陳遠(yuǎn)龍 孫知信

摘 要：異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)之一，主要是為了將有線網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有效的集成，實現(xiàn)透明的無縫連接，IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)因其可擴(kuò)展性、通用性、具備成熟的基礎(chǔ)設(shè)施等優(yōu)勢成為當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)異構(gòu)網(wǎng)互通合的研究熱點。本文提出了將6lowpan技術(shù)應(yīng)用于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，從而設(shè)計出一套基于輕量級IPv6技術(shù)的跨網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通系統(tǒng)。系統(tǒng)可實現(xiàn)6lowpan節(jié)點通過一個運(yùn)行6lowpan協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)ip協(xié)議的網(wǎng)關(guān)與一臺運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)ip協(xié)議的遠(yuǎn)程PC機(jī)進(jìn)行通信。

關(guān)鍵詞：IPv6；物聯(lián)網(wǎng)；6lowpan ；輕量級

The analysis and design of interconnectivity prototype system

base on light weight IPv6

CHEN Yuan-long1，SUN Zhi-xin2（1.School of Computer.Nanjing University of Posts & Telecommunications，Nanjing 210003；2.School of Internet of things；Nanjing University of Posts & Telecommunications，Nanjing 210003）

Abstract：Heterogeneous network interconnection is one of the key technologies of Internet of Things（IOT）， to achieve effective integration and seamless connection between wired network and wireless network .Because of its scalability， commonality and mature infrastructure， IP structure becomes the hot spot of the heterogeneous network integration research. This paper uses 6lowpan technologies to design a set of internetwork system.In this system，we can see that a 6lowpan node can communicates with a remote PC which runs ip protocol by a gateway who runs both 6lowpan and ip protocol.

Key words：IPv6；Internet of Things；6lowpan；lightweight

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)是以互聯(lián)網(wǎng)為核心，各通信節(jié)點一般以嵌入式設(shè)備、嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成。通過各種比較先進(jìn)的信息傳感設(shè)備按規(guī)定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。為了實現(xiàn)真實通信節(jié)點的廣泛互聯(lián)，在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)上實現(xiàn)新興無線傳感網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)融合是當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)的一個研究熱點。

本文主要研究并實現(xiàn)一種基于輕量級IPv6的互聯(lián)互通原型系統(tǒng)，通過該原型系統(tǒng)可以實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)接入到傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，這也是實現(xiàn)真正意義的物聯(lián)網(wǎng)最重要的目標(biāo)，即“物物相連”。

2 輕量級IPv6技術(shù)研究現(xiàn)狀

輕量級的IPv6技術(shù)一方面體現(xiàn)在支持低功耗無線傳輸?shù)?LoWPAN適配協(xié)議，另一方面體現(xiàn)在輕量級的TCP/IP協(xié)議棧及其承載系統(tǒng)。

2.1 6LoWPAN研究現(xiàn)狀

IEEE802.15.4[1]是一組低功耗低速率短距離無線傳輸協(xié)議，作為Zigbee WirelessHART，MiWi與6LoWPAN等協(xié)議的基礎(chǔ)，描述了低速率無線個人局域網(wǎng)的物理層和媒體接入控制協(xié)議?；赯igbee協(xié)議[2]的應(yīng)用已經(jīng)遍布于工業(yè)控制、智能測繪、醫(yī)療、家居等各行各業(yè)，但Zigbee協(xié)議棧的獨(dú)立性與非開源性質(zhì)增加了其與傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)及其節(jié)點的交互的難度。

6LoWPAN協(xié)議主要實現(xiàn)了在IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行簡化了的IPv6協(xié)議，通過在鏈路層與IP層間添加適配層實現(xiàn)首部壓縮與數(shù)據(jù)包的分片重裝，很好的實現(xiàn)了IPv6網(wǎng)絡(luò)與低功耗無線網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議適配。目前，IETF 6LoWPAN工作組已經(jīng)形成的三個標(biāo)準(zhǔn)文檔，提出了低功耗網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行IPv6協(xié)議的假設(shè)、問題和目標(biāo)[3]，制定了6LoWPAN的功能以及報文格式[4]，以及基于context的IPHC報文壓縮方法[5]。此外繼續(xù)對簡化的IPv6 Neighbor Discovery協(xié)議[6]，應(yīng)用場景和路由需求等幾個關(guān)鍵的技術(shù)規(guī)范公開標(biāo)準(zhǔn)草案。

