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1、(10)申请公布号 CN 102946450 A (43)申请公布日 2013.02.27 C N 1 0 2 9 4 6 4 5 0 A *CN102946450A* (21)申请号 201210517356.3 (22)申请日 2012.12.06 H04L 29/12(2006.01) (71)申请人中国科学技术大学苏州研究院 地址 215123 江苏省苏州市工业园区独墅湖 高教区仁爱路166号 (72)发明人黄刘生 周有松 徐宏力 马全增 盛敏朝 (74)专利代理机构苏州创元专利商标事务所有 限公司 32103 代理人范晴 (54) 发明名称 树形泛在网络中资源受限节点的地址分配方 法。
2、 (57) 摘要 本发明公开了一种树形泛在网络中资源受限 节点的地址分配方法，所述树形泛在网络中存在 唯一的根节点，其他节点有且仅有一个父节点， 中间节点存在若干个子节点，叶节点无子节点， 其特征在于所述方法包括当待分配节点为非根节 点时，待分配节点尝试向其父节点请求加入树形 泛在网络，由待分配节点的父节点按照局部地址 编码格式为其分配地址；当待分配节点为根节点 时，待分配节点直接按照局部地址编码格式为本 身节点分配地址或者由网络网关按照局部地址编 码格式为根节点分配地址。该方法降低了节点的 功耗，可以很好地解决网络拓扑和节点地址频繁 变化造成的问题。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 。
3、说明书6页 附图2页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 2 页 1/1页 2 1.一种树形泛在网络中资源受限节点的地址分配方法，所述树形泛在网络中存在唯一 的根节点，其他节点有且仅有一个父节点，中间节点存在若干个子节点，叶节点无子节点， 其特征在于所述方法包括当待分配节点为非根节点时，待分配节点尝试向其父节点请求加 入树形泛在网络，由待分配节点的父节点按照局部地址编码格式为其分配地址；当待分配 节点为根节点时，待分配节点直接按照局部地址编码格式为本身节点分配地址或者由网络 网关按照局部地址编码格式为根节点分配地址；其中所述局部。
4、地址编码格式中地址最高位 值为0；若地址长度大于1个字节，则除了头字节，地址的剩余字节均以二进制比特10开 始。 2.根据权利要求1所述的地址分配方法，其特征在于所述方法还包括节点进行报文上 行传输时，节点将自己的局部地址拼接到已连接好的地址串末尾，形成新地址，然后将包含 该新地址的报文继续向其父节点传达；如此循环，直至到达树形网络的最顶层。 3.根据权利要求1所述的地址分配方法，其特征在于所述方法还包括进行报文下行传 输时，节点在收到来自父节点的报文后，首先检查报文中第1个地址是否与自身的地址匹 配；若不匹配，则丢弃该报文；若匹配，再判断第2个地址是否为空；若其为空，则表明报文 的目的节点即。
5、为本节点，报文传输完毕；若其不为空，则从第2个地址中剥离出下一跳节点 的地址，向下一跳节点进行传输剥离更新后的报文，继续循环。 4.根据权利要求1所述的地址分配方法，其特征在于所述方法还包括在树形泛在网络 间进行通信时，通过构建节点网内地址与全网地址之间的地址映射。 5.根据权利要求4所述的地址分配方法，其特征在于所述方法中地址映射分为有状 态和无状态两种；有状态的地址转换除待转换的原地址外，还需要表结构来维护映射关系； 无状态的地址转换方法仅从待转换地址和可选的其他常量信息即可完成地址的转换，无需 维护状态信息。 权 利 要 求 书CN 102946450 A 1/6页 3 树形泛在网络中资。
6、源受限节点的地址分配方法 技术领域 0001 本发明属于泛在网络通信技术领域，具体涉及一种基于IEEE 802.15.4标准的泛 在网中资源受限节点地址分配方法。 背景技术 0002 DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）是一种集中式的地址分配协议， 面向传统的TCP/IP网络。DHCP协议设计的目标包括实现在无需人工介入情况下客户端的 自动配置，能够与传统的BOOTP（BootstrapProtocol）协议兼容，单个服务器通过中转站 （Relay agent）可同时为多个子网提供服务。DHCP协议在TCP/IP网络中得到广泛应用，但 是该机制应用。
