名数据、数据内容两个字段，并对内容长度做限制(15字节)，足够存储传感数据且方便在传感节点缓存。

图3为本发明所述物联网节点的通信方法的一种处理示意图。参见图3，本发明的方法主要包括：

步骤301、存储本节点的路由能力信息和所能提供数据的命名数据，所述命名数据中包括路由信息；在物联网架构的建立过程中，可以基于各个节点的命名数据建立树状的网状拓扑结构。

步骤302、路由建立步骤：与本节点通信范围内的其它节点进行路由能力信息交换，建立本节点的路由表即所述FIB表；

步骤303、数据请求响应步骤：收到包含命名数据的数据请求后，判断本节点是否具有所请求的数据内容，若有则返回包含命名数据和内容的数据响应，否则根据命名数据的路由信息在本节点的路由表中查找下一跳路由节点，转发该数据请求到该下一跳路由节点，并缓存该数据请求的来源节点；收到数据响应后，根据该数据响应中的命名数据查找对应的来源节点，将该数据响应返回给该来源节点。

本发明所述的物联网中，物联网节点中存储命名数据，所述命名数据中包括路由信息，并根据各节点的路由能力信息的交换，建立各自节点的路由表；由于命名数据中就包括了路由信息，因此本发明可以直接根据数据请求的命名数据进行路径的查找，寻找下一跳的路由节点，在中间节点收到数据响应后，也是根据命名数据迅速查找到对应的来源节点，并返回数据响应。通过本发明的这种基于含有路由信息的命名数据的通信方法，可以大大提高数据转发速度和回应速度，从而提高了物联网内部的数据通信效率。

在一种具体的优选实施例中，所述路由建立步骤具体包括：

本节点在上电后进行初始化，广播包含本节点路由能力信息的路由信息包；

本节点在收到其它节点的路由信息包后，判断该路由信息包中的路由能力信息是否与本节点的路由能力信息匹配，在能够匹配时在所述路由表中添加一条路由记录，该路由记录包括该路由信息包的路由能力信息及其来源节点的节点标记。

所述判断该路由信息包中的路由能力信息是否与本节点的路由能力信息匹配，具体包括：判断该路由信息包中的路由能力是否为本节点的路由能力的子集，如果是则判定能够匹配，否则不能匹配。

本发明的一种优选实施例中，所述路由信息包可以为：上电路由信息包或通用路由信息包。所述节点广播包含本节点路由能力信息的路由信息包，具体包括：在上电初始化后广播一次包含本节点路由能力信息的上电路由信息包，之后周期广播包含本节点路由能力的通用路由信息包；但是，在本节点收到其它节点的上电路由信息包后，需要进一步立即向该上电路由信息包的来源节点发送一个通用路由信息包，从而达到与新上电节点迅速交换路由能力信息的目的。

由于物联网中的节点大部分是嵌入式处理系统的节点，其计算资源和存储资源有限，因此为了适应物联网节点的这种特点，在本发明的进一步的优选实施例中，还可以在所述路由表中添加一条路由记录后，进一步包括：为该条路由记录设置计时器，在该计时器时间未耗尽的情况下，如果再次收到该条路由记录所标记的节点发来的路由信息包，则重置该计时器；如果该计时器时间耗尽，则删除该条路由记录，标识该条路由记录不再有效。这样可以使路由表根据物联网中节点更新情况进行自动更新。

在一种具体实施例中，上述步骤303中所述节点缓存数据请求的来源节点，具体包括：在请求等待列表PIT中增加一条等待记录，该条等待记录包括：该数据请求的命名数据和该数据请求的来源节点标记；为该条等待记录设置计时器，如果该计时器时间耗尽，则删除该条等待记录。

为了可以进一步提高数据通信效率，在又一种优选实施例中，本发明还可以在节点收到包含命名数据的数据响应后，进一步包括：在本节点的内容库(即所述CS表)中缓存该数据响应中的命名数据和数据内容；在收到包含命名数据的数据请求后，判断本节点是否有所请求的数据内容时，具体包括：判断本节点所能提供数据的命名数据是否与数据请求中的命名数据相同，如果相同则读取本节点的数据内容，返回包含命名数据和内容的数据响应，如果不同则在本节点的内容库中查找是否有所述数据请求的命名数据，如果有则从内容库中读取该命名数据的数据内容，返回包含命名数据和内容的数据响应；否则根据命名数据的路由信息在本节点的路由表中查找下一跳路由节点，转发该数据请求到该下一跳路由节点，并缓存该数据请求的来源节点。

