CN103841621B - 一种基于6LoWPAN树型网络的冗余路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于6LoWPAN树型网络的冗余路由方法，属于无线传感器网络技术领域。基于6LoWPAN无线传感器网络的树型路由技术，根据6LoWPAN系列协议标准,对其适配层协议和邻居发现协议进行改进和扩展，设计了新的适配层冗余头部和冗余地址注册选项。在树型网络中增加冗余父节点：节点入网时从邻居路由器中选取冗余父节点，向父节点注册冗余父节点地址；当父节点和子节点间链路通信中断时，数据通过注册的冗余父节点进行冗余路由转发。从而增加树型网络的冗余路径，有效解决树型网络链路断开导致后代节点无法与其他节点通信的问题，提高网络的可靠性和整体通信能力。

Description

一种基于6LoWPAN树型网络的冗余路由方法

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域，具体涉及一种基于6LoWPAN树型网络的冗余路由方法。

背景技术

无线传感器网络（WSN）是当前国际研究热点之一，属于物联网技术的核心内容，实现物理世界信息的采集、处理和传输，可广泛应用于工业自动化、环境监控、智能家居和医疗系统等。通过引入IPv6技术到无线传感器网络，使传感器节点拥有全球唯一的IPv6地址，实现与Internet主机端到端的纯IP通信，将互联网上的应用延伸到无线传感器网络。

互联网工程任务组（IETF）于2004年成立了6LoWPAN（IPv6over Low-powerWireless Personal Area Networks）工作组，其目标是将IPv6应用到低功耗无线个域网上。6LoWPAN在底层采用IEEE802.15.4的MAC（媒体访问控制子层）和物理层，网络层及以上使用IPv6协议，并在两者中间添加了一个适配层，用于支持IPv6数据在IEEE802.15.4上的传输。6LoWPAN适配层的关键技术主要包括：IPv6头部压缩、分片重组、路由转发、网络构建和地址分配。6LoWPAN网络节点具有低功耗、低处理能力和低开销等特点，现有的IPv6路由协议并不适用于无线传感器网络，而传统无线传感器网络路由协议也不支持IPv6。因此，有必要对6LoWPAN网络的路由协议进行新的设计和改进。

目前提出的6LoWPAN路由方法中，应用最为广泛的是树型路由方法。树型路由结合IEEE802.15.4特点进行分布式动态地址分配，并根据地址关系进行路由选择，无需路由发现消息和路由表，具有开销小、计算简单的优点。然而，在易受干扰的有损环境中，树型路由暴露出自身局限性，其路径选择单一、固定且没有冗余能力，链路断开将导致后代节点无法与其他节点通信，降低了网络的可靠性。例如，IETF提出的树型路由HiLow算法，其借助地址关系沿树型拓扑转发数据，但没有考虑到网络的冗余路径。

为了迎合6LoWPAN树型网络对冗余可靠性的要求，针对网络中可能出现的链路断开情况，本发明提出一种树型冗余路由方法，旨在提高低功耗树型网络的可靠性和整体通信性能。

发明内容

针对以上现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种解决链路中断将导致节点通信中断的问题，提高网络的抗干扰冗余能力，保证通信可靠性的基于6LoWPAN树型网络的冗余路由方法。本发明的技术方案如下：一种基于6LoWPAN树型网络的冗余路由方法，其包括以下步骤：

101、入网节点A入网时首先广播发送信标请求消息给一跳通信范围内的邻居节点路由器，获取邻居节点路由器信息，当所述邻居节点路由器收到信标请求消息后广播信标消息给该入网节点A；

102、所述入网节点A收到若干信标消息，其中信标消息中包括邻居节点路由器的链路质量指示值LQI，入网节点A选取链路质量指示值LQI最大的邻居节点路由器为父节点，入网节点A向父节点发送关联请求消息，并选择LQI值次之的其他路由器为冗余父节点，保存冗余父节点地址信息到入网节点A的冗余路由表；

