6LoWPAN接入(IPv4)Internet中數(shù)據(jù)包調(diào)度的研究與實(shí)現(xiàn)*

耿道渠，代富江，李小龍，柴 俊

(重慶郵電大學(xué)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)化控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400065)

隨著無線通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，就無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，它必須和一個(gè)外部網(wǎng)絡(luò)連接在一起，使外部網(wǎng)絡(luò)可以監(jiān)測(cè)和控制無線傳感器網(wǎng)絡(luò)才具有更真實(shí)的意義［1］。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)通信中，數(shù)據(jù)包的正確調(diào)度和控制直接關(guān)系網(wǎng)絡(luò)之間信息的可達(dá)性。WSN(Wireless Sensor Networks)接入Internet必須解決網(wǎng)絡(luò)層的接入問題，為了實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的接入，在WSN和Internet之間部署協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)［2］。在本文6LoWPAN和(IPv4)Internet的通信中，網(wǎng)關(guān)功能的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)采用多空間處理方式，數(shù)據(jù)包的流向存在多個(gè)途徑，數(shù)據(jù)流向沒有得到控制，因此需要根據(jù)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的通信場(chǎng)景設(shè)計(jì)新的調(diào)度方法。在現(xiàn)有的 IPv4與 IPv6［3］(Internet Protocol Version 6)網(wǎng)絡(luò)互通研究中，文獻(xiàn)［4］應(yīng)用 Netfilter［5］功能框架下 NAT-PT［6］(Network Address Translation-Protocol Translation)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)，即將NAT-PT模塊分為NAT和PT模塊掛載到內(nèi)核空間中的Netfilter框架下，但將NAT-PT分為兩部分容易產(chǎn)生功能上的錯(cuò)誤，并且將所有功能在Netfilter框架下實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)和測(cè)試也將面臨困難。在現(xiàn)有的傳感網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)互通研究中，文獻(xiàn)［7］提出一種IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入以太網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)，在相關(guān)硬件支持的基礎(chǔ)上采用精簡(jiǎn)IPv6協(xié)議棧與完整IPv6協(xié)議棧相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)傳感網(wǎng)和以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)交互，但現(xiàn)今的以太網(wǎng)大多是IPv4版本的網(wǎng)絡(luò)，IPv4到IPv6的過渡還需要一個(gè)較長(zhǎng)的過程，該系統(tǒng)不能大范圍應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，IPv6和IPv4的協(xié)議轉(zhuǎn)換問題也沒有得到有效地解決，IPv6傳感網(wǎng)和IPv4互聯(lián)網(wǎng)仍然無法直接通信。本文提出了基于NAT-PT機(jī)制的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互通架構(gòu)并實(shí)現(xiàn)IPv6傳感網(wǎng)和IPv4網(wǎng)絡(luò)的相互通信，采用多空間(內(nèi)核空間和用戶空間)共存的方法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互通中數(shù)據(jù)包的調(diào)度。

本為在6LoWPAN接入(IPv4)Internet中研究數(shù)據(jù)包的調(diào)度問題。首先提出6LoWPAN接入(IPv4)Internet的設(shè)計(jì)方案，闡述方案中模型的構(gòu)建方法和依據(jù)，然后分析網(wǎng)絡(luò)通信中存在的數(shù)據(jù)包種類及特征，提出調(diào)度特定數(shù)據(jù)包的方法，最后通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證數(shù)據(jù)包調(diào)度的有效性。

16 LoWPAN接入(IPv4)Internet的設(shè)計(jì)方案

結(jié)合6LoWPAN數(shù)據(jù)包的特性和Internet網(wǎng)絡(luò)的通信特點(diǎn)，為了能夠?qū)崿F(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中主機(jī)端到端的相互通信，促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)相互延伸和融合，設(shè)計(jì)出6LoWPAN和(IPv4)Internet互通的方案模型。

