CN101795480B - 无线传感器网络与IPv6网络全IP通信的路由实现*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了无线传感器网络与IPv6网络全IP通信的路由实现***，包括网关节点、簇首节点及簇内节点，网关节点与簇首节点为具有路由转发功能的节点，网关节点与簇首节点的拓扑结构为树状结构，网关节点为树状结构的根节点，簇首节点为树状结构的中间节点及叶子节点；簇内节点为不具有路由转发功能的节点，用于数据采集与数据处理。所述路由在链路层实现，网关节点收到来自IPv6网络的数据包时，对数据包进行分片，把每个数据分片封装为一个数据帧，并在本树状结构中建立到达数据包目的簇内节点的路由路径，在路由数据帧的过程中，网关节点/簇首节点在下一跳簇首节点的下一次信道侦听时间发送数据帧，以增加休眠时间，降低功耗。

Description

无线传感器网络与IPv6网络全IP通信的路由实现***

技术领域

本发明涉及一种网络路由的实现***，尤其涉及一种无线传感器网络与IPv6网络全IP通信的路由实现***。 

背景技术

随着下一代互联网(IPv6 Internet)的不断成熟和发展，无线传感器网络与下一代互联网实现全IP通信互联已成为未来发展的必然趋势。全IP互联方式具有以下优势： 

(1)IPv6是下一代互联网的协议标准，无线传感器网络采用IPv6协议实现与下一代互联网的全IP通信有助于推动无线传感器网络通信协议的标准化； 

(2)IPv6的许多技术特点(如地址自动配置等)对大规模无线传感器网络的自组织管理提供了良好支持； 

(3)互联网的组网方式可以供无线传感器网络充分借鉴，使其成为无线传感器网络的一种合理拓展。 

但是目前实现无线传感器网络与下一代互联网的全IP通信互联关键技术还不成熟，主要表现在以下方面： 

(1)地址自动配置：地址自动配置是IPv6的一个重要技术特色，可以在无人干预的情况下为每个接口配置相应的IPv6地址。这一点与无线传感器网络自组织、自配置的设计目标非常吻合。但是，现有的IPv6地址自动配置方式在无线传感器网络中还存在一些问题，例如有状态地址配置会带来大量的控制消息开销、根据MAC地址生成IPv6地址的无状态地址配置对传感器节点间的路由寻址未带来任何方便，因此针对下一代全IP无线传感器网络需要建立一种新的IPv6地址自动配置机制； 

(2)路由方案：无线传感器网络与IPv6网络不同，在IPv6网络中，路由器与普通节点之间有数据链路层连接，可以通过一跳到达，而无线传感器节点具有路由器与普通节点双重身份，节点之间没有数据链路层连接，因此在无线传感器网络中需要建立一种新的路由方式实现IPv6节点与传感器节点之间的通信。 

(3)IPv6协议栈优化方案：由于无线传感器网络资源受限，而IPv6网络最初并没有考虑嵌入式应用，因此要在储存器和处理器等资源极其有限的传感器节点上实现IPv6协议，必须对其进行合理精简。 

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种无线传感器网络与IPv6网络全IP通信的路由实现***。 

技术方案：本发明公开了一种无线传感器网络与IPv6网络全IP通信的路由实现***，所述***中，全IP无线传感器网络路由在链路层实现，无线传感器网络是IPv6网络的末端网络；所述无线传感器网络中的每个传感器节点拥有全球唯一的IPv6地址， IPv6节点通过无线传感器节点的IPv6地址实现与传感器节点的全IP通信； 

所述***设置三类节点：网关节点、簇首节点及簇内节点；所述网关节点与簇首节点为全功能节点即具有路由转发功能的节点，网关节点与簇首节点的拓扑结构为树状结构，网关节点为树状结构的根节点，簇首节点为树状结构的中间节点及叶子节点，网关节点与簇首节点为固定节点；所述无线传感器网络的路由通过网关节点与簇首节点构建的树状结构来实现；所述簇内节点为部分功能节点即不具有路由转发功能的节点，用于数据采集与数据处理，簇内节点为固定节点；其中，网关节点用于连接无线传感器网络与IPv6网络；所述无线传感器网络通过n个网关节点与IPv6网络连接，且n≥1，当n≥2时，网关节点之间通过IPv6网络进行多播通信；所述无线传感器网络被n个网关节点划分为n个树状结构，每个树状结构中有且只有一个网关节点，且所述网关节点为树状结构的根节点，每个网关节点具有一个ID，该ID唯一地标识网关节点以及以此网关节点为根节点的树状结构； 

