CN105450789A - 无线传感器网络中互联网协议版本6地址的压缩 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在无线传感器网络中互联网协议版本6地址的压缩，提供了一种用于在无线传感器网络(图1)中管理互联网协议版本6(IPv6)(图3，300)地址的方法，该方法包括将与密钥相关联的IPv6地址的前缀(图3，302)存储在该无线传感器网络内的无线传感器装置上；形成用于该IPv6地址的地址指示符(图3，304)，该地址指示符由该密钥和该IPv6地址的节点地址组成；以及将该地址指示符存储在该无线传感器装置上的至少一个存储器位置中以代替该IPv6地址(图5，526)。

Description

无线传感器网络中互联网协议版本6地址的压缩

对相关申请的交叉引用

本申请要求2014年9月19日提交的美国临时专利申请号62/053,002的权益，通过引用该申请的全文将其并入本文。

技术领域

本公开的实施例总体涉及无线传感器网络，并且更具体地涉及这种网络中互联网协议版本6(IPv6)地址的压缩。

背景技术

无线传感器网络被部署在许多不同环境中。这种网络中使用的传感器是通常是具有有限的存储空间、计算能力和功率的低成本装置。这些装置的主要功能通常是获取数据，具有的辅助功能是通过无线网络实现对已获取数据的通信。这些装置的典型构架包括微控制器、划分为只读存储器和随机存取存储器的数万字节量级的存储器、低功率射频装置和功率管理电路。考虑到这些装置有限的存储容量，节约使用存储器非常重要。

发明内容

本公开的实施例涉及用于在无线传感器网络中管理IPv6地址的方法、设备和计算机可读介质。一方面，提供一种用于在无线传感器网络中管理互联网协议版本6(IPv6)地址的方法，该方法包括：将与密钥相关联的IPv6地址的前缀存储在该无线传感器网络内的无线传感器装置上；形成该IPv6地址的地址指示符，该地址指示符由该密钥和该IPv6地址的节点地址组成；以及将该地址指示符存储在该无线传感器装置上的至少一个存储器位置中以代替该IPv6地址。

一方面，提供了一种无线传感器装置，该无线传感器装置包括：存储器，该存储器存储用于管理互联网协议版本6(IPv6)地址的软件指令；以及处理器，该处理器被配置成用于执行软件指令，在该处理器中软件指令的执行将与密钥相关联的IPv6地址的前缀存储在该存储器中；形成该IPv6地址的地址指示符，该地址指示符由该密钥和该IPv6地址的节点地址组成；以及将该地址指示符存储在该存储器中的至少一个位置中以代替该IPv6地址。

一方面，提供了一种存储软件指令的非瞬态计算机可读介质。当由无线传感器网络中的无线传感器装置的处理器执行软件指令时，软件指令使得一种用于管理互联网协议版本6(IPv6)地址的方法被执行。该方法包括：将与密钥相关联的IPv6地址的前缀存储在该无线传感器网络中的无线传感器装置上；形成该IPv6地址的地址指示符，该地址指示符由该密钥和该IPv6地址的节点地址组成；以及将该地址指示符存储在该无线传感器装置上的至少一个存储器位置中以代替该IPv6地址。

附图说明

现在将仅以举例方式参照附图来描述这些具体实施例：

图1是基于无线传感器网络的互联网协议版本6(IPv6)的简单示例；

图2是示出了IPv6地址的示例；

图3和图4是分别示出了IPv6地址压缩和IPv6地址解压的示例；

图5示出了在示例网络协议栈背景下的IPv6地址压缩和解压操作；以及

图6是示例无线传感器装置的简化框图。

具体实施方式

现在将参看附图详细说明本公开的具体实施例。为了一致性，各图中的相似元件用相似附图标记。

图1是基于无线传感器网络的互联网协议版本6(IPv6)的简单示例。在此示例中，标注为L-x的传感器装置是叶节点，标注为Int-x的装置是中间节点，而标注为RootNode的装置是网络的根节点并且作为互联网的网关进行工作。装置到装置的无线通信由装置间的“闪电”箭头指出。中间节点和根节点可操作用于对围绕网络的通信进行路由。每个装置实现网络协议栈，用于使用IPv6地址通过无线网络通信。

