郭 顯，方君麗，張恩展

（蘭州理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

基于cooja仿真器的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)研究

郭 顯，方君麗，張恩展

（蘭州理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中采用集成開發(fā)環(huán)境對(duì)硬件平臺(tái)的依賴性問題，提出基于cooja仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議6LoWPAN協(xié)議，設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)方法及分析網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的方法。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；6LoWPAN；contiki操作系統(tǒng)；cooja

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程是物聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)專業(yè)的核心專業(yè)課程，其內(nèi)容涉及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、通信技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)等內(nèi)容?；跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)有兩種方法，一種是基于特定硬件的商業(yè)化集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)，這種方法的好處是方便易學(xué)，缺點(diǎn)是依賴于特定硬件環(huán)境，開發(fā)系統(tǒng)不便于移植；傳感器設(shè)備差異性較大，如果硬件環(huán)境改變，學(xué)習(xí)者需重新學(xué)習(xí)新的開發(fā)環(huán)境。另一種是基于開源工具搭建開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)，這種方法對(duì)于初學(xué)者而言比較困難，但一旦掌握這些開發(fā)技術(shù)，即能以不變應(yīng)硬件平臺(tái)的萬變。目前一些流行的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱也都是基于集成開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)的，不便于學(xué)生學(xué)習(xí)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課的教學(xué)中，我們基于流行的開源工具搭建仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，使學(xué)生能夠更好地把理論與實(shí)踐相結(jié)合，學(xué)好無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)理論技術(shù)和應(yīng)用開發(fā)技術(shù)，為以后在不同環(huán)境下的應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

Contiki操作系統(tǒng)[1]是一個(gè)輕量級(jí)、開源的適合于資源受限環(huán)境的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，目前已廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的各個(gè)領(lǐng)域。Contiki系統(tǒng)完全支持IETF推出的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議6LoWPAN協(xié)議棧[2]，支持資源受限應(yīng)用層協(xié)議CoAP協(xié)議[3]，contiki操作系統(tǒng)還支持Wireshark[4]網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析工具。Cooja仿真器是contiki操作系統(tǒng)下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真工具，在cooja仿真器中可以仿真目前流行的多種傳感器構(gòu)成的不同傳感器網(wǎng)絡(luò)，在仿真環(huán)境中可以分析網(wǎng)絡(luò)不同層的協(xié)議，cooja仿真工具還可以分析節(jié)點(diǎn)能量使用情況，接收信號(hào)強(qiáng)度、鏈路質(zhì)量等。更重要的是，在cooja仿真環(huán)境中可以開發(fā)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各種應(yīng)用程序。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型

無線傳感器節(jié)點(diǎn)通常部署在感知區(qū)域，如圖1所示，這些分散的傳感器節(jié)點(diǎn)具有采集數(shù)據(jù)并向終端用戶傳輸路由數(shù)據(jù)的能力。因此，傳感器節(jié)點(diǎn)承擔(dān)數(shù)據(jù)源和路由器兩種角色，傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)通過多跳、無基礎(chǔ)設(shè)施的自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)到達(dá)網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)浇K端用戶。相反，用戶可通過網(wǎng)關(guān)向傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令，如控制與節(jié)點(diǎn)連接的各種設(shè)備。網(wǎng)關(guān)與終端用戶間的通信方式可以是以太網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)等。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型

1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧

6LoWPAN協(xié)議是IETF推出的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，其目的是在低功耗無線個(gè)域網(wǎng)上使用IPv6技術(shù)實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)，該協(xié)議完全適合于資源受限傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)教科書中，一般把6LoWPAN協(xié)議也稱為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。6LoWPAN協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 6LoWPAN協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

在使用6LoWPAN協(xié)議棧的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，物理層和鏈路層使用IEEE 802.15.4協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層使用RPL協(xié)議[5]組網(wǎng)，RPL協(xié)議是IETF專為低功耗有損網(wǎng)絡(luò)LLN推出的路由協(xié)議。運(yùn)輸層一般使用傳統(tǒng)TCP/IP協(xié)議簇運(yùn)輸層的UDP協(xié)議，應(yīng)用層使用專為資源受限設(shè)備設(shè)計(jì)的類似于HTTP協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議CoAP協(xié)議。在目前流行的瀏覽器軟件，如Firefox瀏覽器中安裝插件copper[6]就可支持CoAP協(xié)議。

