CN114745318A - 一种面向IPv6动态物联网的路径恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种面向IPv6动态物联网的路径恢复方法，包括以下步骤：收集源节点的网络数据包，初始化网络配置，设定网络数据包的结构；根据收到数据包中父节点和祖父节点，寻找sink节点的一跳和两跳节点，选择滑动窗口，准备开始迭代；检查数据包的跳数，判断是否存在能够恢复的数据包；如果存在能够恢复的数据包，则恢复满足算法条件的数据包的路径；通过哈希值验证是否正确，更新未恢复的数据包，更新滑动窗口大小；如果不存在能够恢复的数据包，则结束任务，得到网络中能够恢复的所有数据包。基于本发明的技术方案，在可变的时间滑动窗口下，通过迭代更新来恢复整个网络中尽可能多的数据包的传输路径。

Description

一种面向IPv6动态物联网的路径恢复方法

技术领域

本发明涉及物联网领域，特别地涉及一种面向IPv6动态物联网的路径恢复方法。

背景技术

近年来，随着接入设备数目的激增，IPv4协议已经逐渐不能满足现实的需要，IPv6协议被认为是一种成熟的解决方案；RPL协议是IPv6 Routing Protocol for Low-Powerand Lossy Networks的简称,是面向低功耗以及有损网络的路由协议；在使用RPL协议的IPv6无线物联网系统中，有一个具有充足能量和算力的sink节点，如图1,其余低成本物联网节点在处理速度、存储容量和供电方面都受到本地资源的限制，源节点和目的节点之间的通信必须经过中继节点sink，网络连接间有高丢包率、低数据传输率以及路由不稳定的特点，因此网络节点之间一般没有固定的通信路径，这就导致了网络的动态拓扑。为了进行路由管理，需要重建网络中每一个接收到的数据包从源节点到目的节点的路由路径，即路径恢复。如何高效的进行网络的路径恢复就是我们要解决的问题。部分现有的路径恢复方案如下：

1.PathZip使用拓扑感知和几何辅助技术将路由路径存储到固定成本哈希值中，通过使每个传感器节点被动标记每个转发的数据包，具体是利用哈希散列技术将路径记录转化为固定长度的压缩输出。在数据包的源节点中，通过以节点ID和预先定义的哈希函数来计算哈希值，该哈希值被储存在数据包中并被传输到下一个节点，然后，以当前节点的ID为输入，以当前数据包的哈希值为初始变量，通过相同的哈希函数计算得到一个新的哈希值。重复此过程知道数据包被传输到目的节点。因此，每个不同的路由路径都被映射成一个唯一的哈希值，可以通过哈希值来正确识别路由路径。

2.MNT(Multi-hop network tomography)利用路由路径上的不同空间节点生成的数据包之间的相关性来重建路由路径、每跳到达顺序以及单个数据包的每跳到达时间。具体是在数据包中存储部分路径，目的节点在收到多个包后分析数据包中存在的子路径，根据路径之间的相关性来还原路径路由。

发明内容

针对上述现有技术中的问题，本申请提出了一种面向IPv6动态物联网的路径恢复方法，包括以下步骤：

步骤S1、收集源节点的网络数据包，初始化网络配置，设定网络数据包的结构；

步骤S2、根据收到数据包中父亲节点和祖父节点，寻找sink节点的一跳和两跳节点，选择滑动窗口，准备开始迭代；

步骤S3、检查数据包的跳数，判断是否存在能够恢复的数据包；

步骤S4、如果步骤S3中存在能够恢复的数据包，则恢复满足算法条件的数据包的路径；通过哈希值验证是否正确，更新未恢复的数据包，更新滑动窗口大小，返回步骤S3；

步骤S5、如果步骤S3中不存在能够恢复的数据包，则结束任务，得到网络中能够恢复的所有数据包。

优选地，所述步骤S1中，网络数据包的包头中包含源节点o(k)和目标节点d(k)，源节点在转发到其下一跳时额外记录其下一跳的ID作为父节点p(k)；父节点在继续转发时，还会额外记录其下一跳的ID，作为源节点的祖父节点g(k)；父节点为sink节点，祖父节点将被设置为默认值；父节点p(k)和祖父节点g(k)分别需要数据包中额外的两个字节存储空间。

