CN102917079A - 一种无线传感器网络中IPv6地址自动配置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络中IPv6地址自动配置的方法。首先将无线传感器网络划分为以网关节点为中心的多个面积相等的扇形或扇环形的扇区，每个扇区中包含一个或多个传感器节点；由所述网关节点向全网广播所述无线传感器网络的子网前缀，所述无线传感器网络中的所有传感器节点根据所接收到的广播消息获得该子网前缀；所述传感器节点根据地理位置信息配置该传感器节点所在扇区的扇区标识；所述传感器节点随机生成节点标识，该节点标识与所述子网前缀和所述扇区标识组成所述传感器节点的IPv6地址。通过该方法就能够解决无线传感器网络中IPv6地址自动配置问题，并节省了消息交换开销，适合于资源受限的无线传感器网络。

Description

一种无线传感器网络中IPv6地址自动配置的方法

技术领域

本发明涉及互联网技术领域，尤其涉及一种无线传感器网络中IPv6地址自动配置的方法。

背景技术

目前，随着无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）与下一代互联网协议IPv6的不断成熟发展，在无线传感器网络中使用IPv6协议，实现全IP化的无线传感器网络，成为智能家居、工业控制、智能楼宇、医疗保健、环境监测等物联网应用的一种重要技术手段。实现IPv6无线传感器网络的首要问题是：给无线传感器网络中每个传感器节点自动配置唯一的IPv6地址。地址自动配置是IPv6的一个重要技术特点，可在无人为干预情况下为网络中每个接口配置唯一的128位IPv6地址，这点也正好符合无线传感器网络自配置、自组织的设计要求。

现有技术方案中，IPv6地址自动配置采用的方法有两种：基于DHCP的有状态地址自动配置和基于邻居发现的无状态地址自动配置。有状态地址自动配置中，网络节点向DHCP服务器发送地址请求消息，由DHCP服务器为节点统一分配IPv6地址；无状态地址自动配置中，节点根据其接口标识无状态生成IPv6地址，使用邻居发现消息进行地址重复检测，以确保地址唯一性。

但与一般互联网的子网不同，无线传感器网络拓扑一般呈现多跳的特点，网络包括多个相互重叠的无线链路，所以无论是现有的IPv6有状态地址自动配置还是无状态地址自动配置，在无线传感器网络中使用都会带来大量的消息交换开销，给能量、存储等资源受限的无线传感器网络带来巨大挑战。

发明内容

本发明的目的是提供一种无线传感器网络中IPv6地址自动配置的方法，能够解决无线传感器网络中IPv6地址自动配置问题，并节省了消息交换开销，适合于资源受限的无线传感器网络。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种无线传感器网络中IPv6地址自动配置的方法，所述方法包括：

将无线传感器网络划分为以网关节点为中心的多个面积相等的扇形或扇环形的扇区，每个扇区中包含一个或多个传感器节点，且每个扇区的扇区标识由一个抽象极坐标来唯一标识，该抽象极坐标包括：半径坐标与极角坐标；

在网络初始化阶段，由所述网关节点向全网广播所述无线传感器网络的子网前缀，所述无线传感器网络中的所有传感器节点根据所接收到的广播消息获得该子网前缀；

所述传感器节点根据地理位置信息配置该传感器节点所在扇区的扇区标识；

所述传感器节点随机生成节点标识，并针对该节点标识在该传感器节点所在扇区范围内进行重复检测，若重复检测成功，则该节点标识与所述子网前缀和所述扇区标识组成所述传感器节点的IPv6地址。

所述将无线传感器网络划分为以网关节点为中心的多个面积相等的扇形或扇环形的扇区，具体包括：

无线传感器网络以网关节点为中心，由半径分别为a，2a，…，k*a…的同心圆将所述无线传感器网络划分为一个圆形和多个环形的组合；其中，半径为a的圆被等分为4个扇形区域，每个扇形区域称为一个扇区；半径为k*a的内圆与半径为(k+1)*a的外圆组成的环形被等分为4*（2k+1）个扇环形区域，每个扇环形区域称为一个扇区。