1.3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析工具

Wireshark是一款開源、廣泛使用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析工具，允許對(duì)分組跟蹤嗅探、捕獲和分析，分組跟蹤是對(duì)網(wǎng)絡(luò)上某個(gè)位置的流量的記錄，是對(duì)特定鏈路上傳輸?shù)乃斜忍氐目煺?。分組跟蹤記錄從協(xié)議棧低層到高層的每個(gè)分組的時(shí)間戳，以及構(gòu)成分組的所有比特信息。該工具的使用能夠讓學(xué)生深入理解媒體介入、路由、可靠傳輸、擁塞控制等無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理，能夠深入理解實(shí)現(xiàn)這些機(jī)制的方法，為設(shè)計(jì)新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和改進(jìn)協(xié)議打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)

Contiki操作系統(tǒng)是專為資源受限網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，它完全支持6LoWPAN協(xié)議及CoAP協(xié)議，支持Wireshark網(wǎng)絡(luò)分析工具。我們選擇contiki操作系統(tǒng)的原因是，contiki操作系統(tǒng)中包含一個(gè)功能豐富的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真工具cooja仿真器，它不僅能夠仿真實(shí)現(xiàn)、分析網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，跟蹤網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量消耗情況等，還能夠在仿真環(huán)境下設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)，如設(shè)計(jì)基于CoAP API的應(yīng)用系統(tǒng)等。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

Contiki操作系統(tǒng)的安裝有兩種選擇，可以直接在安裝好ubuntu操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)中安裝contiki操作系統(tǒng)，也可以在Windows操作系統(tǒng)中安裝虛擬機(jī)軟件VMWare，然后下載安裝contiki操作系統(tǒng)的虛擬機(jī)instant contiki，instant contiki是一個(gè)完整的contiki開發(fā)環(huán)境，包括contiki系統(tǒng)，各種開發(fā)工具、編譯工具和仿真工具。Contiki操作系統(tǒng)的文件夾結(jié)構(gòu)如圖3所示。

Contiki對(duì)硬件的要求很低，移植十分方便，cpu文件夾中列出了支持的硬件平臺(tái)，目前已經(jīng)支持8051系列、AVR、MSP430、ARM、ARMCortex、X86等處理器，這樣，方便在不同硬件平臺(tái)上開發(fā)應(yīng)用程序。Examples文件夾中包含了各種應(yīng)用程序開發(fā)實(shí)例，這些應(yīng)用程序可以在應(yīng)用開發(fā)中使用，tools文件夾中包括cooja仿真工具等。

圖3 contiki系統(tǒng)文件夾結(jié)構(gòu)

另外，如果是在ubuntu下直接安裝contiki系統(tǒng)，為了讓ubuntu中的Fixfox瀏覽器支持CoAP協(xié)議，需要安裝Copper插件，還需要安裝Wireshark工具，以便網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析。

2.2 CoAP API

Contiki操作系統(tǒng)中，CoAP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)是基于contiki系統(tǒng)的低功耗REST引擎Erbium（Er）的，CoAP引擎在apps/rest-engine/er-coap-engine.c中實(shí)現(xiàn)，引擎接口由下面的結(jié)構(gòu)體提供，我們把它稱為CoAP 應(yīng)用編程接口API：

可用下面的函數(shù)調(diào)用CoAP引擎：

REST.get_query_variable()；

基本的REST設(shè)計(jì)使用了HTTP協(xié)議或CoAP協(xié)議的POST、GET、PUT和DELETE等方法，Web服務(wù)被看成是由URIs唯一標(biāo)識(shí)的資源（resources）。在Web服務(wù)器上有多種可用的資源，每個(gè)資源都有REST層調(diào)用的處理函數(shù)，以便為客戶請(qǐng)求提供服務(wù)，REST服務(wù)器通過向客戶發(fā)送其請(qǐng)求的資源內(nèi)容作為響應(yīng)。要建立新的CoAP資源時(shí)，可以使用contiki系統(tǒng)中定義的基本“資源”類型：normal resource、parent resource、separate resource、event resource和periodic resource。文件apps/rest-engin/rest-engin.h中給出了這些資源的宏定義。如普通資源的宏定義如下：

普通資源（normal resource）由與資源處理函數(shù)相關(guān)的靜態(tài)uri-path定義，它是所有其他資源類型的基礎(chǔ)。父資源（parent resource）通過評(píng)價(jià)uri-path管理幾個(gè)子資源。

