CN106060180A

CN106060180A - 一种针对IPv6的基于地理位置和应用信息的寻址方法

Info

Publication number: CN106060180A
Application number: CN201610709778.9A
Authority: CN
Inventors: 杨挺; 黄思达; 苟玲; 王少捷
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2016-08-24
Filing date: 2016-08-24
Publication date: 2016-10-26
Anticipated expiration: 2036-08-24
Also published as: CN106060180B

Abstract

本发明公开了一种针对IPv6的基于地理位置和应用信息的寻址方法，其包括：物联网设备位置信息和应用信息获取：物联网设备发出广播请求；sink节点接收广播请求并将测量的物联网设备状态发往地址配置服务器；IPv6地址与位置信息和应用信息的映射：地址配置服务器将获得的位置信息及应用信息映射为含有地理位置和应用信息的唯一IPv6地址；物联网设备的IPv6地址配置：在地址配置服务器上完成与sink节点和物联网设备的通信和配置机制。本方法在针对物联网设备和物联网数据获取特点，完成对IPv6与IoT设备位置信息和应用信息的绑定和配置机制，研究映射算法，实现上述描述的各个模型。初步建立以信息为中心的物联网的一环，提高了物联网使用效率。

Description

一种针对IPv6的基于地理位置和应用信息的寻址方法

技术领域

本发明涉及IPv6物联网技术领域，确切地说涉及一种针对IPv6的基于地理位置和应用信息的寻址方法。

背景技术

物联网（IoT）是“通过信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络，它是在互联网基础上延伸和扩展的网络”。物联网中的任何物体能在任何时间、任何地点都能够与其它任何物体进行连接，具有在时间、地点、物体三个维度下的任意连接性。

在物联网技术中，定位技术一直是研究的热点和重要课题。通过传感器、射频设备、无线通信技术等构成的物联网实体（简称IoT设备）感知到的信息内容必须有位置的标识才可能有意义。根据现有的文献，物联网领域现使用的定位技术主要有卫星、WiFi、RFID和ZigBee等的定位技术。这些技术需要额外的定位设备或需消耗设备额外的计算和通信资源，例如需要在物联网设备上安装GPS模块，或需要通过GPRS网络获取和计算位置信息。而维持这些额外的定位设备部件或计算资源将增加大量的成本、能耗以及消耗设备的性能资源。

传统网络采用端到端的通信，而在物联网环境中，通信方式往往与传统方式不一样。通信的目的往往是以信息为中心，例如对某个地域的信息感兴趣，而不是对该地域的某个具体设备感兴趣。引入IPv6地址后，获得了统一的命名方式，有能力采用地理信息、感知、能耗等信息为中心作为物联网的访问方式，可不再采用端到端的逐个访问方式，能够为寻址、路由、通信等过程带来额外的便利。物联网也能做到隔离访问的对象，可信性、可靠性、而直接访问信息的目的。

因此，物联网设备需要考虑将IPv6地址与地理位置信息进行更深一步绑定，以更直接的方式提供信息，获得更佳的效率。

发明内容

本发明旨在针对上述现有技术所存在的缺陷和不足，提供一种针对IPv6的基于地理位置和应用信息的寻址方法，本方法在针对物联网设备和物联网数据获取特点，完成对IPv6与 IoT设备位置信息和应用信息的绑定和配置机制，研究映射算法，实现上述描述的各个模型。初步建立以信息为中心的物联网的一环，提高了物联网使用效率。

本发明是通过采用下述技术方案实现的：

一种针对IPv6的基于地理位置和应用信息的寻址方法，其特征在于包括：

物联网设备位置信息和应用信息获取：物联网设备发出广播请求；sink节点接收广播请求并将测量的物联网设备状态发往地址配置服务器，或者，地址配置服务器直接获取物联网设备的状态，并对状态进行分析，获得物联网设备的位置信息和应用信息；