所述扇区标识的抽象极坐标包括：半径坐标与极角坐标；其中，内圆半径为k*a的扇区的半径坐标为k，极角坐标为在具有相同半径坐标的扇区中该扇区的序号；

所述传感器节点根据地理位置信息配置该传感器节点所在扇区的扇区标识，具体包括：

所述网关节点将自身的地理坐标设为极坐标极点，并选择一个邻居网关节点作为极坐标标记节点，将所述极坐标极点到该邻居网关节点的方向作为极坐标的极轴方向，从而建立极坐标系；

所述网关节点向全网公告该网关节点及极坐标标记节点的地理坐标，所述传感器节点根据公告消息及自身的地理坐标，确定其在所述极坐标系中的坐标(r_N,φ_N)；

所述传感器节点根据该坐标(r_N,φ_N)，由下式确定该传感器节点所在扇区的扇区标识：

其中，a表示所述扇区内外圆的半径差。

所述方法还包括：所述传感器节点的IPv6地址按照一定规则进行压缩，具体为：

所述无线传感器网络中所有传感器节点共享相同的子网前缀，且在网内通信时，省略该子网前缀，压缩所述传感器节点的IPv6地址。

所述方法还包括：所述传感器节点的IPv6地址中的极角坐标部分使用变长的位数表示，距离所述网关节点近的传感器节点使用短位数的极角坐标表示，进一步压缩所述传感器节点的IPv6地址。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，首先将无线传感器网络划分为以网关节点为中心的多个面积相等的扇形或扇环形的扇区，每个扇区中包含一个或多个传感器节点，且每个扇区的扇区标识由一个抽象极坐标来唯一标识，该抽象极坐标包括：半径坐标与极角坐标；在网络初始化阶段，由所述网关节点向全网广播所述无线传感器网络的子网前缀，所述无线传感器网络中的所有传感器节点根据所接收到的广播消息获得该子网前缀；所述传感器节点根据地理位置信息配置该传感器节点所在扇区的扇区标识；所述传感器节点随机生成节点标识，并针对该节点标识在该传感器节点所在扇区范围内进行重复检测，若重复检测成功，则该节点标识与所述子网前缀和所述扇区标识组成所述传感器节点的IPv6地址。通过该方法就能够解决无线传感器网络中IPv6地址自动配置问题，并节省了消息交换开销，适合于资源受限的无线传感器网络。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的无线传感器网络中IPv6地址自动配置的方法流程示意图；

图2为本发明实施例所举实例无线传感器网络的结构示意图；

图3为本发明实施例所举实例中IPv6地址的扇区标识部分的获取过程示意图；

图4为本发明实施例所举实例中IPv6地址的节点标识部分在扇区范围内进行重复检测的流程示意图；

图5为本发明实施例所举实例中IPv6地址的节点标识部分在扇区范围内进行重复检测的另一流程示意图。

具体实施方式

下面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，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供了一种无线传感器网络中IPv6地址自动配置的方法，在所述方法中，无线传感器网络被划分为多个面积相等的扇区，每个扇区由唯一的抽象极坐标标识，每个传感器节点的IPv6地址中包含该扇区标识，每个传感器节点可根据其地理位置定位信息计算抽象极坐标部分，并通过进一步的操作获取其IPv6地址，本实施例中IPv6地址分为前缀、扇区标识、节点标识等几部分。下面结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明，如图1所示为本发明实施例提供的无线传感器网络中IPv6地址自动配置的方法流程示意图，所述方法包括：

步骤11：将无线传感器网络划分为以网关节点为中心的多个面积相等的扇形或扇环形的扇区。

在该步骤中，首先将无线传感器网络划分为以网关节点为中心的多个面积相等的扇形或扇环形的扇区，每个扇区中包含一个或多个传感器节点，且每个扇区的扇区标识由一个抽象极坐标来唯一标识，该抽象极坐标包括：半径坐标与极角坐标。

