CN108934024A - 基于6LoWPAN无线传感网络的树型结构网络的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于6LoWPAN无线传感网络的树型结构网络的优化方法，步骤如下：第一步配置优化的树型网络：由3类节点共同搭建6LoWPAN***，3类节点分别是边界路由C，普通路由R，终端节点S，各自承担不同的功能，在边界路由与普通路由程序中都加入边界路由配置函数，边界路由函数将路由器设置为根节点；检测网络容量，网络容量是指每个路由器下节点的数目；在边界路由与普通路由中设置优先级，优先级为0,1,2,3，……，其中0优先级最高，1次之，以此类推；根据网络容量设置优先级，网络容量小的优先级高；第二步启动改进的6LoWPAN网络；第三步边缘路由出现故障，变为地址不可达，此时优先级为1的变为边界路由，启动边界路由配置函数，重新进行组网。

Description

基于6LoWPAN无线传感网络的树型结构网络的优化方法

技术领域

本发明涉及一种网络优化方法。

背景技术

随着互联网的快速发展，IPV4地址几近枯竭，IPV6技术应运而生。与此同时物联网技术也在蓬勃发展，IPV6技术完美的解决了物联网设备的寻址问题，人们将两种技术结合研发出了6LoWPAN网络，用于无线传感网络，将互联网技术移植到物联网之中，不可避免的会遇到这样一个问题，应该选取哪一种拓扑结构，树形结构有着其固有的缺点，路由故障将导致整个网络瘫痪，但因为结构简单，适合于现阶段的6LoWPAN网络，因此本文设计了一种基于6LoWPAN网络的树型拓扑的优化方法。

IPv6源于IP架构，是IPv4协议的下一个版本，用来解决IPv4存在的一些问题和限制。针对物联网的应用需求，相比于IPv4，IPv6具有如下的功能改善：

1、增加地址空间。相比于IPv4的32位地址位，在IPv6协议中，地址空间扩展到128位，可提供多达3.4×10^38个地址，能充分满足物联网感知层中庞大数量的接入设备的编址需求。

2、优化自动配置功能。在IPv4动态主机配置协议(Dynamic Host ConfigurationProtocol，DHCP)的基础上，IPv6协议进一步优化该功能，实现了无状态自动配置。

3、精简数据报头。IPv6的报头采用基本报头与多个扩展报头(Extension Header)组合的形式，删除了若干IPv4报头中无用的分段、校验和等字段，增添了流标签等新的字段。

4、提升安全性。IPv6采用了IPSec(Internet协议安全性)框架结构，结合嵌入式网络层加密认证***，充分提升安全特性。

5、更强移动性。

要想在这样的物理层和数据链路层架构上运行IPv6协议，必须解决以下几个问题：

(1)IPv6地址的获取。IEEE 802.15.4提供64位IEEE地址和16位网内短地址两种寻址方式，可考虑采用这两种方式获得IPv6地址，或者采用其它方式，比如硬件方式。

(2)最大传输单元(Maximum Transmission Unit，MTU)的限制。RFC2460文档定义了IPv6协议的最大传输单元1280字节，而除去自身开销后，IEEE 802.15.4的数据链路层最多能提供102字节的有效载荷长度，需要数据链路层来组织数据包的分片与重组。

(3)IPv6报头压缩。IEEE 802.15.4物理层帧长度上限为127字节，而在IPv6报文中固定的报头将占据40字节，需要引入报头压缩机制来进行改善。

(4)轻量化TCP/IPv6协议。在物联网感知层接入设备上大可不必运行完整的TCP/IPv6协议，适当的裁剪相关子协议可更好的适应IEEE 802.15.4网络对功耗、成本、存储空间等方面的要求。

(5)优化路由机制。现有的一些广泛应用于互联网中的链路状态路由协议和距离矢量路由协议并不适合于资源受限的物联网感知层接入设备。因此，需要针对物联网的相关应用与特性，对路由协议进行优化。