所述无线传感器网络由多个簇组成，每个簇包括一个簇首节点和多个簇内节点，簇内节点在簇首节点的一跳范围内，拓扑结构为星形。 

本发明传感器节点之间通信时，通过在彼此下一次信道侦听时间发送数据增加传感器节点的休眠时间。 

本发明所述***中，所述网关节点、簇首节点及簇内节点的IPv6地址由两个部分组成，第一部分是全局路由前缀，一个传感器网络中所有传感器节点的IPv6地址的全局路由前缀都相同；第二部分为传感器节点ID，传感器节点ID分为网关节点ID、簇首节点ID以及簇内节点ID三个组成部分，其中网关节点ID唯一地标识以此网关节点为根节点的树状结构，一个树状结构中所有簇首节点和簇内节点IPv6地址的网关节点ID都相同；簇首节点ID唯一地标识一个簇，一个簇中的所有簇内节点的簇首节点ID都相同；簇内节点ID唯一地标识一个簇内节点；所述网关节点IPv6地址的簇首节点ID及簇内节点ID为0，所述簇首节点IPv6地址的簇内节点ID为0；所述网关节点ID、簇首节点ID及簇内节点ID由传感器节点原始ID号组成，在一个无线传感器网络中，传感器节点的原始ID号唯一。 

本发明所述***中，簇首节点通过加入距离本簇首节点最近的网关节点所在的树状结构实现IPv6地址的传感器节点ID自动配置，同时记录下所在树状结构的父节点的簇首节点ID及下一次信道侦听时间，距离的度量单位为跳数；在获取传感器节点ID之后，簇首节点与其一跳范围内的部分功能节点共同构建成一个簇；簇内节点直接将数据发送至簇首节点，簇首节点通过所在树状结构实现对数据的路由。 

本发明所述***中，所述路由在链路层实现，链路层地址设置为传感器节点IPv6地址的传感器节点ID；所述树状结构中的网关节点与簇首节点保存一个临时路由表，路由表项包括四个域：目的簇域、下一跳簇首节点域、下一次信道侦听时间域与及生 存时间域；目的簇域记录目的簇内节点所在簇簇首节点的传感器节点ID；下一跳簇首节点域记录到达目的簇的下一跳簇首节点的传感器节点ID；下一次信道侦听时间域记录下一跳簇首节点的下一次信道侦听时间；生存时间域记录此路由表项的生存时间，它随着机器时钟自动衰减，当生存时间为0时，簇首节点将此表项从路由表中删除，路由表项每使用一次，它的生存时间就会被设置为表项初始生存时间，初始生存时间的设定值根据传感器节点的存储空间及传感器节点的数量确定，本发明中一般设定为60秒～60000秒。 

本发明所述***中，所述网关节点维护一个簇首节点记录表，用于记录本树状结构内簇首节点的相关信息，包括簇首节点的簇首节点ID以及簇首节点距离所在树状结构树根节点(即网关节点)的距离。 

本发明所述***中，所述网关节点通过路由查询帧及路由响应帧建立到达目的簇的路由路径，路由查询帧负载内容包括目的簇簇首节点的簇首节点ID及目的簇簇首节点距离所在树状结构树根节点的距离，路由响应帧负载内容包括目的簇簇首节点的簇首节点ID。 

本发明所述***中，所述网关节点通过路由查询帧建立到达目的簇的路由路径，在路由查询帧覆盖范围内的簇首节点收到此帧后，簇首节点通过查看路由查询帧的源地址判断此路由查询帧是否为簇首节点的父节点所发送，如果不是，则丢弃此帧，否则簇首节点继续判断自己距离所在树状结构根节点的距离值与目的簇首节点距离所在树状结构根节点的距离值的大小关系；如果簇首节点距离所在树状结构根节点的距离值大于目的簇首节点距离所在树状结构根节点的距离值，簇首节点则丢弃此帧，如果小于，簇首节点则继续广播此帧，如果等于，簇首节点向所在簇树树根节点返回一个路由响应帧；目的簇首节点返回的路由响应帧的返回路径为：目的簇首节点首先将路由响应帧发送给它所在树状结构的父节点；所述父节点收到路由响应帧后进行建立路由的操作，包括如下步骤：首先查看路由表中是否已经存在目的簇的路由表项，如果存在，则将路由表相的生存时间设置为初始生存时间，如果不存在，则建立一个路由表项，目的簇域为目的簇簇首节点的传感器节点ID，下一跳簇首节点域为路由响应帧源地址域的传感器节点ID，下一次信道侦听时间域设置为0，生存时间设置为初始生存时间，然后继续将此帧发送给父节点的父节点，父节点的父节点收到此帧后，重复上述建立路由的操作，最终路由响应帧到达目的簇簇首节点所在树状结构的根节点。 