IPv6地址与位置信息和应用信息的映射：地址配置服务器构建基于地理位置的IPv6资源库，地址配置服务器将获得的位置信息及应用信息映射为含有地理位置和应用信息的唯一IPv6地址；

物联网设备的IPv6地址配置：在地址配置服务器上完成与sink节点和物联网设备的通信和配置机制，包括服务器端和客户端。

所述状态包括物联网设备的位置信息和应用信息；

在物联网设备位置信息和应用信息获取中，位置信息分为信标节点和未知节点，其中，所述sink节点是信标节点，物联网设备是未知节点，sink节点将所述位置信息直接或间接发给地址配置服务器。

在IPv6地址与位置信息和应用信息的映射中，IPv6地址为两部分的三维地址，以提供地理位置信息：

a）地址由64位全球路由前缀和bit的全局路由前缀组成；

b）物联网设备ID，它由bit的经度坐标、bit的维度坐标和 bit纵坐标的ID组成。

在IPv6地址与位置信息和应用信息的映射中，在物联网设备端构建DBM，用于存储基于TLV格式的配置数据，包括地理位置数据，地址信息和全局配置信息，并采用链表形式构成地址、选项、位置、邻居信息的SortList。

在IPv6地址与位置信息和应用信息的映射中，在服务器端地址池中，将地址分为静态绑定地址、已分配地址、临时地址、保留地址、冲突地址和空闲地址。

在物联网设备的IPv6地址配置中，DHCPv6协议采用C/S（客户端/服务器）模式和UDP报文进行地址分配，主要由五个过程完成：首先客户端发送DHCP Solicit消息到FF02::1:2，UDP端口547，寻找DHCP服务器，若DHCP服务器不在子网内，可中继；其次，所有DHCP服务器对客户端发出DHCP Advertise消息进行单播应答；第三步，客户端向选中的DHCP服务器发送DHCP Request消息获取配置信息；第四步，DHCP服务器通过DHCP Reply消息将配置信息包括IP地址、DNS、子网掩码发送到客户端；最后，客户端配置参数后，发出DAD-NS确定有效性。

每到更新时间，客户端需发送DHCP Renew报文进行续租。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果如下：

本发明通过物联网设备位置信息和应用信息获取、IPv6地址与位置信息和应用信息的映射和物联网设备的IPv6地址配置三个方面形成的新的寻址方法，针对物联网设备和物联网数据获取特点，完成对IPv6与 IoT设备位置信息和应用信息的绑定和配置机制，研究映射算法，实现上述描述的各个模型。并具体采用服务端将数据库中的IPv6地址区块与地理位置或应用信息进行映射，当服务端接收网络设备的地理位置或应用标识与IPv6地址的映射请求后，为网络装置提供对应的IPv6地址。同时，服务端还提供IPv6地址与地理位置或应用信息的查询功能，从而令IPv6地址包含地理信息或其他应用信息，消除位置查询或其他查询过程，减少物联网设备的通信量，提供信息的查询效率。

附图说明

下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，其中：

图1为场景示意图；

图2为DHCPv6报文格式；

图3为DHCPv6选项基本格式；

图4为客户端标识符选项格式；

图5为增加了定位信息的客户端标识符选项示意图；

图6为DHCP6_CLI模块内部设计图；

图7为DHCP6_SVR模块设计图；

图8为DHCP6_CMN模块设计图；

图9为报文解析流程图。

具体实施方式

本方法从下述三个方面考虑具体的实施方式：地址配置服务器获取物联网设备的位置信息机制；IPv6地址与地理位置映射的技术；完成IPv6的动态配置功能。

对IoT设备而言，IoT设备属于客户端。关于定位，有两种主要问题需要考虑：首先，IoT设备未配置定位系统，物联网设备无法自我定位，即需要通过与之连接的sink获取相关参数，计算出其地理位置后，与应用信息一并发给地址配置服务器端；其次，设备在获取IPv6地址之前，采用GPRS或其它方式获取了地理信息，也需通过一个机制向服务器发送位置信息以及获取映射了的IPv6地址。

