CN109640372A - 一种基于RPL路由协议的IPv6无线传感网节点移动管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于RPL路由协议的IPv6无线传感网节点移动管理方法，属于无线传感器网络技术领域。该方法通过将RSSI放在ACK帧中解决通信链路不对称问题，提高移动检测准确率，在兼容原始RPL路由协议的前提下，通过改进DIS和DAO报文的可选项Option实现最优父节点的选择和路由表的更新；为移动节点收到的数据设计缓存方法，并设计了新的6LoWPAN头部以完成数据缓存。本发明使得IPv6无线传感网节点具有移动管理功能，实现了节点的移动切换和数据缓存功能，可提高IPv6无线传感网中节点移动检测准确度，降低了移动节点链路切换延时，降低节点能量消耗，避免节点移动过程中的数据包丢失，提高了网络的可靠性。

Description

一种基于RPL路由协议的IPv6无线传感网节点移动管理方法
技术领域
本发明属于无线传感器网络技术领域，涉及一种基于RPL路由协议的IPv6无线传感网节点移动管理方法。
背景技术
IPv6无线传感器网络(Wireless Sensor Network)一直是当前研究热点，具有功能多、部署灵活、低功耗、低成本等特性。目前无线传感器网络以其独特的优势在各行各业广泛应用，主要包括军事国防、农业环境、医疗监护、智能家居、工业控制和物流管理等。近年来，由于无线传感器网络新的应用需求不断增加，使得静态的无线传感器网络已经不适用于一些需要移动作业的应用环境，因此便有了在传统网络中加入移动节点的构想。但是，移动性会导致一些问题，如切换过程中节点断开，导致数据丢失，对应用性能造成负面影响等，在IPv6网络中引入节点移动管理方法就显得尤为重要。
目前在IPv6无线传感器网络领域中已经提出了多种基于IPv6的移动性技术，虽能解决无线传感器网络中节点的移动性问题，但在移动检测、移动切换过程中仍存在着延时过高、交互过程复杂、数据丢失的问题。为此提出一种IPv6无线传感网节点移动管理方法，采用已有的路由协议进行实现。IETF RoLL工作组针对低功耗有损网络制定了RPL路由协议(Routing Protocol for Low Power and Lossy Networks,低功耗有损网络路由协议)，而RoLL对RPL路由协议内在机制的设计是针对静态网络的，使得RPL路由协议不能很好的适用于移动场景。
为了确保无线传感器网络对移动性支持的要求，针对移动过程选择最优父节点出现的高延时、切换时的数据丢失问题，基于RPL路由协议，本发明提出一种基于RPL路由协议的IPv6无线传感网节点移动管理方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于RPL路由协议的IPv6无线传感网节点移动管理方法，该方法根据双向链路的RSSI和改进的RPL报文完成最优的父节点选择，为网络通信中的数据设计缓存算法，该方法能够有效降低节点移动检测过程和最优父节点选择过程中的延时，提高端到端的数据包到达率，降低节点能耗和链路切换延时，提高网络的可靠性。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于RPL路由协议的IPv6无线传感网节点移动管理方法，包括以下步骤：
S1：在有移动节点的IPv6无线传感网中，移动节点向其父节点发送报文时，父节点收到报文后将RSSI放在ACK帧载荷中回复给移动节点，此时移动节点将获得双向通信链路的RSSI；若移动节点一段时间内没有与父节点进行报文交互，则移动节点会主动发送信标请求帧获取RSSI；
S2：移动节点获得双向通信链路的RSSI后，通过算法处理获得ARSSI，将ARSSI与设定的阈值比较，若ARSSI小于阈值，则判定节点正在移动，且正在远离父节点，但此时移动节点不会立刻断开当前链路；否则跳至步骤S1；
S3：移动节点检测到自己正在远离父节点后，开始广播带有移动标识的DIS报文，在周围寻找新的父节点；
S4：移动节点周围的节点收到有移动标识的DIS报文后，获得各自的RSSI，每个节点根据RSSI的值以及节点延时回退算法回退一段时间再向移动节点回复DIO报文，拥有最大RSSI的节点将最先回复，最先回复的节点为最优的新父节点，如果其他节点监听到了有回复给移动节点的DIO报文，则取消自己的回退过程，并且不再向移动节点回复DIO报文；此过程中，所有节点只回复一个DIO报文，且不复位Trickle定时器；