大多數(shù)針對6LoWPAN相關(guān)協(xié)議進(jìn)行了分析與相應(yīng)的改進(jìn)，包括首部壓縮技術(shù)[7，8]、鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議與路由協(xié)議[9]。其中，文獻(xiàn)[7]對比分析了兩種IPv6首部壓縮方式HC1與IPHC方式，后者更為全面，文獻(xiàn)[8]在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一套TCP首部壓縮的方法。此外，文獻(xiàn)[10]專門針對6LoWPAN協(xié)議設(shè)計了一套測試方法與系統(tǒng)以自動完成一致性檢測，文獻(xiàn)[22]參考物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模型，提出了一種基于6LoWPAN的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

2.2 輕量級協(xié)議棧及其系統(tǒng)

6LoWPAN及其相關(guān)協(xié)議均需承載于一個完整的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，一個典型的6LoWPAN協(xié)議棧一般包含以下幾個基本元素[11]：無線射頻驅(qū)動、鏈路層協(xié)議、集成6LoWPAN適配功能的的IPv6協(xié)議、UDP、ICMPv6、鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議以及一個類套接字的協(xié)議棧API接口，除此之外，還可能包含一個或多個路由協(xié)議、TCP或者各種集成的應(yīng)用層協(xié)議。嵌入式的6LoWPAN協(xié)議棧通常只要15-20Kb的flash空間，目前應(yīng)用較為廣泛的開源操作系統(tǒng)分別為攜帶BLIP的TinyOS系統(tǒng)[2，5]以及攜帶uIPv6的contiki操作系統(tǒng)[12]。

3 互聯(lián)互通系統(tǒng)設(shè)計

整個系統(tǒng)形態(tài)包含四個主要實體：6lowpan傳感節(jié)點，6lowpan控制器，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)以及PC。

6lowpan傳感節(jié)點采用基于contiki系統(tǒng)的嵌入式單板，實現(xiàn)改進(jìn)的contiki協(xié)議棧，通過網(wǎng)關(guān)完成與標(biāo)準(zhǔn)IPv6主機(jī)之間的互聯(lián)互通；6LoWPAN控制器在試驗階段采用嵌入式單板，主要完成IEEE802.15.4的MAC和PHY層的功能，通過USB接口接入網(wǎng)關(guān)；物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)由6LoWPAN控制器與一臺植入6LoWPAN處理邏輯的Linux網(wǎng)關(guān)構(gòu)成；PC即為一般的個人計算機(jī)。

PC和6LoWPAN傳感節(jié)點可以通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行交互，整體系統(tǒng)架構(gòu)如下圖1所示：

3.1 6LoWPAN傳感節(jié)點

6LoWPAN傳感節(jié)點功能包括如下邏輯：

⑴根據(jù)從網(wǎng)關(guān)獲取的信息生成GUA地址，并向6LBR注冊自己；

⑵響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的IPv6的ping命令；

⑶實現(xiàn)一個定時機(jī)制，定時將溫度值封裝成6LoWPAN數(shù)據(jù)包，發(fā)送給指定IPv6地址的服務(wù)器；

⑷響應(yīng)外部傳過來的“讀溫度值”6LoWPAN數(shù)據(jù)報文，并將當(dāng)前溫度值作為回應(yīng)返回源IPv6地址。

3.2 6LoWPAN控制器

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中6lowpan控制器同樣基于嵌入式單板，作為網(wǎng)關(guān)的一個“6lowpan無線網(wǎng)卡”，在其微處理器中直接實現(xiàn)IEEE Std 802.15.4?-2006對802.15.4MAC層和PHY層功能、格式的定義，并驅(qū)動cc2420完成與802.15.4網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收、發(fā)，通過USB串口驅(qū)動模塊與網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)6lowpan數(shù)據(jù)包及其地址屬性的雙向傳輸。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)

本項目網(wǎng)關(guān)中采用標(biāo)準(zhǔn)linux系統(tǒng)，通過6lowpan驅(qū)動與USB 串口驅(qū)動實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)中標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議棧與6LoWPAN控制器中的802.15.4MAC層的對接。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)最主要的目的是整合6LoWPAN功能，完成6LoWPAN域的組網(wǎng)，并與標(biāo)準(zhǔn)IPv6網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備互聯(lián)互通，即具備6LBR功能。其實現(xiàn)的相關(guān)功能要遵循如下規(guī)范的定義：