(6)无状态自动配置。物联网感知层接入设备需要能在无人干预的情况下进行自动组网和配置，并能够迅速加入/脱离一个网络组织。

6LoWPAN是将WSN与IPV6进行结合，用于解决无线传感网络的下一代互联网IPV6的感知层技术，不论其功耗、覆盖范围亦或是安全性都能得到充分的保障，6LoWPAN技术的主要思想是在IPV6网络层和MAC层之间加入一个适配层，已提供对IPV6必要的支持。6LoWPAN旨在于在IEEE802.15.4上使用IPV6技术，是应为IPV6技术相对于ZigBee,IEEE1415等其他技术有着不可比拟的优势。

1)普及性:IP网络应用广泛，深入人心，作为下一代互联网核心技术的IPv6,也在加速其普及的步伐，在LR-WPAN网络中使用IPv6更易于被接受。

2)开放性:IP协议是开放性协议，不牵扯复杂的产权问题，这6LoWPAN技术相对于ZigBee技术的优势。

3)适用性:IP网络协议栈架构受到了广泛的认可，LR-WPAN网络完全可以基于此架构进行简单、有效的开发。

4)更多地址空间:IPv6应用于LR-WPAN最大的亮点就是庞大的地址空间，这恰恰满足了部署大规模、高密度LR-WPAN网络设备的需要。

5)支持无状态自动地址配置:IPv6中当节点启动时，可以自动读取MAC地址，并根据相关规则配置好所需IPv6地址。这个特性对LR-WPAN网络来说，非常具有吸引力，因为在大多数情况下，不可能对LR-WPAN节点配置用户界面，节点必须具备自动配置功能。

6)易接入:LR-WPAN使用IPv6技术，使其更易于接入其它基于IP技术的网络，包括下一代互连网，使其可以充分利用IP网络的技术进行发展。

6LoWPAN网络拓扑结构有三种分别是：星型结构、树型结构、网状结构。树型结构中每个节点只有一个父节点，两个节点之间通信的某一时刻，路径是唯一的。树型网络结构简单，管理维护方便，但当其中一个路由节点工作异常，其子节点就需要重新寻找新的父节点建立新的路由，即一个路由的异常就会带来多个与之关联的子节点短时间通信异常。网状结构中每个节点可能有多个父节点，两个节点之间的路径可以有多条。当其中一个路由工作异常时，与之相关联的网络节点依然有其他路径连接网络，与树型结构网络相比，其通信的稳定性更高，且从通信负载均衡的角度考虑，网状网络更容易实现通信负载均衡。星型结构网络是最简单的网络，整个网络中只有一个路由，可以称之为中央路由，其余所有的节点均与中央节点直接相连，是点对点的通信方式，对于中央节点来说负载较大，但管理简单方便，适用于数据量较小的网络。

发明内容

针对于边缘路由器出现问题导致整个6LoWPAN网络瘫痪的问题，本发明提出一种改进树型结构网络的方法，解决数据阻塞，网络瘫痪的问题，可以在较短时间内构建新的网络，实现数据的无损上传和命令的准确下发，保证网络正常运行。技术方案如下：

一种基于6LoWPAN无线传感网络的树型结构网络的优化方法，步骤如下：

第一步配置优化的树型网络

1)由3类节点共同搭建6LoWPAN***，3类节点分别是边界路由C，普通路由R，终端节点S，各自承担不同的功能，在边界路由与普通路由程序中都加入边界路由配置函数，边界路由函数将路由器设置为根节点；

