CN106376021B - 一种面向物联网的内容中心网络协议的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种面向物联网的内容中心网络协议的优化方法，该方法包括：将内容中心网络协议部署于无线网络传输协议上；针对物联网来优化内容中心网络协议的空间；以及裁剪和适用原内容中心网络协议中与物联网需求不相关或弱关联的字段空间。根据本发明实施例的方法实现了在受到资源限制的传感器上实现了轻量级的内容中心网络协议，该协议实现简单，而且实现后的程序的占用空间极小，从而加大了该协议在更多传感器上的适用性，降低成本。

Description

一种面向物联网的内容中心网络协议的优化方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络领域，尤其涉及一种面向物联网的内容中心网络协议的优化方法。

背景技术

随着各类传感器的出现以及在各行各业的应用，如何方便、快捷、低成本采集和处理这些传感器产生的数据是对当前研究的热点，也是工业界急需解决的关键问题。

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks)将传感器节点相互协作，收集并处理感应的数据，并通过多跳方式传送到固定或移动的基站，目的是通过传感器节点协作收集、处理其感应的数据，并以多跳方式将数据传送到基站。基站负责处理这些汇聚的原始数据，针对客户端的需求提供数据服务。无线传感器网络具有低成本，部署方便的特性，目前已经成为解决传感器数据采集、收集的一个主要技术手段。

由于传感器节点收到的能量和计算资源条件的约束，无线传感器网络中涉及到的无线通信、自组网、数据传送等协议必须具备低功耗，轻量级运算特点。目前已有的技术中，以Zigbee和IoT6（IPv6 for IoT）为代表。其中，Zigbee采用802.15.4低功耗无线通信协议，在网络层采用已有的自组网协议，如ADOV、EHRP等协议；IoT6是欧盟和美国谷歌等公司力推的系列协议，其本质是延伸IPv6协议到物联网中，从而可以IP协议的方式将物联网直接链接到已有的因特网中。

Zigbee和IoT6这两个代表性技术因其技术设计以OSI的网络7个层次为基础，每个层次都有对应的协议，从而导致其整体协议非常复杂，无法轻量级实现这些技术。这也是一直制约这些技术在实际应用中的大规模的应用，尤其是需要大规模自组网的应用，如工业传感器网络中的数据采集，城市煤气安全监控等需要大规模部署的应用的主要原因。事实上，已有的这些技术只是在小规模网络，如智能家庭网得到一些应用，因为家庭网络中的设备计算能力相对较强，并且设备由于可用有线电源支撑，从而使得这些技术在智能家居网的应用上无须过多考虑功耗和有限的计算资源。对于部署了大规模节点的应用，急需一种轻量级的组件来支撑无线传输以及传感器网络的自组网功能和技术。

随着物联网的崛起，如何设计面向约束资源的，轻量级的体系结构已经成为当前研究关注的热点。物联网主要是面向数据驱动型的应用，即采集数据，汇聚数据，并根据数据反馈作出相应的操作。物联网这种以内容（数据）为中心的特性使得更适合建立以内容为中心的网络。内容中心网络（Content Centric Network, CCN）设计思想是TCP/IP 创始人之一Van Jacobson于2009年提出的，内容中心网络是以内容为中心建立网络，与物联网这种以数据为中心的网络的特性相匹配。

内容中心网络具有以下特点：1）每个物联网节点中的内容有一个独特的名字来标识；2）物联网两个节点之间通信采用兴趣包-内容包模式来通信；3）包的匹配是基于名字的，包括最长匹配和精确匹配；4) PIT（Pending Interest Table）、FIB（ForwardingInformation Table）表用来存储为满足的兴趣包和路由信息。

但已有的内容中心网络协议是针对因特网，相对于物联网，该协议还需要进行精简优化，从而适用于物联网，并真正实现轻量级的内容中心网络组件。

发明内容

技术问题

为解决上述问题，申请人基于内容中心网络的思想，从已有的内容中心网络协议出发，提出一种精简协议的方法和思路，使其能最终成为适用于传感器节点上运行的轻量级协议组件。该组件结构包括采用低功耗无线传输模块（如IEEE 802.15.4），用对数据内容命名代替了对物理实体（设备、终端）的命名，并基于内容名字执行路由，通过以内容为中心这种方式，把网络层，传输层，应用层合为一体，从而有效精简了协议的组成，实现了轻量级的传感器网络传输、组网功能所需的支撑平台。