7、于泛在网或物联网时将面临许多挑战。 0003 DHCP协议不能适应泛在网络拓扑的动态性。在DHCP的应用场景中，一般不会出现 设备频繁的加入或离开网络的情况，网络拓扑相对稳定；而在泛在网中，由于许多应用场景 下节点固有的动态特性（如节点的移动，休眠，停机等），网络拓扑变化频率较高，这就要求 地址分配机制具有相应的具有适应拓扑变化的考虑。从DHCP的设计目标中可以看出，它假 设的网络环境是相对稳定的，并尽量使客户端在每次启动时获得的配置和参数都一致，以 维持这种稳定性。 0004 DHCP协议集中式地址分配方案不适用于泛在网或物联网环境。在DHCP的应用场 景中，要求有固定的服务器负责地址分配，。
8、对于不能够直接服务到的客户端要求有中转站 协助报文转发。一方面，在物联网中，网络一般是临时形成，拓扑变化相对频繁，网络中缺少 这样的基础设施搭建过程。另外一方面，由于节点普遍都为非智能型设备，计算能力和资 源有限，不适合完成集中式的事务处理，在这种硬件环境的约束下，应尽量采用分布式的方 案。 0005 在ZigBeeAlliance,ZigBee.“Zigbee specification.“ZigBee document053474r06,version 1(2006):378;的地址分配方案中，所关注的网络拓扑 结构为树形的。在ZigBee中有3类节点，分别为协调器（Coordinator。
9、）、可路由设备 （Route-capable device）和普通的终端设备（End device）。其中协调器负责网络的启 动，是树形拓扑中的根节点。网络在启动时便决定了整个网络总的可分配地址数，且整个 网络在未来的地址分配方式也在此时固定了，因此属于一种静态类型的地址分配方法。这 种地址分配方法精巧低耗Bhatti,Ghulam,and Gaofeng Yue.“A structured addressing scheme forwireless multi-hop networks.“Mitsubishi Electric Research Laboratori es,Cambridge。
10、,Mass,USA(2005);，但是难以解决如下问题： 0006 1.这种地址分配方法很容易出现地址分配不均的情况Ye,Fujun,andRuifang Pan.“A survey of addressing algorithms for wireless sensornetworks.“Wireless Communications,Networking and Mobile Computing,2009.WiCom09.5th International Conference on.IEEE,2009;，造成资源的浪费和网络的可扩展性不好。从父节点对子节点 分配可用地址数时可以看出，可用。
11、地址大量集中在深度浅的位置，且饱合状态下的网络呈 说 明 书CN 102946450 A 2/6页 4 现出一个对称的结构，而实际情况中树形拓扑的网络通常是非对称的。 0007 2.对路由机制不友好。ZigBee的地址分配策略和地址格式只是尝试给网络中的 每个节点分配一个唯一标识。当报文尝试从上往下传递时，由于地址仅是简单的整数值，无 法从中提取出拓扑相关的信息辅助进行报文路由。 发明内容 0008 本发明目的在于提供一种树形泛在网络中资源受限节点的地址分配方法，解决了 现有技术中树形泛在网络中地址分配策略和地址格式不能满足拓扑变化相对频繁的要求 等问题。 0009 为了解决现有技术中的这些问。
12、题，本发明提供的技术方案是： 0010 一种树形泛在网络中资源受限节点的地址分配方法，所述树形泛在网络中存在唯 一的根节点，其他节点有且仅有一个父节点，中间节点存在若干个子节点，叶节点无子节 点，其特征在于所述方法包括当待分配节点为非根节点时，待分配节点尝试向其父节点请 求加入树形泛在网络，由待分配节点的父节点按照局部地址编码格式为其分配地址；当待 分配节点为根节点时，待分配节点直接按照局部地址编码格式为本身节点分配地址或者由 网络网关按照局部地址编码格式为根节点分配地址；其中所述局部地址编码格式中地址最 高位值为0；若地址长度大于1个字节，则除了头字节，地址的剩余字节均以二进制比特10 开始。
