基于分布式ID的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高翔

摘 要：分布式ID標(biāo)識(shí)是基于物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)的設(shè)計(jì)原則而進(jìn)行設(shè)計(jì)的，它在全域物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)有效，即具有全球唯一性，并且能夠充分兼容局域物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)多種短距離傳輸協(xié)議地址分配問題，分布式ID標(biāo)識(shí)借鑒了互聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)存的標(biāo)識(shí)技術(shù)，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)本身的特點(diǎn)，構(gòu)造了一種分段分級(jí)的標(biāo)識(shí)結(jié)構(gòu)，分段的標(biāo)識(shí)結(jié)構(gòu)有助于標(biāo)識(shí)的分配和管理。

關(guān)鍵詞：分布式ID；物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)；設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)

1 分布式ID標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)

1.1 分布式標(biāo)識(shí)結(jié)構(gòu)

目前分布式標(biāo)識(shí)定義為128位，標(biāo)識(shí)中的Flag字段固定為數(shù)字，主要用作物聯(lián)網(wǎng)地址標(biāo)識(shí)，區(qū)別于互聯(lián)網(wǎng)的IP地址尋址；Type字段用于分類局域網(wǎng)的協(xié)議類型編碼，由于局域物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議多類型多樣化特征，設(shè)置Type類型能做到協(xié)議兼容，接下來Company字段用于生產(chǎn)產(chǎn)品的廠商，這個(gè)主要由固定的國際編碼組織分配，而后Classify字段用于產(chǎn)品類別標(biāo)識(shí)，最后剩余的ID字段用于產(chǎn)品編碼，產(chǎn)品編碼可以適應(yīng)于多種類型的協(xié)議，如Zigbee、藍(lán)牙、WiFi，產(chǎn)品編碼ID是通過分布式地址算法得到的，在局域網(wǎng)的路由過程中主要用到ID字段，前面的字段主要供上層應(yīng)用使用。

標(biāo)識(shí)體系中，ID字段占用了64bit，無論是藍(lán)牙無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境還是Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，分配時(shí)都在網(wǎng)絡(luò)中心設(shè)備處將局域的短地址轉(zhuǎn)化為64位，然后拼接上前面的64bit固定前綴，最后形成128位的最終地址。標(biāo)識(shí)前段的64bit是在設(shè)備生產(chǎn)時(shí)就寫定的，一般都是存儲(chǔ)在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中心設(shè)備上，網(wǎng)絡(luò)中心設(shè)備具有對(duì)局域網(wǎng)地址的構(gòu)建能力和解析定位能力。

1.2 分布式標(biāo)識(shí)的構(gòu)造

基于分布式ID的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)的構(gòu)造過程如下：首先網(wǎng)關(guān)設(shè)置物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)值，這個(gè)值通常是固定的，比如：5。此值主要用于區(qū)分標(biāo)識(shí)地址是物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)地址還是IP內(nèi)的地址，這樣做的好處是在地址到達(dá)網(wǎng)關(guān)后，網(wǎng)關(guān)可以根據(jù)標(biāo)識(shí)的類型進(jìn)行進(jìn)一步處理，如果發(fā)現(xiàn)標(biāo)識(shí)值是5，那么網(wǎng)關(guān)就會(huì)把該地址當(dāng)做一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)來處理，否則只是一個(gè)普通的互聯(lián)網(wǎng)地址。當(dāng)一個(gè)實(shí)體需要加入到網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，網(wǎng)絡(luò)為其分配一個(gè)64位的ID，該ID表示了實(shí)體在局域網(wǎng)的地址，而后在網(wǎng)關(guān)設(shè)置局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議類型，如局域網(wǎng)值為8代表是Zigbee協(xié)議，局域網(wǎng)協(xié)議類型值是固定的，每一種短距離傳輸協(xié)議都有一個(gè)協(xié)議類型值，該協(xié)議值在全球唯一，由標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分配定義；協(xié)議類型值代表該局域內(nèi)使用的無線傳輸協(xié)議，這樣做的好處是便于對(duì)64位ID做解析使用，然后網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)置出廠字段和物品分類值，最終形成一個(gè)分布式標(biāo)識(shí)。

2 分布式ID標(biāo)識(shí)實(shí)現(xiàn)

分布式ID標(biāo)識(shí)是在節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，按照地址標(biāo)識(shí)規(guī)則，根據(jù)分布式地址分配算法而得的。分布式地址分配機(jī)制（DAAM）主要基于Lm（網(wǎng)絡(luò)最大深度）、Cm（子節(jié)點(diǎn)最大個(gè)數(shù)）、Rm（父節(jié)點(diǎn)包含的路由子節(jié)點(diǎn)的最大個(gè)數(shù)）三個(gè)重要參數(shù)，DAAM分布的地址呈規(guī)律性，包含了“地址—位置”的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過對(duì)地址的計(jì)算能夠獲得路由信息。分布式地址配置步驟如下：