另外，由于物联网中各节点的数据随时间变化很快，为了保证数据的准确性，本发明在本节点的内容库中缓存该数据响应中的命名数据和数据内容后，还可以进一步包括：为该条命名数据和数据内容设置计时器，如果该计时器时间耗尽，则删除该条命名数据和数据内容。

下面以更为具体的实施例对本发明进行进一步详细描述。

首先具体描述本发明所述CS表、PIT表、FIB表的数据结构。本发明对这三个存储表，把策略更新使用的计时器与存储条目结合，通过计时器的复用提高效率。

图4为节点通信架构图以及CS表、PIT表、FIB表的数据结构示意图。

参见图4，本发明所述物联网节点中主要包含三大存储结构，内容库(CS)、请求等待列表(PIT)、转发表(FIB)。内容库的主要作用是提供数据内容在中间节点的缓存，并有配套的缓存清除策略保证数据的及时性。请求等待列表的作用是保存数据请求的来源节点，在网络中记录请求数据包的传输路径，以便数据内容返回的时候按原路返回。转发表的作用是为数据请求包提供基于数据名的路由，维护路由条目。

本发明所述CS表的数据结构有三个字段，分别代表命名数据、数据内容、由计时器所控制的数据生存时间。在一种具体使用实例中，每个节点默认存储6条CS内容。这样使用尽量少的存储空间去缓存更多的内容。由于本发明需要面向对实时性要求较高的传感数据，因而采用先入先出(FIFO)和超时删除结合的更新策略对CS表进行更新。

所述PIT表的数据结构与NDN的PIT结构基本一致，同样默认存储6条请求名字。本发明中数据请求的范围有限，可以通过计时器设置适当的PIT条目清除时间，防止PIT膨胀。

FIB表的数据数据结构中，可以把NDN的FIB表的face出口改为下一跳的节点ID，转发机制都采用最大长度匹配算法。由于无线传感器网络的链路不稳定，本方法增加计时器字段来删除失效的FIB条目。

本发明中，所述命名数据根据物联网的网络拓扑结构和数据类型命名，所述路由信息为网络拓扑结构的等级结构信息。所述网络拓扑结构优选可以为树状网络拓扑结构。

下面以一种应用场景为教学楼的传感数据查询为例进一步说明。图5为本发明一种教学楼应用场景中的命名数据命名方法的说明图。在该应用场景中，数据内容与传感器节点位置以及传感数据类型有关，再根据网络部署的特点采用图5所示的命名方式对命名数据进行命名。

图5所述的命名数据的命名方法，类似于统一资源定位符(url)的等级命名方法，使用“/”符号分割不同等级的命名标识。在图5的例子中，主要是使用地理位置信息和传感数据类型来标识不同的数据内容；在其他应用场景中，也可根据数据的功能或节点的全球定位系统(GPS)信息来作为命名的依据，只要满足类似url的等级结构的命名方法，就可以使用本发明描述的通信方式。

在本发明所述的通信方法中，主要有三种分组类型，即路由信息分组(RIP，Route Information Packet)即上述的路由信息包、数据请求分组(DRP，Data Request Packet)即上述的数据请求、内容响应分组(CRP，ContentResponse Packet)即上述的数据响应。

图6为路由信息包的数据格式示意图；数据请求分组和数据响应分组都属于数据分组，其格式如图7所示。

在本发明的所述三类分组中，定义了命名数据，数据内容，路由类型等等；路由分组分为上电路由分组和通用路由分组，用来提高路由信息的交换效率。

(1)路由信息分组：该分组里包含自身节点信息，以及本节点的路由能力信息。路由能力前缀指的是节点能够提供的路由范围，路由能力“t3/6”代表节点能够为“t3/6”前缀的数据请求包提供路由转发。根据路由广播包的处理流程，在节点广播范围内的节点能收到这个节点号和节点的路由能力，从而根据路由能力前缀计算节点的FIB条目信息。节点所广播的路由分组包分为两种，一种是上电路由信息包，另一种是通用路由信息包。上电路由信息包为节点上电后要发送的单次广播信息包，通用路由信息包为节点运行后周期发送的路由广播信息包，两种分组包含的信息是一致的，区别仅仅是类型不同。