1.16 LoWPAN接入(IPv4)Internet的場(chǎng)景設(shè)計(jì)

圖1展示了整個(gè)6LoWPAN接入Internet的場(chǎng)景結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)主要包括3大部分:6LoWPAN、Gateway和Internet。網(wǎng)關(guān)在6LoWPAN和Internet之間搭起一座中介橋梁，傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)經(jīng)過網(wǎng)關(guān)處理后可以通過 GPRS［8］、以太網(wǎng)、3 G/4 G 或 WIFI等方式傳給Internet網(wǎng)絡(luò)的PC端。使6LoWPAN節(jié)點(diǎn)和Internet(IPv4)主機(jī)可以進(jìn)行直接通信。本方案以以太網(wǎng)為例，網(wǎng)關(guān)完成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議翻譯［9］和地址轉(zhuǎn)換。遠(yuǎn)端IPv6網(wǎng)絡(luò)與6LoWPAN通信網(wǎng)關(guān)還需要配置隧道功能。分析可知該網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包類型如表1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)互通場(chǎng)景圖

1.2 網(wǎng)關(guān)內(nèi)部功能設(shè)計(jì)

針對(duì)網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用場(chǎng)景，本設(shè)計(jì)將“6LoWPAN接入模塊”與“ARM linux主控單元”一起作為網(wǎng)關(guān)的實(shí)體，其內(nèi)部協(xié)議層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。

(1)6LoWPAN接入模塊 以傳感網(wǎng)中邊緣路由器的角色作為網(wǎng)關(guān)的一部分，它的一端通過無線射頻模塊連接6LoWPAN節(jié)點(diǎn)，另一端通過串口接入“ARM Linux主控單元”。其內(nèi)部層次結(jié)構(gòu)底層遵循 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)［10］，上層采用 IPv6 協(xié)議，中間加入6LoWPAN適配層［11］完成協(xié)議適配功能，MAC層添加SLIP模塊以支持在串行線路上對(duì)IP數(shù)據(jù)包的封裝和傳輸［12］。

表1 通信中數(shù)據(jù)包類型表

圖2 網(wǎng)關(guān)協(xié)議層次結(jié)構(gòu)圖

(2)ARM Linux主控單元 為了實(shí)現(xiàn)地址轉(zhuǎn)換和協(xié)議翻譯的功能，在層次結(jié)構(gòu)中加入NAT-PT模塊。同時(shí)主控單元還支持QoS管理和隧道功能，但這兩部分不作為本文的研究重點(diǎn)。

(3)數(shù)據(jù)流 數(shù)據(jù)包①的流向表示從Internet發(fā)往6LoWPAN的數(shù)據(jù)包。IPv4網(wǎng)絡(luò)的PC端向6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)，由網(wǎng)口進(jìn)入“ARM Linux主控單元”并進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，到網(wǎng)絡(luò)層后，NAT-PT將該包翻譯為IPv6格式，由系統(tǒng)加載的SLIP模塊處理并直接從鏈路層向接入模塊傳輸該數(shù)據(jù)包，6LoWPAN接入模塊在串口端接收到該數(shù)據(jù)包后，將該數(shù)據(jù)包處理并封裝下層的IEEE 802.15.4底層協(xié)議構(gòu)成6LoWPAN數(shù)據(jù)包，最后通過無線射頻發(fā)射模塊發(fā)送數(shù)據(jù)到6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的傳輸。數(shù)據(jù)包②的流向和處理過程與①相反，不再贅述。

2 數(shù)據(jù)包調(diào)度控制

主控單元中數(shù)據(jù)包調(diào)度控制主要是由內(nèi)核空間的Netfilter功能框架和用戶空間的NAT-PT功能框架共同協(xié)調(diào)完成。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.1 內(nèi)核空間下的Netfilter功能框架

