JP2005204016A - センサネットワークにおけるアドレス割当方法 - Google Patents

Abstract

【課題】少ないアドレスを有効活用しながら短時間でアドレスを割り当てられるアドレス割当方法を提供する。
【解決手段】センサノードは、自身に割り当てるリンクローカルアドレス候補を選択して隣接ノードへ通知する。各隣接ノードは、通知されたリンクローカルアドレス候補が自ノードまたは自ノードの隣接ノードに割手済み（重複）であるか否かを判定してセンサノードへ応答する。センサノードは、今回のリンクローカルアドレス候補に関して重複が検知されると次のリンクローカルアドレス候補を選択して上記した処理を繰り返す。重複が検知されなければ、今回のリンクローカルアドレス候補を自ノードに割り当てる。
【選択図】図５

Description

本発明は、アドホックなマルチホップネットワークにおけるアドレス割当方法に係り、特に、ワイヤレス通信機能およびデータルーティング機能を備えた複数のセンサノード、ならびに各センサノードからデータをマルチホップで転送されるゲートウエイノードを含むで構築されるセンサーネットワークに好適なアドレス割当方法に関する。

ワイヤレス通信機能を備えた多数の小型センサーをアドホックに接続し、検知されたデータを数珠つなぎに伝送するセンサーネットワークが提案されている。このようなセンサーネットワークによれば、一つ一つのセンサノードの消費電力を抑えながら、数ｋｍにも及ぶ伝送が実現可能になる。センサーネットワークでは、各センサノードへのアドレス割当を分散協調して行う必要があり、これまでに提案されている方式は次の２つに分類できる。

方式１：センサノードがランダムに自身のアドレスの候補を選びそのアドレスが他のセンサノードで使用しているか否かを確認した上で候補としたアドレスを用いる方式であり、非特許文献１に開示されている。

方式２：最初に起動もしくは存在したセンサノードから新たにネットワークに参加したセンサノードにアドレス空間を分割して受け渡し、参加したセンサノードは、受け取ったアドレス空間からアドレスを１つ選び自身に割り当て、さらに新たにセンサノードが参加した場合、先と同様の手順を繰り返す方式であり、非特許文献２に開示されている。
Charles E. Perkins, Jari T. Malinen, Ryuji Wakikawa, Elizabeth M. Belding-Royer and Yuan Sun,"IP Address Autoconfiguration for Ad Hoc Networks", draft-ietf-manet-autoconf-01.txt, November 2001. Hongbo Zhou, Lionel M. Ni and Matt W. Mutka, "Prophet Address Allocation for Large Scale MANETs", INFOCOM2003.

方式１には、以下のような欠点があった。
(1)それまでに接続されていなかったネットワークが結合した場合、結合以前にアドレスを割り当てたノードのアドレスが重複してしまう場合がある。
(2)ネットワークに参加するノード数の増加に伴い、ランダムに選んだ候補のアドレスが既に用いられてしまっている確率が増加する。そのため、候補としたアドレスが他のノードで既に使用しているか否かを確認するための制御メッセージ数の増加やアドレスが決定するまでの時間が長くなってしまう

方式２には、以下の欠点があった。
(1)最初に起動もしくは存在するノードの実環境での定義作業が必要となり、全てを自動化することができない。
(2)利用可能な電力に制限があるノードの電力の低下などに伴うネットワークからの離脱に伴い、そのノードが保持していたアドレス空間を他のノードに割り当てることができなくなってしまう。

本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、センサネットワークにおぴて、少ないアドレスを有効活用しながら短時間でアドレスを割り当てられるアドレス割当方法を提供することにある。

上記した目的を達成するために、本発明は、ワイヤレス通信機能およびルーティング機能を備えた複数のセンサノード、ならびに各センサノードからデータをマルチホップで転送されるゲートウエイノードを含むセンサーネットワークにおけるアドレス割当方法において、以下の手順を設けたことを特徴とする。

