黃 穎，包 杰

(重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065)

就應(yīng)用而言，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)需要連接其他外部網(wǎng)絡(luò)，以便通過外部網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備對其進(jìn)行訪問、監(jiān)測與控制，使之具有更實(shí)際的意義。采用全I(xiàn)P方式實(shí)現(xiàn)WSN與IPv6網(wǎng)絡(luò)的互連，具有很多潛在的優(yōu)勢，已成為未來發(fā)展的必然趨勢。而在此方式下，需要解決的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就是IPv6地址自動配置問題［1－2］。有狀態(tài)地址配置方案的通信方式會產(chǎn)生大量的控制包開銷，同時(shí)需要安裝DHCP服務(wù)器，通常WSN應(yīng)用中，其無線網(wǎng)絡(luò)部分的規(guī)模也較小，所以無狀態(tài)地址配置方案更適合WSN。

本文針對全I(xiàn)P互聯(lián)通信，對WSN的網(wǎng)絡(luò)組織進(jìn)行研究，提出了以數(shù)據(jù)為中心的WSN接入IPv6方式下的地址自動配置方案。

1 IPv6地址配置

本方案基于WSN以數(shù)據(jù)為中心的特點(diǎn)，將WSN監(jiān)測的區(qū)域柵格化，每個(gè)網(wǎng)格中產(chǎn)生一個(gè)頭節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格中其余節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)直接傳送給頭節(jié)點(diǎn)聚合。節(jié)點(diǎn)重復(fù)地址檢測僅在本網(wǎng)格進(jìn)行，且各網(wǎng)格可同時(shí)進(jìn)行地址配置過程，縮短了IPv6地址配置的延遲時(shí)間。

1.1 基于網(wǎng)格的樹結(jié)構(gòu)

劃分網(wǎng)格的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有降低網(wǎng)絡(luò)開銷、易實(shí)現(xiàn)IP地址自動配置和管理、便于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)管理等優(yōu)點(diǎn)。

本方案的WSN存在以下4種節(jié)點(diǎn):1)IPv6接入節(jié)點(diǎn)，連接WSN與IPv6網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)向WSN其他節(jié)點(diǎn)提供網(wǎng)絡(luò)前綴;2)頭節(jié)點(diǎn)，能夠?yàn)楸揪W(wǎng)格內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)分配IPv6地址的節(jié)點(diǎn);3)普通節(jié)點(diǎn)，從本網(wǎng)格頭節(jié)點(diǎn)獲取IPv6地址，不能為其他節(jié)點(diǎn)分配IPv6地址的節(jié)點(diǎn);4)孤立節(jié)點(diǎn)，沒有被標(biāo)記為頭節(jié)點(diǎn)、普通節(jié)點(diǎn)以及IPv6接入節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)。

本方案將WSN網(wǎng)絡(luò)柵格化，每一個(gè)網(wǎng)格中具有一個(gè)頭節(jié)點(diǎn)和多個(gè)普通節(jié)點(diǎn)，頭節(jié)點(diǎn)與IPv6節(jié)點(diǎn)構(gòu)建成樹結(jié)構(gòu)，頭節(jié)點(diǎn)通過加入樹結(jié)構(gòu)獲得全球路由前綴。IPv6接人節(jié)點(diǎn)、頭節(jié)點(diǎn)及普通節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于網(wǎng)格的樹結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

1.2 地址格式

傳感器節(jié)點(diǎn)的IPv6地址的全球路由前綴，來源于傳感器節(jié)點(diǎn)所屬樹結(jié)構(gòu)中樹根節(jié)點(diǎn)，即IPv6接入節(jié)點(diǎn)的IPv6地址的全球路由前綴。為便于描述各網(wǎng)格的位置，以IPv6接入節(jié)點(diǎn)作為原點(diǎn)(0，0)引入平面坐標(biāo)系，各網(wǎng)格的坐標(biāo)如圖2所示，由圖可見網(wǎng)格A的坐標(biāo)為(2，2)。