优选地，所述步骤S4中，恢复路径的步骤包括：

在发送数据包的过程中，当数据包从源节点转发到下一跳时填写父节点的ID，共占用数据包的两个字节，其值填写后不会改变；对于祖父节点g(k)，在从父节点转发到祖父节点时填写，占用数据包的两个字节，填写后其值不会改变；如果父节点已经是sink节点，则默认值为零；对于上行路径h(k)，存储路由的哈希值需要2字节开销，哈希值在传输过程中不断更新；从源节点开始，通过如下公式更新哈希值，

其中

h₁(k)＝f_id(1)，取m为16，即哈希值需要16位即两个字节空间存储；

对于服务器端的sink节点，设定一个滑动窗口，报文信息用于在滑动观察窗口内进行路径恢复，并通过镜像特性恢复点对点路由路径；当数据包通过上行链路到达目的节点时，设置如下大小的滑动窗口

其中Ratio_active是网络中活跃节点的比例；在时间t，sink节点将恢复[t-τ,t]周期内所有数据包的路径；对于这个滑动窗口内的路径恢复，就是探索不同路径中可能存在的相关性，根据父节点和祖父节点的信息，从短的一跳和二跳路径开始，迭代恢复更多的未知路径；为了确保迭代恢复算法正确恢复数据包的路径，需要验证数据包中的哈希值h(k)，数据包中记录的哈希值与迭代推测出的哈希值一致时，则认为路径被正确恢复。

优选地，所述步骤S3中包括：

首先根据数据包中父节点和祖父节点的信息，从sink节点开始恢复一跳和两跳路径，而后通过已经恢复的路径恢复部分未知的路径，具体表现为对于未恢复的数据包路径i，如果数据包i的跳数和已经恢复的数据包k的路径跳数相差在2以内，通过比较i的父亲节点或者祖父节点是否为已经恢复的路径k中的节点，来进行路径的恢复；

对于未恢复的数据包i和已恢复的数据包k，如果未恢复的数据包i的跳数与已恢复的数据包k的跳数相差在2以内，则分情况讨论，否则不能通过未恢复的数据包i恢复已恢复的数据包k；

情况1：当数据包i的跳数比数据包k的跳数多2，如果数据包i的祖父节点是数据包k的源节点，则猜测数据包i是沿着数据包k的源节点路径进行传输的，后验证数据包i的哈希值与新路径的哈希值是否相同，如果相同，则能恢复数据包i；

情况2：当数据包i的跳数比数据包k的跳数多1，如果数据包i的父亲节点是数据包k的源节点，则猜测数据包i是沿着数据包k的源节点路径进行传输的，后验证数据包i的哈希值与新路径的哈希值是否相同，如果相同，则能恢复数据包i；如果数据包i的源节点是数据包k的父亲节点；则猜测数据包i是沿着数据包k的父亲节点的路径进行传输的，后验证数据包i的哈希值与新路径的哈希值是否相同，如果相同，则能恢复数据包i；

情况3：当数据包i的跳数与数据包k的跳数相同时，如果数据包i的父亲节点是数据包k的父亲节点，则猜测数据包i是沿着数据包k的父亲节点的路径进行传输的，后验证数据包i的哈希值与推测路径的哈希值是否相同，如果相同，则能恢复数据包i；如果数据包i的祖父节点是数据包k的祖父节点，则猜测数据包i是沿着数据包k的祖父节点的路径进行传输的，后验证数据包i的哈希值与新路径的哈希值是否相同，如果相同，则能恢复数据包i；

