基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)邊界路由器的設(shè)計方案

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,WSN)近年來發(fā)展迅速，在環(huán)境保護、工業(yè)設(shè)備監(jiān)控、醫(yī)療監(jiān)護、農(nóng)田監(jiān)測、智能家居、市政交通管理、軍事偵察等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的諸多應(yīng)用都需要遠(yuǎn)程用戶能夠方便地對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源進行訪問、控制和使用。TCP/IP的廣泛應(yīng)用已經(jīng)使其成為事實上的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，加之IPv6 的諸多優(yōu)良特性，都使得實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與IPv6網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)與融合是當(dāng)前最現(xiàn)實的選擇。

目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與IPv6 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)主要有網(wǎng)關(guān)接入和直接接入兩種方式。其中，網(wǎng)關(guān)接入是指利用網(wǎng)關(guān)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和IP 網(wǎng)絡(luò)之間進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，但是網(wǎng)關(guān)接入還存在著網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高等諸多問題;直接接入方式是指在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點直接運行IPv6 協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)的無縫融合。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是低速率、低功耗的資源受限網(wǎng)絡(luò)，在無線傳感器節(jié)點上并不適合直接運行標(biāo)準(zhǔn)IPv6協(xié)議。

本文提出了一種基于JN5148模塊的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)邊界路由器的設(shè)計方案，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與IPv6 網(wǎng)絡(luò)的無縫融合，并通過實際測試證明了該方案的可行性。

1 邊界路由器硬件設(shè)計

邊界路由器硬件包括射頻模塊、處理器模塊和電源模塊等部分。其中，射頻模塊負(fù)責(zé)IEEE 802.15.4 數(shù)據(jù)幀的收發(fā);處理器模塊負(fù)責(zé)解析收到的數(shù)據(jù)幀，選擇路徑后進行轉(zhuǎn)發(fā)處理;電源模塊負(fù)責(zé)對其他模塊供電。邊界路由器的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 射頻模塊

目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域面向不同應(yīng)用的協(xié)議棧眾多，其中絕大部分協(xié)議棧都把IEEE 802.15.4作為物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的無線通信標(biāo)準(zhǔn)。支持IEEE 802.15.4的射頻模塊主要有Jennic 公司的JN5148、Ember250、MC13192、TI公司的CC2430 和Digi公司的XBEE 模塊。

其中，JN5148模塊將射頻芯片與處理器集成一體，內(nèi)置了IEEE 802.15.4 協(xié)議，不需要自行設(shè)計無線射頻天線接口，開發(fā)成本較低，本文設(shè)計中選用Jennic 公司的JN5148 模塊作為邊界路由器的處理器和射頻模塊。

JN5148模塊集成了基于OpenRISC核的32位RISC處理器，擁有完全兼容2.4 GHz IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)器，128 KB 的RAM 運行應(yīng)用程序，512 KB 的FLASH能夠滿足包括存儲應(yīng)用程序在內(nèi)的大部分需求。

1.2 串行通信接口設(shè)計

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量較小，對網(wǎng)絡(luò)帶寬要求不高，因此邊界路由器與Internet網(wǎng)絡(luò)之間可以采用UART串行總線連接。目前，各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中普遍應(yīng)用USB接口，可以使用轉(zhuǎn)換電路將USB接口轉(zhuǎn)換為UART串行總線接口，本文選擇FTDI232R芯片完成電平匹配和接口轉(zhuǎn)換，F(xiàn)TDI232R 是一款可編程的USB 接口轉(zhuǎn)UART 接口的集成芯片，具有3.3 V電壓輸出，可編程顯示數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)。具體電路如圖2所示。

2 邊界路由器軟件設(shè)計

2.1 協(xié)議棧框架設(shè)計

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計的核心，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)、節(jié)點與邊界路由器以及節(jié)點與節(jié)點之間數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)。為了滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)全IP 互聯(lián)，需要精簡IPv6 協(xié)議以及實現(xiàn)IPv6數(shù)據(jù)幀在IEEE 802.15.4幀中傳輸。本文設(shè)計的邊界路由器采用基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。協(xié)議?？蚣苋鐖D3所示。

