無線傳感器網(wǎng)絡(luò)IPV6地址配置方案探討

張玉學(xué)

摘 要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)眾多，IP地址需求量大，IPV6除了安全性高、可以解決多種設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)外，主要能夠提供足夠多的地址。本文分析了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的IPV6地址配置的若干方案，分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn)和可行性。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò);IPV6;地址配置;簇;定位

互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)改變?nèi)藗兊纳詈凸ぷ鳎F(xiàn)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些應(yīng)用相對(duì)成熟，未來的物聯(lián)網(wǎng)和泛在網(wǎng)絡(luò)將會(huì)實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)。物體聯(lián)網(wǎng)需要IP地址，現(xiàn)行的IPV4網(wǎng)絡(luò)地址早在2012年分配完畢。截止到2017年，我國(guó)的IPV4地址有3.3億個(gè)，但移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)用戶達(dá)到了12.4億戶，[1]通過NAT地址轉(zhuǎn)化、CIDR無類別域間路由等技術(shù)暫時(shí)緩解了地址短缺問題。但隨著移動(dòng)“互聯(lián)網(wǎng)+”、物聯(lián)網(wǎng)等新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及人口的增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2020年僅我國(guó)的移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備總量將達(dá)到500億左右，2030年移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備將超過1千億。IPV6是下一代互聯(lián)網(wǎng)，有強(qiáng)大的安全措施，它的無狀態(tài)自動(dòng)地址配置特性能滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)地址自動(dòng)配置的要求，對(duì)節(jié)點(diǎn)位置靈活性及移動(dòng)性有很好的支持，最主要是IPV6網(wǎng)絡(luò)的地址長(zhǎng)度是128位，能給每人平均分配20億個(gè)地址，從根本上解決了IPV4網(wǎng)絡(luò)地址短缺的問題。

傳統(tǒng)上根據(jù)地址生成方式的不同，地址分配協(xié)議分為兩大類：有狀態(tài)地址分配協(xié)議和無狀態(tài)地址分配協(xié)議。有狀態(tài)地址分配協(xié)議是把所有或部分地址放在一個(gè)中心設(shè)備上，該中心負(fù)責(zé)給其他設(shè)備分配地址，它不間斷更新自己的地址分配表，以便記錄已分配地址的狀態(tài)信息。這種分配方法產(chǎn)生的地址不會(huì)重復(fù);無狀態(tài)地址分配協(xié)議是由節(jié)點(diǎn)以隨機(jī)的方式在規(guī)定范圍內(nèi)生成一個(gè)地址，為了保證地址唯一，節(jié)點(diǎn)常用網(wǎng)絡(luò)泛洪的方式發(fā)送檢驗(yàn)信息。這種方式對(duì)資源有限的節(jié)點(diǎn)造成負(fù)擔(dān)，還會(huì)消耗網(wǎng)絡(luò)流量。根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模和特點(diǎn)選擇不同的IPV6地址配置方案。

一、靜態(tài)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

這種網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)相對(duì)固定，節(jié)點(diǎn)間通信較少，主要將信息發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。譬如監(jiān)測(cè)野生動(dòng)物出沒、大廈煙霧報(bào)警系統(tǒng)等。這種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)適合有狀態(tài)地址分配方式。

（一）動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議DHCP

由服務(wù)器集中管理和分配IP地址，使主機(jī)動(dòng)態(tài)獲得IP地址、Gateway地址、DNS服務(wù)器地址等信息，能夠提升地址的使用率?？蛻魴C(jī)獲得地址的過程主要分為四步，如下圖所示。

DHCP分配地址過程圖

該地址配置方法的特點(diǎn)是需要DHCP服務(wù)器、缺乏靈活性。

（二）MANETconf

沒有中央DHCP服務(wù)器，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以成為其他節(jié)點(diǎn)的DHCP服務(wù)器。新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)會(huì)以廣播的方式探測(cè)鄰居節(jié)點(diǎn)，最先響應(yīng)的鄰居節(jié)點(diǎn)給它分配一個(gè)地址，新節(jié)點(diǎn)獲得地址后再把自己的地址廣播告知給其它所有節(jié)點(diǎn)，讓其他節(jié)點(diǎn)更新自己的地址列表。

這種方法的地址分散在每個(gè)節(jié)點(diǎn)中，不需要DHCP服務(wù)器。缺點(diǎn)是請(qǐng)求和確認(rèn)地址都是以廣播泛洪的方式通知網(wǎng)絡(luò)，會(huì)消耗網(wǎng)絡(luò)流量，另外，能量和處理能力都有限的節(jié)點(diǎn)負(fù)擔(dān)較重。

二、動(dòng)態(tài)自組網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

這種網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)移動(dòng)，還具備信息存儲(chǔ)、計(jì)算和分析能力。節(jié)點(diǎn)間相互通信實(shí)現(xiàn)信息共享。這種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)適合無狀態(tài)地址分配。