本发明提供一种面向物联网的内容中心网络协议的优化方法，主要从以下几个方面对内容中心网络协议进行优化：

1）采用无线传输，并采用低功耗无线传输协议来替代IP网络协议，默认使用目前广泛使用的802.15.4协议。已有的内容中心网络协议是面向当前IP网络上部署的，对于物联网这样的资源受限型网络来说，IP网络协议由于过于复杂和庞大，因而很难以低功耗方式高效的在物联网中运行。

2）优化传输层协议开销。因为物联网是基于低功耗无线传输，这些无线传输因为考虑低功耗因素，所以除了帧头之外，用于整个传输层的负载相对于其它非低功耗无线传输协议（如WIFI）很小，如802.15.4协议的负载最多只有127bytes。因此需要设计适合物联网的紧凑协议，从而尽量节省空间给负载使用。

3）从必要性角度出发，对已有的内容中心网络协议进行缩减。因为物联网关注的是内容的获取和分发，因此基于此要点，提取内容中心网络中与此相关的协议组成的部分，并重新组合，以达到紧凑、实用、节省的目的。

本发明实施例的一种面向物联网的内容中心网络协议的优化方法，包括以下步骤：

步骤1：将内容中心网络协议部署于无线网络传输协议上；

步骤2：针对物联网来优化内容中心网络协议的空间；以及

步骤3：裁剪和适用原内容中心网络协议中与物联网需求不相关或弱关联的字段空间。

有益效果

本发明的面向物联网的内容中心网络协议的优化方法避开了采用IP网络协议的方式来进行物联网中的节点通信，而是采用一切以内容为中心的思想，把应用层、传输层、网络层这三层压缩为一个内容层，从而可以实现在受到资源限制的传感器即物联网节点上运行的轻量级通信协议组件。该协议实现简单，而且实现后的程序的占用空间极小，从而加大了该协议在更多传感器上的适用性，降低成本。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本发明的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本发明的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本发明的原理。

图1示出本发明实施例的协议栈架构；

图2示出本发明实施例的数据包格式；

图3示出本发明实施例对内容中心网络协议字段合并之前和之后对比；

图4示出本发明实施例对内容中心网络协议字段的灵活复用；

图5示出本发明实施例的精简后的内容中心网络协议中的兴趣包和内容包的格式结构。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

实施例

图1~5示出根据本发明实施例的优化后的面向物联网的内容中心网络协议。

本发明提供的面向物联网的内容中心网络协议的优化方法包括以下步骤：

步骤1：将内容中心网络协议部署于低功耗无线网络传输协议上。

低功耗无线网络传输协议作为通信基础，内容中心网络协议作为负责物联网的内容的处理以及路由等功能。图1所示为协议栈结构，缩减后的面向物联网的内容中心网络协议部署在低功耗的无线传输协议802.15.4之上， 也就是作为传输层的内容中心网络协议同时作为无线网络传输协议的帧的负载，图2所示为数据包格式。

步骤2：针对物联网优化内容中心网络传输层协议的空间。

考虑到内容中心网络CCN协议作无线协议的负载传输，而无线协议的最大负载较小，如802.15.4协议的最大负载为127字节，在如此受限的负载空间内，为给内容中心网络CCN协议本身的负载预留更多的空间，因此本发明提出从精简CCN协议头开销的优化技术，从而大大缩减CCN协议头，降低其空间开销。该优化技术包含3个方面：

合并协议字段。与传统CCN协议相比，在面向物联网的轻量级的CCN协议中，少量的版本和消息类型即可实现相应功能，因为本发明将CCN协议版本和消息类型这两个固定头合并到1字节空间内。协议版本version和消息类型（MsgType）由原来需要2个字节合并为一个字节，其中version和MsgType各四个比特，包长和跳数合并为使用2个字节空间，具体如图3所示。