从地址配置服务器端而言，需要首先将地址池的IPv6按地理位置进行规划和排序。接收到物联网设备的位置信息后，与地址池的IPv6地址进行映射。选择对应设备唯一的IPv6地址。并将确定的IPv6地址分配给对应的物联网设备。下述是具体的实现方案：

IoT设备位置信息获取机制

在物联网中，没有对所有环境最优的IoT设备定位算法，只有对某个环境最合适的算法。在不同的环境中，某些定位算法可能会适合其它的定位算法，不同的定位环境会针对性的选择不同的定位算法。因此本方法不研究具体某种定位算法，而关心节点的位置信息如何转发给IPv6地址配置服务器的机制。

节点位置信息可以分信标节点（Beacon node）和未知节点(Unknown node)。信标节点是已知自身的位置的设备，可以是人为设定或节点自身通过GPS等手段获得的自身所处的地理位置信息。未知节点即为不知道自身的位置的节点，而需通过某种定位算法获取定位信息的节点。在图1中，sink节点是信标节点，IoT设备是未知节点。无论采用哪种方式，均需要将位置信息直接或间接发给地址配置服务器。

本方法从兼容性和性能上考虑，将对DHCPv6进行改进，采用的机制描述如下：

DHCPv6采用C/S模式和UDP报文进行地址分配。主要由5个过程完成：其中第1个步骤是客户端发送DHCP Solicit消息到FF02::1:2，UDP端口547，寻找DHCPv6服务器（若服务器不在子网内，可中继）。在该步骤中，客户端可以通过DHCP Solicit的选项请求选项（OptionRequest Option）申请绑定地理信息，若自身已获得了地理信息，可以在选项（option-data）中表达。若没有地理信息，也在option-data中表示，进行定位的锚点或图1中的有定位功能的sink节点将地理信息数据发到DHCPv6服务器端。

其中，DHCPv6的报文格式如图2所示。

普通报文格式用于客户端与服务器之间的直接交互。这种格式包含报文类型、事务ID号和可变的选项字段。由于DHCPv6 的可扩展性可根据报文选项实现，通过定义不同的选项，DHCPv6报文中可携带不同的网络配置参数或其他额外的信息。所有选项都基于 TLV格式，即类型、长度和值顺序排列格式，如图3所示。

DHCPv6的报文选项可以嵌套。例如：在OPTION_IA_NA选项包含OPTION_IAADDR子选项，用来指明此OPTION_IA_NA选项中所配置的IPv6地地址。因此在DHCP Solicit消息中，选项可以配置已知的地理信息，这里定义为LOCATION_ADR，若IoT设备没有获取地址，即定位为LOCATION_NA。这个信息可包含在OPTION_CLIENTID中，标识客户端。

如图4所示OPTION_CLIENTID的选项中，客户端身份由DUID指明。本方法中，将增加LOCATION_ADR选项（见图5），向地址配置服务器（DHCPv6）提供地址信息。

为了支持IoT设备的配置功能，需要通过DHCPv6_CLI模块实现以下功能：

DHCPv6 server 命令行的定义、配置消息的处理；获取当前的 DHCP 配置信息；完成DHCPv6 命令行注册、注销，命令模板的安装与卸载；进程间数据使用 TLV（Type+Length+Value）的格式的处理；完成 DHCPv6 命令行守护进程中消息的封装、解析，与DHCP 守护进程消息交互任务；完成 DHCP 进程中 LIPC 消息的处理等工作。

这些功能需要以下模块支持：DHCP6_CLI获取配置信息，包括判断和获取地址位置功能；DHCPS6_CLI完成服务器端的信息处理；DHCP_LIB完成进程中通信接口的定义和TLV的封装解析；DHCP6_LIB完成消息的封装、解析；DHCP6_LMSG用于LIPC 消息的处理以及TLV业务处理，其关系如图6所示。

