CN105897605A - 一种基于IPv6的电力线载波通信网络拥塞控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于IPv6的电力线载波通信网络拥塞控制方法，属于智能电网通信技术领域。该方法包括以下步骤：S1：载波网络节点自行构建基于拥塞控制的IPv6层次转发树网络拓扑结构，以减小节点拥塞几率；S2：节点在发生拥塞时，通过组播拥塞通告报文重新进行父、子节点的流量分配，并结合IPv6协议，使被通告节点依据相应的冗余路由寻址方法进行消息传递，以将拥塞区域的流量转移到其它负载较轻的区域从而避开该拥塞节点；S3：节点在拥塞解除后，组播拥塞解除报文使其父、子节点恢复为原来的流量分配模式。本方法能够有效的提高网络的吞吐量以及网络的整体通信能力。
Description
技术领域
本发明属于智能电网通信技术领域，涉及一种基于IPv6的电力线载波通信网络拥塞控制方法。
背景技术
随着电力线通信应用场景的扩大，以及互联网通信技术的发展，将下一代互联网核心技术IPv6协议应用于电力线载波通信网络中，实现电力通信设备IPv6资源分配，将使得电力线通信网络更好的实现端到端的连接，优化继承互联网上新的服务和应用。
由于低压电力线通信网络具有多变的网络结构，而在网络节点资源和通信能力相同的情况下，最短路径树的拓扑结构通常具有转发跳数少和传输延迟低的优点，在载波通信网络中采用树型网络拓扑结构，其网络结构清晰，组网效率高，但树型网络呈扩散式分布，距网关越近的上层节点对数据的转发量较底层节点就越大。如果部分区域发生紧急情况，由于较多的节点将数据发送到一个转发节点时，可能造成该转发节点接收报文的速率加快，使得转发队列增加，甚至溢出，从而产生节点拥塞。在链路单一的树型拓扑结构下，若节点拥塞得不到及时解决，不但增加了丢包率，影响传输可靠性，而且还降低了带宽利用率，造成资源的浪费，甚至导致部分网络瘫痪。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于IPv6的电力线载波通信网络拥塞控制方法，该方法在构建载波网络IPv6层次接入树模型的基础上，结合流量均衡策略进行拥塞区域的流量转移，在IPv6载波通信网络中实现节点拥塞控制。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于IPv6的电力线载波通信网络拥塞控制方法，该方法包括以下步骤：
S1：载波网络节点自行构建基于拥塞控制的IPv6层次转发树网络拓扑结构，以减小节点拥塞几率；
S2：节点在发生拥塞时，通过组播拥塞通告报文重新进行父、子节点的流量分配，并结合IPv6协议，使被通告节点依据相应的冗余路由寻址方法进行消息传递，以将拥塞区域的流量转移到其它负载较轻的区域从而避开该拥塞节点；
S3：节点在拥塞解除后，组播拥塞解除报文使其父、子节点恢复为原来的流量分配模式。
进一步，所述步骤S1具体包括以下步骤：
S11：待入网节点通过广播信标请求消息，获取一跳范围内已入网的邻居节点信息，所述邻居节点收到该请求消息后，回复信标响应消息给待入网节点；
S12：所述信标响应消息中包含了该邻居节点自身的后代节点数，待入网节点在信标响应度量阀值时间T内对收到的信标响应消息进行更新，并依据后代节点数建立备用父节点集；随后，节点从该集中选出一个后代节点数最少的节点作为直接父节点进行关联，并将剩余节点作为备份父节点存于备份路由表中；
S13：直接父节点在收到待入网节点的关联请求消息后为其分配16位的路由ID，并通过关联响应消息将IPv6子网前缀、网络PANID一并告知给该待入网节点；
S14：待入网节点收到关联响应消息后，进行IPv6地址的无状态自动配置，随后该节点以树路由方式向网关发送一次新节点入网消息，转发路径上的节点对其后代节点数字段OFFSPRINGS进行更新；待入网节点在收到网关的入网确认消息时表明入网成功，否则，重复上述步骤；