Netfilter功能框架提供一種數(shù)據(jù)的檢測(cè)和處理機(jī)制，其具有類似于防火墻的結(jié)構(gòu)功能。Netfilter框架中定義了5個(gè)點(diǎn)，分別是:NF-IP-PREROUTING、NF-IP-LOCAL-IN、NF-IP-FORWARD、NF-IP-POST-ROUTING、NF-IP-LOCAL-OUT，簡(jiǎn) 稱Hook點(diǎn)。用戶可以設(shè)計(jì)功能函數(shù)并注冊(cè)在Netfilter框架中的Hook點(diǎn)上形成Hook函數(shù)，數(shù)據(jù)包在經(jīng)過這些Hook點(diǎn)時(shí)，注冊(cè)在 Hook點(diǎn)上的Hook函數(shù)將取得對(duì)數(shù)據(jù)包的控制權(quán)，然后按照Hook函數(shù)的功能進(jìn)行處理，待Hook函數(shù)處理完以后交出對(duì)數(shù)據(jù)包的控制權(quán)，規(guī)定要求所有的Hook函數(shù)都將具有一個(gè)返回值以表明處理結(jié)果和下一步操作。返回值定義見參考文獻(xiàn)［4］。

2.2 用戶空間下的NAT-PT功能框架

NAT-PT存在于用戶空間中，完成整個(gè)網(wǎng)關(guān)的地址轉(zhuǎn)換和協(xié)議翻譯功能，接收來自網(wǎng)口和串口的數(shù)據(jù)包，6LoWPAN的數(shù)據(jù)包要與IPv4中的數(shù)據(jù)包進(jìn)行交互。由于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)所使用的通信協(xié)議不同，因此需要進(jìn)行協(xié)議的翻譯，即PT;由于兩者使用的IP地址格式不同，IPv4使用32 bit地址，IPv6使用128 bit地址［13］，所以需要進(jìn)行地址格式的轉(zhuǎn)換，即NAT。

2.3 內(nèi)核空間和用戶空間數(shù)據(jù)包的調(diào)度

在整個(gè)系統(tǒng)啟動(dòng)后，根據(jù)圖3設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可知所有進(jìn)入網(wǎng)關(guān)網(wǎng)口或串口的數(shù)據(jù)包都將同時(shí)進(jìn)入內(nèi)核空間和用戶空間，但任何一類數(shù)據(jù)包僅需要由特定的一種空間進(jìn)行處理。例如，需要翻譯的數(shù)據(jù)包只需要進(jìn)入用戶空間由NAT-PT處理，而不需要進(jìn)入內(nèi)核空間，否則將引起系統(tǒng)錯(cuò)誤回復(fù)和通信數(shù)據(jù)紊亂。因此，表2列出每一類數(shù)據(jù)包的調(diào)度方式。

圖3 主控單元數(shù)據(jù)調(diào)度控制

表2 數(shù)據(jù)包調(diào)度表

2.3.1 內(nèi)核空間數(shù)據(jù)包堵塞算法分析

6L→4與4→6L數(shù)據(jù)包需要進(jìn)入用戶空間進(jìn)行協(xié)議翻譯和地址轉(zhuǎn)換等操作，內(nèi)核空間將堵塞這兩種數(shù)據(jù)包，將Hook函數(shù)注冊(cè)在Netfilter框架下的第一個(gè)Hook點(diǎn)，Hook函數(shù)堵塞數(shù)據(jù)包算法如表3所示，其中數(shù)據(jù)包=Ppacket，目的 IPv4地址=dst_v4_add，目的 IPv6地址=dst_v6_add。

表3 內(nèi)核空間堵塞算法

2.3.2 用戶空間數(shù)據(jù)包堵塞算法分析

6L→4－6，4?4和6－4→6L數(shù)據(jù)包進(jìn)入主控單元由內(nèi)核處理。6L→4－6數(shù)據(jù)包經(jīng)過判斷是發(fā)往遠(yuǎn)端IPv6網(wǎng)絡(luò)，將使用隧道技術(shù)傳輸;4?4數(shù)據(jù)包是將網(wǎng)關(guān)作為路由設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā);6－4→6L數(shù)據(jù)包也使用隧道技術(shù)，IPv6數(shù)據(jù)包是穿越IPv4網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。用戶空間中的NAT-PT將堵塞這3種數(shù)據(jù)包，其堵塞算法如表4所示。

