龔成瑩，何 輝，馬應(yīng)蓮，梁金榮，劉 陽

(蘭州工業(yè)學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

基于低功耗和自組織的無線互聯(lián)的傳感器和執(zhí)行器，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)在智能家居、遠(yuǎn)程監(jiān)測、公共安全、健康監(jiān)測和智能交通等領(lǐng)域發(fā)展迅速[1]。經(jīng)過多年發(fā)展，出現(xiàn)了大量的WSN私有協(xié)議，如MAC層的S-MAC、T-MAC、BMAC和XMAC等，路由層的AODV、LEACH、DYMO、HiLOW和GPSR等[2]，由于缺乏標(biāo)準(zhǔn)，這些協(xié)議的使用范圍較窄，較難推廣。

主流的WSN標(biāo)準(zhǔn)有IEEE802.15.4[3]、ZigBee[4]和ISA100.11a等，由于這些標(biāo)準(zhǔn)采用非IP技術(shù)，在實(shí)際的應(yīng)用中，WSN在需要接入互聯(lián)網(wǎng)時(shí)需要復(fù)雜的應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)，無法實(shí)現(xiàn)端到端的數(shù)據(jù)傳輸和控制，為此，IETF 6LoWPAN(基于IPv6的低速無線個(gè)域網(wǎng)，即IPv6 over IEEE 802.15.4)[5]工作組致力于解決該問題，以使IP網(wǎng)絡(luò)能夠在無線嵌入式設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)中使用。通過實(shí)現(xiàn)輕量級6LoWPAN的IPv6協(xié)議棧，并設(shè)計(jì)專門的鄰居發(fā)現(xiàn)機(jī)制，將IPv6網(wǎng)絡(luò)延伸到無線嵌入式領(lǐng)域，從而實(shí)現(xiàn)了大量嵌入式設(shè)備的端到端IP互聯(lián)[6]，達(dá)到TCP/IP網(wǎng)絡(luò)與無線傳感網(wǎng)絡(luò)的融合目的。本文通過對6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、基本路由和6LoWPAN與IP協(xié)議的研究，設(shè)計(jì)了一種基于簡單LoWPAN的應(yīng)用模型，并采用CC2538芯片實(shí)現(xiàn)6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)的組建和測試。

1 6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)

6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)是一種類似于ZigBee協(xié)議的新型網(wǎng)絡(luò)，利用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，性能較ZigBee更好，可以運(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)接口層，能夠與以IP為基礎(chǔ)的系統(tǒng)相連接，通過6LoWPAN實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議的分層數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)端到端的數(shù)據(jù)通信[7]。

1.1 LoWPAN結(jié)構(gòu)

6LoWPAN采用的適配層技術(shù)使得6LoWPAN節(jié)點(diǎn)能夠應(yīng)用IPv6技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)交換等，其架構(gòu)由低功耗無線局域網(wǎng)(LoWPAN)組成，這些LoWPAN是IPv6的末梢網(wǎng)絡(luò)，分為簡單LoWPAN、擴(kuò)展LoWPAN和自組織LoWPAN三種網(wǎng)絡(luò)[8]。一個(gè)LoWPAN網(wǎng)絡(luò)由節(jié)點(diǎn)和一個(gè)或多個(gè)邊緣路由器組成，其中節(jié)點(diǎn)可以充當(dāng)主機(jī)或路由器在同一個(gè)LoWPAN中的節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)接口共享相同的IPv6地址前綴，這些地址前綴由LoWPAN中的邊緣路由器和路由器分配。LoWPAN節(jié)點(diǎn)與其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信以端對端的方式進(jìn)行，就像TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信一樣，每個(gè)LoWPAN節(jié)點(diǎn)是通過一個(gè)唯一的IPv6地址來標(biāo)識，并可以發(fā)送和接收IPv6數(shù)據(jù)報(bào)。簡單的LoWPAN和擴(kuò)展的LoWPAN比較類似，主要的不同是邊緣路由器的數(shù)量，它們共享相同的IPv6前綴和共同的骨干鏈路，當(dāng)節(jié)點(diǎn)從一個(gè)LoWPAN移動(dòng)到另一個(gè)LoWPAN時(shí)，節(jié)點(diǎn)的IPv6地址隨之改變。