IPv6地址的长度是128位并且可以用十六进制计数法表示为“xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx”，其中每个“x”代表一个十六进制数字，每四个数字为一组代表两个字节，如“0000:FFE0:0000:0003:FFFF:FFFF:FFFC:00FD”。因此，存储完整的IPv6地址需要十六个字节的内存。此处，在IPv6地址中，两个十六进制数字为一组可被称作是一个八位字节。网络协议栈的实现可能需要将IPv6地址存储在装置上的多个位置中，如网络表格条目中。本公开的实施例中，装置按照本文所描述的压缩IPv6地址并且将压缩版本存储在一个或更多个多位置中，而不是存储完整的IPv6地址。当需要完整的IPv6地址来进行网络通信时，该装置按照本文描述的解压压缩的地址。

在IPv6地址中，具有N个高阶八位字节的前缀指定一个特定网络，并且剩余的八位字节指定该网络内的地址。从而，该网络中每个节点的地址可有一个具有N个八位字节的公共前缀。前缀的大小基于网络的地址空间的要求。例如，如在图2的示例中所示出的，如果在网络中能够被寻址的节点的最大数量是256，则该网络中的节点地址的公共前缀是120个高阶位，即高阶15个八位字节。进一步的，最后一个八位字节唯一地标识网络中的节点，即最后一个八位字节是节点地址。

在IPv6地址压缩和解压的一些实施例中，假定无线传感器网络内所有IPv6地址的前缀是高阶的，即最高阶15个八位字节。图3和图4是分别示出了假定前缀是高阶15个八位字节时IPv6地址压缩和IPv6地址解压的示例。首先参照图3，为了在传感器装置上压缩IPv6地址300，地址的15个八位字节的前缀被存储在该传感器装置的存储器的前缀表302中。存储该前缀的表条目索引充当标识该前缀的密钥。如果地址的前缀已经被存储在该前缀表中，则该密钥被返回。而后，8位密钥和地址的最后一个八位字节被序连以产生16位的IPv6地址指示符304，IPv6地址指示符304被存储在其中本来会存储完整IPv6地址的装置上的任意位置中。在一些实施例中，最后一个八位字节是地址指示符的头八位，而密钥是地址指示符的后八位；在其他实施例中，这个顺序是相反的。注意，不是将一个128位的地址存储在多个位置中，而是将一个16位的地址指示符存储在多个位置中，每个位置节省了112位。

现在参照图4，为了解压在传感器装置上的地址指示符304，逆向压缩循环。地址指示符304中的前缀密钥被用于定位前缀表302中的相关联前缀。标识的前缀与地址指示符304中的最后一个八位字节序连以重新产生完整的IPv6地址300。

在具体传感器装置上待存储的IPv6地址的数量可以变化。例如，在图1的网络中，为了从网络中路由出传感器数据，叶节点可存储相关联中间节点地址和根节点地址。例如，叶装置L-12可存储中间装置Int-11的IPv6地址和RootNode装置的IPv6地址。然而，因为叶装置L-6与中间节点不相关联，该装置仅仅可存储根节点的IPv6地址。在一些实施例中，叶节点也可知道邻居节点并且可存储这些节点的IPv6地址。例如，在这些实施例中，叶装置L-10可存储叶装置L-9、L-8和L-7的IPv6地址以及中间装置Int-3和RootNode装置的IPv6地址。

中间节点为相关联叶节点执行路由功能，并且因此可能需要存储该相关联叶节点和根节点的IPv6地址。例如，在图1的网络中，中间装置Int-11可存储相关联叶装置L-11和L-12的地址，并且中间装置Int-5可存储中间装置Int-11的地址。根节点也执行路由功能并且充当互联网的网关。在一些实施例中，根节点可存储网络中所有节点的IPv6地址。

如之前所提到的，无线传感器网络中的装置实现网络协议栈。图5示出了在示例网络协议栈背景下上述IPv6地址压缩和解压操作。两个装置500、502上的示例网络协议栈包括应用层504、524，网络层508、528，媒介接入控制(MAC)层510、530，和物理(PHY)层512、532。IPv6地址管理组件506、526在应用层504、524和网络层508、528之间进行逻辑运行，以便在存储之前压缩IPv6地址从而形成地址指示符，以及解压地址指示符以重新产生完整的IPv6地址。

