CN109450799A

CN109450799A - 一种基于地址空间的树型网络地址方法

Info

Publication number: CN109450799A
Application number: CN201811281308.2A
Authority: CN
Inventors: 林政宽; 刘宁宁; 刘文军; 王岩
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2018-10-30
Filing date: 2018-10-30
Publication date: 2019-03-08
Anticipated expiration: 2038-10-30
Also published as: CN109450799B

Abstract

本发明公开了一种基于地址空间的树型网络地址分配方法，包括：当某节点所分配到的可使用地址空间范围大于等于1时，询问其一跳内的未加入网络的节点是否加入该树型网络，并通知这些节点统计并回复其k跳内的未加入网络的节点数；当协调器节点或路由子节点收集完请求加入的节点回复后，根据请求加入的节点数与所述可使用地址空间范围、路由子节点的最大个数、路由子节点的最大个数与终端叶节点的最大个数之和依次进行比较，以进行相应的地址空间分配。本发明提高节点间地址分配的效率，优化网络拓扑结构，消除网络中的孤立节点，提高新节点的入网成功率。同时，使得路由可以更加快速地进行，并且减少了因路由表的建立和维护所需要的时间和存储空间。

Description

一种基于地址空间的树型网络地址方法

技术领域

本发明涉及一种基于地址空间的树型网络地址分配方法，属于网络通信技术领域。

背景技术

当今世界通信技术突飞猛进，随着Internet的迅速发展和个人对数据通信需求的快速增长，无线化、宽带化和IP化已经成为全球通信产业技术发展的三大趋势。市场对于宽带网络的需求源于互联网业务的不断发展，因此宽带用户的数量在全球的发展中已经呈现出来非常强势的增长状态。这些年来通信技术市场上最大的市场亮点是无线技术中的移动通信技术，在这么多的宽带技术中，移动通信技术将会是构成未来通信技术的重要组成部分。无线通信技术满足了用户对在不同移动状态下获取网络信息的强烈需求，也符合当今社会人员流动性大、工作生活节奏紧张的发展趋势。另一方面，无线通信技术具有网络部署迅速便捷的特点，对于缺乏线缆资源的新兴运营商来说，无线通信技术是成功部署通信网络，迅速为用户提供语音和数据服务的最佳手段。目前来看，无线网络仍然是各类网络中最具增长潜力的，许多机构要想获得在机构内部移动接入网络的能力，就需要采用无线局域网(WLAN)来拓展他们的现有网络。在人们的生活中，近距离无线通信技术将会扮演着越来越重要的作用。ZigBee作为一种新兴的短距离无线通信技术，正有力地推动着低速率无线个人区域网络LR-WPAN(Low-Rate Wireless Personal Area Network)的发展。

同时，随着网络和通信技术的发展，近年来采用ZigBee标准的无线传感网络得到了较多的关注。随机地址分配机制和分布式地址分配机制(distributed addressassignment mechanism，DAAM)是ZigBee协议两种最常见的地址分配机制。随机地址分配机制是由父节点为子节点随机的分配网络地址；DAAM分配的地址则呈现出规律性，包含了“地址-位置”的对应关系，通过对地址的计算能获得路由的信息。DAAM实现相对简单，目前得到了较为广泛的研究和应用，但是由于DAAM地址分配机制组网阶段就已经设定了网络参数Cm，Rm，Lm，没有对网络的拓扑结构进行优化，导致了实际应用时发生部分闲置的地址无法使用，容易形成大量的孤儿节点。

(1)地址分配算法的改进研究

虽然研究人员对地址分配算法开展了大量的研究工作，并且取得了相当不错的研究成果，但是WSN地址分配算法的研究仍然处于初级阶段。与此同时，随着时代的进步，技术的发展，这些研究成果不断地暴露出来很多的问题，存在理论和时间上的缺陷和不足，还需要我们从多个方面加以改进和提高。

