一種基于IPv6的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )邊界路由器設計

本文針對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )與IPv6網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)，在分析現有接入方式不足的基礎上提出了一種基于IPv6的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )邊界路由器的設計方案。方案主要闡述了邊界路由器的硬件和軟件設計的實(shí)現，重點(diǎn)介紹了基于IPv6的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧適配層的設計。通過(guò)數據包分片與重組機制以及報頭壓縮機制，協(xié)議棧適配層實(shí)現了IPv6數據包在IEEE 802.15.4鏈路中的傳輸。實(shí)驗結果表明，該設計方案實(shí)現了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )與IPv6網(wǎng)絡(luò )的無(wú)縫融合，數據傳輸穩定可靠，具有實(shí)用性的應用價(jià)值。

0 引言

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(Wireless Sensor Network，WSN)近年來(lái)發(fā)展迅速，在環(huán)境保護、工業(yè)設備監控、醫療監護、農田監測、智能家居、市政交通管理、軍事偵察等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的諸多應用都需要遠程用戶(hù)能夠方便地對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )資源進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)、控制和使用。TCP/IP的廣泛應用已經(jīng)使其成為事實(shí)上的協(xié)議標準，加之IPv6 的諸多優(yōu)良特性，都使得實(shí)現無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )與IPv6網(wǎng)絡(luò )的互聯(lián)與融合是當前最現實(shí)的選擇。

目前，無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )和IP 網(wǎng)絡(luò )之間進(jìn)行協(xié)議轉換，實(shí)現數據的轉發(fā)任務(wù)，但是網(wǎng)關(guān)接入還存在著(zhù)網(wǎng)絡(luò )結構復雜、成本較高等諸多問(wèn)題;直接接入方式是指在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)直接運行 IPv6 協(xié)議，能夠實(shí)現無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )和Internet網(wǎng)絡(luò )的無(wú)縫融合。無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)上并不適合直接運行標準IPv6協(xié)議。

本文提出了一種基于JN5148模塊的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )邊界路由器的設計方案，該方案能夠實(shí)現無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )與IPv6 網(wǎng)絡(luò )的無(wú)縫融合，并通過(guò)實(shí)際測試證明了該方案的可行性。

1 邊界路由器硬件設計

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，射頻模塊負責IEEE 802.15.4 數據幀的收發(fā);處理器模塊負責解析收到的數據幀，選擇路徑后進(jìn)行轉發(fā)處理;電源模塊負責對其他模塊供電。邊界路由器的硬件結構如圖1所示。

1.1 射頻模塊

目前，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )領(lǐng)域面向不同應用的協(xié)議棧眾多，其中絕大部分協(xié)議棧都把IEEE 802.15.4作為物理層和數據鏈路層的無(wú)線(xiàn)通信標準。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，內置了IEEE 802.15.4 協(xié)議，不需要自行設計無(wú)線(xiàn)射頻天線(xiàn)接口，開(kāi)發(fā)成本較低，本文設計中選用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標準的無(wú)線(xiàn)收發(fā)器，128 KB 的RAM 運行應用程序，512 KB 的FLASH能夠滿(mǎn)足包括存儲應用程序在內的大部分需求。

1.2 串行通信接口設計

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )數據流量較小，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(xiàn)連接。目前，各種網(wǎng)絡(luò )設備中普遍應用USB接口，可以使用轉換電路將USB接口轉換為UART串行總線(xiàn)接口，本文選擇 FTDI232R芯片完成電平匹配和接口轉換，FTDI232R 是一款可編程的USB 接口轉UART 接口的集成芯片，具有3.3 V電壓輸出，可編程顯示數據收發(fā)狀態(tài)。具體電路如圖2所示。

2 邊界路由器軟件設計

2.1 協(xié)議?？蚣茉O計

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )軟件設計的核心，是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )組網(wǎng)、節點(diǎn)與邊界路由器以及節點(diǎn)與節點(diǎn)之間數據通信的基礎。為了滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )全IP 互聯(lián)，需要精簡(jiǎn)IPv6 協(xié)議以及實(shí)現IPv6數據幀在IEEE 802.15.4幀中傳輸。本文設計的邊界路由器采用基于IPv6的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧。協(xié)議?？蚣苋鐖D3所示。

