CN113055942A - 一种6tisch网络下数据聚合的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于IPv6无线传感器网络技术领域，涉及一种6tisch网络下数据聚合的方法；所述聚合方法包括发送方节点产生一个标准6LoWPAN头部；并添加聚合头部，形成聚合数据包报头；确定发送队列中的待聚合数据包数量，按照相应次数将待聚合数据包聚合到聚合数据包载荷中，并与聚合数据包报头形成聚合数据包；所述解聚合方法包括目的节点收到聚合数据包，解析聚合数据包报头；判断聚合数据包的聚合数据包载荷中的已聚合数据包数量；执行相应次数的解包操作，从聚合数据包载荷里还原出聚合数据包携带的所有已聚合数据包；本发明能够有效减少6TiSCH网络中传输数据量，从而减少网络中传输数据的能耗，提高网络生存时间。

Description

一种6tisch网络下数据聚合的方法
技术领域
本发明属于IPv6无线传感器网络技术领域，涉及一种6tisch网络下数据聚合的方法。
背景技术
6TiSCH是一种无线传感网技术，它在网络层引入了IPv6协议，使得海量物联网节点可以无缝接入互联网；在链路层引入了IEEE 802.15.4e TSCH协议，启用了时隙跳频(TSCH)技术，有效降低了节点能耗并且避免了多径衰落的问题，提高了通信可靠性。
网络生存时间是评价一个无线传感器网络优劣的重要指标，由于在大多数情况下无线传感器网络都是使用自己携带的有限能量运行，很难从外界补充能量，因此，节能是提高无线传感器网络生存时间的重要方法。而在节能方面，数据聚合就是其中一种有效的方案，它能直接减少在传感网中传输的冗余数据量，从而减少发送数据所需要的能量，提高网络生存时间。
因此，如何在6TiSCH网络实现数据聚合以减少发送数据所需要的能量，提高网络生存时间成为亟待解决的问题。
发明内容
为了提高6TiSCH网络部署后的网络生存时间，针对6TiSCH网络中传输数据时会发送大量冗余数据消耗节点能量的问题，本发明提出一种6TiSCH网络下的数据聚合和解聚合方法。本发明为了减少冗余数据，在到达发送时隙前将发送队列中的数据包聚合生成一个聚合数据包，在到达发送时隙时一起发送出去，进而减少单独发送数据包时需要的公共目的地址等冗余信息，并设计了相应的聚合方案与解聚合方案。
在本发明的第一方面，本发明提供了一种6TiSCH网络下数据的聚合方法，所述聚合方法包括：
发送方节点产生一个标准6LoWPAN头部；
在所述标准6LoWPAN头部后添加聚合头部，并形成聚合数据包报头；
确定发送队列中的待聚合数据包数量，按照相应次数将待聚合数据包聚合到聚合数据包载荷中，并与所述聚合包报头形成聚合数据包。
在本发明的第二方面，针对本发明的第一方面，提供了一种的对应的6TiSCH网络下数据的解聚合方法，所述解聚合方法包括：
目的节点收到聚合数据包，解析聚合数据包报头；
判断所述聚合数据包的聚合数据包载荷中的已聚合数据包数量；
执行相应次数的解包操作，从聚合数据包载荷里还原出聚合数据包携带的所有已聚合数据包。
本发明的有益效果在于：
1)本发明能够有效减少6TiSCH网络中传输数据量，从而减少网络中传输数据的能耗，提高网络生存时间。
2)本发明能够不损失被聚合节点的数据，在聚合数据包到目的节点后能够完美还原出源节点的数据包。本发明设计的聚合数据包中，保留了源节点的源地址等来自于源节点的关键信息，在传输完成后可以完美还原出源节点的数据包。
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是本发明实施例中的一种6TiSCH网络下数据的聚合方法流程图；
图2是本发明实施例中6TiSCH适配层构造提供的聚合数据包示意图；
图3给出了本发明实施例中聚合数据包头部帧的格式示意图；
图4是本发明实施例中一种6TiSCH网络下数据的解聚合方法流程图；
图5是本发明实施例中数据包聚合与解聚合的总体验证示意图；
图6是本发明实施例中数据聚合流程图；
图7是本发明实施例中数据解聚合流程图；
图8为本发明中的6TiSCH网络架构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本发明实施例中的一种6TiSCH网络下数据的聚合方法，如图1所示，所述聚合方法包括S101、S102以及S103：
