無線傳感器網絡IPV6地址配置方案探討

張玉學

摘 要：無線傳感器網絡節點眾多，IP地址需求量大，IPV6除了安全性高、可以解決多種設備接入互聯網等優點外，主要能夠提供足夠多的地址。本文分析了靜態和動態無線傳感器網絡的IPV6地址配置的若干方案，分析了它們的優缺點和可行性。

關鍵詞：無線傳感器網絡;IPV6;地址配置;簇;定位

互聯網已經改變人們的生活和工作，現在無線傳感器網絡的一些應用相對成熟，未來的物聯網和泛在網絡將會實現萬物互聯。物體聯網需要IP地址，現行的IPV4網絡地址早在2012年分配完畢。截止到2017年，我國的IPV4地址有3.3億個，但移動互聯網用戶達到了12.4億戶，[1]通過NAT地址轉化、CIDR無類別域間路由等技術暫時緩解了地址短缺問題。但隨著移動“互聯網+”、物聯網等新興產業的發展以及人口的增長，預計2020年僅我國的移動互聯設備總量將達到500億左右，2030年移動互聯設備將超過1千億。IPV6是下一代互聯網，有強大的安全措施，它的無狀態自動地址配置特性能滿足傳感器網絡節點地址自動配置的要求，對節點位置靈活性及移動性有很好的支持，最主要是IPV6網絡的地址長度是128位，能給每人平均分配20億個地址，從根本上解決了IPV4網絡地址短缺的問題。

傳統上根據地址生成方式的不同，地址分配協議分為兩大類：有狀態地址分配協議和無狀態地址分配協議。有狀態地址分配協議是把所有或部分地址放在一個中心設備上，該中心負責給其他設備分配地址，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信息。這種分配方法產生的地址不會重復;無狀態地址分配協議是由節點以隨機的方式在規定范圍內生成一個地址，為了保證地址唯一，節點常用網絡泛洪的方式發送檢驗信息。這種方式對資源有限的節點造成負擔，還會消耗網絡流量。根據無線傳感器網絡的規模和特點選擇不同的IPV6地址配置方案。

一、靜態無線傳感器網絡

這種網絡的特點是節點相對固定，節點間通信較少，主要將信息發送給匯聚節點。譬如監測野生動物出沒、大廈煙霧報警系統等。這種無線傳感器網絡適合有狀態地址分配方式。

（一）動態主機配置協議DHCP

由服務器集中管理和分配IP地址，使主機動態獲得IP地址、Gateway地址、DNS服務器地址等信息，能夠提升地址的使用率。客戶機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是需要DHCP服務器、缺乏靈活性。

（二）MANETconf

沒有中央DHCP服務器，每個節點可以成為其他節點的DHCP服務器。新節點加入網絡時會以廣播的方式探測鄰居節點，最先響應的鄰居節點給它分配一個地址，新節點獲得地址后再把自己的地址廣播告知給其它所有節點，讓其他節點更新自己的地址列表。

這種方法的地址分散在每個節點中，不需要DHCP服務器。缺點是請求和確認地址都是以廣播泛洪的方式通知網絡，會消耗網絡流量，另外，能量和處理能力都有限的節點負擔較重。

二、動態自組網無線傳感器網絡

這種網絡的特點是節點移動，還具備信息存儲、計算和分析能力。節點間相互通信實現信息共享。這種無線傳感器網絡適合無狀態地址分配。

（一）6LoWPAN

即IPV6 over IEEE 802.15.4，無線傳感器網絡分層地址配置方案，IPV6中當節點啟動時，可以自動讀取MAC地址，并根據相關規則配置好所需的IPV6地址，這個特性非常具有吸引力。通過地址初始化過程，每個節點可以配置一個全球唯一的地址，不需要重復地址檢測。

（二）強重復地址檢測SDAD[2]

新節點在初始化時會生成兩個地址：臨時地址和驗證地址。新節點用臨時地址作為源地址，向網絡泛洪地址請求包（ICMP），用以確認驗證地址是否已經被其他節點使用。若是，重復以上操作。若否，新節點就以驗證地址作為自己的地址。這種地址配置方法簡單，缺點是檢驗地址是否使用只在初始化過程，有因網絡分裂或合并、節點進入休眠狀態而造成地址重復，另外，泛洪地址請求包會消耗網絡流量。

（三）基于分簇的IPV6地址配置[3]

將無線傳感器網絡分為多個簇，一個簇由接入節點、固定簇首節點、移動簇首節點和簇成員四個部分組成。節點的地址由全局路由前綴+接入節點ID+簇首節點ID+簇成員ID組成。其中，無線傳感器網絡的全局路由前綴是相同的。這種方法保證了地址的唯一性，同時延遲小。該配置方法的節點結構如下表1組成。

（四）基于定位信息的IPV6地址配置[4]

傳感器節點地址由全局路由前綴+簇首節點地址+簇內節點地址三部分組成。其中，全局路由前綴是相同的，簇首節點地址根據定位信息自動獲得。當簇首節點獲得很多可分配地址時，它采用無狀態地址分配方式為簇內節點分配地址。此時，地址唯一性檢驗只在簇內進行。當簇首節點獲得較少的可分配地址時，它采用有狀態地址分配方法為簇內節點分配地址。不同簇的簇內地址可以重復。本方案在采集數據的同時可以得到數據的定位，但不適應節點密集的網絡。

（五）基于時間信息的IPV6地址配置[5]

傳感器節點地址由全局路由前綴+子網ID+時間戳+隨機數四部分組成。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地址構成的EUI-64接口標記符的u位從“1”變成“0”，這樣使得傳感器網絡節點地址與Internet上的地址永遠不會重復。時間戳是為節點分配地址時的時間。該地址分配方案隨著節點密集度的上升而性能下降。該配置方案的節點地址結構如下表2所示。

未來物聯網節點密度高，范圍廣，節點經常移動。6LoWPAN、基于分簇的、時間和定位信息的無線傳感器網絡IPV6地址配置方案有一定優勢。

參考文獻：

[1]2017年中國IPV6行業發展概況分析[R].行業頻道.https：//www.chyxx.com/industry/201801/606465.html.

[2]張嬌.IPV6無線傳感器網絡的地址自動配置機制研究[D].太原理工大學，2013：16-17.

[3]竇正雄，王曉喃.基于簇的全 IP 無線傳感網地址配置[J].計算機工程，2018：1-2.

[4]王曉喃.基于定位信息的無線傳感器網絡IPV6 地址配置方案[J].計算機應用研究，2011，28（12）：4681-4683.

[5]牟博語.基于IPV6無線傳感器網地址配置和Internet接入技術的研究[D].哈爾濱工業大學，2006：16-19.