具体实现中，将无线传感器网络划分为以网关节点为中心的多个面积相等的扇形或扇环形的扇区，具体包括：

无线传感器网络以网关节点为中心，由半径分别为a，2a，…，k*a…的同心圆将所述无线传感器网络划分为一个圆形和多个环形的组合；其中，半径为a的圆被等分为4个扇形区域，每个扇形区域称为一个扇区；半径为k*a的内圆与半径为(k+1)*a的外圆组成的环形被等分为4*（2k+1）个扇环形区域，每个扇环形区域称为一个扇区。

步骤12：网关节点向全网广播无线传感器网络的子网前缀，无线传感器网络中的所有传感器节点根据所接收到的广播消息获得该子网前缀。

在该步骤中，在网络初始化阶段，由所述网关节点向全网广播所述无线传感器网络的子网前缀，所述无线传感器网络中的所有传感器节点根据所接收到的广播消息获得该子网前缀。

步骤13：所述传感器节点根据地理位置信息配置该传感器节点所在扇区的扇区标识。

在该步骤中，所述扇区标识的抽象极坐标包括：半径坐标与极角坐标；其中，内圆半径为k*a的扇区的半径坐标为k，极角坐标为在具有相同半径坐标的扇区中该扇区的序号，其取值范围为0到4*（2k+1）-1的整数。

所述传感器节点根据地理位置信息配置该传感器节点所在扇区的扇区标识的具体过程可以采用如下方式：

所述网关节点将自身的地理坐标设为极坐标极点，并选择一个邻居网关节点作为极坐标标记节点，将所述极坐标极点到该邻居网关节点的方向作为极坐标的极轴方向，从而根据地理位置建立起极坐标系；

所述网关节点向全网公告该网关节点及极坐标标记节点的地理坐标，所述传感器节点根据公告消息及自身的地理坐标，确定其在所述极坐标系中的坐标(r_N,φ_N)；

所述传感器节点根据该坐标(r_N,φ_N)，由下式确定该传感器节点所在扇区的扇区标识：

其中a表示所述扇区内外圆的半径差。

步骤14：所述传感器节点随机生成节点标识，并针对该节点标识在该传感器节点所在扇区范围内进行重复检测。

在该步骤中，所述针对该节点标识在该传感器节点所在扇区范围内进行重复检测，只有与待检测节点具有相同扇区标识的节点，才处理重复检测请求消息，否则直接丢弃。

步骤15：若重复检测成功，则该节点标识与所述子网前缀和所述扇区标识组成所述传感器节点的IPv6地址。

在具体实现中，所述传感器节点128位IPv6地址包括子网前缀、扇区标识和节点标识，其中扇区标识进一步包括半径坐标和极角坐标，上述各部分长度分别为64位、m位、n位、64-m-n位。

另外，在得到所述传感器节点的IPv6地址之后，还可以将该传感器节点的IPv6地址按照一定规则进行压缩，具体为：

所述无线传感器网络中所有传感器节点共享相同的子网前缀，且在网内通信时，省略该子网前缀，从而压缩所述传感器节点的IPv6地址。

进一步的，还可以将该传感器节点的IPv6地址中的极角坐标部分使用变长的位数表示，距离所述网关节点近的传感器节点使用短位数的极角坐标表示，根据半径坐标唯一确定其极角坐标的位数，使极角坐标表示小于n位，从而进一步压缩所述传感器节点的IPv6地址。