(2)数据请求分组：该分组用来发送对数据的请求，其中包含被请求数据的名字，数据类型为REQ，数据内容为空。在数据请求过程中，该数据分组根据FIB表的条目信息逐条传送，直到存在数据的节点，或者FIB没有相应的出口。

(3)内容响应分组：该分组用来发送对数据请求分组的响应，命名数据与请求的数据名保持一致，数据类型为RSP，数据内容为所请求的传感数据。节点在查找到相应的数据内容之后，构造一个内容响应分组，并按照请求路径返回给请求节点。

路由转发机制是本发明所述方法的核心，主要是根据命名数据和网络拓扑的关系；数据命名本身提供了网络拓扑的位置信息和数据类型信息，再加上节点的节点号信息，即可通过局部的信息交互来构建网络拓扑和转发条目。路由转发表建立机制流程如下：

首先是网络的初始化过程，网络中的节点上电之后，广播一个上电路由信息包，周围节点收到上电路由信息包。然后，周围节点对收到的路由信息包的“路由能力”和本身节点的“路由能力”进行匹配，如果能够提供相应的路由，(收到的“路由能力”是自身“路由能力”的子集，比如自身路由能力为“t3/6”，收到的路由能力为“t3/6/32”，那么就表示能够提供相应的路由)，就把这个收到的路由能力前缀添加到FIB转发表中，并且把下一跳的节点号指向发送路由广播信息的那个节点；否则，不添加转发列表条目。最后，周围节点会定时广播一个通用路由信息包，即上电路由信息包触发周围节点来发送通用路由信息包；以便新上电的节点与周围节点迅速互相交换信息。任何节点都只对上电路由信息包进行回应，其他情况下按照一定的时间间隔周期发送通用路由信息广播。

转发表更新和维护机制：转发表FIB中包含路由前缀信息和下一跳路由节点的信息，数据请求根据数据名而转发；网络中节点陆续上电之后，节点互相交换信息即可建立各自的转发表。由于网络中无线节点的移动特性，网络拓扑和节点状态可能发生改变，转发表要做出相应的更新来适应周围网络变化，提高路由的鲁棒性，因而本系统设计了路由的维护机制。

本通信系统的路由维护策略核心是保证局部网络数据通信的稳定，即确保转发条目中的下一跳节点是可达的。具体策略是：节点每隔一段时间发送通用路由信息包，周围节点收到路由信息包后启动一个计时器，计时器超时则清除建立到本节点的转发条目。计时器的额定时间为本节点的路由信息广播周期的3倍，如果周围节点在3个广播周期内都没有收到本节点的路由广播信息，则认为这个链路失效了，清除相应的转发条目。系统中计时器是软件复用的，一个计时器可供多个条目计时使用，效率较高。

下面以图4中所述[3]号节点为例，对本发明所述的方法进一步详细说明。本发明提供的是一种以信息为中心的物联网通信方法，具体包括如下步骤：

步骤(1)节点的上电初始化过程；

步骤(2)节点之间交互路由信息，进行转发表FIB的初始化；

步骤(3)SINK节点收到来自网关的数据请求包，根据命名数据进行路由查找，并发往下一跳节点；

步骤(4)数据请求包找到存有数据的节点，按照请求路径把数据内容返回给SINK节点。

所述步骤(1)进一步包括下列操作内容：

(11)系统所有节点上电，初始化CS、PIT、FIB表；节点初始状态下的所述三个表都是空的。

(12)设置本节点的路由能力和数据内容名字。本节点会根据程序预设信息进行无线通信模块的初始化，节点[3]设置自己的路由能力为”t3/6”，能够生产以”t3/6”为前缀的数据内容(如t3/6/t、t3/6/l等)。

