基于IPv6的无线传感器网络关键技术研究-北极星电力软件网

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随着互联网在人们生活中的广泛应用，Internet已经成为人们生活中不可缺少的一部分。现在的无线网络已经集成了网络技术、嵌入式技术、微机电系统(MEMS)及传感器技术并将Internet从虚拟世界延伸到物理世界，从而将信息世界与人们生活的真实世界融合在一起，改变了人与自然交互的方式，满足了人们对“无处不在”的网络的需求。

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是集信息采集、信息处理、信息传输于一体的综合智能信息系统，具有广阔的应用前景。IPv6传感器网络是一种新兴的网络形态，它把IPv6技术融入无线传感器网络，采用分层结构构建开发式的网络体系，不仅能解决无线传感器网络间、无线传感器网络与Internet间的互连互通问题，同时解决了无线传感器网络固有的缺点，如需要数量巨大的地址资源、需要实现有效地址管理机制、缺乏应有的安全机制等问题。文章就IPv6技术在无线传感网络组网的应用，概述了相关的关键技术及重点解决问题。

1 IPv6无线传感器网络与现有网络的互联互通方式

IPv6无线传感器网络与现有网络的互联互通主要有两种：直接接入方式、网关接入方式。

(1)直接接入方式

采用移动终端直接与无线传感器网络节点通信的方式进行互联，简化了网络接入的模型，不需要特殊的中间节点或者网关进行转发，直接接入现有网络，成为网络终端，实现与现有网络的无缝融合。IPv6无线传感器网络与现有网络互联互通的直接接入方式如图1所示。

(2)网关接入方式

IPv6无线传感器网络协议栈，将采集的数据通过无线传感器网络路由协议汇聚到网关，由网关对数据的转发处理，接入各种承载网络将信息发送到服务器，网关只需配置相应的接入模块即可。服务器端对监测信息进行处理和分析，并存储到数据库中。用户终端通过现有网络的协议访问服务器，获取IPv6无线传感器网络设备的信息，实现对设备的访问、控制以及有效的管理网关接入方式如图2所示。

IPv6基本协议栈核心协议的最基本功能：

IPv6基本描述协议、ND(邻居发现)协议、ICMPv6(因特网控制报文)协议和IPv6地址的自动配置协议等。IPv6基本描述协议：IPv6数据包的发送、接收、处理等基本功能。ND(邻居发现)协议：邻居发现的地址解析功能，实现邻居请求和邻居通告。CMPv6(因特网控制报文)协议：主要实现控制报文的消息处理，以及对网络诊断功能的回应请求和回应答复。IPv6地址自动配置协议：根据IPv6地址格式的要求，主要实现IPv6链路本地地址的配置和请求节点多播地址的配置。

2 路由算法

通常的路由算法是：首先在目的地址缓存中查找与发送报文目的地址匹配的记录，找不到再在前缀列表中查找与之匹配的记录，还找不到再看是否有默认路由;其中之一匹配成功，得到下一跳地址，如果都不成功，目的地址设为下一跳地址。再查找邻居表，如果有与下一跳地址匹配的记录，用该记录中的MAC地址发送报文;否则，调用地址解析程序解析下一跳IP地址对应的MAC地址，解析成功，更新邻居表，发送报文，解析失败，返回错误。在无线传感器网络中，内部节点只有一个接口，为简化下一跳的选择过程，做如下处理：前缀表中按照前缀长度递减排序，并加上链路本地前缀和默认路由，默认路由前缀长度设置为0，是表中的最后一条记录。这样在选择下一跳时，可顺序查找前缀表，第一个找到的就是最长前缀匹配，即使在真正的前缀中找不到匹配的下一跳，最后一条记录是默认路由，肯定能匹配成功。删去目的地址缓存及其匹配过程。目的地址缓存的目的是提高下一跳选择的效率，在内部节点上的前缀记录实际上只有三条记录：链路本地地址前缀对应的记录;全球弛址前缀对应的记录;默认路由。如果还使用目的地址缓存，不仅消耗内存空间和代码空间。而且实际的查询效率也得不到有效提高。

IPv6的优点之一就是提供灵活的路由机制。由于分配IPv4网络ID所用的方式，要求位于Internet中枢上的路由器维护大型路由表。这些路由器必须知道所有的路由，以便转发可能定向到Internet上的任何节点的数据包。通过其聚合地址能力，IPv6支持灵活的寻址方式，大大减小了路由表的规模。在这一新的寻址结构中，中间路由器必须只跟踪其网络的本地部分，以便适当地转发消息。

邻居发现提供以下一些功能：

(1)路由器发现。这允许主机标识本地路由器。

(2)地址解析。这允许节点为相应的下一跃点地址解析链路层地址(替代地址解析协议)。地址自动配置。这允许主机自动配置站点一本地地址和全局地址。邻居发现将Internet控制消息协议用于IPv6(ICMPv6)消息，这些消息包括：

(3)路由器广告。在伪定期的基础上或响应路由器请求由路由器发送。IPv6路由器使用路由器广告来公布其可用性、地址前缀和其他参数。

(4)路由器请求。由主机发送，用于请求链路上的路由器立即发送路由器广告。

(5)邻居请求。由节点发送，以用于地址解析、重复地址检测，或用于确认邻居是否仍可访问。

(6)邻居广告。由节点发送，以响应邻居请求或通知邻居链路层地址中发生了更改。

(7)重定向。由路由器发送，从而为某一发送节点指示指向特定目标的更好的下一跃点地址。

3 无线传感器网络和有线网络交互及稳定性

本文提出通信网络采用有线网络和无线传感器网络相融合拓扑模型，如图3所示。用现有专用光纤，无线传感器网络具有网络自愈功能，且每个节点都是一个传感器，可采集相关信息数据，同时充当无线网络路由器传输数据。无线传感器网络通过接入节点(Access Point，AP)接入有线网络，将数据通过专用光纤传输至中心监控系统。AP节点是无线传感器网络同有线网络交互的网关节点，同时运行无线网络通信和有线网络通信双协议。

在IPv6协议族中，有线网络数据传输使用硬件地址(MAC)进行识别设备，其中地址解析协议(ARP)完成IP地址和数据链路层使用的硬件地址之间的转换，因此为了保证无线传感器网关在有线网络中的通信，必须要实现ARP协议功能。无线传感网络中节点都还拥有自己唯一的MAC地址，参考TCP/IP下的实现机制，实现Zigbee协议中的适配层和ARP，实现IP地址到Zigbee无线传感器节点地址的映射。协议转化如上图所示，完成数据在Zigbee无线传感器网络和TCP/IP有线网络之间的协议转换过程。

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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