IEEE 802.15.4物理層主要負責啟動(dòng)和關(guān)閉射頻收發(fā)器、能量檢測與信道掃描、清除信道評估以及無(wú)線(xiàn)電波信號的調制和解調等工作。IEEE 802.15.4 MAC層主要完成信道接入、鏈路的連接及斷開(kāi)以及數據通信的差錯及流量控制等工作。輕量級操作系統Contiki負責協(xié)議棧各層任務(wù)調度及管理，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 )維護任務(wù)、IP層任務(wù)以及應用層任務(wù)，任務(wù)調度關(guān)系如圖4 所示。

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

2.2 適配層設計

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)，系統啟動(dòng)后，自組網(wǎng)任務(wù)負責在選定信道和網(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 )建立后維持父節點(diǎn)與子節點(diǎn)之間的鏈路穩定，并在鏈路出現異常時(shí)進(jìn)行上報并嘗試修復鏈路。IEEE 802.15.4物理層數據單元最大為127 B，而IPv6 要求鏈路支持的最小MTU(Maximum Transmission Unit，MTU)長(cháng)度為1 280 B，明顯不支持此長(cháng)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)除了負責管理MAC層協(xié)議事件之外，主要完成節點(diǎn)自動(dòng)地址配置、IP數據包的分片與重組和IP數據包頭壓縮與解壓等功能以實(shí)現 IP數據包在IEEE 802.15.4鏈路中的傳輸。

2.2.1 地址映射機制

基于IPv6的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中每個(gè)節點(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。本文設計的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )邊界路由器采用無(wú)狀態(tài)地址自動(dòng)配置機制。IPv6地址由全局地址前綴和接口標識 ID(Interface ID，IID)兩部分組成。因為每一個(gè)射頻模塊都分配有一個(gè)全球惟一的IEEE EUI-64標識符，即64位MAC 地址，因此可以利用EUI-64標識符獲得一個(gè)IPv6地址接口標識ID來(lái)實(shí)現無(wú)狀態(tài)地址自動(dòng)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(kāi)銷(xiāo)，適配層幀頭分為不分片和分片兩種格式，分別用于IP數據包長(cháng)度小于MAC 層MTU 的報文和IP 數據包長(cháng)度大于MAC 層MTU 的報文。適配層不分片幀頭格式與常規幀頭相同，分片幀頭又分為第一個(gè)分片和后續分片兩種格式，如圖5和圖6所示。

節點(diǎn)適配層接收到適配層數據包時(shí)，首先檢查該數據包是否分片，如果是一個(gè)分片的數據包，則在將所有數據分片重新組合成完整的IP 數據包后，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數據包的所有后續分片。對于IP 層下發(fā)的數據包，節點(diǎn)適配層判斷IP報文長(cháng)度是否超過(guò)鏈路層MTU 長(cháng)度，若超過(guò)鏈路層MTU長(cháng)度，則將此IP數據包分片后發(fā)送;若不超過(guò)鏈路層MTU長(cháng)度，則按照不分片格式發(fā)送。

適配層的每一種數據幀都有調度編碼位域(8位)，不同的調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報頭壓縮以及預留功能等多種類(lèi)型。其中，11000xxx表示本數據幀是已分片適配層數據幀的第一個(gè)分片，11100xxx則表示本數據幀是已分片適配層數據幀的后續分片。

datagram_size:11 b，表示鏈路層未分包之前的IP數據包的總長(cháng)度，該IP 數據包所有鏈路層分片的該字段的值都應該相同。

datagram_tag:16 b，分片標識，用來(lái)區分同一數據源節點(diǎn)的不同IP數據包。同一個(gè)IP數據包的所有鏈路層分片都具有相同的分片標識，數據源節點(diǎn)每成功發(fā)送一個(gè)完整的IP數據包都更新(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)，該字段只出現在第二個(gè)及后續分片中。