6LoWPAN也可以作為一個(gè)自組織的LoWPAN來運(yùn)行，在這種結(jié)構(gòu)中，必須配置一個(gè)作為簡化的邊緣路由器來實(shí)現(xiàn)唯一本地單播地址和6LoWPAN鄰居發(fā)現(xiàn)注冊功能，自組織網(wǎng)絡(luò)具有本地的IPv6本地前綴，而不是全球地址，并且在該LoWPAN之外沒有路由。

1.2 6LoWPAN協(xié)議棧

互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的重要功能是將異構(gòu)的鏈路互聯(lián)到一個(gè)單一的可互操作的網(wǎng)絡(luò)，這同樣適用于6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)。對互聯(lián)網(wǎng)IP協(xié)議和6LoWPAN進(jìn)行比較如圖1所示。

圖1 IP協(xié)議與6LoWPAN協(xié)議

表面上看這2個(gè)協(xié)議棧比較類似，但是6LoWPAN只支持IPv6，并定義了一個(gè)小型適配層在IEEE802.15.4和類似的鏈路層上優(yōu)化IPv6[9]。6LoWPAN在傳輸層使用UDP協(xié)議，由于性能、效率和復(fù)雜性的原因，6LoWPAN中不常使用TCP協(xié)議[10]。

IPv6與LoWPAN之間的格式自適應(yīng)由邊緣路由器實(shí)現(xiàn)，路由器能夠?qū)崿F(xiàn)雙向透明、有效和無狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，在LoWPAN內(nèi)部，由于所有的壓縮字段被廣播到所有節(jié)點(diǎn)，所以主機(jī)和路由器實(shí)際上并不需要完整的IPv6或UDP報(bào)頭。6LoWPAN中的IP編址與IPv6網(wǎng)絡(luò)一致，長度為128位的IPv6地址，由64位的前綴部分和64位的接口標(biāo)識符組成，通過組合LoWPAN前綴和無線接口的鏈路層地址以無狀態(tài)自動(dòng)配置(SAA)方式自動(dòng)生成IPv6地址。

1.3 路由與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)

數(shù)據(jù)報(bào)在LoWPAN的傳輸往往要經(jīng)過多個(gè)無線跳，這就需要第2層的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和第3層的路由，路由協(xié)議在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上填寫路由信息庫(RIB)或轉(zhuǎn)發(fā)信息庫(FIB)，RIB包含了運(yùn)行路由協(xié)議所需的信息，用于轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)[11]。LoWPAN路由模型如圖2所示。

圖2 LoWPAN路由模型

由如圖2可知，數(shù)據(jù)報(bào)被發(fā)送到某一條連路上，到達(dá)路由器的接口上，路由器在FIB中查找目的地址，通過接口發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)，在一個(gè)LoWPAN中，轉(zhuǎn)發(fā)并不是因?yàn)橐褂?個(gè)不同的鏈路，而是因?yàn)榈?個(gè)節(jié)點(diǎn)可能不在第3個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信范圍內(nèi)，因此，數(shù)據(jù)報(bào)到達(dá)路由器的接口通常也是用于再次發(fā)送該數(shù)據(jù)報(bào)的接口(類似于IP網(wǎng)絡(luò)中的單臂路由[12])。LoWPAN中的路由和轉(zhuǎn)發(fā)既能發(fā)生在IP層之下，也可能發(fā)生在IP層之上。

1.4 6LoWPAN與互聯(lián)網(wǎng)的連接

通過有效地壓縮報(bào)頭和簡化IPv6，6LoWPAN使IPv6可以應(yīng)用到低功耗網(wǎng)絡(luò)的無線傳感設(shè)備中，當(dāng)LoWPAN與其他IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)互聯(lián)時(shí)，還應(yīng)考慮以下幾個(gè)問題[13]。

