无线传感器网络IPv6地址自动配置方案的研究与设计

第３３卷第１１期铁 道 学 报Ｖｏｌ．３３　Ｎｏ．１１２　０　１　１年１１月ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＴＨＥ　ＣＨＩＮＡ　ＲＡＩＬＷＡＹ　ＳＯＣＩＥＴＹ　Ｎｏｖｅｍｂｅｒ　２０１１文章编号：１００１－８３６０（２０１１）１１－００５１－０７无线传感器网络ＩＰｖ６地址自动配置方案的研究与设计王晓喃１，　高德民２（１．常熟理工学院计算机科学与工程学院，江苏常熟　２１５５００；２．南京理工大学计算机科学与技术学院，江苏南京　２１００９４）摘　要：提出一种无线传感器网络ＩＰｖ６地址自动配置方案，给出全ＩＰ通信传感器节点的ＩＰｖ６地址格式，并将无状态地址分配策略与有状态地址分配策略有机地结合，提出无线传感器网络ＩＰｖ６地址自动配置方案。

本文从重复地址检测开销、地址配置总开销及地址配置总延迟时间３方面对此方案与Ｓｔｒｏｎｇ　ＤＡＤ及ＭＡＮＥＴＣｏｎｆ的性能参数进行比较分析，验证了方案的有效性和高效性。

关键词：无线传感器网络；ＩＰｖ６地址；地址自动配置；簇；簇首节点中图分类号：ＴＮ９１５ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－８３６０．２０１１．１１．００９Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ＩＰｖ６　Ａｄｄｒｅｓｓ　Ａｕｔｏ－ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｆｏｒ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　ＮｅｔｗｏｒｋｓＷＡＮＧ　Ｘｉａｏ－ｎａｎ１，　ＧＡＯ　Ｄｅ－ｍｉｎ２（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇｓｈｕ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈｕ　２１５５００，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００９４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｏｐｏｓｅｓ　ａｎ　ＩＰｖ６ａｄｄｒｅｓｓ　ａｕｔｏ－ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｓｃｈｅｍｅ　ｆｏｒ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｔｈｅｓｃｈｅｍｅ　ｃｒｅａｔｅｓ　ａｎ　ＩＰｖ６ａｄｄｒｅｓｓ　ｆｏｒｍａｔ　ｆｏｒ　ａ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｏｄｅ　ａｎｄ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｃｏｍｂｉｎｅｓ　ｔｈｅ　ｓｔａｔｅｌｅｓｓ　ａｄｄｒｅｓｓ　ｃｏｎｆｉｇｕ－ｒａｔｉｏｎ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｔａｔｅｆｕｌ　ａｄｄｒｅｓｓ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｔｏ　ｐｒｏｐｏｓｅ　ａｎ　ＩＰｖ６ａｄｄｒｅｓｓ　ａｕｔｏ－ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅ　ｆｏｒ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｕｐｌｉｃａｔｅ　ａｄｄｒｅｓｓ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｃｏｓｔ，ｔｏｔａｌ　ａｄ－ｄｒｅｓｓ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｃｏｓｔ　ａｎｄ　ｔｏｔａｌ　ａｄｄｒｅｓｓ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｄｅｌａｙ　ｔｉｍｅ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒｅｓ　ｔｈｅ　ｐｅｒ－ｆｏｒｍａｎｃｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｓｃｈｅｍｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｓｃｈｅｍｅｓ　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　Ｓｔｒｏｎｇ　ＤＡＤ　ａｎｄ　ＭＡＮＥＴ－Ｃｏｎｆ．Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｓｃｈｅｍｅ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ；ＩＰｖ６ａｄｄｒｅｓｓ；ａｄｄｒｅｓｓ　ａｕｔｏ－ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ；ｃｌｕｓｔｅｒ；ｃｌｕｓｔｅｒ　ｈｅａｄ 随着下一代网络的不断成熟和发展，无线传感器网络ＷＳＮ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）与下一代互联网络ＮＧＩ实现全ＩＰ通信已成为未来发展的必然趋势［１－３］。

实现ＷＳＮ与ＮＧＩ全ＩＰ通信需要解决的关键技术之一就是传感器网络的ＩＰｖ６地址自动配置问题［１，４－５］。

ＩＰｖ６地址自动配置是ＩＰｖ６的一个重要技术特色，它可在无人干预的情况下为每个接口配置具有唯一性的ＩＰｖ６地址，这一特性与ＷＳＮ自组织、自配置的设计目标比较一致。

