基于IPv6的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

引 言

傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一，一直是國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)，其中無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)部署簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，成本低， 相對(duì)有線傳輸更具有靈活性，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)管理、醫(yī)療、及工業(yè)監(jiān)控等多方面具有廣泛應(yīng)用前景。

目前大多數(shù)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)都不是基于IP 的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，要想使傳感節(jié)點(diǎn)接入IP 網(wǎng)絡(luò)，必須要專門(mén)設(shè)計(jì)一個(gè)支持其他私有協(xié)議的轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，由于網(wǎng)關(guān)固有的復(fù)雜性，協(xié)議轉(zhuǎn)換過(guò)程中很可能會(huì)破壞雙方的網(wǎng)絡(luò)模型，在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)部署后的網(wǎng)絡(luò)管理與故障檢查方面會(huì)有很多不足。端到端IP 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)層采用IP 技術(shù)，具有很好的互通性與穩(wěn)定性，應(yīng)用層可以支持多樣性的需求，相對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)具有很多優(yōu)勢(shì)，支持端到端IP 架構(gòu)的傳感網(wǎng)絡(luò)是未來(lái)迎接大規(guī)模可控傳感網(wǎng)絡(luò)的潛在發(fā)展方向。

但以 IP做基礎(chǔ)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)規(guī)模化應(yīng)用面臨兩個(gè)問(wèn)題 ：IPv4地址枯竭與傳感節(jié)點(diǎn)成本限制。要無(wú)限地延伸網(wǎng)絡(luò)邊界，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)絡(luò)融合與通信，開(kāi)展全網(wǎng)絡(luò)協(xié)同服務(wù)，必須要使全網(wǎng)系統(tǒng)中最基礎(chǔ)層的被標(biāo)記物具有網(wǎng)絡(luò)IP地址 ；傳統(tǒng)IPv4地址資源即將枯竭，而 IPv6協(xié)議具有充足的地址空間，可為需要海量地址的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)[1,2]。另一方面，無(wú)線傳感網(wǎng)

絡(luò)節(jié)點(diǎn)要求體積小且成本低，并且多部署在不易取電的位置，這就要求傳感節(jié)點(diǎn)內(nèi)存資源有限，且工作低功耗 [3]。

為此，結(jié)合低功耗 802.15.4 數(shù)據(jù)鏈路層和物理層協(xié)議及 IPv6 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的 6LoWPAN（IPv6 over Low Power wireless Area Network）協(xié)議棧被 提出，通過(guò) 6LoWPAN 適配層對(duì) IPv6 數(shù)據(jù)包進(jìn)行分片和重組，完成 IPv6 網(wǎng)絡(luò)層與 802.15.4 物 理層的融合 [4-6]。Contiki 是專為內(nèi)存受限的硬件平臺(tái)開(kāi)發(fā)的操 作系統(tǒng)，該系統(tǒng)開(kāi)源且集成了6LoWPAN 協(xié)議棧 [7]。

論文將采用具有6LoWPAN 協(xié)議棧的Contiki 嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)；研制支持 6LoWPAN 協(xié)議棧的IPV4/ IPV6 雙棧邊緣路由器，完成傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)向以太網(wǎng)的轉(zhuǎn)發(fā)； 在教育網(wǎng)IPv6 環(huán)境下搭建基于IPv6 的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。

1 IPv6傳感網(wǎng)絡(luò)總體設(shè)計(jì)

在教育網(wǎng)IPv6 環(huán)境下構(gòu)建如圖 1 所示的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)由IPv6 傳感節(jié)點(diǎn)、IPv6 路由、管理服務(wù)器所構(gòu)成。本設(shè)計(jì)中，無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)采集環(huán)境的溫度、濕度與光照度信息。

基于 6LoWPAN 傳感節(jié)點(diǎn)與IPv6 主機(jī)間的 3 層路由過(guò)程如圖 2 所示。傳感器感知環(huán)境溫、濕度以及光照等信息，將數(shù)據(jù)傳給節(jié)點(diǎn)的主芯片，在主芯片內(nèi)完成對(duì)數(shù)據(jù)包的處理，經(jīng)過(guò) 6LoWPAN 適配層的頭壓縮，將數(shù)據(jù)以 802.15.4 數(shù)據(jù)包格式發(fā)送出去，6LoWPAN 無(wú)線網(wǎng)卡上射頻芯片接收數(shù)據(jù)包，在網(wǎng)卡主芯片完成 6LoWPAN 適配層重組，再經(jīng)過(guò)通用串行總線接口將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到路由器，通過(guò)路由器以 802.3 協(xié)議規(guī)定轉(zhuǎn)發(fā)到IPv6 以太網(wǎng)絡(luò)中。整個(gè)過(guò)程經(jīng)過(guò) IPv6 傳感網(wǎng)關(guān)完成 IPv6 分組的壓縮和解壓縮，執(zhí)行 6LoWPAN 短地址與IPv6 地址的映射，實(shí)現(xiàn)了傳感網(wǎng)絡(luò)與IP 網(wǎng)絡(luò)的融合。

下面將分別對(duì)IPv6 傳感節(jié)點(diǎn)和IPv6 傳感網(wǎng)關(guān)進(jìn)行說(shuō)明。

2 IPv6傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

傳感節(jié)點(diǎn)功能示意圖見(jiàn)圖 3，主要分為主控及通信控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、RF 通信模塊及射頻天線單元等幾部分。