情况4：当数据包i的跳数比数据包k的跳数少1时，如果数据包i的父亲节点是数据包k的祖父节点，则猜测数据包i是沿着数据包k的祖父节点的路径进行传输的，后验证数据包i的哈希值与新路径的哈希值是否相同，如果相同，则能恢复数据包i。

上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。

本发明提供的一种面向IPv6动态物联网的路径恢复方法，与现有技术相比，至少具备有以下有益效果：

目前传统的方法是通过利用路径的相关性，在数据包中利用哈希值保存路径信息，通过路径上的多个数据包中的路径信息进行路径恢复，在一条路径上存在节点不活跃的情况，就难以恢复对应的路径，而本方法由于是在一个滑动窗口内对网络进行迭代更新，可以避免由于处理的数据包过多而出现性能瓶颈，对于某些节点不活跃时，本方法也能通过与已恢复的路径相关联，实现不活跃节点的路径恢复。在可变的时间滑动窗口下，通过迭代更新来实现整个网络的数据包的尽可能恢复。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1显示了使用RPL协议的IPv6无线物联网系统示意图；

图2显示了节点之间的路由路径示意图；

图3显示了源节点为A,B,K,G,H,I的网络数据包的路径示意图；

图4显示了网络数据包的路径恢复流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

在路径恢复问题中，一个由源节点、中继节点和目的节点组成的序列可记录成功传递数据包k的完整传输路径，记为path(k)。由于path(k)经过sink节点，因此可以分为两个子序列，即从源节点到sink节点的上行路由路径uppath(k)和从源节点到sink节点的下行路由路径downpath(k)，如图2。假设上行路由路径和下行路由路径是镜像的，我们只需要考虑恢复上行路径路由。我们的目标是在连续收集期间正确恢复尽可能多的数据包路径。

在每个数据包k中，一些信息将被节点记录并用于我们的路径恢复算法，如下：

源节点o(k)和目标节点d(k)的信息包含在IPv6数据包的包头中，不需要数据包的额外空间开销。

我们指定源节点在转发到其下一跳时额外记录其下一跳的ID作为父节点p(k)。同理，父节点在继续转发时，还会额外记录其下一跳的ID，作为源节点的祖父节点g(k)。若父节点为sink节点，祖父节点将被设置为默认值。父节点p(k)和祖父节点g(k)分别需要数据包中额外的两个字节存储空间。

哈希函数h(x)用以识别相同路径和新路径推测，这需要数据包中额外的两个字节空间。在转发数据包k时，每个节点以较小的计算开销来更新h(k)，sink节点收到的最终的哈希值h(k)是记录整个上行路径的哈希值。具有相同哈希值的数据包可以认为经过了相同的路径和节点。

上行路径的长度即len(k)可以从IPv6标头的hoplimit标志位推断出来，而无需数据包的额外空间开销。

时间戳t(k)可以从数据包到达时间推断出来，不需要数据包的额外空间开销。

本发明提供了一种面向IPv6动态物联网的路径恢复方法，包括以下步骤：

步骤S1、收集源节点的网络数据包，初始化网络配置，设定网络数据包的结构；

步骤S2、根据收到数据包中父节点和祖父节点，寻找sink节点的一跳和两跳节点，选择滑动窗口，准备开始迭代；

步骤S3、检查数据包的跳数，判断是否存在能够恢复的数据包；

步骤S4、如果步骤S3中存在能够恢复的数据包，则恢复满足算法条件的数据包的路径；通过哈希值验证是否正确，更新未恢复的数据包，更新滑动窗口大小，返回步骤S3；

步骤S5、如果步骤S3中不存在能够恢复的数据包，则结束任务，得到网络中能够恢复的所有数据包。

在一个实施例中，在数据包的传递过程中仅关注上行路由的路径部分，旨在将路径恢复所需的信息从源节点沿上行路由路径传递到目的节点。如上文所说，数据包k需要的信息如下：已经包含在IPv6包头中的源节点o(k)和目的节点d(k)，上行路径长度len(k)和时间戳t(k)可以直接从IPv6包头和到达sink节点时间中推断出来，以及三个需要额外空间存储的信息：父节点p(k)和祖父节点g(k)以及哈希值h(k)。