13、。 0011 优选的，所述方法还包括节点进行报文上行传输时，节点将自己的局部地址拼接 到已连接好的地址串末尾，形成新地址，然后将包含该新地址的报文继续向其父节点传达； 如此循环，直至到达树形网络的最顶层。 0012 优选的，所述方法还包括进行报文下行传输时，节点在收到来自父节点的报文后， 首先检查报文中第1个地址是否与自身的地址匹配；若不匹配，则丢弃该报文；若匹配，再 判断第2个地址是否为空；若其为空，则表明报文的目的节点即为本节点，报文传输完毕； 若其不为空，则从第2个地址中剥离出下一跳节点的地址，向下一跳节点进行传输剥离更 新后的报文，继续循环。 0013 优选的，所述方法还包括在树形泛在。
14、网络间进行通信时，通过构建节点网内地址 与全网地址之间的地址映射。 0014 优选的，所述方法中地址映射根据映射转换时的地址查找方法分为有状态和无状 态两种。无状态地址转换无需状态维护机制，而有状态地址转换则通常需要维护转换表来 实现转换功能。 0015 本发明的泛在网中资源受限节点的地址分配方法，首先由父节点为子节点分配一 个局部地址，该局部地址采用本发明中所描述的编码方法，地址数量可随网络规模自适应 调整。地址最高位值为0；若地址长度大于1个字节，则地址的剩余字节以二进制比特10开 始。当一串局部地址顺序连接起来时，可以用于标记每个局部地址的起始字节。 0016 当需要进行网内节点点对点通。
15、信时，可由路径中的所有节点以分布式的方式为端 节点形成用于通信的网内地址，从而保证通信时地址的时效性。形成的方法为：路径中的各 个节点将自己的局部地址拼接到已连接好的地址串末尾，形成新地址，然后将包含该新地 址的报文继续向其父节点传达。父节点执行同样的操作，直至到达通信的另一端节点。 说 明 书CN 102946450 A 3/6页 5 0017 当资源受限节点需要与全网中的主机进行通信时，通过建立节点的网内地址和全 网地址之间的映射，以代理的方法实现全网中的通信。地址的映射包括有状态和无状态两 种方式。其中，有状态的地址管理需要有相应的表节结构来维护地址的映射情况，而无状态 的映射方案则可直。
16、接从一种类型的地址和相关配置参数计算出另一种类型地址的值，无需 状态维护。 0018 本发明针对树形网络提出了一种新的基于802.15.4的泛在网资源受限节点分布 式地址分配方法。其中包括局部地址的生成，编码和管理方法，网内地址的形成机制，全网 地址的分配方法。本发明中描述的方法能够很好的适应资源受限节点通信的需求应用到多 种类型的应用场景中，具有低功耗，可扩展，并能辅助进行路由的特点。 0019 相对于现有技术中的方案，本发明的优点是： 0020 本发明中描述的方法对树形网络的深度没有限制，可用地址的数量和地址的长度 随着网络规模的增长可以实现自适应调整。通常情况下，节点只需维护自身和父节点。
17、的局 部地址即可。当需要自顶向下传输报文时，用于外部通信的全网地址由通信路径上节点的 局部标识动态形成，一方面保证实际使用时地址的有效性，另一方面分布式的方案降低了 对节点能力的需求。本发明中设计的地址结构一方面可用于辅助自顶向下的路由，另一方 面也可以很好地解决网络拓扑和节点地址频繁变化造成的问题。 附图说明 0021 下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述： 0022 图1为本发明技术方案树形泛在网络中资源受限节点进行报文上行传输的原理 图； 0023 图2为本发明技术方案树形泛在网络中资源受限节点进行报文下行传输的原理 图。 具体实施方式 0024 以下结合具体实施例对上述方案做进一步。