MAC层510、530和PHY层512、532可根据用于这些层的IEEE802.15.4和IEEE802.15.4e标准运行。IEEE802.15.4标准提供了PHY层和MAC层的规范，该规范用于在没有蓄电池或具有非常有限蓄电池损耗要求的情况下与固定、便携和移动装置的低速率无线连接。IEEE802.15.4e规定了用于这些网络的增强型MAC层协议。这些协议的详细说明可在IEEEStd.802.15.4^TM-2011,“Part15.4:Low-RateWirelessPersonalAreaNetworks(LR-WPANs)”(IEEE标准802.15.4^TM-2011，“15.4部分：低速率无线个人区域网络(LR-WPANs)”)和IEEEStd.802.15.4e^TM-2012,“Part15.4Low-RateWirelessPersonalAreaNetworks(LR-WPANs)Amendment1:MACsublayer”(IEEE标准802.15.4e^TM-2012，“15.4部分：低速率无线个人区域网络(LR-WPANs)第1次修改：MAC子层”)中找到。

网络层508、528也被称为互联网协议(IP)层，提供如下功能：如将来自应用层504、524的数据分割成数据包或从进来的数据包中提取数据以供应用层504、524使用；在数据包报头中填入如源地址和目的地址之类的信息；提供发现其他装置并且和与之配对的机制；支持功率节省；并且能够实现安全通信。网络层508、528可根据标题为“InternetProtocol,Version6(IPv6)Specification(互联网协议，版本6(IPv6)规范)”的网际网络工程任务编组(IETF)RFC1460来运行。关于在无线传感器网络中使用IPv6的附加信息在标题为“IPv6overLow-PowerWirelessPersonalAreaNetworks(6LoWPANs):Overview,Assumptions,ProblemStatement,andGoals”(通过低功耗无线个人区域网络的IPv6(6LoWPANs)：概述、假设，问题陈述和目标)的IETFRFC4919中可得到。

应用层504、524充当软件和网络层508、528之间的接口，该软件在装置500、502上运行并在无线传感器网络上发送和/或接收数据。这个层可包含在装置500，502上运行的任何应用，该装置500、502与其他网络装置进行通信。

图5的示例示出了从无线传感器发送装置500到无线传感器接收装置502的数据流。这个示例假定前缀表已在装置500上产生并且包括本文中如前所定义的至少一个前缀。这个示例进一步假定任何存储的Ipv6地址(例如装置500和无线传感器装置502的Ipv6地址)都以本文中如前所述的地址指示符格式存储。

为了传输数据，应用层504以网络层508预期的格式为网络层508提供数据。IPv6地址管理组件506解压向装置502传输数据所需要的任何IPv6地址的地址指示符，从而重新产生这些IPv6地址并且将其提供给网络层508。进一步地，由网络层508维护的各种网络表中的IPv6地址都以这种地址指示符格式存储。当网络层508需要这些地址时，这些地址被IPv6地址管理组件506解压以重新产生对应于原始网络表条目的这些IPv6地址。已在前文中说明地址指示符的解压。

网络层508将数据分割成一个或更多个数据包并且向MAC层510提供这些数据包，其中，IPv6地址包括在报头中，MAC层与PHY层512一起运行，从而将一个或更多个数据包传输给装置502。

在装置502上，接收到的数据穿过PHY层532和MAC层530并且以数据包格式被提供给网络层528。网络层528处理接收到的每个数据包的报头信息并且向应用层524提供数据有效负荷。任何需要被存储在装置502上和/或有待在应用层524中处理的和/或有待被存储在网络层528的网络表中的IPv6地址都被IPv6地址管理组件526压缩以生成用于这些地址的地址指示符。而后，这些地址指示符被存储和/或被提供给应用层524和/或网络层528。已在前文中说明压缩IPv6地址以生成地址指示符。

图6是示例无线传感器装置600的简化框图，无线传感器装置600可被部署在无线传感器网络(如图1中的示例网络)中并且可以被配置成用于执行如本文中所述的IPv6地址管理。更具体地，示例无线传感器装置600可被实施为可向德州仪器公司购买的CC26xxSimpleLink^TM多标准无线微控制器(MCU)集成电路(IC)。CC26xx系列超低功率微控制器包括多个装置，该装置以超低功耗CPU和针对各种应用的不同外设为其特征。描述的具体MCU是CC2650。在此提供CC2650的简要说明。CC2650的详细说明在德州仪器公司2015年2月的出版物SWRS158“CC2650SimpleLink^TMMultistandardWirelessMCU(CC2650SimpleLink^TM多标准无线MCU)”中提供，此出版物通过引用并入本文。

MCU600包括作为主处理器的32位的和外设特征集，该外设特征集包括超低功率传感器控制器，该超低功率传感器控制器用于在系统其它部件处于休眠模式时接合外部传感器和/或用于自主收集模拟和数字数据。MCU600还包括基于处理器的RF核。该RF核被设计成用于自主处理各种无线电协议的时间临界状况(timecriticalaspect)。该RF核包括专用的40KB静态随机存取存储器(SRAM)和专用的只读存储器(ROM)。