针对不同消息类型，灵活复用字段空间。即同一协议头空间可以灵活表示不同类型消息的协议字段。因为CCN中不同消息类型对负载空间要求不同，如CCN中兴趣包（Interest Packet）不包含特定的数据内容，因此其消息长度字段可以缩短。如图4所示，在兴趣包中，包长（PacketLength）和跳数/保留字段（HopLimit/Resv）各占据第三字节和第四字节空间；而内容包（Content Packet）中，包长则占据了整个第三和第四字节（总共两个字节）空间。

共享协议字段空间。CCN协议中，HopLimit字段只在兴趣包中。HopLimit一般用于路由循环检测。而在物联网中，由于大量传感器的存在，与IP网络相比，HopLimit可能非常多，使之过大从而占据大量的协议空间，而物联网中天然需要构造树形拓扑结构来执行数据采集，从而可以无需通过HopLimit实现路由循环检测。所以在实际应用中，第四字节空间可以用于保留做其他扩展字段之用，或者在需要使用HopLimit来控制兴趣消息的有效性时，将第四字节空间用于保存HopLimit，注意HopLimit限制在255之内。基于此，从压缩空间目标以及物联网的功能出发，可以让HopLimit和保留字段共享该第四节协议空间。

步骤3：裁剪和适用原CCN协议中与物联网需求不相关或弱关联的字段空间。

不相关字段空间裁剪：对于兴趣包，保留CCN中兴趣包的基本结构，即保留MessageType，MessageLength以及Name TLV结构。移除Optional Metadata TLV，因为该Metadata中涉及到的keyID，内容创建时间，SHA-256哈希不是物联网中必须的，且占用空间过大，所以去掉该Metadata TLV部分。适用已有字段空间：对用于安全验证的可选TLV结构保留，此结构不仅可以使用原CCN协议中列出的安全套件，而且还可以将该处结构用于新兴适用于物联网的轻量级的安全套件。

本领域普通技术人员可以意识到，本文所描述的实施例中的各示例性单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件形式来实现，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以针对特定的应用选择不同的方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

如果以计算机软件的形式来实现所述功能并作为独立的产品销售或使用时，则在一定程度上可认为本发明的技术方案的全部或部分（例如对现有技术做出贡献的部分）是以计算机软件产品的形式体现的。该计算机软件产品通常存储在计算机可读取的非易失性存储介质中，包括若干指令用以使得计算机设备（可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等）执行本发明各实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种面向物联网的内容中心网络协议的优化方法，所述方法包括：

步骤1：将内容中心网络协议部署于无线网络传输协议上，以所述无线网络传输协议作为通信基础，所述内容中心网络协议作为负责联网的内容的处理及路由，所述内容中心网络协议作为传输层的同时作为所述无线网络传输协议的帧的负载；

步骤2：针对物联网来优化内容中心网络协议的空间；以及

步骤3：裁剪和适用原内容中心网络协议中与物联网需求不相关或弱关联的字段空间，具体为：不相关字段空间裁剪：对于兴趣包，保留所述内容中心网络中兴趣包的基本结构，即保留MessageType，MessageLength以及Name TLV结构，移除OptionalMetadata TLV；适用已有字段空间：对用于安全验证的TLV结构保留，该结构不仅使用原所述内容中心网络协议中列出的安全套件，而且还将该结构用于新兴适用于物联网的轻量级的安全套件。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述无线网络传输协议是低功耗无线网络传输协议。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述无线网络传输协议是无线传输协议802.15.4。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤2进一步包括：精简内容中心网络协议头的开销。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述精简内容中心网络协议头的开销进一步包括合并协议字段。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述精简内容中心网络协议头的开销进一步包括针对不同消息类型来复用字段空间。

7.根据权利要求4所述的方法，其中，所述精简内容中心网络协议头的开销进一步包括共享协议字段空间。

8.根据权利要求5所述的方法，其中，所述合并协议字段进一步包括合并内容中心网络协议的版本字段和消息类型字段。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述共享协议字段空间进一步包括共享第四节协议空间。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述步骤3进一步包括：保留内容中心网络协议中的兴趣包的基本结构。