IEEE 802.15.4物理層主要負(fù)責(zé)啟動和關(guān)閉射頻收發(fā)器、能量檢測與信道掃描、清除信道評估以及無線電波信號的調(diào)制和解調(diào)等工作。IEEE 802.15.4 MAC層主要完成信道接入、鏈路的連接及斷開以及數(shù)據(jù)通信的差錯及流量控制等工作。輕量級操作系統(tǒng)Contiki負(fù)責(zé)協(xié)議棧各層任務(wù)調(diào)度及管理，保證協(xié)議棧工作的實時性。

協(xié)議棧包括的任務(wù)有自組網(wǎng)任務(wù)、適配層主任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)維護任務(wù)、IP層任務(wù)以及應(yīng)用層任務(wù)，任務(wù)調(diào)度關(guān)系如圖4 所示。

本設(shè)計選用的JN5148 模塊內(nèi)部集成了IEEE802.15.4的物理層和MAC層協(xié)議，因此，協(xié)議棧設(shè)計的重點是適配層、IP網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層。

2.2 適配層設(shè)計

組建網(wǎng)絡(luò)是邊界路由器適配層需要完成的基本任務(wù)，系統(tǒng)啟動后，自組網(wǎng)任務(wù)負(fù)責(zé)在選定信道和網(wǎng)絡(luò)16位PAN_ID后建立網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)維護任務(wù)在網(wǎng)絡(luò)建立后維持父節(jié)點與子節(jié)點之間的鏈路穩(wěn)定，并在鏈路出現(xiàn)異常時進行上報并嘗試修復(fù)鏈路。IEEE 802.15.4物理層數(shù)據(jù)單元最大為127 B,而IPv6 要求鏈路支持的最小MTU(Maximum Transmission Unit,MTU)長度為1 280 B,明顯不支持此長度MTU.適配層介于IEEE 802.15.4 MAC層和IP 層之間，因此適配層主任務(wù)除了負(fù)責(zé)管理MAC層協(xié)議事件之外，主要完成節(jié)點自動地址配置、IP數(shù)據(jù)包的分片與重組和IP數(shù)據(jù)包頭壓縮與解壓等功能以實現(xiàn)IP數(shù)據(jù)包在IEEE 802.15.4鏈路中的傳輸。

2.2.1 地址映射機制

基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點都需要配置惟一的IPv6 地址，但是手動配置繁瑣并且難以保證地址惟一性。本文設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)邊界路由器采用無狀態(tài)地址自動配置機制。IPv6地址由全局地址前綴和接口標(biāo)識ID(Interface ID,IID)兩部分組成。因為每一個射頻模塊都分配有一個全球惟一的IEEE EUI-64標(biāo)識符，即64位MAC 地址，因此可以利用EUI-64標(biāo)識符獲得一個IPv6地址接口標(biāo)識ID來實現(xiàn)無狀態(tài)地址自動配置。

2.2.2 適配層分片與重組機制

為了減少適配層包頭開銷，適配層幀頭分為不分片和分片兩種格式，分別用于IP數(shù)據(jù)包長度小于MAC層MTU 的報文和IP 數(shù)據(jù)包長度大于MAC 層MTU 的報文。適配層不分片幀頭格式與常規(guī)幀頭相同，分片幀頭又分為第一個分片和后續(xù)分片兩種格式，如圖5和圖6所示。

節(jié)點適配層接收到適配層數(shù)據(jù)包時，首先檢查該數(shù)據(jù)包是否分片，如果是一個分片的數(shù)據(jù)包，則在將所有數(shù)據(jù)分片重新組合成完整的IP 數(shù)據(jù)包后，再傳送到IP網(wǎng)絡(luò)層處理;若某一個分片丟失，則丟棄該IP數(shù)據(jù)包的所有后續(xù)分片。對于IP 層下發(fā)的數(shù)據(jù)包，節(jié)點適配層判斷IP報文長度是否超過鏈路層MTU 長度，若超過鏈路層MTU長度，則將此IP數(shù)據(jù)包分片后發(fā)送;若不超過鏈路層MTU長度，則按照不分片格式發(fā)送。