本发明所述***中，所述簇首节点/网关节点定期广播Beacon帧，帧的负载内容为下一次信道侦听时间；簇首节点收到父节点的Beacon帧，它则用帧中的下一次信道侦听时间来更新父节点的下一次信道侦听时间，簇首节点收到路由表项中下一跳簇首节点的Beacon帧，它则用帧中的下一次信道侦听时间更新路由表项中的下一次信道侦听时间域的值；簇内节点收到所在簇簇首节点的Beacon帧，它则用帧中的下一次信道 侦听时间更新簇首节点的下一次信道侦听时间。 

本发明所述***中，所述网关节点对IPv6数据包按照数据流方式进行分片处理，即只有第一分片包含IPv6头部结构，其他分片只包含IPv6负载；然后将每个数据分片用适配层头部、Mesh delivery header及帧头进行封装为数据帧；在下一跳簇首节点的下一次信道侦听时间将数据帧发送出去。 

本发明所述***中，簇首节点定期广播Beacon帧，帧负载包括它距离所在树状结构根节点的距离、下一次信道侦听时间及它所在树状结构根节点的网关节点ID。如果簇首节点在规定时间内没有接收到父节点的Beacon帧，那么判定父节点处于非正常工作状态(例如，父节点的电能消耗完等情况)，并选取接收到的Beacon帧负载中距离参数值最小的簇首节点为父节点，获取新的传感器节点ID，并向新加入的树状结构根节点进行注册操作。 

有益效果：本发明提供了一种无线传感器网络与IPv6网络全IP通信的路由实现***，在所述***中，无线传感器网络作为IPv6网络的末端网络存在，无线传感器网络中的每个传感器节点拥有全球唯一的IPv6地址，IPv6网络节点通过无线传感器节点的IPv6地址实现彼此的全IP通信，获取传感器节点采集的数据信息。本发明提出了无线传感器网络节点IPv6地址自动配置方案及基于IPv6地址的路由实现方法。本发明可以应用于农业现代化、地震监测、医疗健康、军事国防等诸多领域，例如，在农业现代化领域，可将本发明应用于现代设施农业环境监测控制，这样，农业劳动者不受地理位置限制，通过互联网可随时访问农田中的传感器节点，获取农田温度、湿度、光强度等环境参数，及时掌握农作物的生长环境，确保农作物健康成长。由于传感器节点具有体积小、价格低廉、易于布置、易于维护等特点，而互联网具有地理位置覆盖广泛，使用方便，界面友好、费用低廉等特点，因此，本技术具有很高的推广价值。 

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。 

图1为本发明所述的无线传感器网络与IPv6网络全IP通信路由的网络拓扑结构示意图。 

图2为本发明所述的无线传感器节点IPv6地址示意图。 

图3为本发明所述的簇首节点获取传感器节点ID的流程示意图。 

图4为本发明所述的簇内节点获取传感器节点ID的流程示意图。 

图5为本发明所述的簇首节点注册流程示意图。 

图6为本发明所述的路由表项格式示意图。 

图7为本发明所述的数据帧封装格式示意图。 

图8a和图8b为本发明所述的全IP无线传感器网络路由流程示意图。 

具体实施方式：

本发明提供了无线传感器网络与IPv6网络全IP通信的路由实现***，在所述***中，无线传感器网络作为IPv6网络的末端网络存在，无线传感器网络中的每个传感器节点拥有全球唯一的IPv6地址，IPv6网络节点通过无线传感器节点的IPv6地址实现彼此的全IP通信，获取传感器节点采集的数据信息。 