(1)一のセンサノードが、自身に割り当てるリンクローカルアドレスの候補を選択する第１手順と、前記一のセンサノードが、前記リンクローカルアドレス候補の登録された隣接アドレス探査メッセージをブロードキャストする第２手順と、前記隣接アドレス探査メッセージを受信した隣接センサノードが、当該メッセージに登録されているリンクローカルアドレス候補が自身または自身の隣接ノードに割り当てられているか否かを判別する第３手順と、自身または自身の隣接ノードに前記リンクローカルアドレス候補が割り当てられていない隣接ノードが、アドレス未重複応答を含む探査結果メッセージを返信する第４手順と、自身または自身の隣接ノードに前記リンクローカルアドレス候補が割り当てられているセンサノードが、アドレス重複応答および割当済みリンクローカルアドレスリストを含む探査結果メッセージを返信する第５手順と、前記一のセンサノードが、前記アドレス重複応答を含む探査結果メッセージに応答して、前記リンクローカルアドレス候補および割当済みリンクローカルアドレス以外の他のリンクローカルアドレス候補を改めて選択し、その後、前記第２手順へ戻る第６手順と、前記一のセンサノードが、前記アドレス未重複応答を含む探査結果メッセージに応答して、前記リンクローカルアドレス候補を自ノードのリンクローカルアドレスとして登録する第７手順とを含むことを特徴とする。

(2)前記一のセンサノードが、自身に割り当てる第１アクティブアドレスの候補およびゲートウエイノードに割り当てる第２アクティブアドレスの候補を選択する第１１手順と、前記第１アクティブアドレス候補を送信元アドレスとし、前記第２アクティブアドレス候補を宛先アドレスとする経路探索要求メッセージをブロードキャストする第１２手順と、前記経路探索要求メッセージに対して経路探索応答メッセージが返信されないと、前記第１アクティブアドレス候補および第２アクティブアドレス候補の少なくとも一方を変更し、その後、前記第１２手順へ戻る第１３手順と、前記経路探索要求メッセージに対して経路探索応答メッセージが返信されると、前記第１アクティブアドレス候補および第２アクティブアドレス候補を自ノードおよびゲートウエイノードに割り当てる第１４手順とを含み、

前記ゲートウエイノードが、前記経路探索要求メッセージを受信し、前記第１アクティブアドレス候補および第２アクティブアドレス候補を抽出する第２１手順と、前記第１アクティブアドレス候補および第２アクティブアドレス候補のアドレスペアが既登録であるか否かを判別する第２２手順と、前記アドレスペアが既登録のときに、今回の経路探索要求メッセージを破棄する第２３手順と、前記アドレスペアが未登録のときに、当該アドレスペアを登録すると共に、経路探索応答メッセージを返信する第２４手順とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、以下のような効果が達成される。
(1)各センサノードは、センサネットワーク内での重複は許容されるが隣接ノードが自ノードを一意に識別できるリンクローカルアドレスを、自ノードに対して簡単に割り当てられるようになる。
(2)各センサノードは、センサネットワーク内での重複が許容されず、ゲートウエイノードが自ノードを一意に識別できるアクティブアドレスを、自ノードに対して簡単に割り当てられるようになる。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。図１は、本発明が適用されるセンサーネットワークの一例を示した図であり、ワイヤレス通信機能およびルーティング機能を備えた複数のセンサノードNと、各センサノードNからマルチホップで送信されるデータ収集し、これをインターネットを経由してセンターサーバへ送信するゲートウエイ親機GWとを含む。本実施形態では、各センサノードNに以下の２つのアドレスが割り当てられる。

(1)アクティブ(AC)アドレス
第１のアドレスは、センサネットワーク上で各センサノードNを一意に識別するためのアドレスであり、ここではアクティブ(AC)アドレスと表現する。このACアドレスは、センサノードが事象（イベント）を検出した時や、データ送信スケジュールに基づく送信時刻となった時などのように、センサノードからゲートウェイ親機GWへのデータ送信を契機に割り当てられる。

(2)リンクローカル(LL)アドレス
第２のアドレスは、各センサノードNが隣接ノードを一意に識別するためのアドレスであり、ここではリンクローカル(LL)アドレスと表現する。このLLアドレスは前記ACアドレスとは異なり、各ノードが自身の隣接ノードを一意に識別できるならばセンサネットワーク内での重複割当が許容される。