表4 用戶空間堵塞算法

3 系統(tǒng)驗(yàn)證

3.1 驗(yàn)證環(huán)境

網(wǎng)關(guān)功能模塊由“CC2530接入模塊”和“ARM9 S3C2440主控單元”組成，6LoWPAN節(jié)點(diǎn)和接入模塊運(yùn)行6LoWPAN協(xié)議棧，主控單元是基于2.6.24版本的Linux操作系統(tǒng)。其通信測(cè)試如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)通信測(cè)試圖

3.2 驗(yàn)證過程

3.2.1 連通性測(cè)試

在Linux下加載IPv6模塊并完成隧道配置，將一串口設(shè)置成虛擬網(wǎng)口并加載SLIP模塊，完成串行鏈路設(shè)置，PC端ping主控單元網(wǎng)口和虛擬網(wǎng)口，完成連通性測(cè)試。

Linux SLIP模塊加載以及串口配置命令:

3.2.2 6LoWPAN 與 Internet數(shù)據(jù)通信測(cè)試

圖5 無線傳感網(wǎng)通信數(shù)據(jù)包

搭建測(cè)試平臺(tái)后，6LoWPAN組網(wǎng)形成網(wǎng)絡(luò)，圖5為通過sniffer抓包軟件獲取的傳感數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包的源地址:3FFE::0302:0304:0506:0709，目的地址:3FFE::AC16:8E17(3ffe::172.22.142.23)。數(shù)據(jù)包經(jīng)網(wǎng)關(guān)用戶空間NAT-PT轉(zhuǎn)換處理后發(fā)送到 IPv4網(wǎng)絡(luò)的 PC端，PC端接收并由Wireshark網(wǎng)絡(luò)包分析軟件截取，如圖6所示。圖5和圖6中數(shù)據(jù)包的應(yīng)用層傳感數(shù)據(jù)均為40030301010101000103，得出在6LoWPAN接入 Internet網(wǎng)絡(luò)的場(chǎng)景中，數(shù)據(jù)信息可以正確傳輸。相反，當(dāng)IPv4網(wǎng)絡(luò)的PC端向6LoWPAN節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)包進(jìn)入用戶空間處理，內(nèi)核空間沒有返回ICMP報(bào)文信息，證明內(nèi)核空間已經(jīng)依照所設(shè)計(jì)的算法堵塞了該數(shù)據(jù)包的進(jìn)入。PC端向6LoWPAN節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)(圖 7②)和遠(yuǎn)端 IPv6主機(jī)與6LoWPAN節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)交互過程(圖7③，7④)類似，不再贅述。

圖6 IPv4網(wǎng)絡(luò)PC端通信數(shù)據(jù)包

圖7 多空間調(diào)度處理

4 結(jié)束語

本文的核心內(nèi)容是實(shí)現(xiàn)6LoWPAN接入(IPv4)Internet中數(shù)據(jù)包的有效調(diào)度。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)IPv4網(wǎng)絡(luò)與IPv6網(wǎng)絡(luò)的過渡技術(shù)研究得比較深入［14］，尚未提出關(guān)于傳感網(wǎng)與Internet互通的數(shù)據(jù)調(diào)度方法。本文根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景提出了一種新的網(wǎng)關(guān)內(nèi)部架構(gòu)，針對(duì)其數(shù)據(jù)通信過程，采用多空間協(xié)調(diào)處理的方式有效地解決了數(shù)據(jù)包的調(diào)度問題。測(cè)試結(jié)果表明，在網(wǎng)關(guān)接收數(shù)據(jù)包時(shí)，數(shù)據(jù)包能按照正確的處理流程進(jìn)行處理，根據(jù)設(shè)計(jì)的調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)其有效調(diào)度。

由于網(wǎng)關(guān)承載著異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的適配功能，其運(yùn)行的穩(wěn)定性是需要保證的;在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信安全性方面，需要引入新的安全機(jī)制;對(duì)于6LoWPAN中的節(jié)點(diǎn)，外部對(duì)其的管理控制也是網(wǎng)絡(luò)能夠正常運(yùn)行的重要保證。因此，以上3方面是下一步研究的方向和重點(diǎn)。

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