专利名称：IPv6无线传感器网络的路由方法
技术领域：
本发明涉及ー种IPv6无线传感器网络的路由方案。
背景技术：
IPv6是下一代网络发展的重点，将IPv6引入无线传感器网络，是无线传感器网络发展的ー个方向。基于IPv6的无线传感器网络不仅可实现其与Internet的互联互通，还能成为未来IPv6的ー项重要应用，进而大力推进IPv6的发展。无线传感器网络是由大量具有无线通信与计算能力的低功耗、低复杂程度的传感器节点组成的ー种采用无线通信方式的多跳移动性对等网络。它不需要基础结构，各传感器节点动态自组织形成网络，协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。无线传感器网络扩展了人们的信息获取能力，将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，不仅适用于传统网络，更适用于应用在有线接入方式所不能胜任的场合及人们无法企及的环境。传统的无线Ad-hoc网络的路由协议设计的首要任务是移动条件下高服务质量的提供，根据现有无线传感器网络路由协议实现方法的特点，可将它们大致分为四类洪泛式路由协议，层次式路由协议，以数据为中心的路由协议，以及基于位置信息的路由协议，它们各自的特点及代表性协议如下洪泛式路由协议这种协议是ー种古老的协议。它不需要维护网络的拓扑结构和路由计算，接收到消息的节点以广播形式转发数据包给所有的邻节点。对于自组织的传感器网络，洪泛式路由是ー种较直接的实现方法，但容易带来消息的“内爆”和“重叠”，而且它没有考虑能源方面的限制，具有“资源盲点”的缺点，其代表协议有Flooding。层次式路由协议它的基本思想是将传感器节点分簇，簇内通讯由簇头节点来完成，簇头节点进行数据聚集和合成以减少传输信息量，最后簇头节点把聚集的数据传送给终端节点。这种方式能满足传感器网络的可扩展性，有效地维持传感节点的能量消耗，从而延长网络生命周期。代表协议有LEACH等。以数据为中心的路由协议它提出对传感器网络中的数据用特定的描述方式命名，数据传送基于数据查询并依赖数据命名，所有的数据通信都限制在局部范围内。这种方式的通信不再依赖特定的节点，而是依赖于网络中的数据，从而減少了网络中大量传送的重复冗余数据，降低了不必要的开销，延长了网络生命周期。代表协议有DirectedDiffusion 等。基于位置信息的路由协议它利用节点的位置信息，把查询或者数据转发给需要的地域，从而缩減数据的传送范围。实际上许多传感器网络的路由协议都假设节点的位置信息为已知，所以可以方便地利用节点的位置信息将节点分为不同的区域。基于域进行数据传送能缩减传送范围缓和中间节点，从而延长网络生命周期。代表协议有GEAR等。 无线传感器网络路由协议的设计与传统的无线Ad-hoc网络有很多不同，无线传感器网络路由设计的重要目标是降低节点能源损耗，提高网络生命周期。它与传统的无线adhoc网络有着许多不同的特色
无全局标识传感节点数量庞大，维护全局标识需要大量的开销，因此不同于传统的基于IP的路由协议，在传感器网络中一般不采用全局标识；多对一通信不同于传统网络的点对点通讯，在传感器网络中几乎所有的应用都要求多个源传感节点将传感到的数据流传送至特定的节点；数据冗余大多个源传感节点在许多场景下都有可能获得大量相似的数据，因此传感器网络的冗余数据大；
资源局限強传感节点的资源限制很大，发送功耗、板上能源、处理能力和存储量都局限在很低的范围内。作为ー种新型网络，IPv6泛在传感器网络必然需要新型的动态路由协议。传统的传感器网络路由协议基于网内标识进行通信，而不是IP地址。此外，由于基于应用信息选路而造成可扩展性不高，因而不适用于IPv6泛在传感器网络。传统的IPv6动态路由协议只考虑网络拓扑的连通性和效率，没有考虑传感器网络自组织、低功耗的特点，因而也不适用。而Ad-hoc网络的动态路由协议虽然考虑了网络自组织性，但是也无法满足IPv6传感器网络在功耗、速率方面的特殊要求。
