基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)地址分配法

劉 彬, 韓毅剛, 宿國防

(南開大學(xué) 電子信息與光學(xué)工程學(xué)院 天津市光電傳感器與傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300350)

0 引 言

隨著IPv6互聯(lián)網(wǎng)不斷地成熟和發(fā)展，以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks,WSNs)的應(yīng)用也不斷增長[1～6]，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用IPv6通信也成為一種趨勢[7～9]。實(shí)現(xiàn)通信的關(guān)鍵技術(shù)就是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的IPv6地址配置。

目前，國內(nèi)外研究人員提出了多種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)IPv6地址配置方案[10～12]。實(shí)現(xiàn)IPv6自動配置的方法主要有兩種，有狀態(tài)地址分配和無狀態(tài)地址分配[13]。有狀態(tài)地址分配會通過服務(wù)器、客戶端的形式來分配地址。無狀態(tài)地址分配會采用多播的方式通過鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)地址分配[14]，但需要采用多播方式通過鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議對地址進(jìn)行重復(fù)地址沖突檢測，用以確保地址在網(wǎng)絡(luò)中的唯一性。但單獨(dú)的有狀態(tài)地址依賴于服務(wù)器，會產(chǎn)生極大的能量消耗，對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不適合。單獨(dú)的無狀態(tài)地址分配如6LoWPAN[15]雖然通過地址初始化過程可以實(shí)現(xiàn)分配一個全球的唯一地址，并且無需地址重復(fù)檢測，降低了復(fù)雜度，但是沒有考慮節(jié)點(diǎn)之間的層次性和關(guān)聯(lián)性。此外，文獻(xiàn)[16]提出了一種基于簇的全I(xiàn)P無線傳感器網(wǎng)絡(luò)配置方法，實(shí)現(xiàn)有狀態(tài)地址分配與無狀態(tài)地址分配相結(jié)合的方式，具有比較好的層次性，但仍然需要部分重復(fù)地址檢測。

上述的地址配置方法為實(shí)現(xiàn)本文研究奠定了基礎(chǔ)，為此，本文提出了在LEACH協(xié)議成簇[16～18]的同時，也實(shí)現(xiàn)分配IPv6地址的功能，并且地址分配僅由自身節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，而且具有很強(qiáng)的層次性，也無需要重復(fù)地址檢測，具有較低的復(fù)雜度。

1 LEACH下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

為了使LEACH協(xié)議下的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與IPv6網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)深度融合，將傳感器節(jié)點(diǎn)分為3類，與IPv6的網(wǎng)絡(luò)相連接的接入節(jié)點(diǎn)，簇首節(jié)點(diǎn)和簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)。其中，接入節(jié)點(diǎn)和簇首節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于IPv6網(wǎng)絡(luò)中的路由器，具有路由和轉(zhuǎn)發(fā)功能；簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)不具有路由和轉(zhuǎn)發(fā)功能，僅負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，相當(dāng)于IPv6中的主機(jī)。LEACH下的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為2個層次：1)由接入節(jié)點(diǎn)和簇首節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的骨干網(wǎng);2)由簇首節(jié)點(diǎn)與簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的簇。骨干網(wǎng)由一個接入節(jié)點(diǎn)和若干個簇首節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。本文采用由接入節(jié)點(diǎn)出發(fā)，遍歷所有簇首節(jié)點(diǎn)而形成一條通路的結(jié)構(gòu)。具體的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 LEACH協(xié)議下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

2 IPv6地址配置方案

2.1 地址結(jié)構(gòu)

針對簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，本文采用表1和表2地址結(jié)構(gòu)。

表1 簇首節(jié)點(diǎn)地址結(jié)構(gòu)

表2 簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)地址結(jié)構(gòu)

IP地址中全局路由前綴會由接入節(jié)點(diǎn)(基站)向全局廣播，這樣每個節(jié)點(diǎn)都能接收到，減少在后續(xù)過程中的能量損耗。本文后續(xù)地址配置中，就僅闡述除路由前綴的后續(xù)部分。

本文采用簇首節(jié)點(diǎn)地址由其父節(jié)點(diǎn)ID+自身部分MAC地址+自身節(jié)點(diǎn)ID構(gòu)成，這樣一方面會使簇首節(jié)點(diǎn)具有層次結(jié)構(gòu)，另一方面簇首節(jié)點(diǎn)可以通過最多一跳的方式獲知下個簇首節(jié)點(diǎn)。簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)地址由簇首節(jié)點(diǎn)ID+自身部分MAC地址+自身節(jié)點(diǎn)ID構(gòu)成，這樣會直觀地表現(xiàn)出其隸屬于哪個簇。按照本文方法分配的地址，可以保證地址的唯一性。