图1所示的是无线传感器网络与IPv6网络全IP通信路由的网络拓扑结构示意图，从功能角度划分，本发明包含两类节点：具有路由转发功能的节点(称作全功能节点)与不具有路由转发功能的节点(称作部分功能节点)。从***结构划分，本发明设置了三类节点：网关节点1、簇首节点2及簇内节点3，其中，网关节点1与簇首节点2为全功能节点，它们的拓扑结构为树状结构，此树状结构完成无线传感器网络的路由功能，簇内节点3为部分功能节点，主要用于数据采集与数据处理，网关节点1、簇首节点2与簇内节点3均为固定节点，网关节点1连接无线传感器网络与IPv6网络。无线传感器网络由多个簇组成，每个簇包括一个簇首节点2和多个簇内节点3，簇内节点在簇首节点的一跳范围内，拓扑结构为星形。所述路由在链路层实现，网关节点收到来自IPv6网络的数据包时，它对数据包进行分片处理，把每个数据分片封装为一个数据帧，并在本树状结构中建立到达数据包目的簇内节点的路由路径，在路由数据帧的过程中，网关节点/簇首节点总是在下一跳簇首节点的下一次信道侦听时间发送数据帧，以增加休眠时间，降低功耗。 

图2所示的是本发明所述的传感器节点IPv6地址示意图，网关节点、簇首节点及簇内节点的IPv6地址由两个部分组成，第一部分是80比特的全局路由前缀，一个全IP无线传感器网络中所有传感器节点的IPv6地址的全局路由前缀都相同；第二部分为48比特的传感器节点ID，它又分为16比特的网关节点ID、16比特的簇首节点ID以及16比特的簇内节点ID三个组成部分，其中网关节点ID唯一地标识以此网关节点为根节点的树状结构，一个树状结构中所有簇首节点(包括簇内节点)的网关节点ID都相同；簇首节点ID唯一地标识一个簇，一个簇的所有簇内节点的簇首节点ID都相同；簇内节点ID唯一地标识一个簇内节点。网关节点IPv6地址的簇首节点与簇内节点为0；簇首节点IPv6地址中的簇内节点ID为0。网关节点ID、簇首节点ID及簇内节点ID由传感器节点原始ID号组成，在一个无线传感器网络中，传感器节点的原始ID号具有唯一性。 

图3所示的是簇首节点获取传感器节点ID的流程示意图，簇首节点保存一个记录它到达所在树状结构中树根节点的距离(距离单位为跳数)参数，网关节点的距离参数值为0。簇首节点获取传感器节点ID的流程描述如下： 

步骤301：处于孤立状态的全功能节点H(即既没有标记为簇首节点，也未被标记为网关节点)广播获取传感器节点ID的命令帧，负载内容为空，同时设定一个时钟； 

步骤302：命令帧覆盖范围内的邻居簇首节点收到此帧后，向簇首节点H返回一个响应帧，响应帧的负载内容是邻居簇首节点到达所在树状结构根节点的距离值、下一次信道侦听时间以及所在树状结构根节点的网关节点ID； 

步骤303：时钟到期后，处于孤立状态的全功能节点H选择返回响应帧中距离参数值最小的簇首节点作为父节点F并记录下父节点F的簇首节点ID、父节点F下一次信道侦听时间以及自己到达所在树状结构根节点的距离值，即父节点F的距离值加1，同时从响应帧中获取网关节点ID，与自身的原始ID相结合，形成传感器节点ID，然后将自己标记为簇首节点，向所在树状结构的根节点进行注册操作； 

步骤304：簇首节点H成功加入树状结构，并获取了传感器节点ID，过程结束。 

所述命令帧和响应帧是通过扩展IEEE发布的IEEE Standard 802.15.4标准中的命令帧类型来实现的，即通过扩充命令帧中Command Frame Identifier来实现。 

图4所示的是簇内节点获取传感器节点ID的流程示意图，簇内节点获取传感器节点ID的流程描述如下： 

步骤401：簇首节点H获取传感器节点ID后，它会定期广播Beacon帧以示自己的存在，Beacon帧的内容为簇首节点H到达所在树状结构根节点的距离值、下一次信道侦听时间及所在树状结构根节点的网关节点ID； 