发明内容
因此在深入研究现有路由协议的基础上，结合国际标准组织的研究动态，本发明从 AODV 协议(Ad hoc On Demand Distance Vector Routing)出发，综合考虑了网络自组织、低功耗、低速率等特点，从报文格式、路由机制、选路和决策过程、路由维护和容错处理等方面进行改进和创新，提出了适用于IPv6泛在传感器网络的动态路由协议MSRP(MicroSensorRouter Protocol,微型传感器路由协议)。MSRP工作在适配层之上，在无线传感器网络中可以在IEEE802. 15. 4节点之间自动建立和维护多跳路由。本发明采用的技术方案如下ー种IPv6无线传感器网络的路由方法，其特征在于包括以下步骤I)对所述网络中的节点使用IEEE802. 15. 4定义的64比特接ロ标识符进行路由过程;2)定义以下三种类型的报文结构路由请求消息表RREQ、路由回复消息表RREP、路由错误消息表RRER ；3)采用包括主路由和备份路由的双表项路由机制，每个节点维护主路由表、备份路由表、入口表，并保存路由请求消息表RREQ的副本；4)采用按需驱动路由机制，当需要发送数据时，源节点才在网络中发起路由查找过程。进ー步地所述请求消息表RREQ包括以下字段类型、跳数、路由请求ID、源地址、目的节点、能量和、路由记录；所述路由回复消息表RREP包括以下字段类型、标识、跳数、源地址、目的节点、路由记录；所述路由错误消息表RRER包括以下字段类型、链路出错的一端节点的地址、链路出错的另一端节点的地址、节点序列。所述入口表包括以下字段路由记录、源地址、报文类型标识、生存时间；所述路由表包括以下字段设备类型、区分主路由还是备份路由的标识、个域网标识、跳数限制、生存时间、路由LQI值、目的地址的接ロ标识符、下一跳地址的接ロ标识符、路由记录、能量和。采用以下选路策略由功能相近的节点组成簇，指定能量多的节点为簇首，簇内节点将数据汇集到簇首，然后由簇首将数据发送到服务器；采用多路由的方案，建立两条到簇首的路由，一条是主路由，另一条是备份路由，当主路由无效时启用备份路由；节点在休眠之前给簇内节点广播，通告自己的休眠时间，簇内节点把跟这个节点相关的路由设为无效，并设置一个定时时间比休眠时间长的定时器，当定时器到时后，把路由又设为有效；簇首要发送数据给服务器时，必须通过其它簇首转发到服务器，建立一条到服务器的多跳路由；路由请求消息携帯经过所有节点的能量信息，以便选择路由时判断。所述步骤4)中的路由查找过程为当源节点欲发送数据时，它首先查看自己是否缓存有到目的节点的路由，如果有有效路由，则发送数据，否则源节点开始以下路由建立过程广播ー个路由请求RRE Q分组，其中包括目的节点地址、源节点地址以及路由记录、能量总和；中间节点收到该RREQ之后，检查入ロ表中是否有与该请求对应的项，如果有，则直接丢弃该RREQ，同时建立到源节点的反向路由，中间节点选择ー个能量总和最大的RREQ经过的路径作为暂时主路由，并选择ー个与主路由不相交的能量总和小于暂时主路由的路由作为备份路由，然后节点将自己的地址加到RREQ中的路由记录部分，同时将自己的能量加到能量总和部分，并转发该分组；目的节点将收到来自不同路径来的RREQ包，目的节点选择其中能量最大的一条路径作为主路由，向源节点发送路由回复消息表RREP，还发送与主路由不相交的备份路由RREP ；当中间节点收到ー个备份路由回复RREP时，它把此路由保存在备份路由表中并继续传输RREP包，当中间节点收到对主路由的回复RREP时，该中间节点把该路由记录在主路由表中并继续向源节点S传输该RREP包，而且向源节点发送记有暂时备份路由的RREP作为源节点到该中间节点的备份路由。