主控模塊采用 Atmel 1284P 作為主芯片， 采用支持6LoWPAN 協(xié)議棧的 Contiki 作為操作系統(tǒng)。通過(guò) Contiki 為傳感節(jié)點(diǎn)分配 IPv6 地址。傳感器選擇SHT11 溫、濕度傳感器以及光敏電阻。節(jié)點(diǎn)射頻部分采用Atmel 的AT86RF231，通過(guò)同步串行與主芯片通信。節(jié)點(diǎn)天線電路采用兩個(gè)SMA 轉(zhuǎn)接頭外置，利用Johanson 公司的 2450BM15A0002 平衡濾波器芯片實(shí)現(xiàn)射頻通信芯片輸出差分信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閱味诵盘?hào)。

3 支持 IPv4/IPv6雙棧的傳感網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

傳感網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)由兩部分構(gòu)成，一部分是IPv6無(wú)線網(wǎng)卡， 另一部分是基于 OpenWRT的IPv6邊緣路由器。

IPv6無(wú)線網(wǎng)卡在IPv6邊緣路由器與傳感節(jié)點(diǎn)間起橋接作用，它同樣采用Contiki作為操作系統(tǒng)，內(nèi)置 6LoWPAN協(xié)議棧， 通過(guò) 6LoWPAN適配層對(duì)IPv6報(bào)文分片與重組。

IPv6 無(wú)線網(wǎng)卡的功能示意圖如圖 4。主要分為主控模塊，射頻通信模塊和射頻天線三部分。主控模塊芯片采用Atmel 公司的 AT90USB1287，射頻模塊芯片同樣采用Atmel 的AT86RF231，天線采用Antenova 公司的小尺寸 2.4 GHz 貼片天線 A5839。

IPv6 無(wú)線網(wǎng)卡與傳感節(jié)點(diǎn)均采用 Contiki 作為操作系統(tǒng)， 通過(guò)一系列進(jìn)程完成數(shù)據(jù)的收發(fā)。

IPv6 邊緣路由器利用市面上已有的基于 OpenWRT 的IPv4 路由器進(jìn)行開(kāi)發(fā)。首先，基于 OpenWRT 的編程將IPv4 路由器升級(jí)，使其同時(shí)支持IPv4/IPv6 雙棧，完成 6LoWPAN IPv6 傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā) ；其次，開(kāi)發(fā)基于 USB 的IPv6 網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)，可以識(shí)別傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包，并通過(guò)路由器Linux 內(nèi)核轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的互通。

圖 5 為邊緣路由器驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)示意圖。整個(gè)驅(qū)動(dòng)分兩個(gè)部分，一個(gè)是 USB 驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)USB 控制器對(duì)插入無(wú)線網(wǎng)卡的識(shí)別，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸 ；另一個(gè)是對(duì)網(wǎng)絡(luò)的驅(qū)動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)對(duì) 6LoWPAN 協(xié)議棧的支持和 IPv6 數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。通過(guò)對(duì)Linux 內(nèi)核的系統(tǒng)資源配置，實(shí)現(xiàn)上述功能。

4 性能測(cè)試

依托 CERNET2 華中地區(qū)主干網(wǎng)華中科技大學(xué)子網(wǎng)，在下一代互聯(lián)網(wǎng)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室按照?qǐng)D 1搭建IPv6聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。通過(guò) Contiki對(duì)節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)卡分配 IPv6地址，6LoWPAN無(wú)線網(wǎng)卡地址 ：2001:250:4000:4407：：1；傳感節(jié)點(diǎn)地址 2001： 250:4000:4407：：1d。地址分配如圖 6所示。

通過(guò)天津教育網(wǎng)對(duì)IPv6 無(wú)線網(wǎng)卡進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連通性測(cè)試， ping 網(wǎng)卡地址結(jié)果如圖7 所示，在遠(yuǎn)端能得到網(wǎng)卡的回復(fù)報(bào)文， 網(wǎng)絡(luò)線路連通正常。

測(cè)試 IPv6 傳感節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)連通性，天津教育網(wǎng) Ping 節(jié) 點(diǎn)地址如圖 8 所示，同樣可以看到，節(jié)點(diǎn)收到發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)包并 且回復(fù)響應(yīng)的報(bào)文，從客戶遠(yuǎn)端到節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)是正常連通的。

客戶終端在管理服務(wù)器通過(guò)傳感節(jié)點(diǎn)的編號(hào)即傳感節(jié)點(diǎn) IPv6 地址查找特定傳感節(jié)點(diǎn)，可以遠(yuǎn)程配置傳感節(jié)點(diǎn)的采樣 時(shí)間與采樣間隔，實(shí)時(shí)查看傳感節(jié)點(diǎn)采集環(huán)境信息如圖 9 所示。

圖 9 通過(guò)管理服務(wù)器遠(yuǎn)程查看傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語(yǔ)

本文將 IPv6 技 術(shù)應(yīng) 用于無(wú) 線傳感 網(wǎng)絡(luò)， 采用具 有 6LoWPAN 協(xié)議棧的 Contiki 嵌入式操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā) IPv6 傳感 節(jié)點(diǎn)和 IPv6 無(wú)線網(wǎng)卡，研制了支持 6LoWPAN 協(xié)議棧的 IPv4/ IPv6 雙棧邊緣路由器。在教育網(wǎng) IPv6 環(huán)境下的測(cè)試表明 ：傳 感節(jié)點(diǎn)及邊緣路由器均支持基于 6LoWPAN 通信協(xié)議，在開(kāi) 發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)上可實(shí)現(xiàn)對(duì) IPv6 傳感節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程管理與 控制。