すなわち、図２に示したネットワークトポロジにおいて、ノードN2（LLアドレス「２」）の隣接ノードがN1（LLアドレス「１」），N3（LLアドレス「３」），N5（LLアドレス「５」）であれば、ノードN2，N1，N3，N5間ではLLアドレスの重複割当は許されない。ただし、隣接関係にないノードN4であれば、これにノードN1と同一のLLアドレス「１」が重複して割り当てられても、ノードN2は自身の隣接ノードN1，N3，N5を一意に識別できるので、このような重複割当は許容されている。このようなLLアドレスは、センサノードNの電源が投入され、後述する「LLアドレス割当処理」が実行されることにより割り当てられる。

図３は、本実施形態における各センサノードの状態遷移図である。電源が投入されると、後述する「LLアドレス割当処理」が起動され（状態１）、LLアドレスの自動割当が実行される（状態２）。この状態２では、隣接ノードに割り当てられていないLLアドレスが新たに割り当てられる。LLアドレスが決定すると待機状態へ遷移する。

待機中（状態３）に、ゲートウェイ親機GWへ送信すべきデータが発生すると状態４へ遷移し、後述する「ACアドレス割当処理」が実行される。この状態４ではさらに、「経路設定」が実行され、自ノードからゲートウェイ親機GWへ至る経路が設定される。前記「ACアドレス割当処理」および「経路設定」が完了すると状態５へ遷移し、検知されたデータがゲートウェイ親機GWへ送信される。データの送信後は前記状態３へ遷移して待機する。待機中に隣接ノードから、自身に割り当てられているLLアドレスが他の隣接ノードと重複することが通知（後述するNAメッセージ）されると、状態１へ遷移して上記した各状態が繰り返される。

次いで、フローチャートを参照して本実施形態の動作を詳細に説明する。ここでは、図４に示したように、３つのセンサノードN1，N2，N3がLLアドレスを齟齬無く割り当てられている状態でセンサノードN0の電源が投入され、当該センサノードN0が自身にLLアドレスを新たに割り当てる場合を例にして説明する。なお、センサノードN1，N2，N3には、LLアドレス「１」，「２」，「３」がそれぞれ割り当てられており、ノードN0とノードN1、N2とは隣接ノード同士であり、ノードN2とノードN0，N3とも隣接ノード同士である。

図５は、前記センサノードN0が自身にLLアドレスを新たに割り当てる「LLアドレス割当処理」の手順を示したフローチャートであり、図６は、そのシーケンス図である。

ステップＳ１では、予め確保されているLLアドレス空間から、今回のLLアドレス候補が一つだけ任意に選択される。ここでは、LLアドレス候補として初めに「２」が選択されたものとして説明を続ける。ステップＳ２では、今回のLLアドレス候補「２」の登録された隣接アドレス探査用のND(Neighbor Discovery)メッセージがブロードキャストされる。このNDメッセージは隣接ノードN1，N2で受信される。

前記NDメッセージには、IPヘッダおよびUDPヘッダと共に、これがブロードキャストされるごとにインクリメントされる通し番号Nseqと、前記LLアドレス候補と、これまで自ノードに割り当てられていたLLアドレスとがメッセージとして登録されている。

本実施形態では、送信周期タイマT1および送信期間タイマT2が予め用意されており、前記NDメッセージは所定の送信期間（T2）内に所定の送信周期（T1）で繰り返しブロードキャストされる。したがって、ステップＳ３では送信周期タイマT1がタイムアウトしたか否かが判定され、タイムアウトしていなければ待機し、タイムアウトしていればステップＳ４へ進む。ステップＳ４では、送信期間タイマT2がタイムアウトしたか否かが判定され、最初はタイムアウトしておらず、送信期間内と判定されるのでステップＳ５へ進む。

ステップＳ５では、前記NDメッセージを受信した隣接ノードN1，N2から、これに応答して返信される探査結果通知用のNA(Neighbor Advertisement)メッセージが新たに受信されたか否かが判定される。