对IPv6无线传感器网络中的RFD设备和FFD设备，采用路由区分机制，即对RFD设备不进行MSRP路由协议的配置，只維持一条单跳到RFD加入网络的FFD的默认路由，当RFD发送数据时，直接把数据发送给它的默认路由FFD，由该FFD进行路由查找和数据传输。对IPv6无线传感器网络中的FFD设备执行下面的路由建立过程源节点发送RREQ吋，首先查找本地路由表，如果发现到目的地址的路由不存在，则缓存当前数据包进行MSRP路由建立过程，即封装RREQ报文，进行广播发送RREQ消息；中间节点收到RREQ后，首先判断自己是不是目的节点，如果不是，则查询路由入ロ表，如果已经存在于路由表项，表明已经接收到相同的RREQID和路由记录的RREQ，则丢弃该RREQ，如果没有存在该入口表项，则查询路由表中到RREQ源地址的路由，如果已经存在该路由，那么比较这两条路由，选择能量最大的路由进行存储，如果不存在该路由，选择一个能量最大的RREQ经过的路径作为暂时主路由，并选择一个与主路由不相交的路由作为备份路由，建立两条到RREQ源地址的逆向路由，然后节点将自己的地址加到RREQ中的路由记录部分，以及将自己的能量加到能量总和部分并转发该分组；
目的节点接收RREQ后，如果判断目的地址是自己，则节点缓存多条RREQ报文信息，选择一条能量最大的作为主路由，向源节点发送RREP ;并选择一条与主路由不相交的且能量大的作为备份路由，发送RREP ；中间节点收到RREP后，建立到目的节点的主路由、备份路由，或者更新到目的节点的路由表项，并且转发RREP。采用如下传感路由维护与容错处理机制中间节点如果向邻居节点发送数据在ー定的时间内并没有收到邻居节点确认的ACK帧，且重传该数据后仍然没有收到该邻居节点确认的ACK巾贞，表明该邻居节点已经失效，则向源节点发送ー个RERR报文，该RERR报文包含发生错误的那一跳的两端的地址；收到路由错误消息的中间节点删除所有包含那ー跳的路由；源节点收到RERR后，启用备份路由，重新发送数据，如果备份路由也无效，源节点再 次收到ー个RERR包，则重新发起路由请求，建立新的主路由和备份路由。本发明具有以下优点从AODV协议出发，综合考虑了网络自组织、低功耗、低速率等特点，从报文格式、路由机制、选路和决策过程、路由维护和容错处理等方面进行改进和创新，提出了适用适用于IPv6泛在传感器网络的动态路由协议MSRP。MSRP工作在适配层之上，可以在无线传感器网络中IEEE802. 15. 4节点之间自动建立和维护多跳路由。
图I是传感器网络路由协议MSRP不意图；图2是RREP区分机制流程图。
具体实施例方式跟无线Ad-hoc网络和传统无线传感器网络相比，IPv6无线传感器网络具有其自身的特点，这些特点决定了它将不能照搬已有的路由协议，具体如下IPv6地址选路。节点拥有全球唯一的IPv6地址，节点之间数据传输采用TCP/IPv6协议进行通信，需要IP进行主机或子网路由。可扩展性。节点通过自我组织、自我愈合的方式组成无基础设施的网络，当节点失败、新节点加入以及节点移动等，都会造成网络拓扑结构动态发生变化。因此，设计的路由协议必须具有可扩展性，能够适应网络结构的变化。高效节能。节点运行在功耗受限、存储资源受限、计算能力受限的硬件平台之上，设计的路由协议不仅要选择能量消耗小的消息传输路径，而且设计要求简单易行，能够高效地实现信息传输，因此需要考虑节点能量、无线链路质量等因素。无线传感器网络用于传送周围环境数据信息及一些简单的控制信号，数据量不大，而且对实时性要求不高，是ー种能够容忍延迟的网络。结合IPv6无线传感器网络的特点，深入分析已有的关于自组织网络中动态路由协议的研究成果，本发明提出ー种适用于传感器网络的路由协议MSRP。