步骤402：帧覆盖范围内的全功能节点收到帧后，进行步骤404；帧覆盖范围内的部分功能节点收到帧后，进行步骤403； 

步骤403：如果部分功能节点已经标记为簇内节点，那么进行步骤405，否则进行步骤409； 

步骤404：如果全功能节点已经标记为簇首节点/网关节点，转到步骤406，否则进行步骤408； 

步骤405：判断簇首节点H是否为自己所在簇的簇首节点，如果是，转到步骤410，否则进行步骤408； 

步骤406：判断簇首节点H是否为自己的父节点或者簇首节点H是否为路由表中路由表项的下一跳簇首节点，如果是，进行步骤407，否则进行步骤408； 

步骤407：用帧中的下一次信道侦听时间更新父节点或者下一跳簇首节点的下一次信道侦听时间，转到步骤412； 

步骤408：放弃处理此帧，转到步骤412； 

步骤409：将自己标记为簇内节点并记录下簇首节点距离所在树状结构根节点的距离值、簇首节点下一次信道侦听时间以及簇首节点所在树状结构根节点的网关节点ID，然后从帧的源地址获取簇首节点的簇首节点ID，将获取的网关节点ID及簇首节点ID与自身的原始ID号相结合，得到传感器节点ID，转到步骤411； 

步骤410：用帧中的下一次信道侦听时间更新所在簇簇首节点的下一次信道侦 听时间，转到步骤412； 

步骤411：至此，簇内节点获取了传感器节点ID； 

步骤412：过程结束。 

所述Beacon帧是通过扩展IEEE发布的IEEE Standard 802.15.4标准中的命令帧类型来实现的，即通过扩充命令帧中Command Frame Identifier来实现。 

图5所示的是簇首节点注册流程示意图，网关节点保存一个簇首节点记录表，用于记录本树状结构中的簇首节点相关信息，这些信息包括簇首节点的簇首节点ID以及簇首节点到网关节点之间的距离值。簇首节点获取新的传感器节点ID后需要向所在树状结构树根节点/网关节点进行新地址注册，注册流程为： 

步骤501：簇首节点H获取了新的传感器节点ID； 

步骤502：簇首节点H向所在树状结构根节点发送注册帧，帧负载内容为簇首节点H的传感器节点ID及它到达所在树状结构根节点的距离值； 

步骤503：网关节点查看簇首节点记录表中是否已经存在簇首节点H的记录，如果存在，转到步骤505，否则转到步骤504； 

步骤504：网关节点在簇首节点记录表中增加一条记录，记录保存簇首节点H的传感器节点ID及簇首节点H到达所在树状结构根节点的距离值，转到步骤506； 

步骤505：网关节点用帧负载中簇首节点H到达所在树状结构根节点的距离值更新记录中的距离值； 

步骤506：注册过程结束。 

所述注册帧是通过扩展IEEE发布的IEEE Standard 802.15.4标准中的命令帧类型来实现的，即通过扩充命令帧中Command Frame Identifier来实现。 

图6所示的是路由表项格式示意图，本发明采用链路层实现路由，链路层地址设置为传感器节点IPv6地址的传感器节点ID。树状结构中的网关节点与簇首节点保存一个临时路由表，路由表项包括四个域，目的簇域、下一跳簇首节点域、下一次信道侦听时间域以及生存时间域，其中，目的簇域记录目的簇内节点所在簇簇首节点的传感器节点ID，下一跳簇首节点域记录到达目的簇的下一跳簇首节点的传感器节点ID，下一次信道侦听时间域记录下一跳簇首节点下一次信道侦听的时间，生存时间域记录此路由表项的生存时间，此时间根据机器时钟自动衰减，当生存时间为0时，簇首节点将此表项从路由表中删除，路由表项每被使用一次，它的生存时间都会被设置为初始生存时间，初始生存时间的设定值根据传感器节点的存储空间及传感器节点的数量来确定 

图7所示的是数据帧封装格式示意图，当网关节点收到来自IPv6网络的数据包时，它将IPv6数据包作为数据流进行分片处理，即只有数据包第一分片包含IPv6头部结构。数据分片依次经过适配层头部、Mesh delivery头部及帧头部进行封装形成数据 帧，其中适配层头部记录IPv6数据包的分片信息，Mesh delivery头部记录数据帧的目的簇内节点的传感器节点ID，帧头信息记录下一跳簇首节点/目的簇内节点的传感器节点ID。有关适配层头部、Mesh delivery头部及帧头部的结构可以参考IETF发布的rfc4944标准以及IEEE发布的IEEE Standard 802.15.4。 