S5：移动节点找到新的父节点后，发送断开DAO报文给原父节点，请求断开原有链路并清除旧路由表；同时发送连接DAO报文给新的父节点，请求连接新的父节点并更新路由表；
S6：移动节点断开原有链路后，若断开过程中没有发送给移动节点的数据，则本次移动管理过程结束；否则原父节点将为发送给移动节点的数据寻找缓存节点，若原父节点收到了断开DAO报文，则发送给移动节点的数据将缓存到新的父节点处；若原父节点由于其他原因没有收到断开DAO报文，则数据缓存到网络根节点处；
S7：原父节点确认缓存节点后，将缓存节点的IPv6地址放在缓存数据的6LoWPAN报文的缓存头部中，然后将数据转发到缓存节点处进行缓存；
S8：移动节点连接到新父节点并且更新网络路由表后，缓存节点将缓存的数据发送给移动节点，至此，本次移动管理过程结束。
进一步，步骤S1中，所述将RSSI放在ACK帧载荷中后形成的改进型ACK帧格式包括：帧控制位、序列号、RSSI和帧校验序列(Frame Check Sequence，FCS)。
进一步，步骤S3中，所述有移动标识的DIS报文Option格式包括：类型说明域、长度和目的地址。
进一步，步骤S4中，所述节点延时回退算法具体为：节点接收到有移动标识的DIS报文后，根据RSSI计算各自的延时时间，RSSI越大，延时时间越小，计算公式如下：
其中，tn为节点n的延时时间，RSSIn为节点n的RSSI，RSSImax为两个节点间最大的RSSI，th为设定的最大延时时间，单位微秒。
进一步，步骤S5中，所述断开DAO报文的Option格式包括：类型说明域、长度、断开请求标识和新父节点IPv6地址。
进一步，步骤S5中，所述连接DAO报文的Option格式包括：类型说明域、长度、连接请求标识和原父节点IPv6地址。
进一步，步骤S7中，将缓存节点的IPv6地址放在缓存数据的6LoWPAN报文的缓存头部中形成新的6LoWPAN缓存头部格式包括：头部类型、标志位、源地址长短地址标识位、目的地址长短地址标识位、数据包源IPv6地址和数据包目的IPv6地址。
本发明的有益效果在于：
1)本发明能够有效的降低IPv6无线传感网中节点移动过程的链路切换延时，保证网络链路稳定，提高网络的可靠性。通过双向链路的RSSI移动检测，在不断开原有链接的情况下选择最优父节点，然后通过重新设计的DIS、DAO报文完成待选节点的延时回退和最优选择，在兼容原有RPL路由协议的同时，完成了移动检测、最优选择、移动切换过程，有效地解决IPv6无线传感网移动切换过程的高延时、高能耗的问题。
2)本发明能够有效提高IPv6无线传感网中报文端到端的传输成功率，提高网络的传输可靠性。通过为发送给移动节点的数据设计缓存算法，重新设计缓存数据的6LoWPAN头部，保证移动节点在移动切换后能正常接收到切换前的数据，避免了数据的丢失。
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为本发明所述的移动管理方法流程示意图；
图2为本发明所述的ACK帧格式图；
图3为本发明所述的RPL协议的DIS报文帧格式图；
图4为本发明所述的RPL协议的断开DAO报文帧格式图；
图5为本发明所述的RPL协议的连接DAO报文帧格式图；
图6为本发明所述的6LoWPAN头部帧格式图。
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1是本发明所述的基于RPL路由协议的IPv6无线传感网节点移动管理方法流程示意图，该方法根据双向链路的RSSI检测节点的移动，通过广播有移动标识的DIS报文和回退算法完成最优的父节点选择，为网络通信中的数据设计缓存算法，将数据缓存到新的父节点或根节点处，并重新设计6LoWPAN报文头部。如图1所示，该节点移动管理方法具体实现过程如下：
Step1：在有移动节点的IPv6无线传感网中，移动节点向其父节点发送报文时，父节点收到报文后将RSSI放在ACK帧载荷中回复给移动节点，此时移动节点将获得双向通信链路的RSSI。若移动节点一段时间内没有与父节点进行报文交互，则移动节点会主动发送信标请求帧获取RSSI。
Step2：移动节点获得双向通信链路的RSSI后，通过算法处理获得ARSSI，将ARSSI与设定的阈值比较，若ARSSI小于阈值，则判定节点正在移动，且正在远离父节点，但此时移动节点不会立刻断开当前链路；否则跳至步骤Step1。
