6LoWPAN接入Internet中uNAT64機制的研究與實現*

耿道渠，朱大鵬，于彥平，尹仕準

（重慶郵電大學工業物聯網與網絡化控制教育部重點實驗室，重慶400065）

6LoWPAN接入Internet中uNAT64機制的研究與實現*

耿道渠*，朱大鵬，于彥平，尹仕準

（重慶郵電大學工業物聯網與網絡化控制教育部重點實驗室，重慶400065）

無線傳感器網絡與Internet的融合已成為當前的研究熱點，然而基于6LoWPAN標準的無線傳感器網絡與Internet （IPv4）因網絡層協議異構導致無法直接端到端通信。針對這一難題，提出了6LoWPAN傳感網與Internet互通架構，并基于此設計了uNAT64協議轉換機制，對6LoWPAN IPv6報文與Internet IPv4報文進行相互轉換，旨在實現6LoWPAN與Internet的有效互通。測試結果表明，uNAT64機制實現了兩種網絡間的全IP通信，且具有良好的實時性和較高的吞吐量，有力地促進了Internet向物理世界延伸。

無線傳感器網絡；協議轉換；uNAT64；6LoWPAN；IPv6；邊界路由器

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量的廉價微型傳感器節點通過無線通信方式形成的一個多跳自組織的網絡系統，其目的是協作感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，并發送給觀察者［1］。就其功能而言，WSN必須接入外部網絡，使觀察者可以通過外部網絡遠程監控感知對象才具有更現實的意義。作為當前全球覆蓋最廣、普及程度最高的網絡，Internet無疑將成為WSN的最佳接入對象［2］。6LoWPAN（IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Network）協議標準已被廣泛使用在WSN中，其網絡層采用IPv6協議，實現了WSN與IPv6網絡的無縫連接［3-6］。然而，當前Internet中IPv4仍占主導地位，IPv6的發展還處于初級階段，IPv6設備替代現有IPv4設備所需的成本巨大，并且網絡升級過程中不能中斷現有業務，這就導致了Internet由IPv4向IPv6演進是一個漫長、漸進、分布式的過程。因此，實現6LoWPAN與Internet的互聯，首需解決的是6LoWPAN網絡與IPv4網絡的異構互聯問題。

在異構網絡互聯的現有研究中，文獻［7］與文獻［8］通過傳感網邊界路由器轉發應用層數據實現了WSN接入Internet，但其無法做到與應用無關，不具有普適性。文獻［9］設計的6LoWPAN網關僅實現了6LoWPAN傳感網與IPv6網絡的互通，無法實現與Internet（IPv4）的全IP互聯。文獻［10-11］均使用NAT-PT（Network Address Translation-Protocol Translation）技術實現了IPv6網絡與Internet（IPv4）的互聯，但是該技術在使用過程中暴露了諸多問題，IETF在《RFC4966》中總結了其弊端并將其歸類為歷史性技術標準，不再支持其繼續使用。此外，隧道技術及延遲容忍網絡也可以用于實現IPv6與IPv4網絡的互聯，但由于6LoWPAN節點資源受限，無法在節點與IPv4網絡雙棧主機之間建立端到端隧道，這限制了隧道技術的使用。延遲容忍網絡則要求在TCP/IP協議棧、6LoWPAN協議棧傳輸層與應用層之間部署Bundle層，但是對于資源受限型的WSN節點來說，幾乎無法部署Bundle層；再次，就Internet網絡主機而言，若操作系統非開源，則在其TCP/IP協議棧上部署Bundle層不具有可行性。

本文首先提出了一種6LoWPAN與Internet的互通架構，在此基礎上設計了一種協議轉換機制-uNAT64（Micro Network Address and Protocol Translation），從網絡層將WSN接入到Internet的體系結構中［12］，最后通過測試驗證uNAT64機制的有效性。

1　6LoWPAN與Internet互聯的體系架構

采用協議轉換機制實現6LoWPAN與Internet的互聯，首先需要選擇某一網絡中間件作為載體，而6LoWPAN邊界路由器具有豐富的軟硬件資源，又能夠提供與Internet通信的接口。鑒于此，本文在邊界路由器平臺上設計并實現協議轉換機制-uNAT64，不再另尋其他網絡中間件，降低了開發成本。設計6LoWPAN與Internet互通架構如圖1所示。