图8a和图8b为本发明所述的全IP无线传感器网络路由流程示意图，具体路由流程如下： 

步骤801：IPv6节点发送一条获取簇内节点X采集数据的服务请求数据包，此数据包的目的地址为簇内节点X的IPv6地址； 

步骤802：此数据包在IPv6网络中路由，最后到达与簇内节点X所在无线传感器网络连接的网关节点，网关节点通过检查簇内节点X的IPv6地址的网关节点ID判断簇内节点X是否在本树状结构内，如果不在，则进行多播，最后此请求数据包到达簇内节点X所在簇簇首节点所在树状结构的根节点/网关节点G； 

步骤803：网关节点G查看路由表是否存在到达簇内节点X所在簇的路由表项，如果有，转到步骤805，否则进行步骤804； 

步骤804：网关节点G从簇首节点记录表中查找目的簇簇首节点H所对应的记录以获取簇首节点H到达树状结构根节点的距离值，利用此距离值构建到达簇内节点X所在簇的路由查询帧，并在树状结构中广播此帧 

步骤805：转到步骤817 

步骤806：在路由查询帧覆盖范围内的邻居簇首节点收到此帧后，邻居簇首节点通过查看路由查询帧的源地址判断此路由查询帧是否为其父节点所发送，如果是，进行步骤807，否则进行步骤811； 

步骤807：邻居簇首节点判断它距离网关节点的距离值是否等于帧中的距离值，如果等于，进行步骤808，否则进行步骤809； 

步骤808：邻居簇首节点构建一个路由响应帧，帧的源地址为邻居簇首节点的传感器节点ID，目的地址为邻居簇首节点的父节点F的传感器节点ID，然后其父节点F下一次信道侦听时间将此帧发送出去，转到步骤812； 

步骤809：邻居簇首节点判断它距离网关节点的距离值是否大于帧中的距离值，如果大于，转到步骤811，否则如果小于，转到步骤810； 

步骤810：邻居簇首节点用自己的传感器节点ID更新查询帧中的源地址域，然后在树状结构中继续广播此路由查询帧，转到步骤806； 

步骤811：丢弃此帧，处理过程结束 

步骤812：父节点查看路由表中是否已经存在到达簇内节点X所在簇的路由表项，如果存在，转到步骤813，否则转到步骤814； 

步骤813：父节点重新设置簇内节点X所在簇路由表项的生存时间为初始生存时间， 转到步骤815； 

步骤814：父节点建立一个路由表项，目的簇域为簇内节点X所在簇簇首节点的传感器节点ID，下一跳簇首节点为发送路由响应帧的簇首节点的传感器节点ID； 

步骤815：父节点是否为网关节点G，如果是，进行步骤817，否则进行步骤816； 

步骤816：父节点根据其父节点的下一次信道侦听时间将此路由响应帧发送给它的父节点，转到步骤812； 

步骤817：网关节点G将IPv6数据包进行分片处理，并将每个数据分片封装为数据帧，按照簇内节点X所在簇的路由表项在下一跳簇首节点的下一次信道侦听时间将数据帧发送到下一跳簇首节点，依次类推，最终数据帧到达目的簇内节点X； 

步骤818：簇内节点X对数据分片进行重组，处理数据包，将响应数据封装成响应IPv6数据包，并对其进行分片处理，将每个数据分片封装为数据帧，在其父节点下一次信道侦听时间将数据帧发送到父节点，依次类推，最终数据帧到达网关节点G； 

步骤819：网关节点G将数据分片重组成为IPv6响应数据包，并将数据包发送到IPv6网络中，此数据包按照IPv6路由方式最终到达源IPv6节点； 

步骤820：处理过程结束。 

所述路由查询帧和路由响应帧是通过扩展IEEE发布的IEEE Standard 802.15.4标准中的命令帧类型来实现的，即通过扩充命令帧中Command Frame Identifier来实现。数据帧结构可以参考IEEE发布的IEEE Standard 802.15.4。 