MSRP的提出基于AODV的设计思想，在无线传感器网络中可以在IEEE802. 15. 4节点之间建立和维护多跳路由。MSRP路由协议工作在适配层之上，如图I所示。为了减少存储表项以及发送和接收报文的大小，MSRP对IPv6无线传感器网络中的节点使用IEEE802. 15. 4定义的64比特接ロ标识符而不是IPv6地址进行路由过程，IPv6地址根据地址映射规则，由唯一的IEEE802. 15. 4定义的64比特接ロ标识符进行确定。因此IPv6微型协议栈可以根据MSRP建立的路由进行数据传输。一、MSRP报文格式为了减少传感器节点能量的消耗，设计精简有效的路由协议报文格式是十分重要的。本发明结合传感器网络的特点，设计的MSRP路由协议的报文类型包括RREQ、RREP和RERR三种。下面分别说明它们的格式RREQ :路由请求消息(如表I)；RREQ报文格式
权利要求
1.ー种IPv6无线传感器网络的路由方法，其特征在于包括以下步骤 1)对所述网络中的节点使用IEEE802.15. 4定义的64比特接ロ标识符进行路由过程； 2)定义以下三种类型的报文结构路由请求消息表RREQ、路由回复消息表RREP、路由错误消息表RRER ； 3)采用包括主路由和备份路由的双表项路由机制,每个节点维护主路由表、备份路由表、入口表，并保存路由请求消息表RREQ的副本； 4)采用按需驱动路由机制，当需要发送数据时，源节点才在网络中发起路由查找过程。
2.如权利要求I所述的IPv6无线传感器网络的路由方法，其特征在于 所述请求消息表RREQ包括以下字段类型、跳数、路由请求ID、源地址、目的节点、能量和、路由记录； 所述路由回复消息表RREP包括以下字段类型、标识、跳数、源地址、目的节点、路由记求； 所述路由错误消息表RRER包括以下字段类型、链路出错的一端节点的地址、链路出错的另一端节点的地址、节点序列。
3.如权利要求2所述的IPv6无线传感器网络的路由方法，其特征在于 所述入口表包括以下字段路由记录、源地址、报文类型标识、生存时间； 所述路由表包括以下字段设备类型、区分主路由还是备份路由的标识、个域网标识、跳数限制、生存时间、路由LQI值、目的地址的接ロ标识符、下一跳地址的接ロ标识符、路由记录、能量和。
4.如权利要求3所述的IPv6无线传感器网络的路由方法其特征在于采用以下选路策略 由功能相近的节点组成簇，指定能量多的节点为簇首，簇内节点将数据汇集到簇首，然后由簇首将数据发送到服务器； 采用多路由的方案，建立两条到簇首的路由，一条是主路由，另一条是备份路由，当主路由无效时启用备份路由； 节点在休眠之前给簇内节点广播，通告自己的休眠时间，簇内节点把跟这个节点相关的路由设为无效，并设置一个定时时间比休眠时间长的定时器，当定时器到时后，把路由又设为有效； 簇首要发送数据给服务器吋，必须通过其它簇首转发到服务器，建立一条到服务器的多跳路由； 路由请求消息携帯经过所有节点的能量信息，以便选择路由时判断。
5.如权利要求4所述的IPv6无线传感器网络的路由方法，其特征在于所述步骤4)中的路由查找过程为 当源节点欲发送数据时，它首先查看自己是否缓存有到目的节点的路由，如果有有效路由，则发送数据，否则源节点开始以下路由建立过程 广播ー个路由请求RREQ分组，其中包括目的节点地址、源节点地址以及路由记录、能量总和； 中间节点收到该RREQ之后，检查入口表中是否有与该请求对应的项，如果有，则直接丢弃该RREQ，同时建立到源节点的反向路由，中间节点选择ー个能量总和最大的RREQ经过的路径作为暂时主路由，并选择ー个与主路由不相交的能量总和小于暂时主路由的路由作为备份路由，然后节点将自己的地址加到RREQ中的路由记录部分，同时将自己的能量加到能量总和部分，并转发该分组； 目的节点将收到来自不同路径来的RREQ包，目的节点选择其中能量最大的一条路径作为主路由，向源节点发送路由回复消息表RREP，还发送与主路由不相交的备份路由RREP ； 当中间节点收到ー个备份路由回复RREP时，它把此路由保存在备份路由表中并继续传输RREP包，当中间节点收到对主路由的回复RREP时，该中间节点把该路由记录在主路由表中并继续向源节点S传输该RREP包，而且向源节点发送记有暂时备份路由的RREP作为源节点到该中间节点的备份路由。