S15：节点在成功入网后，将自身备份路由表中的备份父节点地址以备份父节点注册消息的形式告知其直接父节点，直接父节点在收到该注册消息后，将该子节点的备份父节点地址添加到自身的路由表中，并与该子节点的地址形成映射关系，随后，向该子节点回复注册确认消息，完成注册过程；
S16：节点在完成注册后，通过周期性广播邻居请求消息对自身备用父节点集中各节点的拥塞状态进行更新；若节点在本次父节点集拥塞度更新过程中对任意节点的拥塞度进行了变更，则节点需要将本次更新结果通过拥塞度更新消息告知给直接父节点，以使直接父节点对该子节点的备份父节点信息进行及时更新。
进一步，所述步骤S2具体包括以下步骤：
S21：各已入网节点以缓存空间占有率和拥塞因子周期性的进行自身拥塞检测，当缓存空间占有率超过拥塞阀值β，且拥塞因子α>1时，标志着该节点出现拥塞，随即该节点组播拥塞通告报文，该报文仅能够被其直接父子节点所接受；
S22：收到上述拥塞通告报文的节点，若为子节点，则该子节点将自身的上行路由方式设置为冗余路由模式，若为父节点，则该父节点将自身的下行路由方式设置为冗余路由模式。
进一步，在步骤S22中所述的冗余路由模式具有以下特征：
S221：在上行冗余路由模式中，节点在传输上行数据时，直接从自身的备份父节点中选择一个拥塞度最小的节点进行上行报文的传输；
S222：在下行冗余路由模式中，节点在收到下行报文后，首先判断该报文的目的地址是否是自身拥塞子节点的后代节点，若是，则该节点以本次消息的mesh目的地址作为请求对象，向拥塞节点发送一次父节点集信息请求报文，收到该报文的拥塞节点将下一跳节点的注册备份父节点信息以父节点集信息应答报文反馈给请求节点，请求节点从反馈回的备份父节点信息中选择一个拥塞度最小的节点进行报文传递，从而避开将数据转发给拥塞节点；
S223：具有IPv6报文传输能力的冗余路由方法通过在原适配层头部中扩展一个冗余地址头来进行路由转发，扩展的冗余地址头部类型标识符分派值定义为11001xxx，后续字段分别为mesh目的地址缓存域、源地址缓存域和冗余目的地址缓存域，mesh目的地址缓存域和源地址缓存域用于保存当前IPv6报文中的mesh目的地址和源地址，冗余目的地址缓存域存放待转发的拥塞节点的子节点地址；分派值中的后3位分别表示后续各个地址域中地址类型，如最后1位若为1，则表示冗余目的地址缓存域中的地址采用的是16位的路由ID，若该位为0则采用EUI-64地址；冗余地址头部在冗余路由模式下才被采用，当节点恢复为树路由方式时，该头部被自动取消。
进一步，所述步骤S3具体包括：当节点拥塞得到缓解时，即节点的缓存空间占有率<β时，节点组播拥塞解除报文，告知其父子节点取消相应的冗余路由模式，进而恢复为原有的树型路由模式。
本发明的有益效果在于：本发明所述的方法首先基于拥塞策略构建具有IPv6报文传输能力的树型载波网络，具有转发跳数少和传输延迟低的优点，在一定程度上可减小拥塞产生的几率；节点进行周期性拥塞检测，通过拥塞控制报文使拥塞区域附近的节点重新进行流量分配，以确保报文的可靠传输；结合IPv6报文格式设计的冗余路由模式，使得IPv6报文在传输过程中能够避开拥塞区域以使拥塞节点尽快恢复；该发明有效的预防和缓解了IPv6载波网络中的节点拥塞，提高了网络吞吐量和IPv6报文的传输可靠性。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为待入网节点N对父节点的选取；
图2为节点拥塞下报文的转发控制；
图3为冗余地址头格式；
图4为节点C处的冗余报文格式；
图5为节点E处的报文格式；
图6为本发明所述方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
图6为本发明所述方法的流程图，如图所示，本方法包括以下步骤：S1：载波网络节点自行构建基于拥塞控制的IPv6层次转发树网络拓扑结构，以减小节点拥塞几率；S2：节点在发生拥塞时，通过组播拥塞通告报文重新进行父、子节点的流量分配，并结合IPv6协议，使被通告节点依据相应的冗余路由寻址方法进行消息传递，以将拥塞区域的流量转移到其它负载较轻的区域从而避开该拥塞节点；S3：节点在拥塞解除后，组播拥塞解除报文使其父、子节点恢复为原来的流量分配模式。