一旦聲明和實(shí)現(xiàn)了資源，需要通過使用以下函數(shù)初始化REST框架，啟動(dòng)HTTP或CoAP進(jìn)程：

void rest_init_engine(void);

然后再用下面的函數(shù)激活每個(gè)聲明的資源：

2.3 應(yīng)用程序舉例

通過簡單應(yīng)用程序可以說明CoAP API的使用方法，假設(shè)本例中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上有光敏傳感器和執(zhí)行器兩個(gè)設(shè)備，光敏傳感器向用戶發(fā)送采集數(shù)據(jù)，執(zhí)行器控制節(jié)點(diǎn)上紅色led燈的開/關(guān)。Examples/er-rest-example/resource文件中的res_ light.c和res_toggle.c中分別定義了rest_light和rest_toggle兩種資源，這兩種資源與節(jié)點(diǎn)上的光敏傳感器和執(zhí)行器相對(duì)應(yīng)，資源聲明如下：

資源聲明中指定資源名稱為res_light，res_ toggle，與它們對(duì)應(yīng)的回調(diào)處理分別是GET（res_get_handler）、POST（res_post_handler），即通過HTTP或CoAP協(xié)議的GET、POST方法就可獲得傳感器采集值或控制節(jié)點(diǎn)紅色led燈的開/關(guān)。

激活這兩種資源的函數(shù)如下：

其含義是資源分別在uri_path標(biāo)識(shí)“sensors/ light”和“actuators/toggle”下可用，函數(shù)的功能是將資源存入資源表。

下面是rest_light和rest_toggle資源對(duì)應(yīng)的靜態(tài)處理函數(shù)，細(xì)節(jié)參見資源定義程序：

2.4 仿真實(shí)現(xiàn)過程

Contiki操作系統(tǒng)下進(jìn)入tools/cooja文件夾，運(yùn)行“ant run”命令啟動(dòng)cooja仿真器，在cooja仿真器中，我們建立如圖5（a）所示的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)是“sky”類型的傳感器節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)1為傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，其上運(yùn)行examples/ ipv6/rpl-border-router/border-router.c程序。在使用6LoWPAN協(xié)議棧的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都使用根據(jù)MAC地址自動(dòng)生成的IPv6鏈路本地地址，所以節(jié)點(diǎn)的地址都是以“fe80”開頭的地址。為了能夠通過互聯(lián)網(wǎng)上的遠(yuǎn)程用戶終端訪問傳感器節(jié)點(diǎn)，需要將鏈路本地地址映射為IPv6的全球單播地址，這一工作由網(wǎng)關(guān)完成。首先通過仿真器的菜單項(xiàng)tools-＞serial scoket-＞sky1打開網(wǎng)關(guān)的偵聽端口，然后打開新的ubuntu終端窗口，使用如下命令即可完成地址映射：

本例中除節(jié)點(diǎn)1外，其他節(jié)點(diǎn)上都運(yùn)行服務(wù)器程序examples/er-rest-example/er-example-server.c，該程序主要是激活定義的各種資源。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)使用RPL路由協(xié)議組網(wǎng)。現(xiàn)在，選擇cooja仿真器的simulation-＞start simulation菜單項(xiàng)就可啟動(dòng)仿真過程。仿真運(yùn)行過程中，遠(yuǎn)程用戶通過瀏覽器訪問網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)1，瀏覽器窗口中就會(huì)列出網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?，如網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)信息以及由路由協(xié)議RPL協(xié)議建立的從網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)到各節(jié)點(diǎn)的路徑信息，如圖5（b）所示，顯然該網(wǎng)絡(luò)是多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。

圖5 仿真實(shí)例

傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)類似于Web服務(wù)器，基于定義的各種“資源”向客戶提供服務(wù)。在安裝了copper插件的Firefox瀏覽器中連接網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，單擊“discover”按鈕后，就會(huì)在瀏覽器“discovering”區(qū)域列出在其上運(yùn)行程序中激活的已定義資源，如前文中介紹的控制傳感器節(jié)點(diǎn)led燈的res_toggle資源，該資源的uri-path為actuators/toggle。圖6（a）顯示了連接網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)4并單擊“discovering”后的結(jié)果。