DHCP6_CLI模块需要完成与平台的 CLI 模块交互的功能，且与本系统内部其他子模块交互，需要跨两个进程，即CLID进程和DHCP6D进程。其中CLID进程需能够获取位置数据，提供给DHCP6D进程。

位置信息的映射算法

IPv6是在互联网高速发展的背景下出现的，是为了适应互联网未来发展而产生的。IPv6使用了128位的地址空问，理论上可以提供2¹²⁸个IP地址，其出发点是为了人们能够在全球范围内享受更有效率的互联网服务。

IPv6采用了与IPv4不同的表示方式，即将128位分成用冒号隔开的8个部分，每部分16位用四个16进制数表示。IPv6的地址的类型分为三种:单播地址、多播地址和任播地址。其中，常见的单播地址有全球单播地址、链路本地地址、特殊地址和兼容地址四类。

其中IPv6的全球单播地址具有严格的层次结构。最上面一层是globalroutingprefix即全球路由前缀，这部分由IANA和ISP负责组织，其中IANA将IPv6地址前缀（相当于IPv4中“地址段”的概念）分配给ISP，前缀即由ISP拥有，ISP再根据情况将前缀分配给站点（IPv6中站点的概念是子网/链路的集合)。

用户所使用的全球单播地址都是所分配给ISP前缀的子集，如果用户的ISP发生改变，其所拥有的前缀就要服从新ISP的分配。最后是interface ID也就是接口ID，这部分通过不同配置方式来确定，主要有无状态自动配置和DHCPv6两种方式。

目前多数算法中，物联网的IPv6地址主要从节能、自主配置、减少重复率出发，例如已提出的簇分配方案，采用节点自动配置IP地址，并通过簇分配的方案减少IPv6地址的重复分配问题。其实在物联网中，IPv6地址除节点ID信息外，能够额外的提供地理位置，因此，尽管通过服务器获取地址较自配置地址而言需要更多的能耗，但从功能上更适用。特别是当IoT设备具有移动的特性后，通过服务跟踪设备也是必须的功能。因此本方法将IPv6地址设计为两部分的三维地址，以提供地理位置信息：

a）地址由64位全球路由前缀和bit的全局路由前缀组成，在一个地址配置服务器管理域中所有IoT设备的IPv6地址的全球路由前缀和全局路由前缀都相同；

b）IoT设备ID，它由bit的经度坐标、bit的维度坐标和 bit纵坐标的ID组成。其中，经度坐标为IoT设备所在逻辑区域的经度坐标，纬度坐标为IoT设备所在逻辑区域的纬度坐标。n( 1≤n≤5)值根据传感器节点分布密度与IoT设备的规模大小、精度和管理区域范围进行调整；IoT设备ID唯一地标志一个簇的簇内节点。当坐标要求的精度为cm级时，即时，理论上采用动态配置的IoT设备所在的管理域的范围约为公里。

k的最后一位可以用于确定是否采用区域的广播或单设备访问，剩下的3bit保留，可以考虑用于信息归类检索，例如代表IoT设备上的某个传感器编号或该IoT设备的其他应用信息。根据k位的设置，既可以查询某一个区域内的数据，也可以单独寻址某一个IoT设备，甚至可以访问IoT设备上的某个传感器，实现了应用信息与IPv6地址的绑定。IoT设备ID的唯一性由服务器端控制。

在IoT设备端拟构建DBM，用于存储基于TLV格式的配置数据，包括地理位置数据，地址信息和全局配置信息等。采用链表形式构成地址、选项、位置、邻居等信息的SortList。其设计方案如下：

表1 DB用途设计说明

在服务器端地址池中，将地址分为静态绑定地址、已分配地址、临时地址、保留地址、冲突地址、空闲地址。其分配规则拟如下考虑：

首先，DHCP6_MAP（参见表2）根据客户端标识DUID和LOCATION_ADR对进行查找，获取与位置映射的空闲地址，若有对应地址，进行地址分配，记录为静态绑定地址，并记录有效租约时间。若地址已分配，即分配临时地址，记录临时租约时间。临时租约时间相对较短，以确保IoT设备再次获取IPv6地址。租期到期后，称为过期租期，服务器将该地址纳入保留地址中，为保留过期租期有利于保留IoT设备地址，不会因为意外被无关设备占用。冲突地址将被记录，过一定时间再分配。保留地址将留用不分配。