図７は、前記NDメッセージを受信した隣接ノードN1，N2で実行される「NDメッセージ受信処理」の手順を示したフローチャートである。

ステップＳ２１では、受信したNDメッセージに登録されている今回のLLアドレス候補「２」が、以前に受信したNDメッセージに登録されていたLLアドレス候補と重複するか否かが判定される。LLアドレス候補が重複していないと判定されればステップＳ２２へ進み、今回のLLアドレス候補「２」が自ノードまたは隣接ノードに割り当てられているLLアドレスと重複するか否かが判定される。

ここで、ノードN1であれば、自ノードおよび隣接ノードのいずれにもLLアドレス「２」が割り当てられていないのでステップＳ２３へ進む。ステップＳ２３では、「重複なし」を通知するためのNAメッセージが生成される。このNAメッセージには、IPヘッダおよびUDPヘッダと共に、重複フラグFdおよび前記と同様に付与される通し番号Nseqが登録され、前記重複フラグFdはリセットされている。

これに対して、ノードN2であれば、LLアドレス候補「２」が自ノードのLLアドレスと重複するのでステップＳ２５へ進む。ステップＳ２５では、「重複あり」を通知するためのNAメッセージが生成される。このNAメッセージでは前記重複フラグFdがセットされると共に、重複が検知されたLLアドレス候補、隣接ノードに割当済みのLLアドレス、および前記NDメッセージに登録されていた通し番号Nseqが登録される。前記各NAメッセージは、ステップＳ２６においてブロードキャストされる。

図５へ戻り、ノードN0は、ステップＳ５において前記隣接ノードN1から前記NAメッセージを受信するとステップＳ６へ進み、このNAメッセージに登録されている重複フラグFdがセットされているか否かが判定される。ノードN1から返信されるNAメッセージでは重複フラグFdがリセットされているので前記ステップＳ２へ戻り、上記した各処理が前記送信期間T2の完了まで繰り返される。

一方、ノードN0は、ステップＳ５において前記ノードN2からブロードキャストされたNAメッセージを受信するとステップＳ６へ進み、このNAメッセージに登録されている重複フラグFdがセットされているか否かが判定される。このNAメッセージでは重複フラグFdがセットされているので前記ステップＳ７へ進む。ステップＳ７では、このNAメッセージに登録されているLLアドレス候補と前記ステップＳ１で選択したLLアドレス候補とが一致するか否かに基づいて、当該NAメッセージが自ノード（N0）宛であるか否かが判定される。ここでは両者が一致するのでステップＳ８へ進む。

ステップＳ８では、このNAメッセージに登録されている通し番号Nseqに基づいて当該メッセージの有効性が判定される。本実施形態では、NAメッセージに登録されている通し番号Nseq[1]と自ノードの通し番号Nseq[2]とが比較され、Nseq[1]≧Nseq[2]であれば有効と判定されてステップＳ９へ進む。ステップＳ９では前記タイマT1，T2がリセットされ、その後、当該処理はステップＳ１へ戻る。

ステップＳ１では、前記LLアドレス空間から、今回のLLアドレス候補として前記重複の確認された「２」以外が一つだけ選択される。ここでは、次のLLアドレス候補として「３」が選択されたものとして説明を続ける。このLLアドレス候補「３」に対して、隣接ノードN1からは前記と同様に重複フラグFdがリセットされているNAメッセージが返信されるが、隣接ノードN2では、前記図５のステップＳ２２において、今回のLLアドレス候補「３」が自身の隣接ノードN3（図４参照）に割り当てられているLLアドレスと重複すると判定されるので、重複フラグFdがセットされているNAメッセージが返信される。

図５へ戻り、ノードN0は、ステップＳ５において前記ノードN2から前記NAメッセージを受信するとステップＳ６へ進み、このNAメッセージに登録されている重複フラグFdがセットされているか否かが判定される。ノードN2から返信されるNAメッセージでは重複フラグFdがセットされているので前記ステップＳ７へ進み、さらにステップＳ８，Ｓ９を経由してステップＳ１へ戻る。ステップＳ１では、前記LLアドレス空間から、今回のLLアドレス候補として前記重複の確認された「２」，「３」以外が一つだけ選択される。ここでは、次のLLアドレス候補として「４」が選択されたものとして説明を続ける。

