《实现无线传感器网络与IPv6网络互联的一种方案》由会员分享，可在线阅读，更多相关《实现无线传感器网络与IPv6网络互联的一种方案（9页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、精选优质文档-倾情为你奉上实现无线传感器网络与IPv6网络互联的一种方案摘要：本文提出并设计了无线传感器网络与IPv6网络无缝互联的通信模型。此模型提出了一种传感器地址自动配置方案，并在此方案之上实现了传感器节点的自动寻址路由。此外，本模型还提出了一种适用于无线传感器网络的IPv6协议裁剪方案以节省传感器节点的功耗。在实验平台及仿真环境中，实现了此模型并且分析了此模型的性能，实验结果证明了此模型的有效性和正确性。关键词：传感器网络，IPv6网络，路由，协议A Scheme on Implementing the interconnection between Wireless Sensor N
2、etworks and IPv6 NetworksAbstract: This paper proposes and designs a model to implement a seamless communication between a wireless sensor network and an IPv6 network. This model creates an automatic address configuration algorithm in a sensor network and based on the algorithm this model performs a
3、utomatic routing and addressing. In addition, this model puts forward a reduced IPv6 protocol stack to save a sensor nodes power. This model is implemented in both an experimental platform and a simulation environment respectively, and its performance is analyzed. The experimental data prove the val
4、idity and correctness of this model.Key Words：Sensor network, IPv6 network, routing, protocol1 前言无线传感器网络通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算机世界以及人类社会三元世界的连通。目前，它已经成为当前国际上备受关注的、知识高度集成的前沿热点研究领域之一。传感器网络具有十分广阔的应用前景，在军事国防、环境监测、危险区域远程控制等许多重要领域都有着潜在的实用价值，己经引起了
5、学术界和工业界的高度重视。就无线传感器网络而言，它必须和一个外部网络连接在一起，使外部网络可以监测和控制无线传感器网络，只有这样，无线传感器网络才具有更真实的实用价值。因此，无论从地理范围还是从网络规模来讲，Internet互联网都是外部网络的一个最好选择。因为Internet遍布全球，TCP/IP的广泛应用也已经使其成为有线网络事实上的协议标准，并且它的应用范围正逐步向无线领域拓展，此外，IPv6的很多良好特性使得某些无线传感器网络的应用成为可能，因此实现无线传感器网络和Internet网络的通信具有重大意义。但是，由于有关如何实现无线传感器网络与IPv6网络互联的研究才刚刚起步，因此还有很
6、多问题需要进一步研究和讨论。2 关键技术无线传感器网络作为当今信息领域新的研究热点，有很多关键技术有待进一步研究，这些关键技术主要是：1）地址自动配置地址自动配置是IPv6的一个重要技术特色，可以在无人干预的情况下为每个接口配置相应的IPv6地址。这一点与无线传感器网络自组织、自配置的设计目标非常吻合。但是，现有的IPv6地址自动配置方式在无线传感器网络中还存在一些问题，例如传感器节点可能没有类似于MANC地址的唯一标识，因此无法完成地址的无状态自动配置，此外，目前的IPv6地址配置方案对传感器节点间的路由寻址未带来任何方便等等。因此，传感器地址自动配置的工作还有待于进一步研究。2）传感器节点
7、的定位信息无线传感器网络的工作区域很广，适用于人们无法接近的恶劣或特殊环境，传感器节点主要通过飞行器撒播、人工埋置和火箭弹射等方式任意散落在被监测区域内，节点的位置信息都是随机的。在某些情况下，节点所采集到的数据，若没有位置信息几乎是没有应用价值的。所以，在无线传感器网络的某些应用中，节点的定位就成为了关键问题。获得节点位置信息的直接想法是使用全球定位系统（global positioning system，GPS），但是，由于传感器节点的数量非常巨大，达到数千甚至数万，因此采用GPS定位传感器节点的成本太高。另外，传感器节点是采用电池供电，其能量十分有限，而且无法补充。因此，如何以最小的代价
8、使外部网络获取传感器节点的定位信息是一个亟待解决的问题。3）路由问题由于传感器的电量、存储器以及处理器都受到一定限制，因此必须要在无线网络与IPv6网络的互联中寻求一种有效的、节能的路由算法以延长传感器的寿命。4）IPv6协议栈优化由于无线传感器网络资源受限，而IPv6最初并没有考虑嵌入式应用，因此，要在储存器和处理器极其有限的传感器节点上实现IPv6协议还有很多问题需要解决，必须对IPv6协议栈进行剪裁（如报文压缩、适当剪裁协议功能等）以适合传感器网络的使用。3 相关工作目前，针对无线传感器网络已经提出了很多种路由协议1-10。但是，上述这些路由算法只适用于传感器网络内部节点之间的寻址路由，