MCU600还包含为代码和数据提供非易失存储的128KB闪存存储器、能够用于数据存储和代码执行的20KB的SRAM，以及用于存储实时操作系统内核和某个低层协议栈软件(如802.15.4MAC软件)的ROM。MCU600上的通用外设/模块可以包括12位的A/D转换器，具有参考电压产生和滞后功能的16通道比较器，用于SPI、微传线和UART协议的接口，内部直接存储器存取(DMA)，实时时钟，多个16/32位计时器，等等。

实现网络栈层和本文所述的IPv6地址管理的软件指令可被存储在MCU600上的计算机可读介质(例如MCU600上的闪存存储器、SRAM或ROM)中并且由主CPU执行。

其他实施例

尽管相对于有限数量的实施例描述了本公开，但是从本公开受益的本领域的技术人员将理解，可构想不偏离本文公开的公开范围的其他实施例。

例如，假定IPv6地址的公共前缀是高阶15个八位字节并且最后一个八位字节是唯一的节点地址的IPv6地址压缩和解压的实施例已经在本文说明。本领域的技术人员将理解如下实施例，即在其中公共前缀中八位字节的数量和节点地址中的八位字节的数量可以不同。更一般地，如果节点地址中有M个八位字节，那么公共前缀是(16-M)个高阶八位字节。因此，存储在前缀表中的前缀可以是高阶(16-M)个八位字节，并且与密钥序连以形成地址指示符的节点地址是剩余的低阶M个八位字节。用于说明本文中上述实施例的示例假定M＝1。

贯穿本说明书和权利要求书中使用的特定术语指代具体的系统组件。如本领域的技术人员将会理解的，组件可用不同的名称表示和/或可被以在本文没有示出的且并不背离描述的功能性的方式结合。本文件并不意图区分开名称不同而非功能不同的部件。在讨论中和在权利要求书中，以开放式使用术语“包括”和“包含”，并且因此应被解释为表示“包括但不限于......”。

因此设想所附权利要求书将涵盖落入本公开的真实范围内的、对实施例的任何这类修改。

Claims (20)

1.一种用于在无线传感器网络中管理互联网协议版本6地址即IPv6地址的方法，所述方法包括：

将与密钥相关联的第一IPv6地址的第一前缀存储在所述无线传感器网络内的无线传感器装置上；

形成所述第一IPv6地址的第一地址指示符，所述第一地址指示符由所述密钥和所述第一IPv6地址的节点地址组成；以及

将所述第一地址指示符存储在所述无线传感器装置上的至少一个存储器位置中以代替所述第一IPv6地址。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述节点地址是所述第一IPv6地址的低阶M个八位字节，而所述第一前缀是所述第一IPv6地址的高阶16-M个八位字节。

3.如权利要求2所述的方法，其中，M＝1。

4.如权利要求3所述的方法，其中，地址指示符由十六位组成，高阶八位存储IPv6地址的最后的八位字节作为节点地址并且低阶八位存储相关联的密钥。

5.如权利要求1所述的方法，包括：

接收所述无线传感器装置上的第二IPv6地址，所述第二IPv6地址具有所述第一前缀和不同于所述第一IPv6地址的节点地址；

检索与所述第一前缀相关联的所述密钥；

形成所述第二IPv6地址的第二地址指示符，所述第二地址指示符由所述密钥和所述第二IPv6地址的节点地址组成；以及

将所述第二地址指示符存储在所述无线传感器装置上的至少一个存储器位置中以代替所述第二IPv6地址。

6.如权利要求1所述的方法，包括：

使用所述第一地址指示符中的所述密钥来检索所述第一前缀；以及

根据所述第一前缀和所述第一地址指示符中的所述节点地址生成所述第一IPv6地址。

7.如权利要求1所述的方法，包括：

接收所述无线传感器装置上的第三IPv6地址，所述第三IPv6地址具有不同于所述第一前缀的第二前缀；

将与第二密钥相关联的所述第二前缀存储在所述无线传感器装置上；

形成所述第三IPv6地址的第三地址指示符，所述第三地址指示符由所述第二密钥和所述第三IPv6地址的节点地址组成；以及

将所述第三地址指示符存储在所述无线传感器装置上的至少一个存储器位置中以代替所述第三IPv6地址。

8.一种无线传感器装置，包括：

存储器，所述存储器存储用于管理互联网协议版本6地址即IPv6地址的软件指令；以及

处理器，所述处理器被配置成用于执行软件指令，其中，所述软件指令的执行将与密钥相关联的第一IPv6地址的第一前缀存储在所述存储器中；形成所述第一IPv6地址的第一地址指示符，所述第一地址指示符由所述密钥和所述第一IPv6地址的节点地址组成；以及将所述第一地址指示符存储在所述存储器中的至少一个位置中以代替所述第一IPv6地址。