このLLアドレス候補「４」に対しては、隣接ノードN1，N2のいずれからも、重複フラグFdがリセットされているNAメッセージが返信されるので、図３の処理はステップＳ４からステップＳ１０へ進み、前記LLアドレス候補「４」がノードN0のLLアドレスとして登録される。ステップＳ１１では、隣接ノードのLLアドレス候補が重複しているか否かが判定される。

すなわち、上記した「LLアドレス割当処理」では、ノードN0と隣接ノードN1，N2（およびその隣接ノードN3）との重複アドレスが検知されるのみなので、前記図４のネットワークトポロジにおいて、隣接ノードN1，N2のLLアドレスが重複していても、これを検知できない。

そこで、本実施形態では前記ステップＳ５で各隣接ノードN1，N2から返信されたNAメッセージの送信元アドレスを記憶しておき、両者が一致すると、隣接ノードN1，N2のLLアドレス候補が重複していると判定してステップＳ１２へ進む。ステップＳ１２では、前記重複フラグFdのセットされたNAメッセージが、一方の隣接ノード（ここでは、ノードN1）へ送信される。隣接ノード
N1は、前記自ノード宛のNAメッセージを受信し、これに重複フラグがセットされていると、前記図５に関して説明した「LLアドレスの自動割当」を実行して自ノードのLLアドレスを更新する。

次いで、センサノードが検知データをゲートウェイ親機GWへ送信する際に、両者がセンサネットワーク上で相手ノードを一意に識別するために付与される
アクティブアドレスの割当方法について説明する。

図８は、前記ACアドレスの自動割当処理の手順を示したフローチャートであり、ステップＳ７１では、所定のACアドレス空間から自ノード用のACアドレス候補IPnが一つだけ任意に選択される。ステップＳ７２では、前記ACアドレス候補IPnを除いたACアドレス空間から、ゲートウェイ親機GW用のACアドレス候補IPgwが一つだけ任意に選択される。ステップＳ７３ではRREQメッセージが生成され、ステップＳ７３においてブロードキャストされる。

このRREQメッセージには、送信元アドレスとして前記自ノード用のACアドレス候補IPnが登録され、宛先アドレスとして前記ゲートウェイ親機GW用のACアドレス候補IPgwが登録され、さらにUフラグが付与される。このUフラグはAODVで規定されているフラグであり、宛先ノードのシーケンス番号が未知であるときに付与される。

前記RREQメッセージを中継した各センサノードは、自身のルーティングテーブルに経路情報を格納する際、隣接ノードを識別するアドレスとして前記LLアドレスを用いる。ステップＳ７５では、当該RREQメッセージを受信したゲートウェイ親機GWから返信されるべきRREPの受信の有無が判別される。

図９は、前記ゲートウェイ親機GWにおけるRREQ応答処理の手順を示したフローチャートであり、ステップＳ８１においてRREQを受信すると、ステップＳ８２では、当該RREQにUフラグが登録されているか否かが判定される。前記ACアドレスの自動割当用のRREQであれば、Uフラグが付与されているのでステップＳ８３へ進む。

ステップＳ８３では、当該RREQの送信元アドレスと宛先アドレスとのペア（ここでは、IPn／IPgw）が、以前に受信したRREQのアドレスペアと重複しているか否か、すなわち自身の管理テーブルに既登録のアドレスペアであるか否かが判別される。重複すなわち既登録であれば、ステップＳ８５において当該RREQが破棄される。重複していなければステップＳ８４へ進み、前記RREQに応答してRREPがユニキャストされると共に、今回のアドレスペアが管理テーブルに登録される。前記RREPを中継した各センサノードは、自身のルーティングテーブルに経路情報を格納する際、隣接ノードを識別するアドレスとして前記LLアドレスを用いる。

図８へ戻り、前記センサノードN0は、ステップＳ７５において前記RREPを受信すると、ステップＳ７５において、自ノードのACアドレスを前記ACアドレス候補IPnに設定し、ゲートウェイ親機GWのACアドレスを前記ACアドレス候補IPgwに設定する。

なお、前記RREPが受信されることなく、ステップＳ７６において所定時間の経過が検知されると、前記ステップＳ７１へ戻って他のACアドレス候補IPn，IPgwが選択され、その後、上記した各処理が繰り返される。