103、父节点收到关联请求消息后为入网节点A分配子网短地址，并回复关联响应消息给入网节点A；入网节点A通过收到的关联响应消息获得短地址，并通过短地址生成IPv6链路本地地址，入网节点A根据该IPv6链路本地地址向父节点发送带有冗余地址注册选项的路由器请求RS消息；

104、父节点收到步骤103中带有冗余地址注册选项的路由器请求RS消息后，父节点回复路由器通告消息RA给入网节点A，并将入网节点A的冗余父节点地址添加到对应入网节点A的冗余路由表，并通过路由器通告消息RA完成冗余父节点地址的注册，入网节点A成功加入到6LoWPAN网络；

105、子节点A与父节点之间通信链路正常时，子节点A通过父节点转发数据；子节点A与父节点之间通信链路断开时，当子节点A上行数据冗余转发时，子节点A将上行数据递交给冗余父节点，冗余父节点沿树型路由寻址直接转发给目的地址；当进行下行数据的冗余转发时，则通过查找子节点A的冗余父节点表项得到冗余地址，计算到冗余地址的跳数，选择跳数最少的冗余父节点地址为数据的多跳网Mesh目的地址，下一跳子节点地址为冗余目的地址，并将其余冗余父节点地址添加到冗余头，构造冗余数据发送到冗余父节点，冗余父节点再转发给下一跳子节点；所述冗余父节点收到冗余数据后，如果到冗余目的地址的链路通信正常，则将数据的冗余头去掉，恢复为原本的Mesh路由头再转发给冗余目的节点；如果冗余父节点到冗余目的地址的链路通信中断，则查看数据的冗余头中是否有冗余地址：若有，则计算到冗余地址的跳数，选择跳数最少的冗余地址为Mesh目的地址，并删除冗余头中对应的冗余地址，重新构造Mesh头和冗余头转发数据；否则，放弃冗余数据的转发。

进一步的，步骤104中的路由器请求消息RS中的冗余地址注册选项包括类型域、长度域、个数域、冗余地址域和预留域，其中，类型值编码为36，代表冗余地址注册选项。

进一步的，步骤105中所述的冗余头包括冗余头Dispatch域、个数域、冗余目的地址域及冗余地址域。

进一步的，所述冗余头Dispatch值为11000000到11001111范围，前五位11000标识6LoWPAN冗余头。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明相对于现有的6LoWPAN树型路由技术，增加了冗余父节点，当父子节点间链路中断时，通过冗余父节点转发数据，有效解决树型网络中父子节点间链路断开导致子节点及其后代节点无法与其他节点通信的问题，显著提高了树型网络的冗余能力，不需要额外的路由发现过程及庞大的路由表，具有低开销、高可靠的优点。

附图说明

图1为本发明所述6LoWPAN树型网络体系结构示意图；

图2本发明所述节点入网和冗余地址注册过程的消息交互图；

图3本发明所述树型网络中冗余路由转发示意图；

图4本发明所述路由器数据处理流程图；

图5本发明所述6LoWPAN冗余头格式图。

具体实施方式

下面结合附图给出一个非限定性的实施例对本发明作进一步的阐述。

图1所示为一个信标（Beacon）使能的6LoWPAN树型网络，该网络包括一个6LoWPAN网关（节点A）和6个已入网的6LoWPAN路由器（节点B、C、D、E、F、G），以及正在进行入网的路由器节点N，图中的实线连接代表树型路由节点的父子关系链路。6LoWPAN网关具有两个网络接口，连接6LoWPAN子网和IPv6网络，同时担任IEEE802.15.4协调器角色，管理整个网络；6LoWPAN路由器为IEEE802.15.4全功能设备(FFD)，具备短地址分配和路由转发功能。设定该网络的最大深度Lm为4，最大子节点个数Cm和最大路由子节点个数Rm都为2，树型路由根据分布式动态地址分配方案，从协调器依次向下为每个节点分配16位短地址，在子网内使用短地址进行通信，并根据短地址自动生成IPv6地址。