但与此同时，在资源有限的ＷＳＮ中实施现有的ＩＰｖ６地址自动配置方式还存在一些问题，例如现有的有状态地址配置方案［６］采用服收稿日期：２００９－１１－１２；修回日期：２０１０－０８－１８基金项目：江苏省自然科学基金（ＢＫ２００９１３３）作者简介：王晓喃（１９７３—），女，辽宁沈阳人，博士，副教授。

Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｘｎ＿２００１＠１６３．ｃｏｍ务器－客户端的通信方式分配ＩＰｖ６地址，即节点向ＤＨＣＰ服务器提出申请地址的请求，然后由ＤＨＣＰ服务器统一为网络内的节点分配ＩＰｖ６地址，显然，这种地址配置方案带来大量的控制包开销，同时也消耗大量的存储资源；在现有的基于邻居发现协议［７］的无状态地址配置［８］方案中，每个被分配的ＩＰｖ６地址都需要在整个ＷＳＮ中进行重复地址检测［９］以确保它的唯一性，同样导致大量的控制包开销，消耗大量的网络资源。

因此针对资源有限的ＷＳＮ需要建立一种低开销的ＩＰｖ６地址自动配置方案。

１　ＩＰｖ６地址自动配置方案本方案特点为：（１）将无线传感器网络划分为多个簇，针对簇首节点和簇内节点分别提出ＩＰｖ６地址结构；（２）将有状态地址分配策略与无状态地址分配策略有机地结合在一起，即簇首节点的ＩＰｖ６地址配置采用有状态地址配置方案，簇内节点的ＩＰｖ６地址配置采用无状态地址配置方案，大幅度降低地址重复检测带来的网络开销；（３）簇内节点的重复地址检测只在本簇内（即一跳范围内的簇内节点中）进行，即位于不同簇的簇内节点的ＩＰｖ６地址配置过程可同时进行，缩短了ＩＰｖ６地址配置的延迟时间，降低了ＷＳＮ的网络开销。

本文中移动单位为簇，即簇首节点与簇内节点作为一个移动单元同时移动，这一特性可应用于交通设施，例如列车可看作一个簇，乘客可作为簇内节点。

本文的移动切换方案采用文献［１０］提出的移动方案。

在此方案中，每个移动实体（Ｍｏｂｉｌｉｔｙ　Ｅｎｔｉｔｙ）具有一个关联节点（Ａｓｓｏｃｉａｔｅ　Ｎｏｄｅ），并通过关联节点实现路由，当移动实体移动时，它只需修改其关联节点信息，而其ＩＰｖ６地址不发生变化仍能保持路由的正确性。

因此本文并没有讨论由于簇移动而导致的簇首节点ＩＰｖ６地址发生变化的情况。

１．１　相关定义本方案包括４类节点：孤立节点（Ｉｓｏｌａｔｅｄ　ｎｏｄｅ）：既没有标记为簇首节点（或者簇内节点）也不是标记为ＩＰｖ６接入节点的节点。

ＩＰｖ６接入节点（ＩＰｖ６ｉｎｇｒｅｓｓ　ｎｏｄｅ）：用于连接ＷＳＮ与ＩＰｖ６网络，它的ＩＰｖ６地址预先设定，可以为簇首节点分配ＩＰｖ６地址，也可以作为簇首节点为本簇簇内节点分配ＩＰｖ６地址。

簇首节点（Ｃｌｕｓｔｅｒ　ｈｅａｄ　ｎｏｄｅ）：可以为簇首节点以及本簇簇内节点分配ＩＰｖ６地址的节点。

簇内节点（Ｃｌｕｓｔｅｒ　ｍｅｍｂｅｒ）：从本簇簇首节点获取ＩＰｖ６地址，不能为其他节点分配ＩＰｖ６地址的节点。

簇树（Ｃｌｕｓｔｅｒ　ｔｒｅｅ）：由一个ＩＰｖ６接入节点与多个簇首节点构建的树状结构。

其中，ＩＰｖ６接入节点为根节点，其余的中间节点或叶子节点为簇首节点，簇树中的中间节点与叶子节点的属性相同。

中间节点（Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ　ｎｏｄｅ）：簇树中除了根节点以外具有子节点的簇首节点。