圖1　互通體系架構

圖1中6LoWPAN邊界路由器內集成了6LoWPAN協議棧及uNAT64模塊，6LoWPAN協議棧負責WSN的構建，匯聚傳感器節點采集的數據，并通過虛擬網卡tun0與uNAT64模塊進行IPv6報文交互；uNAT64則負責Internet IPv4報文與6LoWPAN IPv6報文的相互轉換。圖1中虛線表示6LoWPAN節點與Internet主機端到端的通信路徑。

2　uNAT64機制設計

uNAT64作為邊界路由器內的核心模塊，其設計與實現尤為重要。uNAT64模塊及TCP/IP協議棧都對網絡報文進行處理，存在相互干擾，因此將uNAT64作為獨立應用進程，如圖1所示，使其工作在用戶空間，與工作在內核空間的TCP/IP協議棧分離，很大程度上避免了兩者相互干擾；再次，這樣的設計還增加了用戶對uNAT64機制的可操作性。

圖2展示了uNAT64模塊的內部結構，主要由地址轉換子模塊及協議轉換子模塊構成。參照IETF標準《RFC6052》、《RFC6145》的規定對上述子模塊進行詳細設計。其中，地址轉換子模塊負責網絡報文的接收、會話表及綁定信息庫的維護、網絡地址的轉換；協議轉換子模塊則負責網絡報文的協議轉換及發送。以太網卡eth0及虛擬網卡tun0分別為uNAT64與Internet、6LoWPAN網絡通信提供接口。當鏈路層向uNAT64模塊遞交IP數據包時，借助柏克萊分組過濾器（Berkeley Packet Filter，BPF）對數據包進行初步篩選，排除異常報文，降低uNAT64機制的出錯機率，避免不必要的時間消耗。

BPF只是在數據包向uNAT64模塊傳輸過程中添加的過濾機制，而真正通告uNAT64模塊有事件發生的是poll循環掃描接口。uNAT64模塊將IPv6報文、IPv4報文、ARP報文的收發定義為一系列事件，將這些事件的描述符綁定到poll接口上。若poll循環掃描時發現某一描述符就緒，便主動觸發其匹配的事件，下一個動作就是觸發地址轉換子模塊接收報文。uNAT64對IPv6報文進行地址及協議轉換的具體過程如表1所示。

圖2　uNAT64模塊內部結構設計

表1　uNAT64 IPv6報文轉換流程

IPv4報文的轉換流程與上述IPv6報文的轉換流程類似，區別主要體現在對分片報文的處理，因為IPv6規范中規定IPv6報文在源節點處就一次性解決分片問題，而IPv4則不然，他允許中間網絡設備參與處理，不再贅述其轉換過程。

3　實驗測試與分析

搭建測試系統如圖3所示，邊界路由器以太網卡eth0的IPv4地址配置為172.22.142.254，虛擬網卡tun0的IPv6地址配置為2014：：1/64，uNAT64地址池內可用IPv4地址為129.254.254.90/29，IPv6地址前綴配置為64：ff9b：：/96。

由uNAT64機制運行機理可知，其維護的綁定信息庫、會話表的大小與傳感網的規模正線性相關，而uNAT64模塊在運行過程中存在大量的遍歷鏈表操作，因此，傳感網規模會影響uNAT64模塊處理報文的速度。為了使測試結果具有說服力，本文搭建50個節點規模的傳感網進行測試，圖3顯示了部分傳感網節點的地址信息。測試次數、測試報文長度及測試時間均參照文獻［13］中的相關規定。

圖3　測試系統結構

3.1網絡連通性測試

圖4展示了在PC機上使用科來網絡分析系統捕獲的ping請求和響應報文。PC機首先向IP地址為129.254.254.90的節點發起請求，該地址由uNAT64模塊提供，它替代了WSN節點的IPv6地址。IPv4 ping請求報文被傳輸至邊界路由器后，uNAT64模塊對其進行地址及協議轉換，將轉換生成的IPv6數據包發送到目的節點，然后節點發送ICMP響應報文，最終到達PC機，因此，6LoWPAN網絡節點與Internet中IPv4主機A已連通。