S101、发送方节点产生一个标准6LoWPAN头部；
在本申请提供的实施例中，一旦达到发送方节点的触发要求，发送方节点将会执行具体的数据聚合流程；6TiSCH工作组融合了IEEE802.15.4e TSCH、6LoWPAN、RPL等技术制定了6TiSCH规划，软件架构遵循OSI分层模型，在应用层提供CoAP等管理接口，支持6LoWPAN标准对IPv6报文进行处理，采用RPL路由协议实现分布式动态路由策略，在底层提供IEEE802.15.4链路和TSCH接入模式进行报文传输；其中6LoWPAN标准是一种低功耗轻量级IPv6协议栈，遵循OSI架构，实现了IPv6核心协议中规定的全部功能，与6LoWPAN标准各项RFC标准严格保持一致，基于此，本发明实施例中为6TiSCH网络下的发送方节点产生一个标准6LoWPAN头部。
在本发明中发送方节点的触发要求主要是当发送方节点到达发送时隙的前一个空闲时隙时，即可以开始产生标准6LoWPAN头部，当然在一些极端的情况下，也可以提前几个空闲时隙产生标准6LoWPAN头部，便于加快后续的进度。
在本发明实施例中，所述标准6LoWPAN头部是当前发送方节点上所在DODAG(目的节点为导向的有向无环图)相同类型的标准6LoWPAN头部，每个DODAG内含有且仅有一个root节点，其余节点为node节点，每个node具有对应的属性；发送方节点将会按照其所在DODAG中相同类型的标准6LoWPAN头部。如节点所在的DODAG采用RFC4944中的HC1方式压缩IPv6头部，则发送方节点也会先生成一个使用HC1方式压缩的IPv6头部，如果节点所在的DODAG才用无压缩的IPv6头部，则发送方节点也生成一个无压缩的IPv6头部。
S102、在所述标准6LoWPAN头部后添加聚合头部，形成聚合数据包报头；
在本发明实施例中，聚合头部一共为2字节，其中前6Bit是由IANA分配的聚合数据包分派值，表示这部分包头部类型是聚合头部部，后两位位置标志位V和L用于说明聚合小包中携带的源地址是短地址还是长地址，如果是长地址则V为0，L为1，如果是短地址则V为1，L为0。聚合头部最后1字节的内容是聚合数据包数量，表示有多少个数据包被聚合在这个聚合数据包中。
在本发明实施例中，所述标准6LoWPAN头部后添加2字节聚合头部之前还包括将聚合头部的跳数限制设置为发送队列中最小的待聚合数据包跳数限制，并且将聚合数据包目的地址设置为发送队列中所有待聚合数据包的公共目的地址。这使得被聚合数据包不再需要携带目的地址等冗余信息。
可以理解的是，在本发明的数据聚合过程中，存储数据内容的数据包为待聚合数据包，在本发明的数据解聚合过程中，存储数据内容的数据包为已聚合数据包；待聚合数据包和已聚合数据包实质上为同一数据包，本发明对这两种数据包进行区分仅仅为了体现其所处的数据处理过程不同。
S103、确定发送队列中的待聚合数据包数量，按照相应次数将待聚合数据包聚合到聚合数据包载荷中，并与所述聚合数据包报头形成聚合数据包。
在本步骤中，首先需要选择发送队列中处于队头的待聚合数据包；判断所述处于队头的数据包是否属于分片数据包，若为分片数据包，则将聚合小包中的分片标志位F置1，然后将待聚合数据包的分片头部复制到聚合小包中，若该待聚合数据包不属于分片，则直接将聚合小包中的分片标志位F置0，不在聚合小包中添加分片头部，将此待聚合数据包对应的源地址，数据长度和载荷组成聚合小包；将聚合小包接在聚合数据包的包载荷末尾；将当前聚合数据包中表示聚合数量的字段加1。本步骤保留了被聚合数据包中除目的节点信息之外的所有信息，目的节点信息由聚合数据包头部携带，减少了冗余数据，并且使得待聚合数据包没有任何信息损失。
图2是本发明实施例中6TiSCH适配层构造提供的聚合数据包示意图，如图2所示，聚合数据包由聚合数据包报头(网络层报头)和聚合数据包载荷(网络层有效载荷)两部分构成，聚合数据包报头表示了此数据包为聚合数据包，并且携带了被聚合数据包的公共信息，被聚合的数据包都以聚合小包的形式被添加在聚合数据包载荷中；更进一步的，所述网络层报头包括标准6LoWPAN头部和新加入的聚合头部，其中6LoWPAN头部为可变长度，所述聚合头部则包括聚合类型和聚合数量，聚类类型和聚合数量各占1字节；对于网络层有效载荷，该载荷中包括多个被聚合数据包，每个被聚合数据包即一个聚合小包包括4个字段，分片标志位，源地址字段，数据长度字段和载荷字段；分片标志位占用1Bit，分片头部占用0-5字节，源地址占用2-8字节，数据长度占用1字节，载荷则为可变长度，取决于该数据包本身的大小。