2.2 地址配置

在地址配置過程中，接入節(jié)點(diǎn)的IPv6地址需要預(yù)先設(shè)定。

1)簇首節(jié)點(diǎn)地址分配

接入節(jié)點(diǎn)會向全簇進(jìn)行廣播其全局路由前綴和自身節(jié)點(diǎn)ID，最先形成的簇首節(jié)點(diǎn)F1會根據(jù)接入節(jié)點(diǎn)的信息，構(gòu)建自己的地址。其中全局路由前綴均一致，父節(jié)點(diǎn)ID為接入節(jié)點(diǎn)ID，MAC位為自身MAC地址的后2位，自身節(jié)點(diǎn)ID為在本網(wǎng)內(nèi)的序號值，主機(jī)位設(shè)置為1。簇首節(jié)點(diǎn)F1會繼續(xù)進(jìn)行一跳傳輸，傳輸信息為自身節(jié)點(diǎn)ID，收到消息的下一個簇首節(jié)點(diǎn)F2會根據(jù)F1的信息，構(gòu)建自己的地址。其中父節(jié)點(diǎn)ID為F1的ID，MAC位為自身MAC地址的后4位，自身節(jié)點(diǎn)ID為在本網(wǎng)內(nèi)的序號值，主機(jī)位第一位設(shè)置為1，其他位置0。依次類推，直至所有簇首節(jié)點(diǎn)地址配置完成。

2)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)分配

簇首節(jié)點(diǎn)會向本簇內(nèi)廣播其父節(jié)點(diǎn)ID,MAC位和自身節(jié)點(diǎn)ID信息，簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)將收到的信息作為自己地址的父節(jié)點(diǎn)ID、MAC位和自身節(jié)點(diǎn)ID，主機(jī)位由自己的MAC地址構(gòu)成，不足的位置置0。依次類推，直至所有的簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)分配完地址。

3 性能評估

為了評估本文方法的性能, 在NS—3仿真平臺上對本文方法進(jìn)行了仿真,參數(shù)設(shè)置如表3所示。并對正常分簇和邊分簇邊分配地址兩者在能量損耗進(jìn)行了對比分析。能量損耗差異在于邊分簇邊分配地址過程會傳輸比正常分簇更多的地址信息，會產(chǎn)生更多的能量損耗。

表3 仿真參數(shù)設(shè)置

當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量為50時，隨著輪數(shù)的增加，能量損耗如圖2所示。可以看出，在輪數(shù)比較少時，分配地址的LEACH算法和傳統(tǒng)的LEACH算法能量損耗差距不大，但隨著輪數(shù)的增加，性能就有一個明顯的下降。原因在于，由于分配地址的LEACH算法傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度會比傳統(tǒng)的LEACH算法更大，在輪數(shù)較少的初期，還不是很明顯，但隨著輪數(shù)增加，數(shù)據(jù)量就會累加很多，性能就與傳統(tǒng)的LEACH算法相比差距逐漸變大。

圖2 節(jié)點(diǎn)數(shù)為50時的平均能量損耗

通過對比圖2～圖4，可以看出，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，分配地址的LEACH算法性能逐漸提升。通過觀察，發(fā)現(xiàn)在其中出現(xiàn)了一個很明顯的拐點(diǎn)，這個拐點(diǎn)出現(xiàn)的原因在于,當(dāng)節(jié)點(diǎn)能量不斷降低時，就無法進(jìn)行正常通信。

圖3 節(jié)點(diǎn)數(shù)為75時的平均能量損耗

圖4 節(jié)點(diǎn)數(shù)為100時的平均能量損耗

由圖2～圖4可見，本文方法的優(yōu)勢在于：1)實(shí)現(xiàn)了一種在分簇過程中同時為節(jié)點(diǎn)分配IPv6地址的功能。2)提出了一種具有層次性的IPv6地址結(jié)構(gòu)，針對簇首節(jié)點(diǎn)和簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)分別設(shè)計了地址結(jié)構(gòu)。3)提出了一種基于分布式的IPv6地址分配，簇首節(jié)點(diǎn)采用有狀態(tài)地址分配，并且僅需一跳就可以完成，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)采用無狀態(tài)地址分配，且無需沖突檢測。所有的地址分配僅僅是由自身完成，僅僅需要接收父節(jié)點(diǎn)的ID信息。4)本文的方法與傳統(tǒng)的LEACH算法相比，雖然能量損耗有所增加，但僅考慮輪數(shù)較少的情況下，二者大致相同。

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)地址分配方法，采用傳統(tǒng)的LEACH算法構(gòu)造的簇結(jié)構(gòu)，在分簇過程中也實(shí)現(xiàn)其分配地址的功能。地址分配采用了有狀態(tài)與無狀態(tài)結(jié)合的方式，并且所有節(jié)點(diǎn)地址僅由自身分配。仿真結(jié)果表明：與傳統(tǒng)的LEACH算法分簇相比，該方法能耗雖然增加了一部分，但在輪數(shù)較低的情況下二者相差很小。