圖4　ping測試

3.2性能測試

3.2.1報文轉換率測試

就 uNAT64模塊自身特性而言，針對進入uNAT64模塊的有效網絡報文，uNAT64模塊能否將其成功轉換并正確發送尤為重要。鑒于此，下面給出報文轉換率的定義并進行測試。

報文轉換率，即uNAT64發送的有效報文數量與接收的有效報文數量之比。測試過程如下：6LoWPAN協議棧接收到傳感器節點發送的IPv6報文后，將其轉發至uNAT64模塊，uNAT64模塊將該IPv6報文轉換成IPv4報文后發往Internet，通過網絡流量分析軟件統計在不同的發送速率下進出uNAT64模塊的報文數量，進而計算報文轉換率，但是測試中當傳感網節點以極限速度采集并上傳數據時，進出uNAT64模塊的數據包數量仍然恒等，即轉換率為100%。分析原因如下：（1）傳感器節點的硬件處理速度遠落后于邊界路由器；（2）受到軟件處理速度的限制（6LoWPAN協議棧底層采用IEEE802.15.4標準，理論傳輸速度上限為250 kbyte/s），這不可避免地導致測試結果不具說服力。因此，采取由邊界路由器6LoWPAN協議棧模擬產生IPv6報文的方式進行測試，傳輸速率與報文轉換率的關系如圖5所示。

圖5　報文轉換率測試

在上述測試環境中，當傳輸速率小于 263 kbyte/s時，報文轉換率為100%，即uNAT64模塊能完成報文轉換。考慮到WSN環境下的數據傳輸具有低速率、分時采集的特點，因此可以視為處理能力較強；同時該模塊也為后續6LoWPAN底層標準升級帶來的傳輸速率提升預留了一定的冗余空間。

3.2.2吞吐量測試

參照文獻［13］中對測試報文長度的規定，6LoWPAN協議棧以不同的發包周期向uNAT64模塊發送長度為256 byte、512 byte、1 024 byte及1 280 byte的IPv6報文，統計測試數據，計算吞吐量。

計算方法1：在IPv4主機端通過科來網絡分析系統計算吞吐量。

uNAT64將 IPv6報文轉換為IPv4報文發往IPv4主機，因此在IPv4主機上統計uNAT64模塊的吞吐量，如圖6所示，WSN發包時間段內吞吐量波形圖均值約為263.92 kbyte/s。

圖6　IPv4主機端統計吞吐量

計算方法2：通過統計單位時間內進出uNAT64模塊的數據量進行吞吐量計算。處理速率與發包周期的關系如圖7所示。

圖7　uNAT64模塊吞吐量測試

當測試報文長度為 256 byte、512 byte、1 024 byte時，隨著發包周期的遞減，處理速率線性遞增，未出現“瓶頸”。在測試報文長度為1 280 byte、發包周期降至7 ms時，處理速率出現臨界點，再次縮短發送周期，處理速率恒定為268 kbyte/s，即吞吐量等于268 kbyte/s。

綜上，兩種方法的測試結果基本一致。文獻［9，14］所測得的吞吐量分別在 140 kbyte/s～145 kbyte/s、1.65 kbyte/s～1.75 kbyte/s范圍內，本文所測吞吐量遠大于上述兩者，且兩者在測試過程中構建的傳感網規模遠小于本文構建的傳感網規模，本文的測試結論更具代表性，可以認為uNAT64模塊具備良好的負載能力。

3.2.3處理時延測試

參照文獻［13］中對系統時延的測試規定，記錄uNAT64接收報文及發送相應報文的時間戳，兩者的差值即為處理時延。為了保證測試結果具有一般性，測試共分4輪，每輪測試報文長度分別為256 byte、512 byte、1 024 byte、1 280 byte，每輪進行20次測試，每次向uNAT64模塊發送10 000個數據包并統計一次處理時間，求均值即為單個報文處理時延，測試結果如表2所示。