具体来说：图1为一个非信标使能的载波网络，该网络包含一个网关节点A，13个已入网节点B～P和一个待入网节点N。网络中的已入网节点采用分段式无状态地址分配算法为其子节点动态分配一个子网路由ID，子节点结合自身路由ID和网络前缀、PANID完成IPv6地址的无状态自动配置。树型路由根据待转发消息中目的地址进行下一跳节点的选择，在该路由模式控制下，任意节点只能在自己的父、子节点中进行下一跳节点的选取，而不能与一跳范围内其它邻居节点进行直接通信。
下面将对本申请的IPv6电力线载波通信网络拥塞控制方法进行详细阐述。
1、入网节点构建负载均衡下的层次转发树模型
在载波节点入网过程中，首先由网关节点进行IPv6子网的创建并生成64位的子网前缀，同时设置该子网的PANID。随后，待入网节点进行网络发现，并通过一系列关联动作完成入网。在待入网节点N的入网过程中，节点N通过广播信标请求消息进行已入网邻居节点的发现，收到该请求消息的已入网节点C、节点D和节点G，通过CSMA/CA方式向请求节点N回复相应的信标响应消息，该消息中包含了响应节点的后代节点数量信息，分别为7、1、4，节点N在经过信标响应度量阀值时间T后，从已收到的信标响应消息中选取后代节点数最小的节点D为父节点，并向节点D发送关联请求消息。节点D通过无状态地址分配算法为该节点N分配路由ID，并将该路由ID和网络前缀、PANID信息通过关联响应消息告知节点N，节点从关联响应消息中提出自己的路由ID和网络信息完成IPv6地址的生成，同时将节点C、节点G作为备份节点即父节点集，并将集中节点地址存入自身的上行备份路由表中。
节点N在关联成功后，通过父节点集注册消息将备份节点的地址信息、拥塞度状况告知父节点D，节点D从注册消息中提取出子节点N的各备份节点地址、拥塞度信息存于自身的下行备份路由表中并与节点N的地址形成映射关系。随后，节点D向网关发送一次新节点入网消息，包括节点D在内的树型路径上的节点收到该消息后将自身后代节点数OFFSPRINGS字段增加1。节点N在收到网关节点的确认消息后，完成入网过程。
节点N在成功入网后，开始周期性广播邻居请求消息，收到该请求消息的邻居节点将自身节点拥塞情况通过邻居响应消息广播给该节点，随后，节点N对自身父节点集中各节点的拥塞度状态进行更新。若父节点集中任意节点的拥塞度进行了变更，则向节点D发送一次父节点集更新信息，否则，只检查父节点集中节点的可达性。
2、拥塞控制过程
已入网节点周期性的进行自身拥塞检测，以缓存空间占有率(BSO)和拥塞因子(CF)作为拥塞度的综合决策值，其中CF为接收报文的速率与处理报文的速率的比值，当BSO超过拥塞阀值β，且拥塞因子α>1时，标志着该节点出现拥塞，随即该节点组播拥塞通告报文，该组播报文仅能够被其直接父子节点所接受。如图2所示，以拥塞节点G和其子节点K为例，节点G的直接父节点为C，节点K的上行备份路由表中有节点E、节点F，相应的，在节点G的下行备份路由表中也存有子节点K的父节点集信息。当节点G检测到自身处于拥塞状态时，组播拥塞通告报文，由于各节点在MAC层中采用了地址过滤策略(即节点只接受来自自身父、子节点的报文)，因此该组播报文仅能被节点G的父节点C和子节点K、L所接受。父节点C收到该拥塞通告报文后，将通向子节点G的下行路由方式设置为冗余路由模式，即DOWN_ROUTING_FLAG(G)＝1，对其它子节点仍采用树型路由(DOWN_ROUTING_FLAG(F)＝0)。子节点K、L收到该拥塞通告报文后，将自身上行路由方式设置为冗余路由模式，在节点K中有UP_ROUTING_FLAG(G)＝1，节点L中UP_ROUTING_FLAG(G)＝1。DOWN_ROUTING_FLAG(x)、UP_ROUTING_FLAG(x)为本节点到节点x的路由方式，默认值为0，表示采用树型路由模式，其值为1时，表示使用冗余路由模式。
各节点依据MAC地址头和Mesh地址头进行路由寻址，其中MAC地址头为节点通过路由算法计算得到的下一跳地址，Mesh地址头中为最初源节点地址和最终目的节点地址。为了使树型路由寻址支持冗余路由模式，在原适配层头部中扩展了一个冗余地址头，如图3所示，该地址头用来向备份父节点转发数据。