临时地址采用链表，空闲地址采用地址池组织，并采用radix树和HASH提高查找效率。考虑到物联网设备的节能问题，租约的生命期不能太短，避免频繁更新。同时，由于IoT设备的生命周期有限，因此租约模式还必须存在。

动态配置

对物联网而言，需要从以下前提下考虑IoT设备的地址配置问题：首先，IoT设备应具有IPv6地址并能连接到以IPv6为核心的互联网上，形成的一种智能网络；第二，IoT设备中，一部分设备提供运行物联网路由协议，对传感器节点收发的数据进行中继传输，从而保证传感器节点能与互联网上终端主机进行通信，称之为物联网可路由节点；第三，由于6LowPAN在物联网的物理层只支持127字节的数据包，因此IoT设备只能运行轻量级IPv6协议，而互联网以太网上IPv6的最大传输单元（MTU）为1500字节，因此需要专门的设备进行协议的翻译转换，即多协议网关，并完成IP地址补齐和去前辍等工作。第四，根据SAVA（SourceAddress Validation Architecture），我们需要考虑符合接入子网验证级别，提供传感器节点力度的验证级别的地址配置方案。

IPv6中有静态地址分配、无状态的地址配置（Stateless AddressAutoConfiguration, SLAAC）、有状态的地址配置（Dynamic Host ConfigurationProtocol Version6, DHCP v6）和DHCPv6与SLACC混合的4种地址分配方式。

其中，SLAAC无状态地址分配是一种无状态、采用ICMPv6进行的地址配置方式，主要由三个过程完成：首先，终端向终端接入路由器发起NS报文并获取回复NA（NeighborAdvertisement）报文。然后终端将48位MAC地址映射为64位IEEE EUI-64位地址，与网络前缀一起形成128位的IP地址。最后，终端发出DAD-NS报文进行检测，若无响应，即采用该地址。

DHCPv6采用C/S模式和UDP报文进行地址分配。主要由5个过程完成：首先客户端发送DHCP Solicit消息到FF02::1:2，UDP端口547，寻找DHCP服务器（若服务器不在子网内，可中继）。其次，所有DHCP服务器对客户端发出DHCP Advertise消息进行单播应答。第三步，客户端向选中的服务器发送DHCP Request消息获取配置信息。第四步，DHCP服务器通过DHCPReply消息将配置信息（IP地址、DNS、子网掩码等）发送到客户端。最后，客户端配置参数后，发出DAD-NS确定有效性。由于DHCP由时效性，因此每到更新时间，客户端需发送DHCP Renew报文进行续租。

在本发明中，由物联网环境，根据图6，设计的IoT设备端的模块结构，使在第1，3步骤中发送的消息（图5）变更为符合位置信息的传递要求。在DHCPv6服务器端，设计DHCP_SVR模块实现核心功能，分别完成第2，4步骤。该模块结构如图7所示。

DHCP6_SVR模块的流程如表2所示。

表2. DHCP6_SVR模块内部子模块关系说明

编号	子模块	关系含义
			1	DHCP6_PROTO	调用DHCPS6_LEASE，完成租约、续约等操作
2	DHCP6_PROTO	调用DHCPS_topO获取配置信息
			3	DHCP6_EVT	调用DHCPS_LEASE提供初始化和事件响应
4	DHCP6_EVT	调用DHCPS_topO进行全局变量初始化
			5	DHCP6_topO	调用DHCP6_MAP获取映射地址
6	DHCP6_MAP	调用DHCP6_topO获取位置信息

其中DHCP6_TOPO通过地址池（pool）完成地址资源的配置、分配和管理。地址池不再根据租约时间顺序组织，而通过DHCP6_MAP管理的地址与位置信息的映射实现。