⑴RFC4944對6LoWPAN功能、格式的定義；

⑵draft-ietf-6lowpan-nd-18對6LoWPAN，鄰居發(fā)現(xiàn)功能、格式的定義；

⑶RFC6282中對報文頭壓縮功能、格式的定義；

3.4 遠(yuǎn)程PC

遠(yuǎn)程PC在標(biāo)準(zhǔn)IPv6環(huán)境中通過6LoWPAN物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與傳感節(jié)點交互，用于驗證互聯(lián)互通。包括如下應(yīng)用功能：

⑴接收6LoWPAN物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)傳上來的傳感器注冊信息，維護(hù)傳感器信息表；

⑵給指定的IPv6地址（傳感器）發(fā)送讀溫度指令；

⑶接收傳感器主動發(fā)來的信息包，并根據(jù)信息包中的溫度值更新傳感器信息；

本PC以及其他PC能ping傳感器的IPv6地址，并能收到正確回包。

4 關(guān)鍵技術(shù)分析

4.1 6lowpan協(xié)議

6lowpan協(xié)議介于IPv6層與IEEE802.15.4之間，由RFC4944定義。分別在傳感節(jié)點以及網(wǎng)關(guān)上實現(xiàn)，主要通過對IPv6以及UDP首部的編碼壓縮和數(shù)據(jù)包的分片重裝實現(xiàn)數(shù)據(jù)包大小適配功能。

4.2 6lowpan在linux中的實現(xiàn)

將6lowpan協(xié)議的處理邏輯直接放在網(wǎng)關(guān)中的控制器驅(qū)動程序中實現(xiàn)，當(dāng)該無線收發(fā)器接收鏈路層數(shù)據(jù)后直接在該驅(qū)動程序的內(nèi)部對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，經(jīng)過移植在驅(qū)動程序里的6lowpan協(xié)議邏輯處理后將得到ipv6數(shù)據(jù)，驅(qū)動程序再將該ipv6數(shù)據(jù)交與Linux系統(tǒng)中TCP/IP協(xié)議棧的協(xié)議處理函數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

4.3 6lowpan鄰居發(fā)現(xiàn)在linux中的實現(xiàn)

早期的Linux內(nèi)核讓L3（網(wǎng)絡(luò)層）協(xié)議直接調(diào)用鄰居協(xié)議提供的函數(shù)，因此ipv4子系統(tǒng)直接與ARP程序互相作用。在新版本的內(nèi)核中，開發(fā)商分析了不同的協(xié)議的共同要求，并將其抽象為一個新層，稱作鄰居基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

圖2給出了Linux鄰居子系統(tǒng)的主要部分和內(nèi)核中與其交互的其他部分。L3協(xié)議與鄰居層的交互通過一個通用接口，它根據(jù)請求地址映射的L3協(xié)議來使用正確的鄰居協(xié)議（ARP、ND）。

實現(xiàn)方案是對內(nèi)核中提供的通用鄰居接口的實現(xiàn)函數(shù)進(jìn)行修改，在發(fā)送ICPMv6的數(shù)據(jù)包時添加新的選項，用于發(fā)送定制于6lowpan的鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議數(shù)據(jù)包。

需要添加的選項：ABRO（授權(quán)邊界路由選項），6CO（context信息選項），ARO（地址注冊選項）。

需要添加的處理機(jī)制：context的管理與分發(fā)，同時維護(hù)context信息表；收到節(jié)點發(fā)來的攜帶ARO選項的NS消息時，將節(jié)點地址加入鄰居緩存表中并回復(fù)NA消息。

5 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)的廣泛互聯(lián)與融合已成為未來發(fā)展的必然趨勢，在基礎(chǔ)性網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的公共通信平臺之上，實現(xiàn)各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)共性的融合與個性的協(xié)同，是當(dāng)前亟需研究與解決的問題。本文分析設(shè)計的基于輕量級IPv6的互聯(lián)互通原型系統(tǒng)完成6lowpan傳感節(jié)點、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與局域網(wǎng)內(nèi)或外網(wǎng)IPv6主機(jī)的基本交互機(jī)制，通過將6lowpan協(xié)議移植到網(wǎng)關(guān)嵌入式linux系統(tǒng)中實現(xiàn)6lowpan節(jié)點與IPv6主機(jī)的通信，為低功耗無線傳感網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)IPv6網(wǎng)絡(luò)的真正融合奠定基礎(chǔ)。

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