圖2 WSN柵格化

IPv6地址由3分組成:1)64 bit全球路由前綴，在一個(gè)WSN中所有傳感器節(jié)點(diǎn)的IPv6地址的全球路由前綴均相同;2)網(wǎng)格坐標(biāo)，由8 bit橫坐標(biāo)和8 bit縱坐標(biāo)組成，同一網(wǎng)格內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)都相同;3)節(jié)點(diǎn)ID，當(dāng)節(jié)點(diǎn)ID為0時(shí)，表示該網(wǎng)格，當(dāng)節(jié)點(diǎn)ID=1時(shí)，表示本網(wǎng)格中的頭節(jié)點(diǎn)。

采用該地址格式的配置方案，既可以查詢某一個(gè)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)，也可以單獨(dú)尋址某一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。如IPv6地址的節(jié)點(diǎn)ID為0時(shí)，表示查詢該網(wǎng)格區(qū)域的數(shù)據(jù)。

1.3 頭節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生并獲取IPv6地址

假設(shè)每個(gè)孤立傳感器節(jié)點(diǎn)都知道自己所屬的網(wǎng)格，同時(shí)知道自己的剩余能量，網(wǎng)格內(nèi)的頭節(jié)點(diǎn)采用如下的適應(yīng)值函數(shù)競爭產(chǎn)生

式中:n為網(wǎng)格內(nèi)節(jié)點(diǎn)能量大于0的節(jié)點(diǎn)數(shù);Rij為節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的距離;Ei，Ej為節(jié)點(diǎn)i，j的剩余能量;η，λ分別為網(wǎng)格內(nèi)距離影響因子和能量影響因子，同時(shí)η+λ=1 且 η，λ ∈［0，1］。

該函數(shù)由兩部分組成，第一部分為某網(wǎng)格內(nèi)部的通信代價(jià);第二部分為該網(wǎng)格內(nèi)節(jié)點(diǎn)i的剩余能量占整個(gè)網(wǎng)格平均剩余能量的比重。f(i)越小，說明i節(jié)點(diǎn)的位置越靠近于網(wǎng)格中心，能量相對較大。當(dāng)i節(jié)點(diǎn)的能量小于0，即節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)，定義f(i)=∞［3］。

每一個(gè)節(jié)點(diǎn)向同一網(wǎng)格內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)廣播其適應(yīng)值。當(dāng)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都知道其鄰居節(jié)點(diǎn)的適應(yīng)值后，則適應(yīng)值f(i)最小的節(jié)點(diǎn)為本網(wǎng)格的頭節(jié)點(diǎn)。由于網(wǎng)格的坐標(biāo)在整個(gè)WSN中具有唯一性，因此頭節(jié)點(diǎn)的IPv6地址不需進(jìn)行重復(fù)地址檢測。

當(dāng)某節(jié)點(diǎn)X成為頭節(jié)點(diǎn)后，設(shè)置自己的節(jié)點(diǎn)ID為1，并向IPv6接入節(jié)點(diǎn)發(fā)送加入樹數(shù)據(jù)包，其中包含所在網(wǎng)格的橫、縱坐標(biāo);IPv6接入節(jié)點(diǎn)收到該數(shù)據(jù)包時(shí)，向節(jié)點(diǎn)X返回一個(gè)應(yīng)答控制包，內(nèi)容為該WSN的全球路由前綴。頭節(jié)點(diǎn)X接收到該數(shù)據(jù)包后，將全局路由前綴與所在網(wǎng)格的坐標(biāo)以及節(jié)點(diǎn)ID組合構(gòu)建成IPv6地址。

1.4 普通節(jié)點(diǎn)獲取IPv6地址

孤立節(jié)點(diǎn)X向所在網(wǎng)格的頭節(jié)點(diǎn)Y發(fā)送獲取IPv6地址的數(shù)據(jù)包，頭節(jié)點(diǎn)Y收到該數(shù)據(jù)包后，首先查看已分配的節(jié)點(diǎn)ID總數(shù)，如果節(jié)點(diǎn)ID已經(jīng)全部分配完，則向節(jié)點(diǎn)X返回一個(gè)無效請求數(shù)據(jù)包，節(jié)點(diǎn)X進(jìn)入休眠狀態(tài);否則，節(jié)點(diǎn)Y采用哈希函數(shù)除留余數(shù)法為節(jié)點(diǎn)X分配一個(gè)節(jié)點(diǎn)ID(0和1除外)，并在本網(wǎng)格內(nèi)廣播此節(jié)點(diǎn)ID。