9、而不能有效地用于传感器节点与有线网络特别是Internet网络节点之间的路由寻址。对于网络协议的剪裁，研究人员提出了很多方法，如协议映射、同态、概率搜索以及其他方法12-15，但是这些方法中绝大部分是指数级时间和空间复杂度，并不适用于传感器网络使用。 参考文献16提出了一种利用移动IPv6技术实现传感器网络与IPv6网络互连的方案，但是此方案只是阐述了传感器与IPv6节点之间的通信流程以及仿真结果，并没有提出IPv6有效的地址分配策略以及IPv6协议栈剪裁策略。参考文献11提出了一种分布式的、基于地理位置信息的传感器节点地址自动分配方案，但此方案是建立在IPv4基础之上的，并不能满足未来传感器
10、网络与IPv6 Internet网络互联的需求。综上所述，如何实现无线传感器网络与IPv6网络的互联通信这一个课题还有待进一步探讨和研究。在这种情况下，本模型提出了一种传感器网络与IPv6网络的互联方案，在此方案中传感器节点可以自动定位并且根据定位信息自动配置IPv6地址。下面的章节对此模型进行详细的分析与讨论。4 通信模型本模型定义IPv6网络与无线传感器网络的接入网关称作IPv6接入网关，并且IPv6接入网关是固定节点，不受电量与存储空间等硬件条件的限制。4.1 传感器节点地址格式根据IPv6地址的分层结构以及传感器节点自身特点，本模型对传感器节点采用如下的地址格式：31382416488
11、8FPSensor Network ID(Prefix)Horizontal Ordinate Vertical Ordinate在本模型中，一个传感器节点的IPv6地址分为4个部分，第一部分是可聚合全局地址格式前缀，取值范围与Unicast相同，即001；而随后的109比特是第二部分，即传感器网络ID（地址前缀），一个传感器网络中所有传感器节点的IPv6地址的网络ID（地址前缀）都相同；第三部分是传感器节点的横坐标；第四部分是传感器节点的纵坐标。在本模型中，由于传感器节点利用坐标来定位自身位置，因此，根据本模型的地址格式定义，传感器节点位于一个256256单位距离的坐标系工作区域内，单位距离
12、可以根据工作区域的尺寸自行定义。如果在某些场合此地址格式无法满足传感器节点的数量或者工作区域的坐标精度要求，那么还可以根据需要来更改传感器节点坐标的比特位数，例如：将第二部分设置为93比特，横坐标设置为16比特，纵坐标也设置为16比特。在本模型中，如果一个新的传感器节点加入传感器网络，它首先会获取一个IPv6地址以便与其它（传感器节点或者IPv6节点）节点进行通信。传感器节点的IPv6地址分为两个部分，即112比特传感器网络ID（前缀）与16比特传感器节点ID，其中，112比特传感器网络前缀来源于IPv6接入网关的IPv6地址前缀，而传感器节点ID的前边8比特来源于传感器节点自身定位信息的横坐
13、标，后边8比特来源于纵坐标。如图1所示。4.2 传感器节点定位原理本模型采用的传感器定位算法分为测距、定位和求精三个阶段。在测距阶段，定位算法采用了DV-hop算法的思想，首先使用典型的距离矢量交换协议，使传感器网络中所有节点获得距离锚节点的跳数。在定位阶段，锚节点获得其他锚节点位置和相隔跳距后，它会计算出网络平均每跳距离，然后将其作为一个校正值广播至网络中。当接收到校正值后，传感器节点根据到达锚节点的跳数计算出与锚节点的距离。这里，采用了最小二乘法(Lateration)进行计算，当未知节点获得与3个或3个以上锚节点（xi，yi）的距离di时，可以推算出以下计算公式： （1）由式（1）可推出
14、：（2）令：（3）利用公式(2)，(3)可求得：，最后利用公式：来判断所求的结果是否有效，当residue超过无线射程时，结果是无效的。 在求精阶段，节点测量得到所有一跳邻居的距离并依次更新自己的位置。该算法的所有位置计算都使用最小二乘法。算法引入了置信度来提高求精阶段的性能，置信度被用来在三边定位中加权。当未知节点更新其位置估计时同样也更新其置信度。这样，网络的平均置信度将随迭代而增加，提高了覆盖度和精度。该算法的定位精度比较高，在网络连通度较高的情况下能较好地容忍距离误差。4.3 传感器节点获取IPv6地址根据4.2小节的描述，本模型中的传感器网络与三个IPv6接入网关G、G和G相连，其中
15、G的坐标为（0，0），G和G构成了整个传感器网络的横坐标，G与G通过GPS定位系统来获取它相对于G的相对位置，即坐标值。本模型中，已经加入传感器网络的节点需要保存它所在位置的坐标信息（2个字节）。本模型中传感器节点通过4.2小节所描述的算法获取自己的定位坐标x，y，并且构成16比特的内部地址，当传感器节点与外界IPv6节点进行通信时，由所经过的IPv6接入网关将IPv6地址的前缀与传感器的内部地址组合构成完整的IPv6地址，然后发送到IPv6网络中。由于本模型中具有相同坐标的传感器节点可能产生多个，这样导致可能有多个传感器节点拥有相同的IPv6地址，因此本模型采用的地址分配策略有如下好处：1）
16、由于拥有相同IPv6地址的传感器节点的距离都很相近（在同一个坐标区域内），因此对本坐标区域所采集到的信息可以起到一个备份镜像的作用，例如，当某个节点电量不足失效时，另外一个节点可以提供相关有效的信息；2）由于本模型采用节点坐标信息进行路由，因此，多个具有相同坐标的节点可以形成多个路由路径，从而具有负载均衡的作用。但是，由于IPv6通信是通过IP层地址与传输层端口号来实现的，因此多个传感器节点具有相同的IPv6地址可能会带来通信问题，例如，具有相同IPv6地址的传感器可能采用相同的端口号与外界节点进行通信，这会带来通信混乱。具体的解决办法参见4.6小节。图1传感器节点获取IPv6地址Fig1 A sensor node acquiring an IPv6 addresss