综上所述，本发明实现了无线传感器与IPv6网络全IP通信互联，此项技术可以应用于农业现代化、医疗健康、军事国防等诸多领域，例如，在农业现代化领域，可将无线传感器与IPv6网络全IP通信技术应用于现代设施农业环境监测控制，这样，农业劳动者不受地理位置限制，通过互联网可随时访问农田中的传感器节点，获取农田温度、湿度、光强度等环境参数，及时掌握农作物的生长环境，确保农作物健康成长。由于传感器节点具有体积小、价格低廉、易于布置、易于维护等特点，而互联网具有地理位置覆盖广泛，使用方便，界面友好、费用低廉等特点，因此，本技术具有很高的推广价值。 

本发明提供了一种无线传感器网络与IPv6网络全IP通信的路由实现***的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部份均可用现有技术加以实现。 

Claims (10)

1.一种无线传感器网络与IPv6网络全IP通信的路由实现***，其特征在于，所述全IP通信的路由实现***在链路层实现，无线传感器网络是IPv6网络的末端网络，无线传感器网络中的每个传感器节点拥有全球唯一的IPv6地址，IPv6网络中的IPv6节点通过无线传感器节点的IPv6地址实现与传感器节点的全IP通信；

所述***设置三类节点：网关节点、簇首节点及簇内节点；所述网关节点与簇首节点为全功能节点即具有路由转发功能的节点，网关节点与簇首节点构建成树状结构，网关节点为树状结构的根节点，簇首节点为树状结构的中间节点及叶子节点，网关节点与簇首节点为固定节点；所述无线传感器网络的路由通过网关节点与簇首节点构建的树状结构来实现；所述簇内节点为部分功能节点即不具有路由转发功能的节点，用于数据采集与数据处理，簇内节点为固定节点；其中，网关节点用于连接无线传感器网络与IPv6网络；所述无线传感器网络通过n个网关节点与IPv6网络连接，且n≥1；所述无线传感器网络被n个网关节点划分为n个树状结构，每个树状结构中有且只有一个网关节点，且所述网关节点为树状结构的根节点，每个网关节点具有一个ID，该ID唯一地标识网关节点以及以此网关节点为根节点的树状结构；

所述无线传感器网络由多个簇组成，每个簇包括一个簇首节点和多个簇内节点，簇内节点在簇首节点的一跳范围内；

传感器节点之间通信时，通过在彼此下一次信道侦听时间发送数据增加传感器节点的休眠时间。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络与IPv6网络全IP通信的路由实现***，其特征在于，所述网关节点、簇首节点及簇内节点的IPv6地址由两个部分组成，第一部分是全局路由前缀，一个传感器网络中所有传感器节点的IPv6地址的全局路由前缀都相同；第二部分为传感器节点ID，传感器节点ID分为网关节点ID、簇首节点ID以及簇内节点ID三个组成部分，其中网关节点ID唯一地标识以此网关节点为根节点的树状结构，一个树状结构中所有簇首节点和簇内节点IPv6地址的网关节点ID都相同；簇首节点ID唯一地标识一个簇，一个簇中的所有簇内节点的簇首节点ID都相同；簇内节点ID唯一地标识一个簇内节点；所述网关节点IPv6地址的簇首节点ID及簇内节点ID为0，所述簇首节点IPv6地址的簇内节点ID为0；所述网关节点ID、簇首节点ID及簇内节点ID由传感器节点原始ID号组成，在一个无线传感器网络中，传感器节点的原始ID号唯一。

3.根据权利要求2所述的无线传感器网络与IPv6网络全IP通信的路由实现***，其特征在于，簇首节点通过加入距离本簇首节点最近的网关节点所在的树状结构实现IPv6地址的传感器节点ID配置，同时记录下所在树状结构的父节点的簇首节点ID及 下一次信道侦听时间，距离的度量单位为跳数；在获取传感器节点ID之后，簇首节点与其一跳范围内的部分功能节点共同构建成一个簇；簇内节点直接将数据发送至簇首节点，簇首节点通过所在树状结构实现对数据的路由。

4.根据权利要求3所述的无线传感器网络与IPv6网络全IP通信的路由实现***，其特征在于，所述无线传感器网络的路由在链路层实现，链路层地址设置为传感器节点IPv6地址的传感器节点ID；所述树状结构中的网关节点与簇首节点保存一个临时路由表，路由表项包括四个域：目的簇域、下一跳簇首节点域、下一次信道侦听时间域以及生存时间域；目的簇域记录目的簇内节点所在簇的簇首节点的传感器节点ID；下一跳簇首节点域记录到达目的簇的下一跳簇首节点的传感器节点ID；下一次信道侦听时间域记录下一跳簇首节点的下一次信道侦听时间；生存时间域记录此路由表项的生存时间，生存时间随着机器时钟衰减，当生存时间为0时，簇首节点将此表项从路由表中删除，路由表项每使用一次，其生存时间设置为初始生存时间。

