6LoWPAN网络能量均衡与NAT64边缘路由研究

发布时间：2018-09-03 20:56

【摘要】：将无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)扩展到IP网络,实现无线传感器网络和Internet的互联互通,是WSN走向产业化过程中急需解决的问题之一,也是无线传感器网络与Internet发展的必然趋势。此外,无线传感器网络的功耗,一直是限制整个低功耗有损网络生命周期的瓶颈。有效降低网络功耗,特别是根节点周围节点的功耗,关系到整个网络的有效存活时间。但是目前基于6LoWPAN(IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Networks)的边缘路由器存在着只适用与IPv6设备互联、网络报文传输复杂繁琐、边缘路由器映射表复杂而且开销大等缺点,基于RPL的低功耗有损网络中,节点长时间运行后,网络会出现能量不均衡、易波动,路由选择欠佳等问题。针对这些问题本文重点研究了以下内容:(1)引入IEEE 802.15.4地址概念对6LoWPAN网络内报文交互方式与数据包格式进行优化,针对6LoWPAN网络与IPv4互联互通问题,提出一种6LoWPAN与IPv4协议转换机制以及边缘路由器地址映射转换方法。针对6LoWPAN网络能量均衡问题,提出一种RPL(Routing Protocol for LLN)特点的网络模型,针对该模型,设计复合度量的网络能量均衡动态路由算法。(2)对基于NAT64的边缘路由器和基于RPL的能量均衡路由算法进行设计。详细介绍了目前IPv6和IPv4之间的过渡协议,以及RPL目标函数及度量选择。提出适合在8位单片机上运行的协议转换及实现方法,复合度量选取的依据。(3)设计实现了轻量级系统,最后用CoAP(Constrained Application Protocol)协议来访问节点数据,验证系统,实现6LoWPAN网络与IPv4、IPv6网络之间的通信。设计并实现了能量均衡路由算法,并对算法进行仿真。本课题的研究,实现了6LoWPAN与IPv4网络互联通信,提高了6LoWPAN内网络的吞吐量,降低边缘路由器维护地址映射表的开销,提高了边缘路由器效率,有效降低6LoWPAN网络传输数据时的功耗,提高节点生存时间。能量均衡路由算法在保证数据实时性及完整性的情况下实现整个网络的负载均衡,仿真结果显示,该模型适用于RPL类型网络,相应算法能根据度量规则选择最优链路、最优父节点,同时保持网络稳定,有效的延长了网络的有效工作时间。本课题的研究为6LoWPAN与Internet的互联互通,6LoWPAN网络的能量均衡,提供了理论依据及技术支持,对解决6LoWPAN网络的产业化问题以及有效生存时间问题,具有重要的现实意义和使用价值。
[Abstract]:Extending wireless sensor network (Wireless Sensor Networks,WSN) to IP network to realize the interconnection between wireless sensor network and Internet is one of the problems that need to be solved in the process of WSN industrialization. It is also the inevitable trend of the development of wireless sensor network and Internet. In addition, the power consumption of wireless sensor networks has been the bottleneck to limit the whole life cycle of low-power lossy networks. Effectively reducing the power consumption of the network, especially the power consumption of the nodes around the root node, is related to the effective survival time of the whole network. However, at present, the edge router based on 6LoWPAN (IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Networks) is only suitable for interconnection with IPv6 devices, the transmission of network packets is complicated and cumbersome, the mapping table of edge router is complex and expensive, and so on. In the low power consumption lossy network based on RPL, the edge router has some disadvantages. After the node runs for a long time, the network will appear energy imbalance, easy to fluctuate, poor routing and other problems. This paper focuses on the following aspects: (1) introduce the concept of IEEE 802.15.4 address to optimize the packet format and message interaction mode in 6LoWPAN network, aiming at the problem of interconnection between 6LoWPAN network and IPv4. This paper presents a protocol translation mechanism between 6LoWPAN and IPv4 and an address mapping method for edge routers. Aiming at the problem of energy balance in 6LoWPAN network, a network model with RPL (Routing Protocol for LLN) characteristics is proposed. The energy balance dynamic routing algorithm based on compound metrics is designed. (2) the edge router based on NAT64 and the energy equalization routing algorithm based on RPL are designed. The transition protocol between IPv6 and IPv4, RPL objective function and metric selection are introduced in detail. The protocol conversion and implementation method suitable for running on 8-bit single-chip computer are put forward. (3) the lightweight system is designed and implemented. Finally, CoAP (Constrained Application Protocol) protocol is used to access node data and verify the system. The communication between 6LoWPAN network and IPv4,IPv6 network is realized. The energy balance routing algorithm is designed and implemented, and the algorithm is simulated. The research of this subject realizes the communication between 6LoWPAN and IPv4 network, improves the throughput of 6LoWPAN network, reduces the overhead of maintaining address mapping table for edge routers, improves the efficiency of edge routers, and effectively reduces the power consumption when 6LoWPAN networks transmit data. Improve the survival time of nodes. The energy balance routing algorithm realizes the load balance of the whole network under the condition of ensuring the real-time and integrity of the data. The simulation results show that the model is suitable for the RPL type network, and the corresponding algorithm can select the optimal link according to the measurement rules. The optimal parent node, while maintaining network stability, effectively prolongs the effective working time of the network. The research of this topic provides the theoretical basis and technical support for the energy balance of 6LoWPAN and Internet interworking 6LoWPAN network. It has important practical significance and practical value to solve the problem of industrialization of 6LoWPAN network and the problem of effective survival time.
【学位授予单位】：上海海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN92

【参考文献】

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本文编号：2221142