叶子节点（Ｌｅａｆ　ｎｏｄｅ）：簇树中不具有子节点的簇首节点。

其中，孤立节点、簇首节点及簇内节点的状态可互相转换。

本方案将一个ＷＳＮ划分为多个簇，每个簇由一个簇首节点和多个簇内节点组成，簇首节点与ＩＰｖ６接入节点构建成簇树，簇树中的父子节点一跳可达，簇首节点通过加入簇树获取ＩＰｖ６地址。

ＩＰｖ６接入节点、簇首节点及簇内节点的拓扑结构如图１所示。

图１所示的簇树结构具有如下优点：（１）簇树与ＩＰｖ６Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的网络结构充分融合，如图２所示，一个簇相当于ＩＰｖ６Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的一个子网，簇首节点相当于网络路由器；（２）簇内节点只与本簇簇首节点进行通信，避免了簇内泛洪；（３）簇首节点的数量远小于网络中所有传感器节点的数量，因此少量簇首节点的ＩＰｖ６地址分配方案采用有状态ＩＰｖ６地址分配策略，从而避免在整个ＷＳＮ内进行重复地址检测，降低传感器网络功耗；（４）由于簇内节点数量庞大，因此大量的簇内节点采用无状态ＩＰｖ６地址分配，且只在本簇内进行重复地址检测，节省传感器网络的存储资源，降低传感器网络功耗，同时也增强了ＷＳＮ的可扩展性和鲁棒性。

１．２　ＩＰｖ６地址结构根据ＩＰｖ６地址的分层结构及ＷＳＮ自身特点，ＩＰｖ６接入节点、簇首节点、簇内节点采用如表１所示的地址格式。

表１　ＩＰｖ６地址结构６４ｂｉｔｓ　ｉ　ｂｉｔ　ｎｂｉｔ（６４－ｎ－ｉ）ｂｉｔ全局路由前缀ＩＰｖ６接入节点ＩＤ簇首节点ＩＤ簇内节点ＩＤ传感器节点ＩＤＩＰｖ６地址由两部分组成：第一部分是全局路由前２５　铁 道 学 报第３３卷缀，一个ＷＳＮ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，它由ＩＰｖ６接入节点ＩＤ、簇首节点ＩＤ及簇内节点ＩＤ组成。

其中，ＩＰｖ６接入节点ＩＤ唯一标示一个簇树，一个簇树中所有簇首节点的ＩＰｖ６接入节点ＩＤ都相同，其值等于簇树树根节点的ＩＰｖ６接入节点ＩＤ；簇首节点ＩＤ唯一地标示一个簇，一个簇中所有簇内节点的簇首节点ＩＤ都相同，其值等于所在簇簇首节点的簇首节点ＩＤ；簇内节点ＩＤ唯一地标示一个簇的簇内节点。

在本方案中，ＩＰｖ６接入节点的ＩＰｖ６地址的簇首节点ＩＤ与簇内节点ＩＤ为０，簇首节点的ＩＰｖ６地址的簇内节点ＩＤ为０。

本方案中ＩＰｖ６接入节点ＩＤ由ｉ比特组成。

簇首节点ＩＤ划分为多个等级，ｉ比特为一个等级，ＩＰｖ６接入节点的子节点等级为１，此子节点的子节点等级为２，依次类推。

假设一个簇首节点ＩＤ所处的等级为ｌ，那么此簇首节点的簇首节点ＩＤ的比特长度ｎ为：ｎ＝ｉ×ｌ（１）式中：ｉ值根据实际应用中的传感器节点分布密度及传感器网络规模来确定，本方案中，ｉ值取４。

这样，一个ＷＳＮ最多可包含１５（００００分配给簇内节点）棵以ＩＰｖ６接入节点为根节点的簇树，簇树的深度最多可达１６，树中的节点最多可拥有１５个子节点（００００分配给簇内节点）。

例如，ＩＰｖ６接入节点的ＩＰｖ６地址为３ＦＥ８：１：１：１：１０００：：／６８，那么它的子节点地址为３ＦＥ８：１：１：１：１Ｘ００：：／７２，其中Ｘ＝１，２，…，Ｆ，依次类推，如图３所示。