9.如权利要求8所述的无线传感器装置，其中，所述节点地址是所述第一IPv6地址的低阶M个八位字节，而所述第一前缀是所述第一IPv6地址的高阶16-M个八位字节。

10.如权利要求9所述的无线传感器装置，其中，M＝1。

11.如权利要求10所述的无线传感器装置，其中，地址指示符由十六位组成，所述高阶八位存储IPv6地址的最后的八位字节作为节点地址并且所述低阶八位存储相关联的密钥。

12.如权利要求8所述的无线传感器装置，其中，所述软件指令的执行进一步接收所述无线传感器装置上的第二IPv6地址，所述第二IPv6地址具有所述第一前缀和不同于所述第一IPv6地址的节点地址；检索与所述第一前缀相关联的所述密钥；形成所述第二IPv6地址的第二地址指示符，所述第二地址指示符由所述密钥和所述第二IPv6地址的节点地址组成；以及将所述第二地址指示符存储在所述存储器中的至少一个位置中以代替所述第二IPv6地址。

13.如权利要求8所述的无线传感器装置，其中，所述软件指令的执行进一步使用所述第一地址指示符中的所述密钥来检索所述第一前缀，以及根据所述第一前缀和所述第一地址指示符中的所述节点地址来生成所述第一IPv6地址。

14.如权利要求8所述的无线传感器装置，其中，所述软件指令的执行进一步接收所述无线传感器装置上的第三IPv6地址，所述第三IPv6地址具有不同于所述第一前缀的第二前缀；将与第二密钥相关联的所述第二前缀存储在所述存储器中；形成所述第三IPv6地址的第三地址指示符，所述第三地址指示符由所述第二密钥和所述第三IPv6地址的节点地址组成；以及将所述第三地址指示符存储在所述存储器内的至少一个位置中以代替所述第三IPv6地址。

15.一种存储软件指令的非瞬态计算机可读介质，当由无线传感器网络中的无线传感器装置的处理器执行时，所述软件指令使得一种用于管理互联网协议版本6地址即IPv6地址的方法被执行，所述方法包括：

将与密钥相关联的第一IPv6地址的第一前缀存储在所述无线传感器装置上；

形成所述第一IPv6地址的第一地址指示符，所述第一地址指示符由所述密钥和所述第一IPv6地址的节点地址组成；以及

将所述第一地址指示符存储在所述无线传感器装置上的至少一个存储器位置中以代替所述第一IPv6地址。

16.如权利要求15所述的计算机可读介质，其中，所述节点地址是所述第一IPv6地址的低阶M个八位字节，而所述第一前缀是所述第一IPv6地址的高阶16-M个八位字节。

17.如权利要求16所述的计算机可读介质，其中，M＝1。

18.如权利要求15所述的计算机可读介质，其中，所述方法包括：

接收所述无线传感器装置上的第二IPv6地址，所述第二IPv6地址具有所述第一前缀和不同于所述第一IPv6地址的节点地址；

检索与所述第一前缀相关联的所述密钥；

形成所述第二IPv6地址的第二地址指示符，所述第二地址指示符由所述密钥和所述第二IPv6地址的节点地址组成；以及

将所述第二地址指示符存储在所述无线传感器装置上的至少一个存储器位置中以代替所述第二IPv6地址。

19.如权利要求15所述的计算机可读介质，其中，所述方法包括：

使用所述第一地址指示符中的所述密钥来检索所述第一前缀；以及

根据所述第一前缀和所述第一地址指示符中的所述节点地址生成所述第一IPv6地址。

20.如权利要求15所述的计算机可读介质，其中，所述方法包括：

接收所述无线传感器装置上的第三IPv6地址，所述第三IPv6地址具有不同于所述第一前缀的第二前缀；

将与第二密钥相关联的所述第二前缀存储在所述无线传感器装置上；

形成所述第三IPv6地址的第三地址指示符，所述第三地址指示符由所述第二密钥和所述第三IPv6地址的节点地址组成；以及

将所述第三地址指示符存储在所述无线传感器装置上的至少一个存储器位置中以代替所述第三IPv6地址。