在一个实施例中，在发送数据包的过程中，当数据包从源节点转发到下一跳时填写父节点的ID，共占用数据包的两个字节，其值填写后不会改变。对于祖父节点g(k)同理，在从父节点转发到祖父节点时填写，占用数据包的两个字节，填写后其值不会改变。如果父节点已经是sink节点，则默认值为零。对于上行路径h(k)，存储路由的哈希值需要2字节开销，哈希值在传输过程中不断更新。从源节点开始，通过如下公式更新哈希值，

其中

h₁(k)＝f_id(1)，我们取m为16，即哈希值需要16位即两个字节空间存储。

在一个实施例中，对于服务器端(sink节点)，我们设定一个滑动窗口，报文信息用于在滑动观察窗口内进行路径恢复，并通过镜像特性恢复点对点路由路径。具体来说，当报文通过上行链路到达目的节点时，我们设置如下大小的滑动窗口：

其中Ratio_active是网络中活跃节点的比例。在时间t，sink节点将恢复[t-τ,t]周期内所有数据包的路径。对于这个滑动窗口内的路径恢复，就是探索不同路径中可能存在的相关性，根据父节点和祖父节点的信息，从短的一跳和二跳路径开始，迭代恢复更多的未知路径。为了确保迭代恢复算法正确恢复数据包的路径，需要验证数据包中的哈希值h(k)，包中记录的哈希值与迭代推测出的哈希值一致时，可认为路径被正确恢复。

在一个实施例中，首先我们可以根据数据包中父节点和祖父节点的信息，从sink节点开始恢复一跳和两跳路径，而后可以通过已经恢复路径恢复部分未知的路径，具体表现为对于已恢复的数据包k的路径，如果数据包k的跳数和已经恢复的数据包i的路径跳数相差在2以内，通过比较数据包k的父亲节点或者祖父节点是否为已经恢复的数据包i的路径中的节点，来进行路径的恢复。未知路径推测算法具体说明如下：

对于未恢复的数据包i和已恢复的数据包k，我们可以知道其跳数，首先，如果数据包i的跳数与数据包k的跳数相差在2及其以内，则分情况讨论，否则不能通过数据包i恢复数据包k：

情况1：当数据包i的跳数比数据包k的跳数多2，如果数据包i的祖父节点是数据包k的源节点，则猜测数据包i是沿着数据包k的源节点路径进行传输的，后验证数据包i的哈希值与新路径的哈希值是否相同，如果相同，则能恢复数据包i。

情况2：当数据包i的跳数比数据包k的跳数多1，如果数据包i的父亲节点是数据包k的源节点，则猜测数据包i是沿着数据包k的源节点路径进行传输的，后验证数据包i的哈希值与新路径的哈希值是否相同，如果相同，则能恢复数据包i。如果数据包i的父亲节点是数据包k的父亲节点。则猜测数据包i是沿着数据包k的父亲节点的路径进行传输的，后验证数据包i的哈希值与新路径的哈希值是否相同，如果相同，则能恢复数据包i。

情况3：当数据包i的跳数与数据包k的跳数相同时，如果数据包i的父亲节点是数据包k的父亲节点，则猜测数据包i是沿着数据包k的父亲节点的路径进行传输的，后验证数据包i的哈希值与新路径的哈希值是否相同，如果相同，则能恢复数据包i。如果数据包i的祖父节点是数据包k的祖父节点，则猜测数据包i是沿着数据包k的祖父节点的路径进行传输的，后验证数据包i的哈希值与新路径的哈希值是否相同，如果相同，则能恢复数据包i。

情况4：当数据包i的跳数比数据包k的跳数少1时，如果数据包i的父亲节点是数据包k的祖父节点，则猜测数据包i是沿着数据包k的祖父节点的路径进行传输的，后验证数据包i的哈希值与新路径的哈希值是否相同，如果相同，则能恢复数据包i。