其中，分片标志位在聚合小包的开头，用F表示，F为1表示此数据包是分片的一部分，在F标志位后面会添加一个分片头部，F为0表示此数据包不是分片的一部分，F标志位后面不用添加分片头部，源地址字段携带了生成该数据包节点的源地址，源地址是长地址还是短地址可以由聚合数据包报头的V和L标志位指出，数据长度字段表示了此聚合小包携带的数据载荷长度，载荷字段就是原本数据包的载荷。
图3给出了本发明实施例中聚合数据包头部帧的格式，如图3所示，所述聚合数据包头部帧格式，一共2字节，前6Bit为IANA分配的Dispatch值表示聚合数据包，后两位V和L表示聚合小包里的源地址是长地址还是短地址，如果是长地址则V为0，L为1，如果是短地址则V为1，L为0。最后1字节为聚合数量，表示有多少个数据包被聚合在此聚合数据包中。
本发明实施例中还提供了一种6TiSCH网络下数据的解聚合方法，在其中实施例中，如图4所示，所述解聚合方法包括：
S201、目的节点收到聚合数据包，解析聚合数据包报头；
在本步骤中，目的节点作为接收方解析聚合数据包头部，根据聚合数据包头中携带的指示聚合数量的字段。
S202、判断所述聚合数据包的聚合数据包载荷中的已聚合数据包数量；
判断有多少个已聚合数据包(待聚合数据包)被聚合在此包的载荷里。
S203、执行相应次数的解包操作，从聚合数据包载荷里还原出聚合数据包携带的所有已聚合数据包。
根据聚合数量，执行相应次数的解包操作，从聚合数据包载荷里还原出聚合数据包携带的所有已聚合数据包。
具体的，解析当前聚合小包的分片标志位，若为1，解析出此分片头部，若分片标志位为0，则此聚合小包不带有分片头部；处理完聚合小包携带的分片头部后，解析当前聚合小包中的源地址和数据长度；根据数据长度取出当前聚合小包中的报文；根据前面得到的分片头部，源地址，数据长度和报文，再加上聚合数据包的公共目的地址等所有聚合小包的公共信息，还原出未聚合前的数据包；从聚合数据包载荷中去掉已被解聚的聚合小包，将当前聚合数量减1。
为了验证本发明的一种6TiSCH网络下数据聚合和解聚合方法，本发明设计一种6TiSCH网络下数据包聚合与解聚方法使得数据在网络中传输时减少冗余数据量，节省数据传输能耗，提高网络生存时间。其总体验证示意如图5所示，送方节点到达发送时隙的前一个时隙，执行数据包聚合流程，发送节点到达发送时隙的前一个时隙，执行数据包聚合流程，将发送队列中所有数据包去掉公共目的地址等冗余信息聚合到一个聚合数据包里，然后到达送时隙的时候一起发送出去；转发节点在收到邻居节点的数据包后同样执行第一步的操作，在到达发送时隙时发送数据包；目的节点收到聚合数据包，执行聚合数据包解聚流程，利用包头的公共信息还原出聚合数据包里所有被聚合的数据包。具体包括以下步骤：
发送节点到达发送时隙的前一个时隙，执行数据包聚合流程。
转发节点收到邻居节点的数据包后同样执行S1然后转发数据包。
目的节点收到聚合数据包，执行聚合数据包解聚流程。
图6给出了本发明实施例中数据聚合流程图，如图6所示，所述数据聚合的流程包括：
将需要聚合的数据包数量记为N；
生成一个节点所在DODAG中相同类型的标准6LoWPAN头部；
将聚合数据包目的地址设置为发送队列中所有数据包的公共目的地址；
在6LoWPAN报头后添加2字节聚合头部；
判断当前需要聚合的待聚合数据包是否超过0，若未超过0，则根据需要添加分片头部和Mesh头部等其他6LoWPAN头部；
若超过0，则选择发送队列中处于队头的待聚合数据包；
用该待聚合数据包对应的原地址，跳数限制，数据长度，分片信息和载荷组成聚合小包；
将聚合小包接在聚合数据包的载荷末尾，令聚合数据包数量字段+1，完成后令N＝N-1，继续判断N与0的大小，执行上述流程。
图7给出了本发明实施例中数据解聚合流程图，如图7所示，所述数据解聚合的流程包括：