Step3：移动节点检测到自己正在远离父节点后，开始广播带有移动标识的DIS报文，在周围寻找新的父节点。
Step4：移动节点周围的节点收到有移动标识的DIS报文后，获得各自的RSSI，每个节点根据RSSI的值以及回退算法回退一段时间再向移动节点回复DIO报文，拥有最大RSSI的节点将最先回复，最先回复的节点为最优的新父节点，如果其他节点监听到了有回复给移动节点的DIO报文，则取消自己的回退过程，并且不再向移动节点回复DIO报文；此过程中，所有节点只回复一个DIO报文，且不复位Trickle定时器。
Step5：移动节点找到新的父节点后，发送断开DAO报文给原父节点，请求断开原有链路并清除旧路由表；同时发送连接DAO报文给新的父节点，请求连接新的父节点并更新路由表。
Step6：移动节点断开原有链路后，若断开过程中没有发送给移动节点的数据，则本次移动管理过程结束；否则原父节点将为发送给移动节点的数据寻找缓存节点，若原父节点收到了断开DAO报文，则发送给移动节点的数据将缓存到新的父节点处；若原父节点由于其他原因没有收到断开DAO报文，则数据缓存到网络根节点处。
Step7：原父节点确认缓存节点后，将缓存节点的IPv6地址放在缓存数据的6LoWPAN缓存头部中，然后将数据转发到缓存节点处进行缓存。。
Step8：移动节点连接到新父节点并且更新网络路由表后，缓存节点将缓存的数据发送给移动节点，至此，本次移动管理过程结束。
图2为本发明所述的ACK帧载荷格式图；ACK帧格式的主要内容为：帧控制位、序列号、RSSI、FCS，其中RSS长度为8位。
图3为本发明所述的RPL协议的DIS报文帧格式图，具有移动标识的DIS报文包含可选项类型说明域(Type)、可选项长度(Length)、可选项目的地址(Destination Address)；其中DIS报文的Option须有一个类型说明域，值为0x0A，长度为8位；Length为改进的DISOption的字节数，长度为8位；Destination Address为预留的目的地址位，其长度由长地址或短地址的长度决定。
图4为本发明所述的RPL协议的断开DAO报文帧格式图，断开DAO报文的Option包含可选项类型说明域(Type)、可选项长度(Length)、断开请求标识(Disconnect Req)、新父节点地址(New Parent Address)；其中Type值为0x0A，长度为8位；Length为Option的字节数，长度为8位；Disconnect Req为请求断开原有连接标志位，长度为8位；New Parent Address为新父节点IPv6地址，其长度由长地址或短地址的长度决定。
图5为本发明所述的RPL协议的连接DAO报文帧格式图，连接DAO报文的Option包含可选项类型说明域(Type)、可选项长度(Length)、断开请求标识(Connect Req)、原父节点地址(Old Parent Address)；其中Type值为0x0B，长度为8位；Length为Option的字节数，长度为8位；Connect Req为连接请求标志位，长度为8位；Old Parent Address为原父节点IPv6地址，其长度由长地址或短地址的长度决定。
图6为本本发明所述的6LoWPAN缓存头部帧格式图，新设计的6LoWPAN缓存头部包括头部类型(Head Type)、标志位(F)、源地址长短地址标识位(O)、目的地址长短地址标识位(D)、数据包源IPv6地址(Origination Address)、数据包目的IPv6地址(DestinationAddress)。其中Head Type值为0xF0,长度为8位；F、O、D长度各为8位；OriginationAddress、Destination Address长度由长地址或短地址的长度决定。
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作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种基于RPL路由协议的IPv6无线传感网节点移动管理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1：在有移动节点的IPv6无线传感网中，移动节点向其父节点发送报文时，父节点收到报文后将RSSI放在ACK帧载荷中回复给移动节点，此时移动节点将获得双向通信链路的RSSI；若移动节点一段时间内没有与父节点进行报文交互，则移动节点会主动发送信标请求帧获取RSSI；