18、说明。应理解，这些实施例是用于说明 本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做 进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。 0025 实施例 0026 本实施例的泛在网络为树形网络。除根节点外，其他节点有且仅有一个父节点，叶 节点无子节点，中间节点可有多个子节点。根节点与网关设备相连。 0027 1、节点的局部地址生成，编码和管理 0028 局部地址为整数类型，其长度以字节（octet）为单位。局部地址的长度是可扩展 的，随网络规模的需求而定。地址最高位的比特值为0。若地址长度大于1个字节，则地址 的剩余字节以二进制比特10开始。当一串局部地址顺序。
19、连接起来时，可以用于标记每个局 部地址的起始字节。示意如表1所示。 0029 表1局部地址编码格式 0030 说 明 书CN 102946450 A 4/6页 6 0031 有效位为全零的局部地址保留不使用。以单字节的局部地址为例，除去最高比特， 有效位数为7位，则共可表示127个地址。以双字节的局部地址为例，除去3个特征标记的 比特，有效位数为13位，最多可表示8191个地址。当某节点尝试向父节点请求加入网络时， 就由父节点从中为其分配地址。由此推导可知，父节点可分配的地址数量理论上是没有上 限的。 0032 一般情况下，很少出现一个节点同时拥有超过127个直接子节点的情况。因此，单 字节的。
20、局部地址在很多情况下已经足够使用。若以比特位（bitmap）来标记地址的使用情 况，128个地址仅需要16个字节（128/8）即可完成对地址使用情况的跟踪。对于多字节的 局部地址的管理，可以建议采取如下几个策略： 0033 1）限制可分配地址的总数。若所要管理的地址个数为N，使用比特位的标记来进 行地址分配的管理，则所需要的字节数为N/8。这一方法可行的原因是，即使在泛在网资源 受限节点上，通常N/8字节大小的存储也是可接受的。比如，256个地址也仅需要32个字节 即可完成全部标记。 0034 2）碎片重整，使已分配的地址和未分配的地址集合各自尽量连续。比如，在给新的 子节点分配地址时，使用最。
21、小可用地址，使得已分配的地址向短地址聚集。还可采取进行地 址碎片整理（Defragment），为已有的子节点重新分配地址，降低已分配地址区间和未分配 地址区间的交叉程度。 0035 树形网络中根节点是唯一的，其局部地址的分配可随应用的需求不同作出灵活的 变化；如，节点启动时自行为自己分配，由网关的为其分配（当存在多个树形网络时，该地址 可用作不同网络的标识）等；根节点的局部地址也必须符合本发明中描述的编码方法。 0036 根节点启动后，整个网络的地址分配也即开始。从OSI分层模型来看，本发明所述 的地址分配方法属于网络层，其向下依赖数据链路层所提供的服务。当新节点与网络中某 节点（以下称父节点。
22、）在数据链路层建立关联后，可父节点提出局部地址分配请求。在地址 分配完成前，可用数据链路层的标识对两节点进行标识区分（如IEEE 802.15.4WPAN中节 点的64比特唯一标识）。父节点选好待分配的地址后，将该地址从可分配地址集中去除，然 后向子节点发送地址提供报文。至此一次地址分配交互结束。地址分配失败以超时机制表 现，即子节点在超时时限后未收到地址提供报文则可认为地址分配失败。同理，父节点亦可 以超时的方法来辅助决定是否回收已分配的地址。 0037 2、节点的网内地址 0038 由局部地址的编码方式可知，当多个局部地址拼接在一起时，可通过每个字节前 的特征码从中分离出原始的各个局部地址。
23、。 0039 对于网络中的某些节点，若控制端有对其寻址并发送报文的需求，则当这些节点 从其父节点获得局部地址，加入网络后，可选择依次向上通报自己在网络中的网内地址。这 个网内地址最终的值是通过向上路径中的各个节点共同协作完成的。具体过程为，路径中 说 明 书CN 102946450 A 5/6页 7 的各个节点将自己的局部地址拼接到已连接好的地址串末尾，形成新地址，然后将包含该 新地址的报文继续向其父节点传达。父节点执行同样的操作，直至到达树形网络的最顶层。 过程如图1所示。 0040 当报文到达网络顶端之后，这个网内地址由业务管理逻辑接收存档。当需要自顶 向下与某个节点进行点对点通信时，可通。