2)检测网络容量，网络容量是指每个路由器下节点的数目；

3)在边界路由与普通路由中设置优先级，优先级为0,1,2,3，……，其中0优先级最高，1次之，以此类推；

4)根据网络容量设置优先级，网络容量小的优先级高。

第二步启动改进的6LoWPAN网络

先启动边缘路由，再启动普通路由，最后启动终端节点，若LED等闪烁代表网络已经搭建完成，此时的网络是基于6LoWPAN树型结构网络的改进网络。

第三步边缘路由出现故障，变为地址不可达，此时优先级为1的变为边界路由，启动边界路由配置函数，重新进行组网。

本发明的有益效果如下：

1.本专利提出一种基于6LoWPAN无线传感树形网络的优化方法，可以改善6LoWPAN网络树型结构网络的缺点，当网络出现异常时，延长数据上传周期，重新组网后，恢复正常上传，避免因节点故障造成数据无法上传，造成数据短时间缺失的问题。

2.本专利以改进边界路由为中心，因为边界路由是整个6LoWPAN网络的唯一出入口，出现故障造成后果极为严重，整个网络将陷入瘫痪状态，采用本方法改进后，可以在短时间内实现自动组网，重新确定边界路由，不用人工修复，实现数据的无损上传。

附图说明

图1 6LoWPAN网络拓扑

图2方案流程

图3基于6LoWPAN树型结构网络的改进网络

具体实施方式

随着物联网的蓬勃发展以及IPV6技术的逐渐普及，将两者结合的应用于无线传感网络的下一代IPV6感知层技术逐渐崭露头角。6LoWPAN网络中主要有三种节点，网络协调器是6LoWPAN网络的发起组建者同时兼顾路由的功能，要部署基于6LoWPAN的数据采集网络应该设计实现相应的网络协调器。网络路由器在6LoWPAN网络中起到消息路由的作用，数据采集***底层应部署相应的路由器覆盖采集区域，为数据传输提供通信基础。由于把网络路由器部署在被监控端上，同时也有采集功能，考虑到所选择的硬件平台TI系列单片机性能能够满足数据采集的任务，为节省数据采集终端数量，降低硬件成本，所设计的网络路由器除了承担消息路由的功能，还承担着数据采集的任务。数据采集终端是6LoWPAN网络数据采集***的最前端也是底层数据采集网络中的网络节点。网络节点类型一般设定为终端节点，以便在没有数据采集任务的时候进入睡眠状态，从而降低功耗。终端能够响应服务器操作指令、实时采集数据并通过6LoWPAN网络、边缘路由器上传实时数据到服务器。6LoWPAN网络拓扑如图1所示。

由图1可以看到6LoWPAN网络的拓扑结构，边缘路由器作为6LoWPAN网络与外部通信的唯一接口，有着十分重要的作用，可以实现IPV6网络与6LoWPAN网络的异构融合，实现从网页端到终端节点的交互通信，如果边缘路由器出现问题将导致整个6LoWPAN网络的瘫痪。

针对于边缘路由器出现问题，导致整个6LoWPAN网络瘫痪的问题，本发明提出一种改进树型结构网络的方法，解决数据阻塞，网络瘫痪的问题。可以在较短时间内构建新的网络，实现数据的无损上传和命令的准确下发，保证网络正常运行。

本专利的基本思想是：在整个基于6LoWPAN网络的数据采集***中，边缘路由器是沟通IPV6网络与感知层6LoWPAN网络的唯一桥梁，所以边缘路由的运行状态至关重要，必须有相应的措施来解决因边缘路由异常导致数据无法上传的状况，本专利基于6LoWPAN网络树型结构提出一种优化方法，避免网络通信异常。

方案流程如下图如图2，具体步骤如下：

1配置优化的树型网络

在本专利中，由3类节点共同搭建6LoWPAN***，3类节点分别是边界路由C，普通路由R，终端节点S，各自承担不同的功能，节点芯片中嵌入的contiki***已经集成了6LoWPAN协议栈，可以用于搭建6LoWPAN网络，分别将各个节点程序通过Jlink加载到节点中。