適配層的每一種數(shù)據(jù)幀都有調(diào)度編碼位域(8位)，不同的調(diào)度編碼位域表示不同的解析方式，主要包括不分片、分片、IP包頭壓縮、UDP報頭壓縮以及預(yù)留功能等多種類型。其中，11000xxx表示本數(shù)據(jù)幀是已分片適配層數(shù)據(jù)幀的第一個分片，11100xxx則表示本數(shù)據(jù)幀是已分片適配層數(shù)據(jù)幀的后續(xù)分片。

datagram_size:11 b,表示鏈路層未分包之前的IP數(shù)據(jù)包的總長度，該IP 數(shù)據(jù)包所有鏈路層分片的該字段的值都應(yīng)該相同。

datagram_tag:16 b,分片標(biāo)識，用來區(qū)分同一數(shù)據(jù)源節(jié)點的不同IP數(shù)據(jù)包。同一個IP數(shù)據(jù)包的所有鏈路層分片都具有相同的分片標(biāo)識，數(shù)據(jù)源節(jié)點每成功發(fā)送一個完整的IP數(shù)據(jù)包都更新(加1)該字段的值。

datagram_offset:8 b,分片偏移量，表示該分片在所有分片中的偏移量(以8 B 為單位)，該字段只出現(xiàn)在第二個及后續(xù)分片中。

2.2.3 適配層報頭壓縮機制

標(biāo)準(zhǔn)IPv6 網(wǎng)絡(luò)層報文和UDP 報文的報頭分別有40 B 和8 B,由此帶來的數(shù)據(jù)傳輸報頭開銷極大，因此本文適配層對IP報文和UDP報文的包頭格式進行了壓縮處理。由于TCP報文并不適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)這種多跳、數(shù)據(jù)傳輸延遲較大的網(wǎng)絡(luò)[11],故本文暫不考慮TCP報文。根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的上下文信息，IPv6版本號和負(fù)載長度可以省略，通信流類型、流標(biāo)簽、下一包頭、跳數(shù)限制以及源地址和目的地址設(shè)置壓縮控制域進行部分壓縮。IPv6 網(wǎng)絡(luò)層報文頭部壓縮格式如圖7所示。[!--empirenews.page--]

011xxxxx為調(diào)度編碼位域，其中最右端5位用于報頭壓縮編碼。各編碼字段定義如下：

TF:2 b,通信流類型和流標(biāo)簽。其中通信流類型由查分服務(wù)代碼點DSCP 和顯示擁塞反饋ECN,當(dāng)TF=11時，通信流類型和流標(biāo)簽全都省略;當(dāng)TF=00時，通信流類型和流標(biāo)簽都不壓縮;當(dāng)TF=01 時，DSCP 省略;當(dāng)TF=10時，流標(biāo)簽省略。

NH:1 b,下一包頭。NH=0,表示下一包頭未壓縮;NH=1時，下一包頭已壓縮。

HLIM:2 b,跳數(shù)限制。當(dāng)HLIM 等于00、01、10 和11時，分別表示未壓縮、1跳、64跳和255跳。

M:1 b,指示目的地址類型。當(dāng)M=0 時，目的地址不是多播地址;當(dāng)M=1時，目的地址為多播地址。

SAC:1 b,表示源地址的壓縮方式，當(dāng)它為0時表示使用的是無狀態(tài)頭部壓縮;為1時表示使用的是基于上下文的頭部壓縮。

SAM 用來控制不同壓縮方式下源地址壓縮方式。

DAC與DAM 的控制目的地址的壓縮方式，具體含義與SAC和SAM相似。

傳輸層UDP 報文緊跟在IPv6 網(wǎng)絡(luò)層包頭后面，UDP 包頭壓縮比較簡單，是否壓縮由前述NH 字段指定。標(biāo)準(zhǔn)UDP報文頭部中的長度域省略，源端口號、目的端口號以及校驗和域的壓縮方式由P和C字段表示，校驗和域暫不壓縮。UDP報文頭部具體壓縮格式如圖8所示。