24、过这个网内地址向下传达。由于网内地址中已 经包含了路径信息，因此报文的路由过程是一个确定性的过程，无需遍历试错（Trial and error）或额外的路由状态维护。 0041 逻辑上，自顶向下的报文在传输过程中共有2个与目标节点相关的地址： 0042 1）报文下一跳节点的地址； 0043 2）包含余下路径信息的部分网内地址。 0044 节点在收到来自父节点的报文后，首先检查第1个地址是否与自身的地址匹配。 若不匹配，则丢弃该报文；若匹配，再判断第2个地址是否为空。若其为空，则表明报文的目 的节点即为本节点，报文传输完毕。若其不为空，则从第2个地址中剥离出下一跳节点的地 址，剩余部分中包含报文。
25、余下的路径信息，因此第2个地址由该剩余部分更新。过程示意如 图2所示。 0045 3、节点的全网地址分配 0046 网内地址用于在节点所处的树形网络中对其进行唯一标识。局部地址用于在节点 的兄弟节点（Sibling nodes）对其进行唯一标识。当Internet上的主机需要对特定节点 进行寻址时，就需要节点在整个网络中有一个唯一地址。本节描述节点的全网地址分配方 法。 0047 当节点所在的网络有接入Internet的需求时，网关设备本身需要有Internet访 问能力。当Internet上的主机需要访问网络中的特定节点时，需要网关设备为该节点分配 一个全网地址。网络中的节点本身并不需要具有。
26、直接与Internet进行通信的能力，节点与 Internet上的主机之间的通信可以由适配模块完成。适配模块应实现的功能包括地址的映 射转换，报文内容和格式的翻译等。本发明只对其中的地址映射和管理进行描述，报文的具 体格式和与的转换与具体应用相关，不在本发明讨论范围之内。 0048 地址的转换方法可以分为有状态（Stateful）和无状态（Stateless）两种。有 状态的地址转换需要表结构来记录两套地址之间的映射关系，转换时需要进行查表操 作。无状态的地址转换则不需要管理和维护表结构，从一种地址通过计算可以直接导 出另外一种地址Li,X.,and C.Bao.F.Baker,“IP/ICM。
27、P Translation Algorithm.RFC 6145,April,2011;。实际应用中也可以考虑两种方法组合使用。 0049 广义上，网间传输所需的地址转换对应为两个地址集合之间的一一映射关系，即 本发明所描述的泛在网节点网内地址集合和分配给这些节点用于网间通信的地址集合。其 中，对后一种地址的类型并无限定，它随具体应用的场景而定。有状态和无状态的转换方法 针对的是转换过程中所涉及的查找操作。从泛在网的受限特征来说，无状态的转换方法更 适用。 0050 以IPv6地址与节点的网内地址为例，若网关设备可分配的地址块前缀为 2001:/56，则其所分配的地址中共有9个字节（72/8）。
28、可用于主机地址。若资源受限节点 的网内地址长度小于等于9个字节，则可以采用此种无状态转换方法。从网内地址到IPv6 说 明 书CN 102946450 A 6/6页 8 地址的映射只需要在网内地址的前面添加网络地址前缀即可。例如，网内地址0x122712可 被映射为IPv6地址2001:12:2712.从IPv6地址到网内地址的转换只需要去除地址头部 的网络前缀即可。例如，IPv6地址2001:2712在此方法下，转换为网内地址即为0x2712。 若采用有状态的转换方法，则需要管理网内地址以及分配的IPv6地址之间的对应关系。 0051 综上所述，本发明中描述的地址分配方法对泛在网中多类通信需求具有很好的适 应性，包括网内通信，全网通信等；具有低功耗，扩展性良好的优势，本发明具有实质性技术 特点和显著的技术进步，其应用前景非常广阔。 0052 上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是 能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精 神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。 说 明 书CN 102946450 A 1/2页 9 图1 说 明 书 附 图CN 102946450 A 2/2页 10 图2 说 明 书 附 图CN 102946450 A 10 。