表2　uNAT64模塊處理時延測試結果

由表2可知，隨著報文長度的增加，uNAT64模塊處理時延遞增。分析如下：uNAT64模塊的處理時延中包括read及write系統調用的執行時間，read及write函數完成報文的發送與接收，其執行涉及到數據在內核空間及用戶空間之間的拷貝，報文拷貝所需時間遠大于與報文轉換所需時間，其成為處理時延的線性主部，而報文拷貝時間與報文長度成正比，因此，報文長度的遞增將導致uNAT64模塊處理時延的增加。

文獻［9，14］所測得處理時延均在200 ms～2 000 ms范圍內，uNAT64機制的處理時延遠小于上述兩者；文獻［15］所測得的處理時延則穩定在8.5 ms～10 ms之間，但是其測試樣本容量較小，每轉發1 000個數據包進行一次統計，而本文的測試中則是每轉發10 000個數據包進行一次統計，樣本容量是其10倍，且最終時延在6.4 ms～7.1 ms范圍內，恒小于文獻［15］所測得的處理時延；此外，本文搭建的傳感網規模均大于上述三者，測試結果更具說服力。實際使用場景中WSN節點的采樣周期遠大于uNAT64模塊的處理時延，且報文長度基本小于500 byte，可以認為uNAT64模塊具有良好的實時性。

上述對uNAT64模塊的功能和性能進行了具體測試，且與其他學術研究成果進行了對比，客觀地證明了uNAT64協議轉換機制實現了6LoWPAN網絡與Internet的端到端互通，具備良好的處理性能。

4　結束語

本文基于6LoWPAN網絡邊界路由器設計并實現了一種協議轉換機制-uNAT64。實驗結果表明，該機制具有良好的處理性能，成功實現了6LoWPAN網絡“無縫”接入Internet，使得Internet在一定程度上延伸到了物理世界，對促進物聯網與互聯網的融合具有重要意義。

邊界路由器作為連接Internet與WSN的“橋梁”，其在網絡拓撲中的地位尤為突出，需要構建系統的安全訪問機制，避免其遭到惡意攻擊與破壞；6LoWPAN與Internet互聯的目的在于實現對物理環境的有效監控，因此邊界路由器需具備有效的網絡管理功能。上述兩方面將是下一步的研究重點。

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耿道渠（1977-），男，重慶郵電大學副教授，博士，碩士生導師，主要研究方向為體域網、無線傳感器網絡，gengdq@cqupt. edu.cn；

朱大鵬（1992-），男，重慶郵電大學碩士研究生，研究方向為無線傳感器網絡，daydptr@163.com。

Research and Implementation of uNAT64 Mechanism in 6LoWPAN Access Internet*

GENG Daoqu*，ZHU Dapeng，YU Yanping，YIN Shizhun
（Key Laboratory of Industrial Internet of Things and Networked Control，Ministry of Education，Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 40065，China）

Integration of wireless sensor networks and Internet is becoming a research hotspot，unfortunately，wireless sensor networks based on 6LoWPAN cannot directly communicate with Internet by peer-to-peer because of the heterogeneity of network layer protocols.In order to solve this problem，an architecture interconnecting 6LoWPAN to Internet is proposed，furthermore，an IPv4-IPv6 protocol translation mechanism called uNAT64 is designed and implemented to perform the interconnection between 6LoWPAN and Internet by translating IPv6 packets of 6LoWPAN to IPv4 packets of Internet and vice versa.Experimental results show that uNAT64 mechanism enables the all-IP communication with higher packet-translation rate，lower processing delay and higher throughput between the two networks mentioned above，which will provide a forceful impetus for extending Internet to physical world.

wireless sensor network；protocol translation；uNAT64；6LoWPAN；IPv6；edge router

TP393

A

1004-1699（2016）08-1284-06

EEACC：6210L；623010.3969/j.issn.1004-1699.2016.08.027

項目來源：國家高技術研究發展計劃項目（2015AA043801）；重慶市物聯網產業共性關鍵技術創新主體專項項目（cstc2015zdcyztzx0177）；重慶市科技研發基地計劃項目（cstc2013gjhz40002）

2015-12-09修改日期：2016-05-17