眾所周知，TCP/IP 端口號為16 位，通常以0xf0 和0xf0b開始，其壓縮方式由P字段指定，具體如下：

00:不壓縮;01:目的端口號前8位(0xf0)省略，其他部分和源端口號保留;10:源端口號前8位(0xf0)省略，其他部分和目的端口保留;11:目的端口和源端口的前12位(oxf0b)省略，其他部分保留。

2.3 IP網(wǎng)絡(luò)層與傳輸層設(shè)計

標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP 協(xié)議占用資源較多，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)屬于資源受限網(wǎng)絡(luò)，因此邊界路由器的設(shè)計要特別注意協(xié)議棧資源占用。uip IPv6(uIPv6)協(xié)議棧專為資源受限的設(shè)備設(shè)計，RAM的占用量只有1.7 KB,代碼量只有[12]11.5 KB,因此選擇移植uip IPv6 協(xié)議棧作為基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的IP層和傳輸層。

uip IPv6 協(xié)議棧的IP 網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層使用同一個數(shù)據(jù)緩存區(qū)，因此可以將IP 網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層統(tǒng)一處理。本設(shè)計中各功能模塊由輕量級操作系統(tǒng)Contiki統(tǒng)一調(diào)度，因而設(shè)計一個IP 網(wǎng)絡(luò)層任務(wù)集中處理從適配層接收到的數(shù)據(jù)包和應(yīng)用層需要發(fā)送的數(shù)據(jù)包。

3 測試與分析

3.1 測試平臺搭建

邊界路由器負(fù)責(zé)WSN 網(wǎng)絡(luò)與IPv6 網(wǎng)絡(luò)之間的通信，本文實驗驗證了邊界路由器的工作性能。實驗測試平臺包括一個邊界路由器、一個傳感器節(jié)點和一臺Linux主機，其中邊界路由器通過UART接口與Linux主機的USB口連接，鏈路層運行slip協(xié)議。邊界路由器和傳感器節(jié)點的IPv6地址配置為aaaa::215:8d00:b:6840和aaaa::215:8d00:b:67d3,Linux主機端運行slip守護程序來監(jiān)聽USB口，其IPv6地址為aaaa::1.

3.2 測試結(jié)果分析

通過在Linux 主機上向傳感器節(jié)點(IPv6 地址為aaaa::215:8d00:b:67d3)發(fā)送ping6 報文，來測試傳感器節(jié)點的可達性，以驗證邊界路由器的正常工作，實驗結(jié)果如圖9所示。

實驗對邊界路由器的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)率、平均傳輸延遲和傳輸穩(wěn)定性進行了分析。其中，數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)率是指Linux 主機收到的echo 報文數(shù)量和發(fā)送的ping6報文數(shù)量之比;平均傳輸延遲是指Linux主機發(fā)送ping6報文和接收到echo報文之間的平均時間間隔;傳輸穩(wěn)定性是指傳輸延遲的變化幅度，用算術(shù)平均差評定。分析結(jié)果如圖10~圖12所示。

如圖10和圖11所示，在發(fā)送不同長度ping6報文測試時，邊界路由器均具有良好的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)成功率(大于90%)，并且數(shù)據(jù)傳輸延遲較小。圖12列舉的是發(fā)送不同長度ping6報文測試時鏈路傳輸延遲的算術(shù)平均差，對于不同長度的測試報文傳，輸延遲算術(shù)平均差基本小于15 ms,網(wǎng)絡(luò)鏈路傳輸延遲抖動較小，證明網(wǎng)絡(luò)的鏈路穩(wěn)定性較好。

4 結(jié)論

本文針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實際應(yīng)用的現(xiàn)實需求，提出了基于IPv6 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)邊界路由器的設(shè)計方案。該設(shè)計方案實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與IPv6網(wǎng)絡(luò)的無縫融合，降低了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用布置成本，提高了系統(tǒng)的靈活性。實驗證明，該方案設(shè)計的邊界路由器具有較低的數(shù)據(jù)傳輸延遲，網(wǎng)絡(luò)的鏈路比較穩(wěn)定，能夠滿足實際應(yīng)用要求。