目前，分布式地址分配机制(distributed address assignmentmechanism，DAAM)是传统的地址分配方法，网络协调器为所有节点的父节点，并发起组网，路由节点分配到地址后可作为父节点为其它节点分配地址。改进的地址分配算法主要有借地址分配算法、地址重分配算法和基于优先级的地址分配算法等等。其中借地址分配算法可以在不改变组网参数的情况下，较好地分配地址，有助于实现网络负载均衡。Ganu于2004年提出了SLAR(single level address reorganization)方案，类型为路由节点的父节点通过增大深度d来减小地址偏移量Cskip(d)以实现增加可分配地址空间，该算法采用以深度换取宽度的方法可以显著增加地址空间，但组网延迟和开销也有了相应增加，仅仅适合深度大的网络。YUN在2009年提出若父节点的地址空间不足，则可以向网络协调器借用空闲地址。任智等人在2012年提出了通过按需扩展路由节点的地址空间，提高了节点地址空间的使用效率，但没有从根本上改变父节点的地址不足。

(2)实时路由的改进研究

树路由是基于单跳邻居的实时路由，制约了节点转发包的路由选择。目前，路由协议的改进研究已经取得了很多的研究成果。

Rajendran在2006年指出，建立相邻节点的邻居关系，每个节点需要发送0(lgn)bit的数据包(基本满足用来存储相关节点的ID和位置信息)，而如果要获得两条邻居信息同样只需要增加一次交换0(n)的信息量，通过增加了少量额外的通信开销，实现查询两跳通信范围的邻居表。王建新等人在2008年提出了基于地理路由的贪婪机制，每个节点通过感知两跳邻居节点位置信息，避开路由空洞，提高分组到达率。李燕君等人在2009年提出了根据速率匹配选择转发节点，设计了两跳邻居信息的实时路由，进一步延长网络寿命。根据速度的功率控制机制，选择两跳邻居节点信息进行路由决策，从而改进传统路由的实时性，这是赵政春等人在2011年提出的新的路由方法。

然而，现有技术具有如下缺点：

DAAM实现方法相对简单，目前得到了较为广泛的研究和应用，但是由于DAAM地址分配机制在节点分配地址时没有针对网络的拓朴结构进行优化，且该机制因参数设定的问题导致实际应用时发生部分闲置的地址无法使用而形成浪费，并导致大量孤儿节点的产生。

为了解决地址空间利用不均衡的问题，改进传统的地址分配算法，有人提出了借地址的算法，这类算法在地址空间不足的情况下，向协调器申请空闲的地址，或者地址空间不足的父节点根据剩余节点的优先级发出申请并且分配空闲地址空间，或者发送广播向周围有空闲地址的路由器借地址。这些算法都可以提高节点的入网率，但是并不能完整的保留原有的“位置-地址”关系，增加了树状网络的冗余路径，所以在树路由算法中会增加额外的开销，并且节点需要存储相应的地址信息。

SLAR(single level address reorganization)算法方案，类型为路由节点的父节点通过增大深度d来减小地址偏移量Cskip(d)以实现增加可分配地址空间，该算法以深度换取宽度的方法可以显著增加地址空间，但组网延迟和开销有了相应增加，而且仅仅适合深度大的网络。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于地址空间的树型网络地址分配与路由技术。

具体的，根据本发明的一个方面，提供了一种基于地址空间的树型网络地址分配与路由方法，包括：

当某节点所分配到的可使用地址空间范围大于等于1时，询问其一跳内的未加入网络的节点是否加入该树型网络，并通知这些节点统计并回复这些节点k跳内的未加入网络的节点数；

当协调器节点或路由子节点收集完请求加入的节点回复后，根据请求加入的节点数与所述可使用地址空间范围、路由子节点的最大个数、路由子节点的最大个数与终端叶节点的最大个数之和依次进行比较，以进行相应的地址空间分配。

本发明提出了一种新的树型网络地址分配与路由方法，除了能够解决上述的部分问题，使得地址空间的分配更加灵活，从而提高节点间地址分配的效率，优化网络拓扑结构，消除网络中的孤立节点，提高新节点的入网成功率。更为关键的是，这种树型网络地址分配方法并不局限于ZigBee的使用，而是适用于由各类硬件所建立的无线网络与传感器网络。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提出的一种基于地址空间的树型网络地址分配流程图。

图2为第一种情形下的一种基于地址空间的树型网络地址分配示意图。

图3为第二种情形下的一种基于地址空间的树型网络地址分配示意图。

图4为第三种情形下的一种基于地址空间的树型网络地址分配示意图。

图5为第四种情形下的一种基于地址空间的树型网络地址分配示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