服务端接收报文后，进行报文解析，获取报文类型、长度、接口信息、报文选项信息，然后交于对应处理模块进行处理。IoT服务器端主要通过一个模块处理外面的Socket报文，为此设计DHCP6_CMN模块，接收Socket的UDP报文，解析DHCPv6报文，交付DHCP6_SVR模块；DHCP6_CMN接收DHCPV6_SVR封装好的报文，下发给Socket模块，最后将报文通过网络接口发送到网络上。DHCP6_CMN结构设计如图8。

MAIN是系统的入口，完成初始化和调用其它模块的功能。其中，系统管理模块有：SCM、LOG、HASH、TIME、GS等，SCM负责进程管理、LOG进行日志记录、HASH提供HASH表操作、TIME提供定时器模块、GS模块完成socket的通信时间，是一个基础公共模块。

处理与报文相关的模块包括：IP、IF、OPT、PKT等模块。IP模块负责完成IP地址事件相关的操作，比如注册和处理。IF模块完成接口响应工作，并完成外部模块的注册；OPT进行报文选项（见图5）的操作，包括解析和封装。PKT完成报文的接收和发送，处理Socket 获取的UDP报文，并交予DHCP6_SVR。同时，也将DHCP6_SVR的报文通过Socket发送到网络中。

报文处理过程中，主要处理报头信息和选项信息，过程如图9。

Claims

1.一种针对IPv6的基于地理位置和应用信息的寻址方法，其特征在于包括：

2.根据权利要求1所述的一种针对IPv6的基于地理位置和应用信息的寻址方法，其特征在于：所述状态包括物联网设备的位置信息和应用信息。

3.根据权利要求1所述的一种针对IPv6的基于地理位置和应用信息的寻址方法，其特征在于：在物联网设备位置信息和应用信息获取中，位置信息分为信标节点和未知节点，其中，所述sink节点是信标节点，物联网设备是未知节点，sink节点将所述位置信息直接或间接发给地址配置服务器。

4.根据权利要求1所述的一种针对IPv6的基于地理位置和应用信息的寻址方法，其特征在于：在IPv6地址与位置信息和应用信息的映射中，IPv6地址为两部分的三维地址，以提供地理位置信息：

a）地址由64位全球路由前缀和bit的全局路由前缀组成；

5.根据权利要求1所述的一种针对IPv6的基于地理位置和应用信息的寻址方法，其特征在于：在IPv6地址与位置信息和应用信息的映射中，在物联网设备端构建DBM，用于存储基于TLV格式的配置数据，包括地理位置数据，地址信息和全局配置信息，并采用链表形式构成地址、选项、位置、邻居信息的SortList。

6.根据权利要求1所述的一种针对IPv6的基于地理位置和应用信息的寻址方法，其特征在于：在IPv6地址与位置信息和应用信息的映射中，在服务器端地址池中，将地址分为静态绑定地址、已分配地址、临时地址、保留地址、冲突地址和空闲地址。

7.根据权利要求1所述的一种针对IPv6的基于地理位置和应用信息的寻址方法，其特征在于：在物联网设备的IPv6地址配置中，DHCPv6协议采用C/S（客户端/服务器）模式和UDP报文进行地址分配，主要由五个过程完成：首先客户端发送DHCP Solicit消息到FF02::1:2，UDP端口547，寻找DHCP服务器，若DHCP服务器不在子网内，可中继；其次，所有DHCP服务器对客户端发出DHCP Advertise消息进行单播应答；第三步，客户端向选中的DHCP服务器发送DHCP Request消息获取配置信息；第四步，DHCP服务器通过DHCP Reply消息将配置信息包括IP地址、DNS、子网掩码发送到客户端；最后，客户端配置参数后，发出DAD-NS确定有效性。

8.根据权利要求7所述的一种针对IPv6的基于地理位置和应用信息的寻址方法，其特征在于：每到更新时间，客户端需发送DHCP Renew报文进行续租。