树型路由根据动态地址与位置的关系就能进行路由选择，但只能与自己的父节点和子节点直接通信，不能与一跳通信范围内的其他邻居节点通信。因此，本发明对树型路由进行冗余改进，提出一种基于6LoWPAN树型网络的冗余路由方法，对邻居发现协议RS消息和适配层协议进行相应改进和扩展，添加冗余地址注册选项和6LoWPAN冗余头部。冗余改进的主要方法为：入网节点选定父节点后，再从邻居路由器中选出冗余父节点，并通过RS消息向父节点注册冗余父节点的地址；当节点与父节点之间直接通信的主链路故障中断时，通过注册的冗余父节点进行冗余路由转发，从而增加节点与父节点间的冗余路径，提高网络整体的路由冗余能力。

基于图1所构网络拓扑，下面分别对冗余路由机制进行详细阐述。为了理解清晰简洁，仅以节点N加入网络的过程为例进行介绍，且当节点N为终端节点时，所使用的方法应与此一致，图中的虚线连接代表节点N与冗余父节点的冗余链路，虚线圆圈为节点N的一跳射频通信范围。

1.冗余父节点地址注册

在6LoWPAN树型网络组网过程中，节点首先进行网络发现，通过一系列入网动作逐个加入到网络。在节点N入网过程中，其上电启动后首先广播发送信标请求（Beaconrequest）消息，请求周围邻居发送信标消息；节点N一跳通信范围内的路由器节点D、节点E和节点F会收到该信标请求消息，并发送信标消息（Beacon），信标消息中包括自身地址、超帧信息和网络其他参数等；这样，节点N收到多个信标消息，并得到节点D、节点E和节点F的链路质量指示值LQI分别为70、90、65，选取LQI值最大的路由器节点E为父节点，节点N向节点E发送关联请求消息；节点E收到该关联请求消息后，为节点N分配子网短地址（0x000A）并回复关联响应消息；节点N收到关联响应消息，则IEEE802.15.4MAC入网关联成功，从父节点E处获得16位子网短地址和相关MAC层信息，同时，节点N将LQI值次之的节点D和节点F作为冗余父节点，将其地址信息保存在冗余路由表中。

一旦成功获取短地址，节点N则根据短地址自动生成IPv6链路本地地址，使用链路本地地址向父节点E发送改进的路由请求RS消息，请求获取网络前缀等信息，改进的RS消息在标准RS消息中添加了冗余地址注册选项；节点E收到改进的RS消息后，回复路由通告RA消息给节点N，并进行冗余父节点地址的注册工作，将节点D和节点F的地址添加到节点N对应的冗余路由表中，表明可以通过节点D和节点F转发数据给节点N；节点N通过返回的RA消息，获取全球IPv6网络前缀、6LoWPAN压缩文本等信息，完成冗余父节点地址的注册，成功加入到6LoWPAN网络。

图2展示了6LoWPAN节点成功入网的完整消息交互过程。

2.冗余路由转发

节点N和其父节点E间通信链路正常的情况下，按照6LoWPAN树型路由协议，节点N到非后代节点的数据全部通过父节点E转发，即只与父节点或者子节点通信，如图3（a）所示。若节点N和其父节点E的通信链路受到环境干扰等原因，出现断开无法通信的情况，则启用冗余路由表中记录的冗余路径传输数据，节点N通过注册的冗余父节点保持与网络的连接。

根据树型数据传输的方向，将冗余数据分为上行和下行两类，上行数据的冗余转发处理简单，节点N只需将上行数据递交给冗余父节点D或者F，冗余父节点只需按照普通Mesh数据沿树型路由寻址转发给目的地址，其数据流如图3（b）所示。节点E转发给下一跳地址为子节点N的下行数据时，若发现到子节点N的通信链路断开，则通过查找节点N的冗余父节点表项，得到冗余地址D和F，计算到节点D和节点F的树型路由跳数，选择跳数较少的节点D为Mesh目的地址而重新构造数据的Mesh路由头，并紧随其后添加冗余头，冗余头中包含冗余目的地址节点N和节点N的其他冗余父节点F的地址，节点E将冗余数据转发给节点N的冗余父节点D处理。