6.如权利要求3所述的IPv6无线传感器网络的路由方法，其特征在于 对IPv6无线传感器网络中的RFD设备和FFD设备，采用路由区分机制，即对RFD设备不进行MSRP路由协议的配置，只維持一条单跳到RFD加入网络的FFD的默认路由，当RFD发送数据时，直接把数据发送给它的默认路由FFD，由该FFD进行路由查找和数据传输。
7.如权利要求6所述的IPv6无线传感器网络的路由方法，其特征在于对IPv6无线传感器网络中的FFD设备执行下面的路由建立过程 源节点发送RREQ吋，首先查找本地路由表，如果发现到目的地址的路由不存在，则缓存当前数据包进行MSRP路由建立过程，即封装RREQ报文，进行广播发送RREQ消息； 中间节点收到RREQ后，首先判断自己是不是目的节点，如果不是，则查询路由入口表，如果已经存在于路由表项，表明已经接收到相同的RREQID和路由记录的RREQ，则丢弃该RREQ,如果没有存在该入口表项，则查询路由表中到RREQ源地址的路由，如果已经存在该路由，那么比较这两条路由，选择能量最大的路由进行存储，如果不存在该路由，选择ー个能量最大的RREQ经过的路径作为暂时主路由，并选择一个与主路由不相交的路由作为备份路由，建立两条到RREQ源地址的逆向路由，然后节点将自己的地址加到RREQ中的路由记录部分，以及将自己的能量加到能量总和部分并转发该分组； 目的节点接收RREQ后，如果判断目的地址是自己，则节点缓存多条RREQ报文信息，选择一条能量最大的作为主路由，向源节点发送RREP ;并选择一条与主路由不相交的且能量大的作为备份路由，发送RREP ； 中间节点收到RREP后，建立到目的节点的主路由、备份路由，或者更新到目的节点的路由表项，并且转发RREP。
8.如权利要求3所述的IPv6无线传感器网络的路由方法，其特征在于采用如下传感路由维护与容错处理机制 中间节点如果向邻居节点发送数据在一定的时间内并没有收到邻居节点确认的ACK帧，且重传该数据后仍然没有收到该邻居节点确认的ACK帧，表明该邻居节点已经失效，则向源节点发送ー个RERR报文，该RERR报文包含发生错误的那一跳的两端的地址； 收到路由错误消息的中间节点删除所有包含那ー跳的路由； 源节点收到RERR后，启用备份路由，重新发送数据，如果备份路由也无效，源节点再次收到ー个RERR包，则重新发起路由请求，建立新的主路由和备份路由。
全文摘要
本发明公开了一种IPv6无线传感器网络的路由方案。作为一种新型网络，IPv6泛在传感器网络必然需要新型的动态路由协议。IPv6无线传感器网络的路由方案从AODV协议出发，综合考虑了网络自组织、低功耗、低速率等特点，从报文格式、路由机制、选路和决策过程、路由维护和容错处理等方面进行改进和创新，提出了适用适用于IPv6泛在传感器网络的动态路由协议MSRP。MSRP工作在适配层之上，可以在无线传感器网络中IEEE802.15.4节点之间自动建立和维护多跳路由。
文档编号H04W40/02GK102695192SQ20111007032
公开日2012年9月26日 申请日期2011年3月23日 优先权日2011年3月23日
发明者刘 东, 刘铭, 步日欣, 程远, 董伟, 谷晨 申请人:北京天地互连信息技术有限公司