下面以具体的实例来对上述方法进行详细说明，如图2所示为本发明实施例所举实例无线传感器网络的结构示意图，图2中：无线传感器网络由大量传感器节点和一个网关节点组成，所有节点均分布于一个平面上，且每个节点都可根据GPS获得其地理坐标；传感器节点协议栈物理层和链路层采用IEEE802.15.4或低功耗Wi-Fi等技术，网络层采用IPv6协议；网关节点通过以太网、3G、Wi-Fi等有线或无线技术，将传感器网络与互联网相连接；传感器节点与网关节点一起，构成了全IPv6化的无线传感器网络。

在图2中，无线传感器网络被划分为以网关节点G1为中心的多个扇形或扇环形区域，简称扇区，每个扇区中可能包含一个或多个传感器节点；每个扇区的扇区标识由一个抽象极坐标唯一标识，具体来说：

a)所述扇区具有相同的面积；

b)以所述网关节点G1为中心，由半径分别为a，2a，…，k*a…的同心圆将所述传感器网络区域划分为一个圆形和多个环形的组合；半径为a的圆被等分为4个扇形区域，每个扇形成为一个所述扇区；相应的，半径为k*a的内圆与半径为(k+1)*a的外圆所组成的环形，被等分为4*（2k+1）个扇环形区域，每个扇环区域成为一个所述扇区。

c)通过抽象极坐标唯一标识一个扇区，所述抽象极坐标包括半径坐标与极角坐标，内圆半径为k*a的扇区半径坐标为k，极角坐标为在具有相同半径坐标的扇区中该扇区的序号，其取值范围为0到4*（2k+1）-1的整数。

通过上述无线传感器网络的划分，本发明实施例的传感器节点IPv6地址由以下几部分组成：子网前缀、扇区标识和节点标识，其中扇区标识进一步包括半径坐标和极角坐标，上述各部分长度分别为64位、m位、n位、64-m-n位。所述半径坐标和极角坐标即传感器节点所在扇区的抽象极坐标，抽象极坐标作为扇区标识唯一的标识了一个扇区；而节点标识在扇区范围内是唯一，因此本发明实施例中每个传感器节点都具有唯一的IPv6地址。

在本实施例中，无线传感器网络IPv6地址自动配置包括以下步骤：

步骤21：在网络初始化阶段，网关节点G1向全网广播无线传感器网络子网前缀，网络中所有的传感器节点接收该广播消息，并获得子网前缀。

步骤22：传感器节点根据地理定位信息，配置传感器节点IPv6地址中的扇区标识，即抽象极坐标部分；

步骤23：在步骤22完成后，传感器节点无状态配置其IPv6地址节点标识部分，并在扇区范围内进行重复检测，从而进一步获得完整的IPv6地址。

以上述附图2中一个传感器节点N1为例，对传感器节点N1的IPv6地址自动配置流程做具体阐述，当然网络中所有其他传感器节点的地址自动配置均可以采用相同流程。如图3所示为传感器节点IPv6地址中的扇区标识的获取过程示意图，上述步骤22具体包括以下处理过程：

步骤31：网关节点G1首先向其单跳邻居节点发送位置请求消息，所有收到请求消息的邻居节点向网关节点发送回复消息，回复消息中包含邻居节点的地理位置坐标。

步骤32：网关节点G1将自己所处的地理位置设为极坐标极点，根据收到的邻居节点回复消息，选择其中一个邻居节点作为坐标标记节点，将极点到该节点的方向作为极坐标的极轴方向，从而建立起极坐标系。如图2中所示，在本实施例中选择节点A1为坐标标记节点。

步骤33：网关节点G1向全网广播发送位置公告消息，位置公告消息中包含该网关节点G1的地理坐标(x_G,y_G)及标记节点的地理坐标(x_A,y_A)；

步骤34：传感器节点N1收到公告消息后，按照网关节点G1的地理坐标(x_G,y_G)、标记节点A1的地理坐标(x_A,y_A)及自身的地理坐标(x_N,y_N)，由以下数学公式计算所建立的极坐标系中的极坐标(r_N,φ_N)。

r_N＝d(N,G)