若节点D到节点N的链路的通信正常，节点D收到给冗余目的地址为节点N的冗余数据后，则将数据的冗余头去掉，恢复为原本的Mesh路由头再转发给节点N，其数据流如图3（c）所示；若节点D到节点N的链路也出现断开情况，节点D无法直接转交数据给节点N，则通过查看冗余头，得到冗余地址F，于是置节点F为Mesh目的地址，重新构造Mesh路由头，同时，为了防止回路产生，将数据冗余头中冗余父节点F的地址删除，节点D转发冗余数据给节点F；若节点F到节点N的链路的通信正常，节点F则恢复数据原本的Mesh路由头后再转发数据给节点N，节点D经过节点F转发给节点N的数据流如图3（d）所示；若节点F到节点N的链路也出现断开情况，并查找冗余头已没有冗余地址，便放弃该冗余数据的转发。改进后的冗余路由6LoWPAN路由器，适配层接收到数据包的处理流程如图4所示。

冗余路由转发将遍历到冗余目的节点的所有冗余父节点，只要有一个冗余父节点到目的节点的链路通信正常，就可以完成冗余数据的递交。若冗余父节点到目的节点的通信链路都中断，说明网络基本上已经极端恶化，或可能目的节点已经掉线。冗余路由转发最大程度地保证了数据传输的可达性，提高了网络抗干扰的冗余能力，使其适用于环境复杂的工业无线应用场景。

3.6LoWPAN适配层头部改进

为了支持冗余路由转发，本发明对适配层协议进行了扩展，增加了新的适配层头部——冗余头。冗余头的设计需要尽量小，以保证冗余数据包不会因为此头的添加使得6LoWPAN头部开销过大，冗余头的格式如图5所示。包括：Dispatch域、个数域、目的地址域、冗余父节点域。其中，冗余头的Dispatch值定为1100000到11000111范围，其中前五位11000标识6LoWPAN冗余头；个数域代表冗余地址的个数，其取值范围为0到7，由该值决定冗余头的可变长度；目的地址域为冗余转发的目的地址；冗余地址域为目的地址的冗余父节点地址。冗余头在适配层头部中的位置处于Mesh头之后，其他头部之前。

冗余父节点接收到冗余数据后，若不能直接转发数据给冗余最终目的地址，则根据冗余头中的冗余地址，选择一个冗余父节点作为Mesh头目的地址进行转发。为了避免冗余数据回路的产生，冗余父节点在每次转发给下一个冗余父节点的时候，应当删除冗余头中等于Mesh目的地址的冗余地址。

根据上文中图3（c）和图3（d）场景所讨论的冗余数据转发过程，对冗余转发数据的MAC头、Mesh头、冗余头地址进行详细说明，并给出改进的6LoWPAN消息完整格式，包括IEEE802.15.4MAC头、Mesh头、冗余头以及可能的其他适配层头部。节点E发给最终目的地址节点N的数据，通过冗余路径转发给节点D，其冗余数据的MAC头目的地址为节点B，Mesh头目的地址为节点D，冗余头目的地址为节点N；节点D再转发给节点E时，冗余数据的MAC头目的地址为节点B，Mesh头目的地址更改为节点F，冗余头目的地址为节点N，并删除冗余头中的冗余地址节点F；节点F最后转发给节点N时，去除冗余头恢复数据为原本的Mesh头,MAC目的地址为节点N，Mesh头目的地址为节点N。