在一个实施例中，通过未知路径推测算法,可以恢复部分路径，我们需要迭代的使用未知路径推测算法，直到我们无法恢复更多的路径，具体描述如下：

第一步：检查已恢复的数据包集合以及未恢复的数据包集合，如果存在未恢复的数据包，则执行下一步，否则结束算法。

第二步：对于未恢复的数据包中的每一个包，由上文的未知路径推测算法，如果能找到一个已恢复的数据包恢复路径，则此数据包可被恢复。更新已恢复的数据包集合以及未恢复的数据包集合，执行下一步。

第三步：如果所有数据包都被恢复，结束算法，否则重复第一，二步。

在一个实施例中，在时刻t，滑动窗口[t-τ,t]被用作观察区间。由于数据包记录了父亲节点和祖父节点，因此开始的恢复数据包的路径长度为一跳或两跳，然后尝试恢复其余未知路径的数据包。当没有未知路径或无法恢复更多路径时，流程终止。输出是所有恢复路径的数据包。该算法的特点是，对于数据包k,在时间间隔[t-τ,t]内的所有已知路径都会尝试使用相关性进行恢复，这能扩展问题的搜索空间。并且等式(1)中给出的τ的设置使计算工作量保持在合适的水平。

在一个实施例中，例如图3，我们收到了源节点为A,B,K,G,H,I的网络包，我们想要恢复所有网络包的路径，由算法(2)当我们初始化网络以后，首先检查收到的数据包中的父亲节点和祖父节点是否是sink节点，我们发现源节点为H和I的网络包满足条件，因此我们可以恢复路径path(H)≡(H,I,sink)，而后开始迭代，由于还存在未恢复的节点，我们执行算法(1)，此时源节点为K的数据包与已恢复的路径path(H)跳数之差为2，同时K的祖父节点是H，检查h(K)是否等于h(o(K),p(K),path(H))，如果相同，由算法(1)，我们可以恢复源节点为K的数据包的路径是(K,G,H,I,sink)，同样的我们也可以恢复源节点为G的数据包的路径是(G,H,I,sink)。由于此时在网络中没有符合算法(1)的节点，一轮迭代完成，更新未恢复的路径和已经恢复的路径，开始下一轮迭代。此时源节点为A的数据包与已恢复的路径path(K)≡(K,G,H,I,sink)跳数之差为2，同时A的祖父节点是K，检查h(A)是否等于h(o(A),p(A),path(K))，如果相同由算法(1)，我们可以恢复源节点为A的数据包的路径是(A,B,K,G,H,I,sink)，此时整个网络所有数据包恢复完成，算法(2)结束。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (4)

1.一种面向IPv6动态物联网的路径恢复方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、收集源节点的网络数据包，初始化网络配置，设定网络数据包的结构；

步骤S2、根据收到数据包中父节点和祖父节点，寻找sink节点的一跳和两跳节点，选择滑动窗口，准备开始迭代；

步骤S3、检查数据包的跳数，判断是否存在能够恢复的数据包；

步骤S4、如果步骤S3中存在能够恢复的数据包，则恢复满足算法条件的数据包的路径；通过哈希值验证是否正确，更新未恢复的数据包，更新滑动窗口大小，返回步骤S3；

步骤S5、如果步骤S3中不存在能够恢复的数据包，则结束任务，得到网络中能够恢复的所有数据包。

2.根据权利要求1所述的面向IPv6动态物联网的路径恢复方法，其特征在于，所述步骤S1中，网络数据包的包头中包含源节点o(k)和目标节点d(k)，源节点在转发到其下一跳时额外记录其下一跳的ID作为父节点p(k)；父节点在继续转发时，还会额外记录其下一跳的ID，作为源节点的祖父节点g(k)；父节点为sink节点，祖父节点将被设置为默认值；父节点p(k)和祖父节点g(k)分别需要数据包中额外的两个字节存储空间。