その後、センサノードから送信されるデータには、送信元アドレスとして前記ACアドレスIPnが登録され、宛先アドレスとしてACアドレスIPgwが登録される。ゲートウェイ親機GWは、受信したデータの送信元アドレスと宛先アドレスとのペアに基づいてセンサノードを識別する。

本発明が適用されるセンサーネットワークのネットワーク構成の一例を示した図である。 センサーネットワークのネットワークトポロジの一例を示した図である。 センサノードの状態遷移図である。 本実施形態の動作を示したフローチャートである。 リンクローカル(LL)アドレス割当処理の手順を示したフローチャートである。 LLアドレス割当処理のシーケンス図である。 NDメッセージ受信処理の手順を示したフローチャートである。 アクティブ(AC)アドレスの自動割当処理の手順を示したフローチャートである。 ゲートウェイ親機におけるRREP応答処理の手順を示したフローチャートである。

符号の説明

ACアドレス…リンクローカルアドレス
LLアドレス…アクティブアドレス

Claims (2)

1. ワイヤレス通信機能およびルーティング機能を備えた複数のセンサノード、ならびに各センサノードからデータをマルチホップで転送されるゲートウエイノードを含むセンサーネットワークにおけるアドレス割当方法において、
   一のセンサノードが、自身に割り当てるリンクローカルアドレスの候補を選択する第１手順と、
   前記一のセンサノードが、前記リンクローカルアドレス候補の登録された隣接アドレス探査メッセージをブロードキャストする第２手順と、
   前記隣接アドレス探査メッセージを受信した隣接センサノードが、当該メッセージに登録されているリンクローカルアドレス候補が自身または自身の隣接ノードに割り当てられているか否かを判別する第３手順と、
   自身または自身の隣接ノードに前記リンクローカルアドレス候補が割り当てられていない隣接ノードが、アドレス未重複応答を含む探査結果メッセージを返信する第４手順と、
   自身または自身の隣接ノードに前記リンクローカルアドレス候補が割り当てられているセンサノードが、アドレス重複応答および割当済みリンクローカルアドレスリストを含む探査結果メッセージを返信する第５手順と、
   前記一のセンサノードが、前記アドレス重複応答を含む探査結果メッセージに応答して、前記リンクローカルアドレス候補および割当済みリンクローカルアドレス以外の他のリンクローカルアドレス候補を改めて選択し、その後、前記第２手順へ戻る第６手順と、
   前記一のセンサノードが、前記アドレス未重複応答を含む探査結果メッセージに応答して、前記リンクローカルアドレス候補を自ノードのリンクローカルアドレスとして登録する第７手順とを含むことを特徴とするセンサネットワークにおけるアドレス割当方法。
2. 前記一のセンサノードが、
   自身に割り当てる第１アクティブアドレスの候補およびゲートウエイノードに割り当てる第２アクティブアドレスの候補を選択する第１１手順と、
   前記第１アクティブアドレス候補を送信元アドレスとし、前記第２アクティブアドレス候補を宛先アドレスとする経路探索要求メッセージをブロードキャストする第１２手順と、
   前記経路探索要求メッセージに対して経路探索応答メッセージが返信されないと、前記第１アクティブアドレス候補および第２アクティブアドレス候補の少なくとも一方を変更し、その後、前記第１２手順へ戻る第１３手順と、
   前記経路探索要求メッセージに対して経路探索応答メッセージが返信されると、前記第１アクティブアドレス候補および第２アクティブアドレス候補を、それぞれ自ノードおよびゲートウエイノードに割り当てる第１４手順とを含み、
   前記ゲートウエイノードが、
   前記経路探索要求メッセージを受信し、前記第１アクティブアドレス候補および第２アクティブアドレス候補を抽出する第２１手順と、
   前記第１アクティブアドレス候補および第２アクティブアドレス候補のアドレスペアが既登録であるか否かを判別する第２２手順と、
   前記アドレスペアが既登録のときに、今回の経路探索要求メッセージを破棄する第２３手順と、
   前記アドレスペアが未登録のときに、当該アドレスペアを登録すると共に、経路探索応答メッセージを返信する第２４手順とを含むことを特徴とする請求項１に記載のセンサネットワークにおけるアドレス割当方法。

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