术语解释：

k为节点统计其k跳距离内未加入网络的节点数的跳数，R_max表示路由子节点的最大个数，E_max表示终端叶节点的最大个数，令u[k]表示节点u的k跳内的未加入网络的节点数。

本发明的树型网络建立的节点分为协调器节点、路由节点、终端叶节点三种。协调器节点负责树型网络建立的初始化工作与网络维护和控制，该节点同时决定[a，b]，k，R_max与E_max共4个参数。其中，[a，b]＝{a，a+1，...，b}为该树型网络的总可使用地址空间范围，k为节点统计其k跳距离内未加入网络的节点数的跳数，R_max表示路由子节点的最大个数，E_max表示终端叶节点的最大个数，令u[k]表示节点u的k跳内的未加入网络的节点数。路由子节点在网络中负责自己本身的信息发送与来自其他节点的信息转传。终端叶节点在网络中只可以与协调器节点或路由子节点连接，仅能与其相连接协调器节点或路由子节点进行消息发送，不负责来自网络中其他节点的信息转传。网络中的节点称分配地址空间给它的节点为父节点，称接收到其分配地址空间的节点为其子节点。

地址分配实施方法如下所述：

协调器节点决定该树型网络的总可使用地址范围[a，b]和k、R_max、E_max三个参数。然后网络中的节点依下面的步骤进行地址分配。(如流程图1所示)

步骤1.当某节点z的所分配到的可使用地址空间[x，y]。若y-x≥1，则执行步骤2；否则就执行步骤4。

步骤2.询问其一跳内的未加入网络的节点是否加入该网络，并请这些节点统计并回复其k跳内的未加入网络的节点数。

步骤3.当协调器节点或路由子节点收集完请求加入的节点回复后，令{u₁，u₂，...，u_t)为请求加入的节点集合，满足对于所有的i∈{1，2，...，t-1)有u_i[k]≥u_i+1[k]。然后依底下的子步骤进行地址空间分配。

情况1.t≤y-x：

情况1.1.t≤R_max：

对于所有的i∈{2，3，...，t)，令令c₀＝0且令对于所有的i∈{1，2，...，t}分配地址空间[x+C(i-1)+1，x+C(i)]与k、R_max、E_max三个参数传输给节点u_i，其中(如图2所示)

情况1.2.t＞R_max+E_max：

首先，若E_max＞0，则对于所有的i∈{t-E_max+1，t-E_max+2，...，t}分配地址空间[i+y-t，i+y-t]与k、R_max、E_max三个参数传送给节点u_i。

然后，对于所有的i∈{2，3，...，R_max}，令令c₀＝0且令对于所有的i∈{1，2，...，R_max}分配地址空间[x+C(i-1)+1，x+C(i)]与k、R_max、E_max三个参数传输给节点u_i，其中(如图3所示)

情况1.3.R_max＜t≤R_max+E_max：

首先，对于所有的i∈{R_max+1，R_mmax+2，...，t)分配地址空间[i+y-t，i+y-t]与k、R_max、E_max三个参数传送给节点u_i。

然后，对于所有的i∈{2，3，...，R_max)，令令c₀＝0且令对于所有的i∈{1，2，...，R_max}分配地址空间[x+C(i-1)+1，x+C(i)]与k、R_max、E_max三个参数传输给节点u_i，其中(如图4所示)

情况2.t＞y-x：

情况2.1.R_max+E_max≥y-x：

对于所有的i∈{t-y+x+1，t-y+x+2，...，t}分配地址空间[i+y-t，i+y-t]与k、R_max、E_max三个参数传送给节点u_i。(如图5所示)

情况2.2.R_max+E_max＜y-x：

首先，若E_max＞0，则对于所有的i∈{t-E_max+1，t-E_max+2，...，t}分配地址空间[i-t+y，i-t+y]与k、R_max、E_max三个参数传送给节点u_i。

然后，对于所有的i∈{2，3，...，R_max}，令令c₀＝0且令对于所有的i∈{1，2，...，R_max}分配地址空间[x+C(i-1)+1，x+C(i)]与k、R_max、E_max三个参数传输给节点u_i，其中

