基于IPv6的物联网中寻址与路由技术研究

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物联网通过射频识别、智能传感器等技术将普通物品接入互联网中,实现物理世界与信息世界的互联互通,近年来,物联网由于其良好的应用前景而成为学术界与工业界的关注焦点。物联网的体系结构大致可以分为应用层、网络层和感知层,感知层是物联网中数据信息的来源,其主要任务是实现物体识别与信息采集,物联网感知层存在大量资源受限的低功耗无线多跳网络,如无线传感器网络。IPv6是互联网网络层的核心协议,将物联网与IPv6网络融合,使用IPv6地址对物联网节点进行统一寻址,有利于实现物联网中不同网络间的无缝连接。   寻址与路由是通信网络的基础问题,网络需要为其中节点配置唯一的地址,获得地址后,节点间依靠路由协议实现多跳通信。在物联网感知层的无线传感器网络中,终端节点多为低功耗的传感器节点,节点能量、存储空间、计算能力等方面资源均受到限制,物联网中的寻址与路由方式必须考虑到节点资源受限的特点。物联网地址配置协议不仅要能为节点配置具有唯一性的IPv6地址,还应具有轻量化的特点,有尽可能小的开销;物联网路由协议则通常使用基于局部信息构建路由的无状态路由方式,且要具有较小的通信与存储开销。本文深入研究基于IPv6的物联网中的寻址与路由问题,论文的主要贡献如下:   1.6LoWPAN(IPv6 over Low Power Personal Area Networks)实现了在无线传感器网络这样的低功耗无线网络中传输IPv6分组,本文针对如何降低6LoWPAN网络中IPv6地址自动配置协议开销与延时的问题,提出了基于地理极坐标网格(Geographic Polar Coordinate Grid,GPCG)的6LoWPAN寻址策略。该策略将网络划分为多个GPCG网格,节点根据其所在网格无状态配置具有唯一性的IPv6地址。节点配置地址成功后,可按照一定规则对数据包报头中的地址部分进行压缩,并可利用GPCG所配置的地址实现一种无状态的路由算法。仿真结果表明,GPCG策略在为节点配置网络地址时,具有协议开销小、配置延时低的优点,相应的无状态路由算法在路径长度方面也具有较优的性能。   2.基于虚拟坐标的路由是无线传感器网络中一种无需地理位置支持的无状态路由方式,基于局部节点的坐标进行路由选择。本文针对现有基于虚拟坐标的路由技术的缺陷,提出一种适用于无线传感器网络任意节点间通信的路由策略,将其称为基于多树与虚拟坐标的路由(Multi-Tree and Virtual Coordinate basedRouting,MTVCR)。MTVCR策略的特点在于可在保证可靠交付的同时降低路径长度。MTVCR策略首先为每个节点分配两种形式的坐标(标签),一种称为虚拟坐标,另一种称为树标签,然后在路由过程中节点根据所分配的坐标与标签选择下一跳节点。仿真结果表明MTVCR在各种密度及各种规模的网络中均具有较好的性能。最后,我们讨论了在IPv6化的无线传感器网络中MTVCR的实现方式。
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