S2：移动节点获得双向通信链路的RSSI后，通过算法处理获得平均接收信号强度指示(Average Received Signal Strength Indication，ARSSI)，将ARSSI与设定的阈值比较，若ARSSI小于阈值，则判定节点正在移动，且正在远离父节点，但此时移动节点不会立刻断开当前链路；否则跳至步骤S1；
S3：移动节点检测到自己正在远离父节点后，开始广播带有移动标识的DIS报文，在周围寻找新的父节点；
S4：移动节点周围的节点收到有移动标识的有向非循环图信息请求(DirectedAcyclic Graph Information Solicitation，DIS)报文后，获得各自的RSSI，每个节点根据RSSI的值以及节点延时回退算法回退一段时间再向移动节点回复有向非循环图信息对象(Directed Acyclic Graph Information Object，DIO)报文，拥有最大RSSI的节点将最先回复，最先回复的节点为最优的新父节点，如果其他节点监听到了有回复给移动节点的DIO报文，则取消自己的回退过程，并且不再向移动节点回复DIO报文；此过程中，所有节点只回复一个DIO报文，且不复位Trickle定时器；
S5：移动节点找到新的父节点后，发送断开目的地通告对象(DestinationAdvertisement Object，DAO)报文给原父节点，请求断开原有链路并清除旧路由表；同时发送连接DAO报文给新的父节点，请求连接新的父节点并更新路由表；
S6：移动节点断开原有链路后，若断开过程中没有发送给移动节点的数据，则本次移动管理过程结束；否则原父节点将为发送给移动节点的数据寻找缓存节点，若原父节点收到了断开DAO报文，则发送给移动节点的数据将缓存到新的父节点处；若原父节点由于其他原因没有收到断开DAO报文，则数据缓存到网络根节点处；
S7：原父节点确认缓存节点后，将缓存节点的IPv6地址放在缓存数据的6LoWPAN报文的缓存头部中，然后将数据转发到缓存节点处进行缓存；
S8：移动节点连接到新父节点并且更新网络路由表后，缓存节点将缓存的数据发送给移动节点，至此，本次移动管理过程结束。
2.根据权利要求1所述的基于RPL路由协议的IPv6无线传感网节点移动管理方法，其特征在于，步骤S1中，所述将RSSI放在ACK帧载荷中后形成的改进型ACK帧格式包括：帧控制位、序列号、RSSI和帧校验序列(Frame Check Sequence，FCS)。
3.根据权利要求1所述的基于RPL路由协议的IPv6无线传感网节点移动管理方法，其特征在于，步骤S3中，所述有移动标识的DIS报文Option格式包括：类型说明域、长度和目的地址。
4.根据权利要求1所述的基于RPL路由协议的IPv6无线传感网节点移动管理方法，其特征在于，步骤S4中，所述节点延时回退算法具体为：节点接收到有移动标识的DIS报文后，根据RSSI计算各自的延时时间，RSSI越大，延时时间越小，计算公式如下：
其中，tn为节点n的延时时间，RSSIn为节点n的RSSI，RSSImax为两个节点间最大的RSSI，th为设定的最大延时时间，单位微秒。
5.根据权利要求1所述的基于RPL路由协议的IPv6无线传感网节点移动管理方法，其特征在于，步骤S5中，所述断开DAO报文的Option格式包括：类型说明域、长度、断开请求标识和新父节点IPv6地址。
6.根据权利要求1所述的基于RPL路由协议的IPv6无线传感网节点移动管理方法，其特征在于，步骤S5中，所述连接DAO报文的Option格式包括：类型说明域、长度、连接请求标识和原父节点IPv6地址。
7.根据权利要求1所述的基于RPL路由协议的IPv6无线传感网节点移动管理方法，其特征在于，步骤S7中，将缓存节点的IPv6地址放在缓存数据的6LoWPAN报文的缓存头部中形成新的6LoWPAN缓存头部格式包括：头部类型、标志位、源地址长短地址标识位、目的地址长短地址标识位、数据包源IPv6地址和数据包目的IPv6地址。
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