步骤一：在边界路由与普通路由程序中都加入边界路由配置函数simple_rpl_init_dag()。边界路由函数可将路由器设置为根节点

步骤二：检测网络容量，网络容量是指每个路由器下节点的数目

步骤三：在边界路由与普通路由中设置优先级，优先级为0,1,2,3，……，其中0优先级最高，1次之，以此类推。

步骤四：根据网络容量设置优先级，网络容量小的优先级高。

步骤五：优先级为0,1,2的路由均接上网线。

2启动改进的6LoWPAN网络

先启动边缘路由，等待边缘路由的四个LED灯均闪烁，代表已经启动完毕，再启动普通路由，等待LED闪烁，最后启动终端节点，若LED等闪烁代表网络已经搭建完成，此时的网络是基于6LoWPAN树型结构网络的改进网络。如图3

步骤一：节点均接通电源，启动边缘路由，四个LED灯均闪烁则启动完成。

步骤二：启动普通路由，四个LED灯均闪烁则启动完成。

步骤三：启动终端节点，四个LED灯均闪烁则启动完成。

3验证边界路由故障后，是否可以重新组网。

将边缘路由处的网线拔出，打开web端，查看具体情况，会发现报警模块提示，边缘路由异常，已成功配置新的边缘路由，并正常上报数据。重新插上边界路由处的网线，打开web端，查看具体情况，节点管理模块的网络结构调整，边缘路由重新作为网关，管理整个6LoWPAN网络。

步骤一：将边缘路由的网线拔出，造成网络故障，将连接服务器与6LoWPAN网络的唯一通路切断。

步骤二：查看web端，数据是否正常上传，若不正常，则切断，网络发生故障。

步骤三：检测优先级，网络发生故障，找到最高优先级，设置为边缘路由器。

步骤四：查看LED灯是否全亮，若全亮则重新组网，查看web端，查看数据是否正常上传。若正常上传，则新网络是可靠的。

4程序说明

边界路由配置函数simple_rpl_init_dag()，将该节点初始化为边界路由；优先级设置函数set_rpl_init_priority(),用于设置节点的优先级，优先级较高的作为边界路由。边界路由的优先级设为0，根据普通路由初始的网络容量设置优先级，网络容量为普通路由接入终端节点的个数，网络容量小的优先级高，依次为1,2,3……，当边缘路由出现故障，变为地址不可达，此时优先级为1的变为边界路由，启动边界路由配置函数，重新进行组网。当工作人员将故障的边界路由修复，重新入网后，优先级最高的为0，此时数据上传周期延长，重新配置边界路由，重新组网。

本专利适用于以6LoWPAN网络为感知层的数据采集处理***，非常具有通用性，无论农业或是工业均可以搭建平台，用于处理因边界路由故障而造成的数据无法上传的问题，底层使用6LoWPAN网络的无线传感网络，并且是树型网络拓扑的数据采集***，采用此种改进方法，能达到数据无损上传。虽然根据网络容量的大小自组网的时间会发生变化，但是只是上传时间延迟，并未因网络暂时中断造成，发生数据损失。能够很好的起到维持网络稳定的效果。为了取得最优效果，网络容量不宜过大。

Claims (1)

1.一种基于6LoWPAN无线传感网络的树型结构网络的优化方法，步骤如下：

第一步配置优化的树型网络

1)由3类节点共同搭建6LoWPAN***，3类节点分别是边界路由C，普通路由R，终端节点S，各自承担不同的功能，在边界路由与普通路由程序中都加入边界路由配置函数，边界路由函数将路由器设置为根节点；

2)检测网络容量，网络容量是指每个路由器下节点的数目；

3)在边界路由与普通路由中设置优先级，优先级为0,1,2,3，……，其中0优先级最高，1次之，以此类推；

4)根据网络容量设置优先级，网络容量小的优先级高。

第二步启动改进的6LoWPAN网络

先启动边缘路由，再启动普通路由，最后启动终端节点，若LED等闪烁代表网络已经搭建完成，此时的网络是基于6LoWPAN树型结构网络的改进网络。

第三步边缘路由出现故障，变为地址不可达，此时优先级为1的变为边界路由，启动边界路由配置函数，重新进行组网。