解析聚合数据包头部，判断当前有多少个数据包被聚合在此聚合数据包里，并将数据包的个数记为N；
判断N是否大于0，若不大于0，则结束流程；
若N大于0，则根据聚合小包中的F标志位，解析小包携带的分片头部；
解析处理完聚合小包处理所携带的分片头部后的前3个字节；
根据数据长度取出聚合小包中的报文；
根据前面得到的信息和聚合数据包的公共目的地址等公共信息还原出聚合前的数据包；
从聚合数据包载荷中取出已被解聚的聚合小包；
令N＝N-1，继续判断N与0的大小，执行上述流程。
图8为本发明中的6TiSCH网络架构示意图，在6TiSCH协议栈中网络层和6LoWPAN的网络层基本一致，但是本发明新增加了6TOP层，用于实现6P协议，以管理和调度IEEE802.15.4e中由时隙和信道划分出来的cell。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种6TiSCH网络下数据聚合的方法，其特征在于，所述聚合方法包括：
发送方节点产生一个标准6LoWPAN头部；在所述标准6LoWPAN头部后添加聚合头部，形成聚合数据包报头；确定发送队列中的待聚合数据包数量，按照相应次数将待聚合数据包聚合到聚合数据包载荷中，并与所述聚合数据包报头形成聚合数据包。
2.根据权利要求1所述的一种6TiSCH网络下数据聚合的方法，其特征在于，所述发送方节点产生一个标准6LoWPAN头部的开始时间至少为发送节点到达发送时隙的前一个空闲时隙。
3.根据权利要求1或2所述的一种6TiSCH网络下数据聚合的方法，其特征在于，所述标准6LoWPAN头部的类型是所述发送方节点所在DODAG相同类型的标准6LoWPAN头部类型。
4.根据权利要求1所述的一种6TiSCH网络下数据聚合的方法，其特征在于，在所述标准6LoWPAN头部后添加聚合头部之前还包括将标准6LoWPAN头部中整个聚合数据包的跳数限制设置为发送队列中最小的待聚合数据包跳数限制。
5.根据权利要求1所述的一种6TiSCH网络下数据聚合的方法，其特征在于，在所述标准6LoWPAN头部后添加聚合头部之前还包括将聚合数据包目的地址设置为发送队列中所有待聚合数据包的公共目的地址。
6.根据权利要求1所述的一种6TiSCH网络下数据聚合的方法，其特征在于，所述聚合头部包括分配的聚合数据包Dispatch值、第一位置标志位、第二位置标志位以及待聚合数据包数量。
7.根据权利要求1所述的一种6TiSCH网络下数据聚合的方法，其特征在于，所述按照相应次数将待聚合数据包聚合到聚合数据包载荷中包括：
选择发送队列中处于队头的待聚合数据包；判断所述处于队头的待聚合数据包是否属于分片数据包，若为分片数据包，则将聚合小包中的分片标志位置1，将数据包的分片头部复制到聚合小包中，若该待聚合数据包不属于分片，则直接将聚合小包中的分片标志位置0；然后将此待聚合数据包对应的源地址，数据长度和载荷组成聚合小包；将聚合小包接在聚合数据包的包载荷末尾；将当前聚合数据包中表示聚合数量的字段加1。
8.根据权利要求1所述的一种6TiSCH网络下数据聚合的方法，其特征在于，所述聚合数据包包括标准6LoWPAN头部、聚合头部以及由待聚合数据包拆解成的聚合小包。
9.一种6TiSCH网络下数据的解聚合方法，其特征在于，所述解聚合方法包括：
目的节点收到聚合数据包，解析聚合数据包报头；判断所述聚合数据包的聚合数据包载荷中的已聚合数据包数量；执行相应次数的解包操作，从聚合数据包载荷里还原出聚合数据包携带的所有已聚合数据包。
10.根据权利要求9所述的一种6TiSCH网络下数据的解聚合方法，其特征在于，所述从聚合数据包载荷里还原出聚合数据包携带的所有已聚合数据包，包括：解析当前聚合数据包载荷中第一个聚合小包的分片标志位，若为1，解析出此分片头部，若分片标志位为0，则此聚合小包不带有分片头部；处理完聚合小包携带的分片头部后，解析当前聚合数据包载荷中的源地址和数据长度；根据数据长度取出当前聚合小包中的报文；根据前面得到的分片头部，源地址，数据长度和报文，以及所有聚合小包的公共信息，对所述已聚合数据包还原；从聚合数据包载荷中去掉已被解聚的聚合小包，将当前聚合数量减1。
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