步骤4.节点z结束其分配地址空间的任务。

实施例1

假设协调器节点决定可使用地址范围为[0，10000]并决定k＝2、E_max＝3、E_max＝2三个参数后询问其一跳内的未加入网络的节点是否加入该网络，并请这些节点分别统计并回复该节点2跳内的未加入网络的节点数。假设协调器节点一跳内的未加入网络的节点集合为{u₁，u₂，...，u₇}，且u₁[2]＝9、u₂[2]＝6、u₃[2]＝5、u₄[2]＝4、u₅[2]＝4、u₆[2]＝3、u₇[2]＝2。然后协调器节点依上述的方法分配地址空间[9999，9999]给节点u₆，分配地址空间[10000，10000]给节点u₇。然后计算出c₁＝4500、c₂＝2999、c₃＝2499，並分配地址空间[1，4500]给节点u₁、分配地址空间[4501，7499]给节点u₂、分配地址空间[7450，9998]给节点u₃。同时将k、R_max、E_max三个参数发送给u₁，u₂，u₃，u₆，u₇，并将自己的地址设定为0。

实施例2

假设协调器节点决定可使用地址范围为[0，10000]并决定k＝2、R_max＝6、E_max＝2三个参数后询问其一跳内的未加入网络的节点是否加入该网络，并请这些节点分别统计并回复该节点2跳内的未加入网络的节点数。假设协调器节点一跳内的未加入网络的节点集合为{u₁，u₂，...，u₅}，且u₁[2]＝9、u₂[2]＝6、u₃[2]＝5、u₄[2]＝4、u₅[2]＝4。然后计算出c₁＝3217、c₂＝2142、c₃＝1785、c₄＝1428、c₅＝1428，並分配地址空间[1，3217]给节点u₁、分配地址空间[3218，5359]给节点u₂、分配地址空间[5360，7144]给节点u₃、分配地址空间[7145，8572]给节点u₄、分配地址空间[8573，10000]给节点u₅。同时将k、R_max、E_max三个参数发送给u₁，u₂，...，u₅，并将自己的地址设定为0。

实施例3

假设协调器节点决定可使用地址范围为[0，10000]并决定k＝2、R_max＝6、E_max＝2三个参数后询问其一跳内的未加入网络的节点是否加入该网络，并请这些节点分别统计并回复该节点2跳内的未加入网络的节点数。假设协调器节点一跳内的未加入网络的节点集合为{u₁，u₂，...，u₇}，且u₁[2]＝9、u₂[2]＝6、u₃[2]＝5、u₄[2]＝4、u₅[2]＝4、u₆[2]＝3、u₇[2]＝2。然后协调器节点依上述的方法分配地址空间[10000，10000]给节点u₇。然后计算出c₁＝2905、c₂＝1935、c₃＝1612、C₄＝1290、c₅＝1290、c₆＝967，並分配地址空间[1，2905]给节点u₁、分配地址空间[2906，4840]给节点u₂、分配地址空间[4841，6452]给节点u₃、分配地址空间[6453，7742]给节点u₄、分配地址空间[7743，9032]给节点u₅、分配地址空间[9033，9999]给节点u₆。同时将k、R_max、E_max三个参数发送给u₁，u₂，...，u₇，并将自己的地址设定为0。

实施例4

假设某路由节点被分配到的的可使用地址范围为[60，65]且k＝2、R_max＝6、E_max＝2。该节点询问其一跳内的未加入网络的节点是否加入该网络，并请这些节点分别统计并回复该节点2跳内的未加入网络的节点数。假设协调器节点一跳内的未加入网络的节点集合为{u₁，u₂，...，u₇}，且u₁[2]＝9、u₂[2]＝6、u₃[2]＝5、u₄[2]＝4、u₅[2]＝4、u₆[2]＝3、u₇[2]＝2。然后协调器节点依上述的方法分配地址空间[61，61]给节点u₃，分配地址空间[62，62]给节点u₄，分配地址空间[63，63]给节点u₅，分配地址空间[64，64]给节点u₆，分配地址空间[65，65]给节点u₇。同时将k、R_max、E_max三个参数发送给u₃，u₄，u₅，u₆，u₇，并将自己的地址设定为0。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，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

1.一种基于地址空间的树型网络地址分配方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于地址空间的树型网络地址分配方法，其特征在于，