4.RS消息改进

本发明对6LoWPAN邻居发现协议进行了改进和扩展，设计ICMPv6冗余地址注册选项，将其添加到到发送给父节点路由器的路由请求RS消息中，用于冗余父节点地址的注册工作。冗余地址注册选项的设计严格按照邻居发现协议选项的格式要求，为节省网络能耗开销而设计得相当精简，包括：类型域、长度域、个数域、冗余地址域、预留域。其中，具体说明如下：

类型域：选项的类型，暂定类型值36为冗余地址注册选项；

长度域：选项的总长度（包括类型域和长度域在内），其单位为8个字节，因此选项总长度必须为8字节的整数倍，不足时补零；

个数域：冗余父节点地址的个数；

预留域：作为预留域，用于以后的扩展；

冗余地址域：冗余父节点的16位短地址。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明方法权利要求所限定的范围。

Claims (4)

1.一种基于6LoWPAN树型网络的冗余路由方法，其特征在于，包括以下步骤：

101、入网节点A入网时首先广播发送信标请求消息给一跳通信范围内的邻居节点路由器，获取邻居节点路由器信息，当所述邻居节点路由器收到信标请求消息后广播信标消息给该入网节点A；

102、所述入网节点A收到若干信标消息，其中信标消息中包括邻居节点路由器的链路质量指示值LQI，入网节点A选取链路质量指示值LQI最大的邻居节点路由器为父节点，入网节点A向父节点发送关联请求消息，并选择LQI值次之的其他路由器为冗余父节点，保存冗余父节点地址信息到入网节点A的冗余路由表；

103、父节点收到关联请求消息后为入网节点A分配子网短地址，并回复关联响应消息给入网节点A；入网节点A通过收到的关联响应消息获得短地址，并通过短地址生成IPv6链路本地地址，入网节点A根据该IPv6链路本地地址向父节点发送带有冗余地址注册选项的路由器请求RS消息；

104、父节点收到步骤103中带有冗余地址注册选项的路由器请求RS消息后，父节点回复路由器通告RA消息给入网节点A，并将入网节点A的冗余父节点地址添加到对应入网节点A的冗余路由表，完成冗余父节点地址的注册，入网节点A成功加入到6LoWPAN网络,入网成功后入网节点A变成子节点A；

105、子节点A与父节点之间通信链路正常时，子节点A通过父节点转发数据；子节点A与父节点之间通信链路断开时，当子节点A进行上行数据的冗余转发时，子节点A将上行数据递交给冗余父节点，冗余父节点沿树型路由寻址直接转发给目的地址；当父节点进行下行数据的冗余转发时，则通过查找子节点A的冗余路由表得到冗余地址，计算到冗余地址的跳数，选择跳数最少的冗余父节点地址为数据的多跳网Mesh目的地址，并将其余冗余父节点地址添加到冗余头，构造冗余数据发送到冗余父节点，冗余父节点再转发给下一跳子节点；所述冗余父节点收到冗余数据后，如果到冗余目的地址的链路通信正常，则将数据的冗余头去掉，恢复为原本的Mesh路由头再转发给冗余目的节点；如果冗余父节点到冗余目的地址的链路通信中断，则查看数据的冗余头中是否有冗余地址：若有，则计算到冗余地址的跳数，选择跳数最少的冗余地址为Mesh目的地址，并删除冗余头中对应的冗余地址，重新构造Mesh路由头和冗余头转发数据；否则，放弃冗余数据的转发。

2.根据权利要求1所述的基于6LoWPAN树型网络的冗余路由方法，其特征在于：步骤104中的路由器请求RS消息中的冗余地址注册选项包括类型域、长度域、个数域、冗余地址域和预留域，其中，类型值编码为36，代表冗余地址注册选项。

3.根据权利要求1所述的基于6LoWPAN树型网络的冗余路由方法，其特征在于：步骤105中所述的冗余头包括冗余头Dispatch域、个数域、冗余目的地址域及冗余地址域。

4.根据权利要求3所述的基于6LoWPAN树型网络的冗余路由方法，其特征在于：所述冗余头Dispatch值为11000000到11001111范围，前五位11000标识6LoWPAN冗余头。