(13)发送上电路由信息包，进入路由初始化过程。本节点发送“上电类型”的路由信息包，仅在上电过程过发送一次，广播节点自身的路由能力信息(包含路由能力字段和节点号)。以节点[3]为例就是广播”t3/6”路由能力和”3”这个节点号。本节点无线信号覆盖范围内的节点都能收到路由信息包。

所述步骤(2)进一步包括下列操作内容：

(21)周围节点周期性发送路由信息广播包，路由信息包中标明周围节点的“路由能力”。网络中所有上电的节点除了在上电过程中发送一个“上电类型”的路由信息包，还需要以一定周期发送“普通类型”路由信息包，包中内容同样包含路由能力和节点号。

(22)本节点收到路由信息广播包，进行匹配“路由能力”，判断本节点是否能够提供相应路由。

以节点[3]为例，当本节点收到路由信息包时，判断信息包里的“路由能力”字段是否与本节点的路由能力匹配；节点[3]的路由能力为”t3/6”，如果收到节点[7]的路由能力为”t3/6/32”的路由信息包，即该节点[7]的路由能力是节点[3]的路由能力在子集，那么说明能够匹配，并提供到节点[7]的路由。如果收到的路由信息包的路由能力不以”t3/6”为前缀，则节点[3]不能提供相应路由。如果收到的是”上电类型”的路由信息包，则不论是否匹配，都立刻发送一个”普通类型”的路由信息包，以便快速与新上电节点交换路由信息。

(23)如果本节点能够提供相应路由，则在转发表FIB中记录一条转发条目(路由条目)；否则不添加。例如图4所示在节点[3]的FIB中添加一个条目，并设置路由前缀以及请求出口的node id。

(24)通过设置生存时间和计时器，来维护FIB表的更新。

添加转发条目的同时，设置计时器来标识此转发条目的生存时间。如果再次收到这个节点发来的路由信息包，则重置其生存时间；否则计时器时间耗尽，此条目删除，表示这条路由不再有效。

所述步骤(3)进一步包括下列操作内容：

(31)SINK节点收到来自网关的数据请求数据包，查找自己的FIB条目，转发向下一个节点。假设数据请求的内容是“t3/6/32/l”的内容，通过[1]号节点转发到[3]号节点。

(32)下一个节点首先判断自己是否有所请求的数据，有则回应内容包，否则查找内容缓存CS。例如，节点[3]收到数据请求后，首先查找本节点是否有其请求的数据；然后查询自己的内容库CS是否有对应的数据内容。第一次请求，CS缓存还是空的；如果是后续请求，则可能找到对应缓存并直接返回数据。

(33)如果CS中有对应命名数据的数据缓存，则回应数据包，否则查找请求等待列表PIT。

(34)如果PIT中有对应命名数据的请求，则表明这是重复请求丢弃即可，否则查找转发表FIB。

例如节点[3]查询完CS之后，查询PIT表。PIT表记录的是节点[3]转发出的尚未得到回应的请求包，如果找到相应条目，则表示请求重复，直接丢弃；如果找不到，则继续查询FIB表。

(35)如果FIB中有对应命名数据的条目，则把数据请求转发到相应的下一跳并把请求记录在PIT中(同时在PIT中记录请求来源节点的节点号)，否则丢弃数据请求。

例如节点[3]查找其FIB表，用数据请求的名字在FIB表中查询，找到相应的路由前缀，就把请求包转发向请求出口node id指向的节点；否则，丢弃数据请求包。

所述步骤(4)进一步包括下列操作内容：

(41)如果数据请求包找到了数据内容，则按照步骤(3)所记录的路径返回数据响应包.

例如，如果按照步骤(3)把请求包转发至节点[12]，在节点[12]的本地查询中找到对应数据，则按照传输路径返回给节点[7]；节点[7]转发给节点[3]。下面还是以节点[3]为例说明回应流程。

(42)中间节点收到数据响应包之后，首先判断自己的PIT中是否有此条请求记录；例如节点[3]收到“t3/6/32/l”的内容回应包后，判断节点的PIT中是否有对应的请求记录，此例中应当记录节点[1]发来的请求。

(43)如果PIT中有对应命名数据的请求，则根据PIT条目记录的请求来源节点号转发数据响应包，同时在CS中缓存本数据响应包中的数据内容和对应的命名数据；如果PIT中没有，则不处理。