如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)Y收到網(wǎng)格內(nèi)具有相同節(jié)點(diǎn)ID的普通節(jié)點(diǎn)返回的響應(yīng)包，那么節(jié)點(diǎn)Y采用線性探測法再產(chǎn)生一個(gè)節(jié)點(diǎn)ID，并再次廣播此節(jié)點(diǎn)ID。若廣播了預(yù)定次數(shù)后，節(jié)點(diǎn)Y都沒有收到網(wǎng)格內(nèi)具有相同節(jié)點(diǎn)ID的普通節(jié)點(diǎn)返回的響應(yīng)包，那么節(jié)點(diǎn)Y獲取了在本網(wǎng)格中具有唯一性的節(jié)點(diǎn)ID，然后將此節(jié)點(diǎn)ID封裝成一個(gè)控制包，將此控制包返回給節(jié)點(diǎn) X［5－7］。

孤立節(jié)點(diǎn)X收到控制包后，向頭節(jié)點(diǎn)Y發(fā)送相應(yīng)的確認(rèn)包，同時(shí)標(biāo)記自己為普通節(jié)點(diǎn)，并將控制包中的全球路由前綴、節(jié)點(diǎn)ID與所在網(wǎng)格的坐標(biāo)組合構(gòu)建成自己的IPv6地址。

2 仿真分析

文獻(xiàn)［5］的方案中，其簇首節(jié)點(diǎn)和簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的IPv6地址均采用哈希函數(shù)除留余數(shù)法產(chǎn)生，同時(shí)該方案經(jīng)過仿真驗(yàn)證其性能優(yōu)于Strong DAD。所以本文只需在對文獻(xiàn)［5］的方案以及本文方案進(jìn)行仿真分析，從地址配置總開銷、地址配置總延遲時(shí)間兩個(gè)方面進(jìn)行比較。

本文仿真環(huán)境為100 m×100 m的正方形區(qū)域，節(jié)點(diǎn)增量為50個(gè)。假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)在整個(gè)活動區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布，并且都是靜止的，各節(jié)點(diǎn)的傳輸半徑為20 m。仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。圖3示意了兩種方案中所有節(jié)點(diǎn)獲得唯一性地址需要發(fā)送的控制包的比較。圖4是對兩種方案中所有節(jié)點(diǎn)獲得唯一性地址的總時(shí)延的比較。

文獻(xiàn)［5］方案中的簇首節(jié)點(diǎn)采用哈希函數(shù)產(chǎn)生，其IPv6地址的獲取過程需要進(jìn)行重復(fù)地址檢測。所以，當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加時(shí)，簇首節(jié)點(diǎn)待分配的地址發(fā)生沖突的概率也相應(yīng)增加，則整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的地址配置總開銷與總延遲時(shí)間成冪次增加。而本文方案的頭節(jié)點(diǎn)的IPv6地址獲取不需進(jìn)行重復(fù)地址檢測，從而本文所提出的方案優(yōu)于文獻(xiàn)［5］的方案。

3 結(jié)論

本文考慮了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)為中心的特點(diǎn)，提出一種基于地理位置的IPv6地址配置方案，既可以對某一個(gè)區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，也可以單獨(dú)尋址某一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。該方案將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)劃分為網(wǎng)格，頭節(jié)點(diǎn)采用適應(yīng)值函數(shù)競爭產(chǎn)生，普通節(jié)點(diǎn)的IPv6地址由頭節(jié)點(diǎn)采用無狀態(tài)地址配置方式產(chǎn)生。從地址配置總開銷以及地址配置總延遲時(shí)間兩個(gè)方面對方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果證明該方案可降低地址配置開銷，減少地址配置總延遲時(shí)間。

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