基于IPv6的WSN邊界路由器設(shè)計(jì)

摘 要： 針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與IPv6網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，在分析現(xiàn)有接入方式不足的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)邊界路由器。主要闡述了邊界路由器的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)介紹了基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧適配層的設(shè)計(jì)。通過數(shù)據(jù)包分片與重組機(jī)制以及報(bào)頭壓縮機(jī)制，協(xié)議棧適配層實(shí)現(xiàn)了IPv6數(shù)據(jù)包在IEEE 802.15.4鏈路中的傳輸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與IPv6網(wǎng)絡(luò)的無縫融合，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，具有應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； IPv6； 適配層； 邊界路由器； JN5148

中圖分類號(hào)： TN711?34；TP368.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）19?0024?05

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(hù)、工業(yè)設(shè)備監(jiān)控、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、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[1]。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(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)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(shí)上的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，加之IPv6的諸多優(yōu)良特性[2]，都使得實(shí)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(shí)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[3?4]。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(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)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(diǎn)直接運(yùn)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)[5]，在無線傳感器節(jié)點(diǎn)上并不適合直接運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)IPv6協(xié)議。

本文設(shè)計(jì)了一種基于JN5148模塊的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)邊界路由器，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(shí)際測試證明了該方案的可行性。

1 邊界路由器硬件設(shè)計(jì)

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(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)處理；電源模塊負(fù)責(zé)對(duì)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(jì)無線射頻天線接口，開發(fā)成本較低，本文設(shè)計(jì)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(yùn)行應(yīng)用程序，512 KB的FLASH能夠滿足包括存儲(chǔ)應(yīng)用程序在內(nèi)的大部分需求[6]。

1.2 串行通信接口設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量較小，對(duì)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[7]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(jì)

2.1 協(xié)議棧框架設(shè)計(jì)

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(jì)的核心，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)、節(jié)點(diǎn)與邊界路由器以及節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)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I(xiàn)P互聯(lián)，需要精簡IPv6協(xié)議以及實(shí)現(xiàn)IPv6數(shù)據(jù)幀在IEEE 802.15.4幀中傳輸。本文設(shè)計(jì)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)議棧框架如圖3所示。

IEEE 802.15.4物理層主要負(fù)責(zé)啟動(dòng)和關(guān)閉射頻收發(fā)器、能量檢測與信道掃描、清除信道評(píng)估以及無線電波信號(hào)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(cuò)及流量控制等工作。輕量級(jí)操作系統(tǒng)Contiki[8]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(shí)時(shí)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(hù)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(jì)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(jì)的重點(diǎn)是適配層、IP網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層。

2.2 適配層設(shè)計(jì)

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(dòng)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(hù)任務(wù)在網(wǎng)絡(luò)建立后維持父節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)之間的鏈路穩(wěn)定，并在鏈路出現(xiàn)異常時(shí)進(jìn)行上報(bào)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[9]。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(diǎn)自動(dòng)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(shí)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(jī)制

基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要配置惟一的IPv6地址，但是手動(dòng)配置繁瑣并且難以保證地址惟一性。本文設(shè)計(jì)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(dòng)配置機(jī)制。IPv6地址由全局地址前綴和接口標(biāo)識(shí)ID（Interface ID，IID）[10]兩部分組成。因?yàn)槊恳粋€(gè)射頻模塊都分配有一個(gè)全球惟一的IEEE EUI?64標(biāo)識(shí)符，即64位MAC地址，因此可以利用EUI?64標(biāo)識(shí)符獲得一個(gè)IPv6地址接口標(biāo)識(shí)ID來實(shí)現(xiàn)無狀態(tài)地址自動(dòng)配置。

2.2.2 適配層分片與重組機(jī)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(bào)文和IP數(shù)據(jù)包長度大于MAC層MTU的報(bào)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(gè)分片和后續(xù)分片兩種格式，如圖5和圖6所示。