(44)经过中间节点的转发，内容回应包到达SINK节点并转发给网关节点，物联网中的通信流程结束。

综上所述，本发明从物联网的体系结构上寻找通信机制的突破点是解决问题的关键，本发明所采用的通信方法既能解决内容分发方面的效率问题，又能适应移动的无线网络环境，这种特性决定了其用在物联网的场景中有较好的效果。本发明所述的方法就是将以信息为中心的网络架构构建物联网，并针对物联网的强弱网元共存，数据为中心等特点做相应的优化，使物联网和互联网能够在网络层无缝连接；同时在物联网中基于命名数据实现一个完善的通信机制，并提出了基于命名数据的路由方法。基于本发明的方法在无线传感器节点(Telosb)节点上开发了物联网内通信的系统原型，实现了一个物联网互连模型验证系统。

具体的，本发明的物联网通信方法可以在互联网的任何地方对数据进行请求，并可以获取最及时和真实的数据，同时利用合理的缓存策略减小对网络的通信压力。而且，本发明基于命名数据建立树状的网状拓扑，并根据路由能力建立各自节点的路由表；根据数据请求的命名数据进行路径的查找，寻找下一跳的路由节点，从而提高了物联网内部的数据通信效率。

为了表明本发明通信机制的优点，申请人采用先使用Telosb传感器节点实际运行测试了这个通信系统；并使用TOSSIM进行程序仿真，并测试了其主要性能岁参数的变化情况。

真模拟采用TOSSIM仿真器，TOSSIM是一个支持基于TinyOS的应用在PC机上运行的仿真器，TOSSIM将TinyOS环境下的nesC代码直接编译为可在PC环境下运行的可执行文件，提供了不用将程序下载到真实的节点上就可以对程序进行测试的一个平台。TOSSIM执行两种编程接口：Python和C++。Python可以用来和运行中的仿真动态交互，像一个调试器。我们使用nesC语言编写实现了整个系统的通信流程，然后用TOSSIM配置一个仿真环境并运行；仿真结果是文本数据，通过对文本的可视化分析得到所仿真的网络的数据通信的丢包率、时延和能量消耗情况。通过设置不同通信相关的参数，我们分析了三个参数的变化规律，每种情况又分三种不同请求方式来分析，分别是轮询请求、对某个数据的持续请求、随机请求。实验结果截图如下：

图8为本发明所述仿真实验不同发送时间间隔的丢包率变化图。图9为本发明所述仿真实验不同发送时间间隔的时延变化图。图10为本发明所述仿真实验不同发送时间间隔的能量消耗变化图。

参见附图，通过不同场景的TOSSIM仿真实验，测试结果表明发送间隔越小，丢包率越高，这和实际系统的验证结果也是一致的。CS缓存时间越长，丢包率越低；缓存可以减少平均跳数，牺牲的是数据的实时性。PIT缓存时间，过短会造成数据来不及回复，过长会造成短时间请求被屏蔽掉，需要通过实验选择一个合适的值，PIT对于网络性能影响不大。对于三种不同的数据请求模式，重复请求最能体现这个架构优势，轮询请求和随机请求是比较典型的应用场景，也最能体现其优势。

传统方式和本发明所述物联网系统通信机制的区别主要体现在三个方面，分别是数据传输方式、路由维护方式和能量优化方式。

传统物联网通信都是基于节点号的点对点方式，大部分只适用于节点向SINK节点汇聚传感信息，再由SINK节点在应用层统一处理，才能使用传感数据，效率较低。本发明的通信机制，可以在互联网的任何地方对数据进行请求，并可以获取最及时和真实的数据，同时利用合理的缓存策略减小对网络的通信压力。

传统物联网通信的路由建立和维护方式主要有静态路由、自组织路由等，最终目的是建立节点到SINK节点的路径。路由的建立基于无线链路的质量，到SINK节点的跳数等参数，和具体数据内容无关。本发明的通信机制基于命名数据建立树状的网状拓扑，并根据路由能力初始化各自节点的路由表；根据数据请求的数据名进行路径的查找，寻找下一跳的目的节点。

