无线传感器网络IPV6地址配置方案探讨

张玉学

摘 要：无线传感器网络节点众多，IP地址需求量大，IPV6除了安全性高、可以解决多种设备接入互联网等优点外，主要能够提供足够多的地址。本文分析了静态和动态无线传感器网络的IPV6地址配置的若干方案，分析了它们的优缺点和可行性。

关键词：无线传感器网络;IPV6;地址配置;簇;定位

互联网已经改变人们的生活和工作，现在无线传感器网络的一些应用相对成熟，未来的物联网和泛在网络将会实现万物互联。物体联网需要IP地址，现行的IPV4网络地址早在2012年分配完毕。截止到2017年，我国的IPV4地址有3.3亿个，但移动互联网用户达到了12.4亿户，[1]通过NAT地址转化、CIDR无类别域间路由等技术暂时缓解了地址短缺问题。但随着移动“互联网+”、物联网等新兴产业的发展以及人口的增长，预计2020年仅我国的移动互联设备总量将达到500亿左右，2030年移动互联设备将超过1千亿。IPV6是下一代互联网，有强大的安全措施，它的无状态自动地址配置特性能满足传感器网络节点地址自动配置的要求，对节点位置灵活性及移动性有很好的支持，最主要是IPV6网络的地址长度是128位，能给每人平均分配20亿个地址，从根本上解决了IPV4网络地址短缺的问题。

传统上根据地址生成方式的不同，地址分配协议分为两大类：有状态地址分配协议和无状态地址分配协议。有状态地址分配协议是把所有或部分地址放在一个中心设备上，该中心负责给其他设备分配地址，它不间断更新自己的地址分配表，以便记录已分配地址的状态信息。这种分配方法产生的地址不会重复;无状态地址分配协议是由节点以随机的方式在规定范围内生成一个地址，为了保证地址唯一，节点常用网络泛洪的方式发送检验信息。这种方式對资源有限的节点造成负担，还会消耗网络流量。根据无线传感器网络的规模和特点选择不同的IPV6地址配置方案。

一、静态无线传感器网络

这种网络的特点是节点相对固定，节点间通信较少，主要将信息发送给汇聚节点。譬如监测野生动物出没、大厦烟雾报警系统等。这种无线传感器网络适合有状态地址分配方式。

（一）动态主机配置协议DHCP

由服务器集中管理和分配IP地址，使主机动态获得IP地址、Gateway地址、DNS服务器地址等信息，能够提升地址的使用率。客户机获得地址的过程主要分为四步，如下图所示。

DHCP分配地址过程图

该地址配置方法的特点是需要DHCP服务器、缺乏灵活性。

（二）MANETconf

没有中央DHCP服务器，每个节点可以成为其他节点的DHCP服务器。新节点加入网络时会以广播的方式探测邻居节点，最先响应的邻居节点给它分配一个地址，新节点获得地址后再把自己的地址广播告知给其它所有节点，让其他节点更新自己的地址列表。

这种方法的地址分散在每个节点中，不需要DHCP服务器。缺点是请求和确认地址都是以广播泛洪的方式通知网络，会消耗网络流量，另外，能量和处理能力都有限的节点负担较重。

二、动态自组网无线传感器网络

这种网络的特点是节点移动，还具备信息存储、计算和分析能力。节点间相互通信实现信息共享。这种无线传感器网络适合无状态地址分配。

（一）6LoWPAN

即IPV6 over IEEE 802.15.4，无线传感器网络分层地址配置方案，IPV6中当节点启动时，可以自动读取MAC地址，并根据相关规则配置好所需的IPV6地址，这个特性非常具有吸引力。通过地址初始化过程，每个节点可以配置一个全球唯一的地址，不需要重复地址检测。

（二）强重复地址检测SDAD[2]

新节点在初始化时会生成两个地址：临时地址和验证地址。新节点用临时地址作为源地址，向网络泛洪地址请求包（ICMP），用以确认验证地址是否已经被其他节点使用。若是，重复以上操作。若否，新节点就以验证地址作为自己的地址。这种地址配置方法简单，缺点是检验地址是否使用只在初始化过程，有因网络分裂或合并、节点进入休眠状态而造成地址重复，另外，泛洪地址请求包会消耗网络流量。

（三）基于分簇的IPV6地址配置[3]

将无线传感器网络分为多个簇，一个簇由接入节点、固定簇首节点、移动簇首节点和簇成员四个部分组成。节点的地址由全局路由前缀+接入节点ID+簇首节点ID+簇成员ID组成。其中，无线传感器网络的全局路由前缀是相同的。这种方法保证了地址的唯一性，同时延迟小。该配置方法的节点结构如下表1组成。

（四）基于定位信息的IPV6地址配置[4]

传感器节点地址由全局路由前缀+簇首节点地址+簇内节点地址三部分组成。其中，全局路由前缀是相同的，簇首节点地址根据定位信息自动获得。当簇首节点获得很多可分配地址时，它采用无状态地址分配方式为簇内节点分配地址。此时，地址唯一性检验只在簇内进行。当簇首节点获得较少的可分配地址时，它采用有状态地址分配方法为簇内节点分配地址。不同簇的簇内地址可以重复。本方案在采集数据的同时可以得到数据的定位，但不适应节点密集的网络。

（五）基于时间信息的IPV6地址配置[5]

传感器节点地址由全局路由前缀+子网ID+时间戳+随机数四部分组成。其中，前64位全局路由前缀是相同的。后64位遵循IEEE EUI-64格式，把通过MAC地址构成的EUI-64接口标记符的u位从“1”变成“0”，这样使得传感器网络节点地址与Internet上的地址永远不会重复。时间戳是为节点分配地址时的时间。该地址分配方案随着节点密集度的上升而性能下降。该配置方案的节点地址结构如下表2所示。

未来物联网节点密度高，范围广，节点经常移动。6LoWPAN、基于分簇的、时间和定位信息的无线传感器网络IPV6地址配置方案有一定优势。

参考文献：

[1]2017年中国IPV6行业发展概况分析[R].行业频道.https：//www.chyxx.com/industry/201801/606465.html.

[2]张娇.IPV6无线传感器网络的地址自动配置机制研究[D].太原理工大学，2013：16-17.

[3]窦正雄，王晓喃.基于簇的全 IP 无线传感网地址配置[J].计算机工程，2018：1-2.

[4]王晓喃.基于定位信息的无线传感器网络IPV6 地址配置方案[J].计算机应用研究，2011，28（12）：4681-4683.

[5]牟博语.基于IPV6无线传感器网地址配置和Internet接入技术的研究[D].哈尔滨工业大学，2006：16-19.