1.4.1 最大傳輸單元(MTU)

6LoWPAN通過分片和重組實(shí)現(xiàn)IPv6的MTU(1 280 B)[14]，為了減少性能上的損失，應(yīng)盡可能減少數(shù)據(jù)報(bào)的大小，從而避免IPv6數(shù)據(jù)報(bào)分段。

1.4.2 與IPv4的互聯(lián)

目前互聯(lián)網(wǎng)的主流仍是IPv4協(xié)議，而6LoWPAN僅支持IPv6，無法雙棧運(yùn)行，這就面臨IPv6與IPv4相互連接的問題，常見的方法是IPv6-over-IPv4隧道和網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換。

1.4.3 防火墻與NAT

在實(shí)際的互聯(lián)網(wǎng)中，防火墻被廣泛使用，這通常會導(dǎo)致端口阻塞。NAT使IP地址無法直達(dá)，靜態(tài)地址通過NAT往往會被隱藏。

1.4.4 安全性

盡管6LoWPAN在鏈路層上提供了一些安全機(jī)制，但是如同主流的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議一樣，在網(wǎng)絡(luò)層之外的通信依然容易受到攻擊，由于6LoWPAN節(jié)點(diǎn)限制了完整的IPsec[15]的使用，這就增加了應(yīng)用層上端到端的安全性要求。

1.5 6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)模型

6LoWPAN的網(wǎng)絡(luò)由IPv6網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程服務(wù)器、IPv6路由器、6LoWPAN邊緣路由器、6LoWPAN路由節(jié)點(diǎn)(R)和主機(jī)節(jié)點(diǎn)(H)組成[16]，如圖3所示。

圖3 6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)模型

2 6LoWPAN應(yīng)用設(shè)計(jì)

基于嵌入式設(shè)備的6LoWPAN應(yīng)用與其他無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信一樣，需要有一些特殊的設(shè)計(jì)，如節(jié)點(diǎn)芯片、邊緣路由器、協(xié)議棧的集成、嵌入式操作系統(tǒng)和傳感器等。

2.1 節(jié)點(diǎn)芯片

在實(shí)際應(yīng)用中，使用嵌入式微控制器集成6LoWPAN協(xié)議棧，包括單芯片、雙芯片和網(wǎng)絡(luò)處理器3種解決方案，其中單芯片方式使用片上系統(tǒng)射頻技術(shù)，內(nèi)置微控制器；雙芯片方式中的射頻芯片和微控制器是分離的；網(wǎng)絡(luò)處理器方式使用的射頻芯片包含有協(xié)議棧，可以被微控制器使用。

選擇單芯片方式的TI CC2538作為6LoWPAN應(yīng)用的節(jié)點(diǎn)芯片，CC2538是一種集成無線射頻，包含協(xié)議棧的單芯片微控制器。包含ARM Cortex M3的微控制器，具有高達(dá)32 KB的片上RAM和高達(dá)512 KB的片上閃存以及可靠的IEEE802.15.4射頻功能，支持較為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，同時(shí)擁有32個(gè)GPIO接口以及串行外設(shè)接口，具有保持功能的低功耗模式。CC2538還具有強(qiáng)大的調(diào)試系統(tǒng)和綜合性驅(qū)動(dòng)器庫，開發(fā)較為方便[17]。

利用CC2538設(shè)計(jì)的IEEE802.15.4設(shè)計(jì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，天線以及差分到單端的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)(平衡轉(zhuǎn)換器)電路的設(shè)計(jì)較為關(guān)鍵，這關(guān)系到射頻通路指標(biāo)的優(yōu)良性，使得通信距離更優(yōu)越、系統(tǒng)功耗更小、整個(gè)電路系統(tǒng)性能更好。常用的天線設(shè)計(jì)有PCB天線，如倒F天線、螺旋天線等，也可以使用SMA接口的桿狀天線，根據(jù)不同的應(yīng)用來選擇。