3.根据权利要求1所述的面向IPv6动态物联网的路径恢复方法，其特征在于，所述步骤S4中，恢复满足算法条件的数据包的路径的步骤包括：

在发送数据包的过程中，当数据包从源节点转发到下一跳时填写父节点的ID，共占用数据包的两个字节空间，其值填写后不会改变；对于祖父节点g(k)，在从父节点转发到祖父节点时填写，占用数据包的两个字节，填写后其值不会改变；如果父节点已经是sink节点，则默认值为零；对于上行路径h(k)，存储路由的哈希值需要2字节开销，哈希值在传输过程中不断更新；从源节点开始，通过如下公式更新哈希值，

其中

h₁(k)＝f_id(1)，取m为16，即哈希值需要16位即两个字节空间存储；

对于服务器端的sink节点，设定一个滑动窗口，在滑动观察窗口内接受报文信息进行路径恢复，并通过镜像特性恢复点对点路由路径；当报文通过上行链路到达目的节点时，设置如下大小的滑动窗口

其中Ratio_active是网络中活跃节点的比例；在时间t，sink节点将恢复[t-τ,t]周期内所有数据包的路径；在滑动窗口内的路径恢复，就是根据父节点和祖父节点的信息，从短的一跳和二跳路径开始，迭代恢复更多的未知路径；为了确保恢复算法能够正确恢复数据包的路径，需要验证数据包中的哈希值h(k)，当数据包中记录的哈希值与迭代推测出的哈希值一致时，则认为路径被正确恢复。

4.根据权利要求1所述的面向IPv6动态物联网的路径恢复方法，其特征在于，所述步骤S3中包括：

首先根据数据包中父节点和祖父节点的信息，从sink节点开始恢复一跳和两跳路径，而后通过已经恢复的路径恢复部分未知的路径，具体表现为对于未恢复的数据包路径k，如果数据包k的跳数和已经恢复的数据包i的路径跳数相差在2以内，通过比较k的父亲节点或者祖父节点是否为已经恢复的路径i中的节点，来进行路径的恢复；

对于未恢复的数据包i和已恢复的数据包k，如果未恢复的数据包i的跳数与已恢复的数据包k的跳数相差在2以内，则分情况讨论，否则不能通过已恢复的数据包k恢复未恢复的数据包i；

情况1：当数据包i的跳数比数据包k的跳数多2，如果数据包i的祖父节点是数据包k的源节点，则猜测数据包i是沿着数据包k的源节点路径进行传输的，后验证数据包i的哈希值与新路径的哈希值是否相同，如果相同，则能恢复数据包i；

情况2：当数据包i的跳数比数据包k的跳数多1，如果数据包i的父亲节点是数据包k的源节点，则猜测数据包i是沿着数据包k的源节点路径进行传输的，后验证数据包i的哈希值与新路径的哈希值是否相同，如果相同，则能恢复数据包i；如果数据包i的源节点是数据包k的父亲节点；则猜测数据包i是沿着数据包k的父亲节点的路径进行传输的，后验证数据包i的哈希值与新路径的哈希值是否相同，如果相同，则能恢复数据包i；

情况3：当数据包i的跳数与数据包k的跳数相同时，如果数据包i的父亲节点是数据包k的父亲节点，则猜测数据包i是沿着数据包k的父亲节点的路径进行传输的，后验证数据包i的哈希值与推测路径的哈希值是否相同，如果相同，则能恢复数据包i；如果数据包i的祖父节点是数据包k的祖父节点，则猜测数据包i是沿着数据包k的祖父节点的路径进行传输的，后验证数据包i的哈希值与新路径的哈希值是否相同，如果相同，则能恢复数据包i；

情况4：当数据包i的跳数比数据包k的跳数少1时，如果数据包i的父亲节点是数据包k的祖父节点，则猜测数据包i是沿着数据包k的祖父节点的路径进行传输的，后验证数据包i的哈希值与新路径的哈希值是否相同，如果相同，则能恢复数据包i。

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