$\cos {\mathrm{\φ}}_N=\frac{d{(G,N)}^2+d{(G,A)}^2-d{(A,N)}^2}{2*d(G,N)*d(G,A)}$

其中，d为节点距离函数，对于任意两个节点U和V，有

$d(U,V)=\sqrt{{(x_U-x_V)}^2+{(y_U-y_V)}^2}$

对于φ_N的计算，如果下式成立，

(x_A-x_S)(y_N-y_S)≥(x_N-x_S)(y_A-y_S)

则取φ_N＝arccosφ_N，

否则φ_N＝arccosφ_N+π。

步骤35：传感器节点N1根据其在极坐标系中的极坐标(r_N,φ_N)及扇区划分方式，确定其IPv6地址中的半径坐标和极角坐标部分，即其所在扇区的扇区标识，并分别以m位和n位二进制形式表示。如图2所示，传感器节点N1的半径坐标为2，极角坐标为3。

上述步骤23中所述在扇区范围内进行重复检测是指，只有处于同一扇区的传感器节点才会对重复检测请求消息进行回复或转发处理，否则直接丢弃。该步骤23的具体处理参考附图4所示，传感器节点N1执行以下步骤：

步骤41：传感器节点N1随机生成64-m-n位临时节点标识，并设置其有效时间。

步骤42：传感器节点N1向所有邻居传感器节点发送重复检测请求消息，消息中包含扇区标识、临时节点标识及其有效时间。

步骤43：传感器节点N1判断是否收到其他节点发送的重复确认消息，如果是，执行步骤41，否则，执行步骤44。

步骤44：传感器节点N1判断有效时间是否到达，是，则执行步骤45，否则，执行步骤43。

步骤45：临时节点标识在扇区范围内不重复，传感器节点N1将其与子网前缀及扇区标识一起组成IPv6地址，过程结束。

上述步骤23的具体处理过程还可以参考附图5所示，对于所有收到传感器节点N1重复检测请求消息的传感器节点，执行以下步骤：

步骤51：开始，收到传感器节点N1的重复检测请求消息，其中包括传感器节点N1的扇区标识、临时节点标识及其有效时间。

步骤52：判断消息中的有效时间是否到期，是，执行步骤54，否则，执行步骤53；

步骤53：判断m+n位扇区标识是否与传感器节点N1的相同，是，执行步骤55，否则，执行步骤54。

步骤54：直接丢弃该消息，过程结束。

步骤55：判断其64-m-n位节点标识是否与传感器节点N1的相同，如果是，说明出现地址重复，转向步骤57，否则，转向步骤56。

步骤56：将所收到的重复检测请求消息以广播形式转发给其所有邻居节点，过程结束。

步骤57：向传感器节点N1回复重复检测确认消息，过程结束。

另外，本实施例还可以进一步对传感器节点IPv6地址进行压缩，具体包括：

本实施例中传感器节点IPv6地址无压缩形式长度为128位，包括子网前缀（64位）、半径坐标（m位）、极角坐标（n位）、节点标识（64-m-n位）；传感器网络中所有传感器节点共享相同的子网前缀，在网内通信时，子网前缀可以省略，传感器节点IPv6地址被压缩为64位，从而实现地址压缩。

另外，还可以根据所述抽象极坐标的特点，传感器节点IPv6地址中极角坐标部分可使用变长的位数表示，距离网关节点较近的传感器节点可使用较短的极角坐标，从而使极角坐标位数小于n位，实现了地址的进一步压缩。

具体实现过程中，对于半径坐标为

的传感器节点，极角坐标最多有

种取值，因此可采用位来表示，从而实现了地址的进一步压缩。例如，对于半径坐标为3的传感器节点，可采用5位二进制来表示其极角坐标。而对于收到含有压缩地址的数据包的网络节点，可根据其中半径坐标判断极角坐标所采用的位数，从而准确得得到其极角坐标，进一步从压缩地址中恢复出原始的IPv6地址。