在冗余路由下的上行通信过程中，如节点M向网关节点A汇报事件时，当消息传递至节点K时，由于节点K的父节点G处于拥塞，如果节点G再继续接收数据将导致数据溢出丢失，因此，节点K需要选取一条非拥塞路径将数据传递至目的节点。在节点K启用上行冗余路由模式后，节点K首先从父节点集(E、F)中选取一个拥塞度最小的节点如E作为临时的上行路径，为了使节点K传递的数据能够被节点E接受，节点K在判断自身处于上行冗余路由模式后，直接指定MAC地址头中的下一跳地址为节点E，Mesh地址头不变，由非拥塞节点E完成拥塞节点G的上行数据分流。在下行通信过程中，如网关节点A需要向节点M发送数据，当数据传至节点C时，此时节点C已经通过拥塞节点G组播的拥塞通告报文开启了下行冗余路由模式，节点C首先根据报文中的Mesh目的地址判断该报文的下一跳目的节点G是否正常，若正常，则直接将报文传递给子节点G；如果下一跳节点G处于拥塞状态，则以Mesh目的地址为请求对象向节点G发送一次，向下一跳节点G发送一次父节点集信息请求报文，节点G收到该请求报文后，将自身传输该报文的下一跳节点K的父节点集信息(包括节点E、F的路由ID和拥塞度)告知节点C，请求节点C收到该报文后从该集中选取一个拥塞度最小的节点E(假设节点E较节点F的拥塞度小)作为转发节点，将带有冗余地址头的消息转发至节点E，节点E将该消息处理后直接传递给节点K，最终由节点K以树路由方式完成消息的下行传递。
在节点C到节点E的消息转发过程中，节点C采用扩展的冗余地址头，该头中的Mesh目的地址缓存域和源地址缓存域分别为节点M和节点A的IPv6地址，冗余目的地址缓存域为节点K的IPv6地址，同时将Mesh地址头中的目的地址和源地址分别设置为节点E和节点C的IPv6地址，然后根据树型路由算法自动进行下一跳地址的计算并进行路由转发，节点C发出的冗余报文格式如图4所示。当节点E收到该报文时，节点E将Mesh地址头中的源地址和目的地址替换为冗余地址头中的Mesh目的地址缓存域和源地址缓存域中的地址，并将MAC地址头中的下一跳地址替换为冗余目的地址缓存域中的地址即节点K的IPv6地址，然后去掉冗余地址头，并将该报文直接发送给下一跳节点K，节点E发出的报文格式如图5所示。节点K收到该报文后，根据Mesh地址头中的目的地址并结合树路由将此消息转发至目的节点，由此完成报文的传递。
3、拥塞控制类报文
当节点处于拥塞状态时通过组播拥塞通告报文使其父子节点的路由模式动态调整，父节点下行路由方式DOWN_ROUTING_FLAG(x)和子节点的上行路由方式UP_ROUTING_FLAG(x)被设置为冗余路由模式，而父节点上行路由方式和子节点的下行路由方式仍为树路由模式，到相应节点的路由标志位为默认值0。由此使得传向拥塞节点的数据流量得到重新分配，使拥塞节点能够尽快恢复。当节点拥塞恢复后，通过组播拥塞解除报文恢复其父子节点的路由模式，提高转发效率。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (5)
1.一种基于IPv6的电力线载波通信网络拥塞控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：载波网络节点自行构建基于拥塞控制的IPv6层次转发树网络拓扑结构，以减小节点拥塞几率；
S2：节点在发生拥塞时，通过组播拥塞通告报文重新进行父、子节点的流量分配，并结合IPv6协议，使被通告节点依据相应的冗余路由寻址方法进行消息传递，以将拥塞区域的流量转移到其它负载较轻的区域从而避开该拥塞节点；
S3：节点在拥塞解除后，组播拥塞解除报文使其父、子节点恢复为原来的流量分配模式。
2.根据权利要求1所述的一种基于IPv6的电力线载波通信网络拥塞控制方法，其特征在于：所述步骤S1具体包括以下步骤：
S11：待入网节点通过广播信标请求消息，获取一跳范围内已入网的邻居节点信息，所述邻居节点收到该请求消息后，回复信标响应消息给待入网节点；