因?yàn)榕cres_light資源對(duì)應(yīng)的處理函數(shù)是res_ get_()_handler()，所以通過瀏覽器上的“GET” 按鈕就可獲得光敏傳感器采集的數(shù)據(jù)。同理，通過瀏覽器上的“POST”按鈕就可遠(yuǎn)程控制傳感器節(jié)點(diǎn)上的紅色led燈。如圖6（a）中選中“actuators/ toggle”，然后單擊瀏覽器上“POST” 按鈕就可控制節(jié)點(diǎn)4上的紅色Led燈，圖6（b）是單擊之前的狀態(tài)，圖6（c）是單擊“POST”按鈕之后的狀態(tài)。由圖6（c）可知，節(jié)點(diǎn)1通過節(jié)點(diǎn)7向節(jié)點(diǎn)4發(fā)送控制指令控制節(jié)點(diǎn)4上的紅色led燈打開。

圖6 仿真結(jié)果

3 Wireshark網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析

啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)仿真程序之前，選擇cooja仿真器的菜單項(xiàng)tools-＞radio messages打開radio messages對(duì)話框，在radio messages對(duì)話框中選擇analyzer-＞6LoWPAN Analyzer with PCAP菜單項(xiàng)，則在仿真過程中會(huì)自動(dòng)生成wireshark分組跟蹤記錄文件，該文件保存在contiki操作系統(tǒng)的tools/cooja/ build文件夾中，文件擴(kuò)展名是.pcap。這樣，可以在wireshark中打開這些文件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析。例如，圖7顯示了仿真開始時(shí)，節(jié)點(diǎn)間通過交換RPL協(xié)議的控制消息DIS（DODAG Information Solicitation），DIO（DODAG Information Object）和DAO （Destination Advertisment Object）消息建立以網(wǎng)關(guān)為根的有向無環(huán)圖DODAG，節(jié)點(diǎn)進(jìn)而加入RPL網(wǎng)絡(luò)時(shí)的部分分組。圖8顯示了當(dāng)單擊瀏覽器上“POST”按鈕（如圖6（a）所示）時(shí)，節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)4之間交換的部分CoAP分組。如果想觀察分組的細(xì)節(jié)，可以雙擊相應(yīng)分組對(duì)應(yīng)的行，如雙擊圖8中序號(hào)為293的分組，就會(huì)顯示出該分組的詳細(xì)信息，如圖9所示，能夠觀察到6LoWPAN協(xié)議棧的完整信息。

圖7 DODAG建立分組

圖8 CoAP協(xié)議分組

圖9 CoAP分組

4 結(jié) 語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)專業(yè)的核心專業(yè)課程，內(nèi)容涉及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、通信技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)等內(nèi)容，內(nèi)容多，學(xué)習(xí)難度較大。教學(xué)中，我們基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)contiki下的cooja仿真器構(gòu)建仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，便于學(xué)生把理論和實(shí)踐相結(jié)合，在仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上分析網(wǎng)絡(luò)協(xié)議原理，設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)程序。通過實(shí)例分析采用6LoWPAN協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)方法及應(yīng)用程序的開發(fā)過程，并說明基于wireshark工具分析網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的方法。

[1] Contiki： 開源物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)[EB/OL]. [2016-11-13].http：//www.contiki-os.org.

[2] Kushalnagar N, Montenegro G, Schumacher C. IPv6 over low-power wireless personal area networks (6LoWPANs)： Overiew, assumptions, problem statement, and goals (RFC 4919)[EB/OL]. [2016-10-14]. https：//datatracker.ietf.org/doc/rfc4919/.

[3] Shelby Z, Hartke K, Bormann C. Constrained application protocol (CoAP)(RFC 7252)[EB/OL]. [2016-06-28]. https：//tools.ietf.org/ html/draft-ietf-core-coap-18.

[4] Wireshark： 開源網(wǎng)絡(luò)包分析工具[EB/OL]. [2016-10-14]. https：//www.wireshark.org/.

[5] Winter T, Thubert P. Rpl： Ipv6 routing protocol for low-power and lossy networks(RFC 6550)[EB/OL]. [2016-10-13]. https：// datatracker.ietf.org/doc/rfc6550/.

[6] Matthias K. Demo abstract： Human-CoAP interaction with copper[C]//Proceeding of the 7th IEEE International Conference on Distributed Computing in Sensor Systems and Workshops (DCOSS). Washington D C： IEEE, 2011：1-2.

（編輯：郭田珍）

1672-5913(2017)03-0167-06

G642

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61461027）；甘肅省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（145RJZA078）。

郭顯，男，副教授，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)工程、網(wǎng)絡(luò)安全，iamxg@63.com。