当请求加入的节点数小于等于所述可使用地址空间范围，并且请求加入的节点数小于等于路由子节点的最大个数时，以如下方式进行地址分配：

对于所有的i∈{2，3，...，t)，令令c₀＝0且令对于所有的i∈{1，2，..，t)分配地址空间[x+C(i-1)+1，x+C(i)]与k、R_max、E_max三个参数传输给节点u_i，其中k为节点统计其k跳距离内未加入网络的节点数的跳数，R_max表示路由子节点的最大个数，E_max表示终端叶节点的最大个数，u[k]表示节点u的k跳内的未加入网络的节点数，{u₁，u₂，...，u_t}为请求加入的节点集合，[x，y]为该某节点所分配到的可使用地址空间。

3.根据权利要求1所述的一种基于地址空间的树型网络地址分配与路由方法，其特征在于，

当请求加入的节点数小于等于所述可使用地址空间范围，并且请求加入的节点数大于路由子节点的最大个数与终端叶节点的最大个数之和时，以如下方式进行地址分配：

首先，若E_max＞0，则对于所有的i∈{t-E_max+1，t-E_max+2，...，t)分配地址空间[i+y-t，i+y-t]与k、R_max、E_max三个参数传送给节点u_i；

然后，对于所有的i∈{2，3，...，R_max)，令令c₀＝0且令对于所有的i∈{1，2，...，R_max}分配地址空间[x+C(i-1)+1，x+C(i)]与k、R_max、E_max三个参数传输给节点u_i，其中k为节点统计其k跳距离内未加入网络的节点数的跳数，R_max表示路由子节点的最大个数，E_max表示终端叶节点的最大个数，u[k]表示节点u的k跳内的未加入网络的节点数，{u₁，u₂，...，u_t)为请求加入的节点集合，[x，y]为该某节点所分配到的可使用地址空间。

4.根据权利要求1所述的一种基于地址空间的树型网络地址分配方法，其特征在于，

当请求加入的节点数小于等于所述可使用地址空间范围，并且请求加入的节点数小于等于路由子节点的最大个数与终端叶节点的最大个数之和并大于路由子节点的最大个数时，以如下方式进行地址分配：

首先，对于所有的i∈{R_max+1，R_max+2，...，t)分配地址空间[i+y-t，i+y-t]与k、R_max、E_max三个参数传送给节点u_i；

5.根据权利要求1所述的一种基于地址空间的树型网络地址分配方法，其特征在于，

当请求加入的节点数大于所述可使用地址空间范围，并且路由子节点的最大个数与终端叶节点的最大个数之和大于等于所述可使用地址空间范围时，以如下方式进行地址分配：

对于所有的i∈{t-y+x+1，t-y+x+2，...，t)分配地址空间[i+y-t，i+y-t]与k、R_max、E_max三个参数传送给节点u_i，其中k为节点统计其k跳距离内未加入网络的节点数的跳数，R_max表示路由子节点的最大个数，E_max表示终端叶节点的最大个数，u[k]表示节点u的k跳内的未加入网络的节点数，{u₁，u₂，...，u_t)为请求加入的节点集合，[x，y]为该某节点所分配到的可使用地址空间。

6.根据权利要求1所述的一种基于地址空间的树型网络地址分配方法，其特征在于，

当请求加入的节点数大于所述可使用地址空间范围，并且路由子节点的最大个数与终端叶节点的最大个数之和小于所述可使用地址空间范围时，以如下方式进行地址分配：

首先，若E_max＞0，则对于所有的i∈{t-E_max+1，t-E_max+2，...，t)分配地址空间[i-t+y，i-t+y]与k、R_max、E_max三个参数传送给节点ui；

然后，对于所有的i∈{2，3，...，R_max}，令令c₀＝0且令对于所有的i∈{1，2，...，R_max}分配地址空间[x+C(i-1)+1，x+C(i)]与k、R_max、E_max三个参数传输给节点u_i，其中k为节点统计其k跳距离内未加入网络的节点数的跳数，R_max表示路由子节点的最大个数，E_max表示终端叶节点的最大个数，u[k]表示节点u的k跳内的未加入网络的节点数，{u₁，u₂，...，u_t}为请求加入的节点集合，[x，y]为该某节点所分配到的可使用地址空间。