（一）6LoWPAN

即IPV6 over IEEE 802.15.4，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分層地址配置方案，IPV6中當(dāng)節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)，可以自動(dòng)讀取MAC地址，并根據(jù)相關(guān)規(guī)則配置好所需的IPV6地址，這個(gè)特性非常具有吸引力。通過地址初始化過程，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以配置一個(gè)全球唯一的地址，不需要重復(fù)地址檢測(cè)。

（二）強(qiáng)重復(fù)地址檢測(cè)SDAD[2]

新節(jié)點(diǎn)在初始化時(shí)會(huì)生成兩個(gè)地址：臨時(shí)地址和驗(yàn)證地址。新節(jié)點(diǎn)用臨時(shí)地址作為源地址，向網(wǎng)絡(luò)泛洪地址請(qǐng)求包（ICMP），用以確認(rèn)驗(yàn)證地址是否已經(jīng)被其他節(jié)點(diǎn)使用。若是，重復(fù)以上操作。若否，新節(jié)點(diǎn)就以驗(yàn)證地址作為自己的地址。這種地址配置方法簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是檢驗(yàn)地址是否使用只在初始化過程，有因網(wǎng)絡(luò)分裂或合并、節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)而造成地址重復(fù)，另外，泛洪地址請(qǐng)求包會(huì)消耗網(wǎng)絡(luò)流量。

（三）基于分簇的IPV6地址配置[3]

將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分為多個(gè)簇，一個(gè)簇由接入節(jié)點(diǎn)、固定簇首節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)簇首節(jié)點(diǎn)和簇成員四個(gè)部分組成。節(jié)點(diǎn)的地址由全局路由前綴+接入節(jié)點(diǎn)ID+簇首節(jié)點(diǎn)ID+簇成員ID組成。其中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的全局路由前綴是相同的。這種方法保證了地址的唯一性，同時(shí)延遲小。該配置方法的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如下表1組成。

（四）基于定位信息的IPV6地址配置[4]

傳感器節(jié)點(diǎn)地址由全局路由前綴+簇首節(jié)點(diǎn)地址+簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)地址三部分組成。其中，全局路由前綴是相同的，簇首節(jié)點(diǎn)地址根據(jù)定位信息自動(dòng)獲得。當(dāng)簇首節(jié)點(diǎn)獲得很多可分配地址時(shí)，它采用無狀態(tài)地址分配方式為簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)分配地址。此時(shí)，地址唯一性檢驗(yàn)只在簇內(nèi)進(jìn)行。當(dāng)簇首節(jié)點(diǎn)獲得較少的可分配地址時(shí)，它采用有狀態(tài)地址分配方法為簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)分配地址。不同簇的簇內(nèi)地址可以重復(fù)。本方案在采集數(shù)據(jù)的同時(shí)可以得到數(shù)據(jù)的定位，但不適應(yīng)節(jié)點(diǎn)密集的網(wǎng)絡(luò)。

（五）基于時(shí)間信息的IPV6地址配置[5]

傳感器節(jié)點(diǎn)地址由全局路由前綴+子網(wǎng)ID+時(shí)間戳+隨機(jī)數(shù)四部分組成。其中，前64位全局路由前綴是相同的。后64位遵循IEEE EUI-64格式，把通過MAC地址構(gòu)成的EUI-64接口標(biāo)記符的u位從“1”變成“0”，這樣使得傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)地址與Internet上的地址永遠(yuǎn)不會(huì)重復(fù)。時(shí)間戳是為節(jié)點(diǎn)分配地址時(shí)的時(shí)間。該地址分配方案隨著節(jié)點(diǎn)密集度的上升而性能下降。該配置方案的節(jié)點(diǎn)地址結(jié)構(gòu)如下表2所示。

未來物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)密度高，范圍廣，節(jié)點(diǎn)經(jīng)常移動(dòng)。6LoWPAN、基于分簇的、時(shí)間和定位信息的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)IPV6地址配置方案有一定優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]2017年中國(guó)IPV6行業(yè)發(fā)展概況分析[R].行業(yè)頻道.https：//www.chyxx.com/industry/201801/606465.html.

[2]張嬌.IPV6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的地址自動(dòng)配置機(jī)制研究[D].太原理工大學(xué)，2013：16-17.

[3]竇正雄，王曉喃.基于簇的全 IP 無線傳感網(wǎng)地址配置[J].計(jì)算機(jī)工程，2018：1-2.

[4]王曉喃.基于定位信息的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)IPV6 地址配置方案[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2011，28（12）：4681-4683.

[5]牟博語(yǔ).基于IPV6無線傳感器網(wǎng)地址配置和Internet接入技術(shù)的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006：16-19.