5.根据权利要求2所述的无线传感器网络与IPv6网络全IP通信的路由实现***，其特征在于，所述网关节点保存一个簇首节点记录表，用于记录本树状结构内簇首节点的信息，包括簇首节点的簇首节点ID以及簇首节点距离所在树状结构树根节点的距离。

6.根据权利要求3所述的无线传感器网络与IPv6网络全IP通信的路由实现***，其特征在于，所述***包括用于建立到达目的簇的路由路径的路由查询帧及路由响应帧，路由查询帧负载内容包括目的簇簇首节点的簇首节点ID及目的簇的簇首节点距离所在树状结构树根节点的距离，路由响应帧负载内容包括目的簇的簇首节点的簇首节点ID。

7.根据权利要求6所述的无线传感器网络与IPv6网络全IP通信的路由实现***，其特征在于，所述网关节点通过路由查询帧建立到达目的簇的路由路径，在路由查询帧覆盖范围内的簇首节点收到此帧后，簇首节点通过查看路由查询帧的源地址判断此路由查询帧是否为簇首节点的父节点所发送，如果不是，则丢弃此帧，否则簇首节点继续判断自己距离所在树状结构根节点的距离值与目的簇首节点距离所在树状结构根节点的距离值的大小关系；如果簇首节点距离所在树状结构根节点的距离值大于目的簇首节点距离所在树状结构根节点的距离值，簇首节点则丢弃此帧，如果小于，簇首节点则继续广播此帧，如果等于，簇首节点向所在簇树树根节点返回一个路由响应帧；

目的簇首节点返回的路由响应帧的返回路径为：目的簇首节点首先将路由响应帧发送给它所在树状结构的父节点；

所述父节点收到路由响应帧后进行建立路由的操作，所述建立路由的操作包括如 下步骤：首先查看路由表中是否已经存在目的簇的路由表项，如果存在，则将路由表项的生存时间设置为初始生存时间，如果不存在，则建立一个路由表项，目的簇域为目的簇簇首节点的传感器节点ID，下一跳簇首节点域为路由响应帧源地址域的传感器节点ID，下一次信道侦听时间域设置为0，生存时间设置为初始生存时间，然后继续将此帧发送给父节点的父节点；

父节点的父节点收到此帧后，重复上述建立路由的操作，最终路由响应帧到达目的簇簇首节点所在树状结构的根节点。

8.根据权利要求7所述的无线传感器网络与IPv6网络全IP通信的路由实现***，其特征在于，所述簇首节点或者网关节点定期广播Beacon帧，Beacon帧的负载内容为下一次信道侦听时间；簇首节点收到父节点的Beacon帧后使用帧中的下一次信道侦听时间更新父节点的下一次信道侦听时间；簇首节点收到路由表项中下一跳簇首节点的Beacon帧后用帧中的下一次信道侦听时间更新路由表项中的下一次信道侦听时间域的值；簇内节点收到所在簇簇首节点的Beacon帧后用帧中的下一次信道侦听时间更新簇首节点的下一次信道侦听时间。

9.根据权利要求7所述的无线传感器网络与IPv6网络全IP通信的路由实现***，其特征在于，所述网关节点对IPv6数据包按照数据流方式进行分片处理，即只有第一分片包含IPv6头部结构，其余分片只包含IPv6负载；将每个数据分片用适配层头部、Mesh delivery头部结构及帧头进行封装为数据帧；在下一跳簇首节点的下一次信道侦听时间将数据帧发送出去。

10.根据权利要求3所述的无线传感器网络与IPv6网络全IP通信的路由实现***，其特征在于，簇首节点定期广播Beacon帧，Beacon帧负载包括它距离所在树状结构根节点的距离、下一次信道侦听时间及它所在树状结构根节点的网关节点ID，如果簇首节点在规定时间内没有接收到父节点的Beacon帧，那么判定父节点处于非正常工作状态，并选取接收到的Beacon帧负载中距离参数值最小的簇首节点为父节点，获取新的传感器节点ID，并向新加入的树状结构根节点进行注册操作。 

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