传统物联网的通信模式对网络进行能耗优化的途径主要是通过降低路由建立和维护的信标开销、减少数据包传输的跳数、降低数据收集的频率来实现的；除了优化路由方式，其他方法并没有从根本上解决传感网络能耗高的问题。本发明的通信机制通过引入节点缓存模块，根据实际应用设计合理的缓存算法；缩短了传感数据查询和回应的路径，从而降低网络的能量消耗。

通过TOSSIM的仿真也可以看出，本专利设计的通信机制对于查询请求场景的物联网应用，可以降低网络能量的消耗，降低平均时延。在以信息为中心的网络环境下，通过命名数据请求数据也更加有利于和传感网与核心网的结合，最终提供一个完善的物联网服务平台。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种以命名数据为中心的物联网通信方法，其特征在于，包括：

存储本节点的路由能力信息和所能提供数据的命名数据，所述命名数据中包括路由信息；

路由建立步骤：与本节点通信范围内的其它节点进行路由能力信息交换，建立本节点的路由表；

数据请求响应步骤：收到包含命名数据的数据请求后，判断本节点是否具有所请求的数据内容，若有则返回包含命名数据和内容的数据响应，否则根据命名数据的路由信息在本节点的路由表中查找下一跳路由节点，转发该数据请求到该下一跳路由节点，并缓存该数据请求的来源节点；收到数据响应后，根据该数据响应中的命名数据查找对应的来源节点，将该数据响应返回给该来源节点。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述路由建立步骤具体包括：

上电后初始化，广播包含本节点路由能力信息的路由信息包；

在收到其它节点的路由信息包后，判断该路由信息包中的路由能力信息是否与本节点的路由能力信息匹配，在能够匹配时在所述路由表中添加一条路由记录，该路由记录包括该路由信息包的路由能力信息及其来源节点的节点标记。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

所述路由信息包为：上电路由信息包或通用路由信息包；

所述广播包含本节点路由能力信息的路由信息包，具体包括：在上电初始化后广播一次包含本节点路由能力信息的上电路由信息包，之后周期广播包含本节点路由能力的通用路由信息包；

在收到其它节点的上电路由信息包后，进一步包括：立即向该上电路由信息包的来源节点发送一个通用路由信息包。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

所述在所述路由表中添加一条路由记录后，进一步包括：为该条路由记录设置计时器，在该计时器时间未耗尽的情况下，如果再次收到该条路由记录所标记的节点发来的路由信息包，则重置该计时器；如果该计时器时间耗尽，则删除该条路由记录。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述判断该路由信息包中的路由能力信息是否与本节点的路由能力信息匹配，具体包括：判断该路由信息包中的路由能力是否为本节点的路由能力的子集，如果是则判定能够匹配，否则不能匹配。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述缓存该数据请求的来源节点，具体包括：在请求等待列表PIT中增加一条等待记录，该条等待记录包括：该数据请求的命名数据和该数据请求的来源节点标记；为该条等待记录设置计时器，如果该计时器时间耗尽，则删除该条等待记录。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

在收到包含命名数据的数据响应后，进一步包括：在本节点的内容库中缓存该数据响应中的命名数据和数据内容；

在收到包含命名数据的数据请求后，判断本节点是否有所请求的数据内容时，具体包括：判断本节点所能提供数据的命名数据是否与数据请求中的命名数据相同，如果相同则读取本节点的数据内容，返回包含命名数据和内容的数据响应，如果不同则在本节点的内容库中查找是否有所述数据请求的命名数据，如果有则从内容库中读取该命名数据的数据内容，返回包含命名数据和内容的数据响应；否则根据命名数据的路由信息在本节点的路由表中查找下一跳路由节点，转发该数据请求到该下一跳路由节点，并缓存该数据请求的来源节点。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述在本节点的内容库中缓存该数据响应中的命名数据和数据内容后，进一步包括：为该条命名数据和数据内容设置计时器，如果该计时器时间耗尽，则删除该条命名数据和数据内容。

9.根据权利要求1至8任一项所述的方法，其特征在于，所述命名数据根据物联网的网络拓扑结构和数据类型命名，所述路由信息为网络拓扑结构的等级结构信息。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述网络拓扑结构为树状网络拓扑结构。