需要进一步说明的是，本发明实施例中说明的半径坐标、极角坐标长度m、n的选取，与具体网络规模、密度等相关，本发明实施例不做具体介绍。

综上所述，本发明实施例相比现有IPv6地址自动配置方法，传感器节点可根据其地理定位坐标部分确定IPv6地址，并只在扇区范围内进行地址的重复检测，该方法不需要中心化的请求与分配过程，也不需要全网范围地址重复检测，从而节省了消息交换开销，非常适合于资源受限的无线传感器网络；同时，所配置的IPv6地址可以进一步压缩，从而为无线传感器网络带来降低通信开销的效果。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种无线传感器网络中IPv6地址自动配置的方法，其特征在于，所述方法包括：

将无线传感器网络划分为以网关节点为中心的多个面积相等的扇形或扇环形的扇区，每个扇区中包含一个或多个传感器节点，且每个扇区的扇区标识由一个抽象极坐标来唯一标识，该抽象极坐标包括：半径坐标与极角坐标；

在网络初始化阶段，由所述网关节点向全网广播所述无线传感器网络的子网前缀，所述无线传感器网络中的所有传感器节点根据所接收到的广播消息获得该子网前缀；

所述传感器节点根据地理位置信息配置该传感器节点所在扇区的扇区标识；

所述传感器节点随机生成节点标识，并针对该节点标识在该传感器节点所在扇区范围内进行重复检测，若重复检测成功，则该节点标识与所述子网前缀和所述扇区标识组成所述传感器节点的IPv6地址。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络中IPv6地址自动配置的方法，其特征在于，所述将无线传感器网络划分为以网关节点为中心的多个面积相等的扇形或扇环形的扇区，具体包括：

无线传感器网络以网关节点为中心，由半径分别为a，2a，…，k*a…的同心圆将所述无线传感器网络划分为一个圆形和多个环形的组合；其中，半径为a的圆被等分为4个扇形区域，每个扇形区域称为一个扇区；半径为k*a的内圆与半径为(k+1)*a的外圆组成的环形被等分为4*（2k+1）个扇环形区域，每个扇环形区域称为一个扇区。

3.根据权利要求1所述的无线传感器网络中IPv6地址自动配置的方法，其特征在于，所述扇区标识的抽象极坐标包括：半径坐标与极角坐标；其中，内圆半径为k*a的扇区的半径坐标为k，极角坐标为在具有相同半径坐标的扇区中该扇区的序号；

所述传感器节点根据地理位置信息配置该传感器节点所在扇区的扇区标识，具体包括：

所述网关节点将自身的地理坐标设为极坐标极点，并选择一个邻居网关节点作为极坐标标记节点，将所述极坐标极点到该邻居网关节点的方向作为极坐标的极轴方向，从而建立极坐标系；

所述网关节点向全网公告该网关节点及极坐标标记节点的地理坐标，所述传感器节点根据公告消息及自身的地理坐标，确定其在所述极坐标系中的坐标(r_N,φ_N)；

所述传感器节点根据该坐标(r_N,φ_N)，由下式确定该传感器节点所在扇区的扇区标识：

其中，a表示所述扇区内外圆的半径差。

4.根据权利要求1所述的无线传感器网络中IPv6地址自动配置的方法，其特征在于，所述方法还包括：

所述传感器节点的IPv6地址按照一定规则进行压缩，具体为：

所述无线传感器网络中所有传感器节点共享相同的子网前缀，且在网内通信时，省略该子网前缀，压缩所述传感器节点的IPv6地址。

5.根据权利要求1所述的无线传感器网络中IPv6地址自动配置的方法，其特征在于，所述方法还包括：

所述传感器节点的IPv6地址中的极角坐标部分使用变长的位数表示，距离所述网关节点近的传感器节点使用短位数的极角坐标表示，进一步压缩所述传感器节点的IPv6地址。

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