①網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)地址為0，確定組網(wǎng)參數(shù)Cm、Rm、Lm后，采用泛洪方式通知全網(wǎng)絡(luò)；

②未入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在其鄰居表中查找出未被標(biāo)記且深度最小的潛在父節(jié)點(diǎn)（若有多個(gè)父節(jié)點(diǎn)，則隨機(jī)選擇任一節(jié)點(diǎn)），然后向父節(jié)點(diǎn)周期地發(fā)送地址請(qǐng)求信息，直到父節(jié)點(diǎn)回復(fù)一個(gè)ACK確認(rèn)回復(fù)為止；然后父節(jié)點(diǎn)開始為入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)分配地址；

③地址為AParent的網(wǎng)內(nèi)路由節(jié)點(diǎn)收到未入網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)申請(qǐng)后，它作為父節(jié)點(diǎn)，根據(jù)申請(qǐng)節(jié)點(diǎn)類型和申請(qǐng)順序按照公式（2.1）為該申請(qǐng)節(jié)點(diǎn)分配地址；

Achildren=AParent+Cskip（d）·（n-1）+1 Tchildren=TrouterAParent+Cskip（d）·Rm+n Tchildren=Tend （2.1）

其中：d表示父節(jié)點(diǎn)的深度，等于父節(jié)點(diǎn)距離網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的跳數(shù)Hp，d≤Lm-1；n表示子節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入的順序，1≤n≤Rm；Cskip（d）表示深度為d的路由節(jié)點(diǎn)在分配地址時(shí)的地址偏移量，其計(jì)算方法如公式（2.2）所示。

④當(dāng)潛在父節(jié)點(diǎn)收到加入申請(qǐng)后，若無剩余地址可用于分配，則回復(fù)拒絕加入消息。該申請(qǐng)節(jié)點(diǎn)對(duì)拒絕加入的潛在父節(jié)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，然后返回步驟②進(jìn)行下一輪的加入申請(qǐng)。

3 分布式地址標(biāo)識(shí)解析方法

為了和現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合，分布式地址標(biāo)識(shí)結(jié)合了現(xiàn)有的DNS標(biāo)識(shí)解析過程和IP地址技術(shù)，通過地址的轉(zhuǎn)化和分割過程，實(shí)現(xiàn)全域到局域地址的轉(zhuǎn)換。假設(shè)實(shí)體的物理地址為：1234567；它的128位網(wǎng)絡(luò)地址會(huì)因局域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的不同而不同，假設(shè)實(shí)體現(xiàn)在處于Zigbee網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，那么在實(shí)體接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中心網(wǎng)關(guān)會(huì)給它分配一個(gè)128位的標(biāo)識(shí)碼如：5.8.24.11.668，全球前綴碼5.8.24.11是中心網(wǎng)關(guān)在節(jié)點(diǎn)加入時(shí)已經(jīng)設(shè)定好的，節(jié)點(diǎn)ID由分布式地址分配算法所分配，假設(shè)該網(wǎng)關(guān)注冊(cè)于tscod.com域名下，網(wǎng)關(guān)對(duì)應(yīng)的IP地址是10.112.15.4，標(biāo)識(shí)的解析步驟如下：

①根據(jù)定義的標(biāo)識(shí)結(jié)構(gòu)，標(biāo)識(shí)碼正好可以分為5段，分別是5，8，24，11，268；5

標(biāo)識(shí)當(dāng)前的地址是物聯(lián)網(wǎng)地址，8標(biāo)識(shí)當(dāng)前局域網(wǎng)內(nèi)協(xié)議的類型為Zigbee，24是表示網(wǎng)絡(luò)中心的設(shè)備的生產(chǎn)廠編號(hào)，11是產(chǎn)品分類號(hào)，最后剩余的268是64位的局域網(wǎng)短地址。

②網(wǎng)關(guān)將自身域名后綴和局域地拼接在一起從而生成新的全稱域名：

5.8.24.11.268.268.tscod.com；

③DNS解析服務(wù)器根據(jù)全稱域名會(huì)得到IP地址（該DNS解析器具有對(duì)物聯(lián)網(wǎng)地址的解析），如：域名服務(wù)器讀入全稱域名：5.8.24.11.268.tscod.com，將會(huì)返回10.112.15.4這個(gè)IP地址，這樣地址解析就順利到達(dá)網(wǎng)關(guān)。

④隨后，網(wǎng)關(guān)判斷自身的局域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境（type項(xiàng)），使用64位的局域地址尋址實(shí)體，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)類型，在地址解析時(shí)轉(zhuǎn)化到的短地

址也有所不同，找到實(shí)體之后，獲取該實(shí)體的物理地址，然后根據(jù)物理地址在網(wǎng)絡(luò)中查詢到物聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)信息的交互。