節(jié)點(diǎn)適配層接收到適配層數(shù)據(jù)包時(shí)，首先檢查該數(shù)據(jù)包是否分片，如果是一個(gè)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(gè)分片丟失，則丟棄該IP數(shù)據(jù)包的所有后續(xù)分片。對(duì)于IP層下發(fā)的數(shù)據(jù)包，節(jié)點(diǎn)適配層判斷IP報(bào)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(bào)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(gè)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(shí)，用來區(qū)分同一數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)的不同IP數(shù)據(jù)包。同一個(gè)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(shí)，數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)每成功發(fā)送一個(gè)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(gè)及后續(xù)分片中。

2.2.3 適配層報(bào)頭壓縮機(jī)制

標(biāo)準(zhǔn)IPv6網(wǎng)絡(luò)層報(bào)文和UDP報(bào)文的報(bào)頭分別有40 B和8 B，由此帶來的數(shù)據(jù)傳輸報(bào)頭開銷極大，因此本文適配層對(duì)IP報(bào)文和UDP報(bào)文的包頭格式進(jìn)行了壓縮處理。由于TCP報(bào)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(bào)文。根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的上下文信息，IPv6版本號(hào)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(jìn)行部分壓縮。IPv6網(wǎng)絡(luò)層報(bào)文頭部壓縮格式如圖7所示。

011xxxxx為調(diào)度編碼位域，其中最右端5位用于報(bào)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(diǎn)DSCP和顯示擁塞反饋ECN，當(dāng)TF=11時(shí)，通信流類型和流標(biāo)簽全都省略；當(dāng)TF=00時(shí)，通信流類型和流標(biāo)簽都不壓縮；當(dāng)TF=01時(shí)，DSCP省略；當(dāng)TF=10時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，目的地址不是多播地址；當(dāng)M=1時(shí)，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(shí)表示使用的是無狀態(tài)頭部壓縮；為1時(shí)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(bào)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(bào)文頭部中的長度域省略，源端口號(hào)、目的端口號(hào)以及校驗(yàn)和域的壓縮方式由P和C字段表示，校驗(yàn)和域暫不壓縮。UDP報(bào)文頭部具體壓縮格式如圖8所示。

眾所周知，TCP/IP端口號(hào)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(hào)前8位（0xf0）省略，其他部分和源端口號(hào)保留；10：源端口號(hào)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(jì)

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(jì)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(jì)，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(gè)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(jì)中各功能模塊由輕量級(jí)操作系統(tǒng)Contiki統(tǒng)一調(diào)度，因而設(shè)計(jì)一個(gè)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(tái)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了邊界路由器的工作性能。實(shí)驗(yàn)測試平臺(tái)包括一個(gè)邊界路由器、一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和一臺(tái)Linux主機(jī)，其中邊界路由器通過UART接口與Linux主機(jī)的USB口連接，鏈路層運(yùn)行slip協(xié)議。邊界路由器和傳感器節(jié)點(diǎn)的IPv6地址配置為aaaa：：215：8d00：b：6840和aaaa：：215：8d00：b：67d3，Linux主機(jī)端運(yùn)行slip守護(hù)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(jī)上向傳感器節(jié)點(diǎn)（IPv6地址為aaaa：：215：8d00：b：67d3）發(fā)送ping6報(bào)文，來測試傳感器節(jié)點(diǎn)的可達(dá)性，以驗(yàn)證邊界路由器的正常工作，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。實(shí)驗(yàn)對(duì)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(jìn)行了分析。其中，數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)率是指Linux主機(jī)收到的echo報(bào)文數(shù)量和發(fā)送的ping6報(bào)文數(shù)量之比；平均傳輸延遲是指Linux主機(jī)發(fā)送ping6報(bào)文和接收到echo報(bào)文之間的平均時(shí)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(píng)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(bào)文測試時(shí)，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(bào)文測試時(shí)鏈路傳輸延遲的算術(shù)平均差，對(duì)于不同長度的測試報(bào)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(dòng)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(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)需求，設(shè)計(jì)了基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)邊界路由器的軟硬件。該設(shè)計(jì)方案實(shí)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(shí)驗(yàn)證明，該方案設(shè)計(jì)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(shí)際應(yīng)用要求。

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