2.2 邊緣路由器(6LBR)與Contiki

邊緣路由器6LBR是6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，6LBR網(wǎng)關(guān)使得IPv6互聯(lián)網(wǎng)與WSN(6LoWPAN)網(wǎng)絡(luò)通過低功耗有損網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議(RPL)路由連接起來，從而構(gòu)成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。以CC2538的6LoWPAN開發(fā)板為基礎(chǔ)，在Contiki嵌入式操作系統(tǒng)上運(yùn)行6LBR應(yīng)用程序和UDP服務(wù)器程序，實(shí)現(xiàn)IPv6和IEEE802.15.4協(xié)議之間的協(xié)議適配層，可以使得2種類型的網(wǎng)絡(luò)互通。RPL路由涵蓋鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議(NDP)的功能，并在NDP功能的基礎(chǔ)上又做了很大的改進(jìn)。Contiki實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)使用接口把通過的數(shù)據(jù)包過濾，把以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包和6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包分離開，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[18]。

2.3 應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)組建

基于CC2538的開發(fā)模塊組建6LoWPAN應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示。在測試網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲校褂昧?塊CC2538節(jié)點(diǎn)、1塊ENC28J60以太網(wǎng)模塊、1臺遠(yuǎn)程上位機(jī)和1臺二層交換機(jī)，其中任意一塊CC2538節(jié)點(diǎn)與ENC28J60以太網(wǎng)接口模塊連接都可以作為邊緣路由器[19]，由另外2個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行簡單的溫濕度數(shù)據(jù)采集，節(jié)點(diǎn)所使用的操作系統(tǒng)是Contiki 3.0，各節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)程主機(jī)的IPv6地址如表1所示。

圖4 6LoWPAN測試網(wǎng)絡(luò)

表1 節(jié)點(diǎn)地址

名稱IPv6地址遠(yuǎn)程上位機(jī)bbbb::75d9:45fc:12c9:85656LBR路由節(jié)點(diǎn)(邊緣)bbbb::100數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)1 aaaa::212:4b00:5af:81a1數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)2aaaa::212:4b00:5af:8269

與圖3不同的是，該測試網(wǎng)絡(luò)省去了IPv6網(wǎng)絡(luò)路由器這臺設(shè)備，而直接由LBR節(jié)點(diǎn)來為數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)程主機(jī)自動(dòng)分配IPv6地址。

2.4 應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)測試

2.4.1 IPv6地址分配信息

2.4.2 網(wǎng)絡(luò)暢通性測試

2.4.3 基于UDP的數(shù)據(jù)采集

UDP方式中，將遠(yuǎn)程上位機(jī)作為服務(wù)器端，無線傳感節(jié)點(diǎn)為客戶端，上位機(jī)啟動(dòng)UDP Server后，6LoWPAN節(jié)點(diǎn)作為UDP Client不斷向UDP服務(wù)器(端口號2345)發(fā)送DHT11溫濕度傳感器[20]采集的數(shù)據(jù)，下面簡單描述了6LoWPAN節(jié)點(diǎn)對溫度數(shù)據(jù)的處理和UDP方式的發(fā)送過程。

∥發(fā)送間隔

etimer_set(&p，eriodic_timer，SEND_INTERVAL)；

PROCESS_WAIT_UNTIL(etimer_expired(&periodic_timer))；

∥UDP服務(wù)器的IPv6地址

uip_ip6addr(&ip6addr，0xbbbb，0，0，0，0x75d9，0x45fc，0x12c9，0x8565)；

∥DHT11傳感器采集

DHT11_Inint()；

∥溫度數(shù)據(jù)合成

tempu[0]= Tem_dec+0x30；

tempu[1]= Tem_uni+0x30；

tempu[2]= ’