S12：所述信标响应消息中包含了该邻居节点自身的后代节点数，待入网节点在信标响应度量阀值时间T内对收到的信标响应消息进行更新，并依据后代节点数建立备用父节点集；随后，节点从该集中选出一个后代节点数最少的节点作为直接父节点进行关联，并将剩余节点作为备份父节点存于备份路由表中；
S13：直接父节点在收到待入网节点的关联请求消息后为其分配16位的路由ID，并通过关联响应消息将IPv6子网前缀、网络PANID一并告知给该待入网节点；
S14：待入网节点收到关联响应消息后，进行IPv6地址的无状态自动配置，随后该节点以树路由方式向网关发送一次新节点入网消息，转发路径上的节点对其后代节点数字段OFFSPRINGS进行更新；待入网节点在收到网关的入网确认消息时表明入网成功，否则，重复上述步骤；
S15：节点在成功入网后，将自身备份路由表中的备份父节点地址以备份父节点注册消息的形式告知其直接父节点，直接父节点在收到该注册消息后，将该子节点的备份父节点地址添加到自身的路由表中，并与该子节点的地址形成映射关系，随后，向该子节点回复注册确认消息，完成注册过程；
S16：节点在完成注册后，通过周期性广播邻居请求消息对自身备用父节点集中各节点的拥塞状态进行更新；若节点在本次父节点集拥塞度更新过程中对任意节点的拥塞度进行了变更，则节点需要将本次更新结果通过拥塞度更新消息告知给直接父节点，以使直接父节点对该子节点的备份父节点信息进行及时更新。
3.根据权利要求1所述的一种基于IPv6的电力线载波通信网络拥塞控制方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括以下步骤：
S21：各已入网节点以缓存空间占有率和拥塞因子周期性的进行自身拥塞检测，当缓存空间占有率超过拥塞阀值β，且拥塞因子α>1时，标志着该节点出现拥塞，随即该节点组播拥塞通告报文，该报文仅能够被其直接父子节点所接受；
S22：收到上述拥塞通告报文的节点，若为子节点，则该子节点将自身的上行路由方式设置为冗余路由模式，若为父节点，则该父节点将自身的下行路由方式设置为冗余路由模式。
4.根据权利要求3所述的一种基于IPv6的电力线载波通信网络拥塞控制方法，其特征在于：在步骤S22中所述的冗余路由模式具有以下特征：
S221：在上行冗余路由模式中，节点在传输上行数据时，直接从自身的备份父节点中选择一个拥塞度最小的节点进行上行报文的传输；
S222：在下行冗余路由模式中，节点在收到下行报文后，首先判断该报文的目的地址是否是自身拥塞子节点的后代节点，若是，则该节点以本次消息的mesh目的地址作为请求对象，向拥塞节点发送一次父节点集信息请求报文，收到该报文的拥塞节点将下一跳节点的注册备份父节点信息以父节点集信息应答报文反馈给请求节点，请求节点从反馈回的备份父节点信息中选择一个拥塞度最小的节点进行报文传递，从而避开将数据转发给拥塞节点；
S223：具有IPv6报文传输能力的冗余路由方法通过在原适配层头部中扩展一个冗余地址头来进行路由转发，扩展的冗余地址头部类型标识符分派值定义为11001xxx，后续字段分别为mesh目的地址缓存域、源地址缓存域和冗余目的地址缓存域，mesh目的地址缓存域和源地址缓存域用于保存当前IPv6报文中的mesh目的地址和源地址，冗余目的地址缓存域存放待转发的拥塞节点的子节点地址；分派值中的后3位分别表示后续各个地址域中地址类型，如最后1位若为1，则表示冗余目的地址缓存域中的地址采用的是16位的路由ID，若该位为0则采用EUI-64地址；冗余地址头部在冗余路由模式下才被采用，当节点恢复为树路由方式时，该头部被自动取消。
5.根据权利要求1所述的一种基于IPv6的电力线载波通信网络拥塞控制方法，其特征在于：所述步骤S3具体包括：当节点拥塞得到缓解时，即节点的缓存空间占有率<β时，节点组播拥塞解除报文，告知其父子节点取消相应的冗余路由模式，进而恢复为原有的树型路由模式。
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