張效奎，白恩健，2

(1.東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620;2.東華大學(xué)數(shù)字化紡織服裝技術(shù)教育部工程研究中心，上海 201620)

目前IEEE 802.15.4已成為針對低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低可靠性的通用標(biāo)準(zhǔn)。如 ZigBee、Wireless HART等在物理層和MAC層均采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，但在網(wǎng)絡(luò)層它們采用各自定義的協(xié)議，不能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層的互聯(lián)。且無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般采用自定義的通信地址，地址數(shù)量有限，僅在單個無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有效。而IPv6具有充足的地址空間，IPv6所具有的特性較好地滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求，是物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模發(fā)展的基礎(chǔ)性保證。因此，物聯(lián)網(wǎng)采用IPv6協(xié)議實(shí)現(xiàn)其廣泛互聯(lián)互通成為必然趨勢。IETF成立了3個工作組進(jìn)行低功耗IPv6網(wǎng)絡(luò)方面的研究，旨在將Ipv6與資源受限的無線網(wǎng)絡(luò)無縫連接。

文中對基于6LoWPAN的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及IPv6網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了研究，主要目標(biāo)在于設(shè)計和實(shí)現(xiàn)一種基于6LoWPAN的傳感器網(wǎng)關(guān)。實(shí)現(xiàn)6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與IPv6有線網(wǎng)絡(luò)之間互聯(lián)，建立一種能普遍應(yīng)用的系統(tǒng)平臺架構(gòu)，并在軟硬件上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用。

1 研究概況

將IPv6技術(shù)引入無線傳感網(wǎng)絡(luò)可便于實(shí)現(xiàn)與IPv6有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備端對端的通信，提高了轉(zhuǎn)發(fā)效率，增強(qiáng)了安全性。文獻(xiàn)［1］中提出了IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，旨在實(shí)現(xiàn)IPv6技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的融合，并討論了采用網(wǎng)關(guān)接入方式，實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。

對于傳感器網(wǎng)關(guān)架構(gòu)的研究，有3種不同的設(shè)計思想。一是文獻(xiàn)［2～3］設(shè)計的網(wǎng)關(guān)，客戶端通過采用Web技術(shù)獲取無線傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息。這類解決方案的缺點(diǎn)是使用專有的協(xié)議連接傳感器節(jié)點(diǎn)，相當(dāng)于在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet之間放置了代理服務(wù)器，并不能實(shí)現(xiàn)客戶端與傳感器節(jié)點(diǎn)直接通信;二是文獻(xiàn)［4］設(shè)計的網(wǎng)關(guān)，是基于具體應(yīng)用而設(shè)計的，描述了在該應(yīng)用場景下網(wǎng)關(guān)的信息交互，并未涉及網(wǎng)關(guān)的軟硬件設(shè)計;三是文獻(xiàn)［5～7］設(shè)計的基于6LoWPAN的無線傳感器網(wǎng)關(guān)架構(gòu)。文獻(xiàn)［5］提出了基于6LoWPAN的無線傳感器網(wǎng)關(guān)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)短地址與IPv6地址之間直接轉(zhuǎn)換，分析了數(shù)據(jù)包的傳輸過程，但未涉及網(wǎng)關(guān)的軟硬件設(shè)計;文獻(xiàn)［6］實(shí)現(xiàn)IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的端到端通信，但也沒有對網(wǎng)關(guān)的軟硬件設(shè)計進(jìn)行論述;文獻(xiàn)［7］雖著重于網(wǎng)關(guān)的軟硬件設(shè)計，但未對網(wǎng)關(guān)及整體系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析。而文獻(xiàn)［8］只關(guān)注了網(wǎng)絡(luò)性能方面的測試。

文中提出一種采用網(wǎng)關(guān)接入方式實(shí)現(xiàn)6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與IPv6網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的整體架構(gòu)，并對網(wǎng)關(guān)中的硬件與軟件設(shè)計進(jìn)行論述，最后搭建測試網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析。

2 網(wǎng)關(guān)設(shè)計

6LoWPAN網(wǎng)關(guān)接入方式實(shí)現(xiàn)6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與IPv6網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)分為4個部分:6LoWPAN傳感器節(jié)點(diǎn)、6LoWPAN網(wǎng)關(guān)、6LoWPAN服務(wù)器以及IPv6用戶終端。所有無線設(shè)備采用Contiki OS作為操作系統(tǒng)。物理層和MAC層遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，集成了6LoWPAN適配層和uIPv6協(xié)議棧，具備鄰居發(fā)現(xiàn)、自動組網(wǎng)等功能，能支持構(gòu)建功能完善的基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)可以將采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)通過ContikiRPL［9］路由匯聚到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換及將數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器，服務(wù)器將對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和存儲，而IPv6客戶端可以通過訪問服務(wù)器對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效的控制和管理。

圖1 6LoWPAN網(wǎng)關(guān)接入方式系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 硬件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)硬件構(gòu)成如圖2所示。該智能無線網(wǎng)關(guān)基于OPENWRT系統(tǒng)，具備3個局域網(wǎng)口，1個廣域網(wǎng)口，1個802.11a/b/g WiFi無線網(wǎng)絡(luò)接口，1個標(biāo)準(zhǔn)USB口和1個可選的串口調(diào)試口。WAN口連接如IPv6或IPv4有線網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有外界網(wǎng)絡(luò)等。USB口連接USB Stick能支持IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，可以與WSN內(nèi)的任何節(jié)點(diǎn)通信。

圖2 6LoWPAN網(wǎng)關(guān)的硬件構(gòu)成

在用戶不能夠訪問IPv6服務(wù)器的情況下，仍能支持用戶終端通過LAN口直接與網(wǎng)關(guān)相連，實(shí)現(xiàn)與傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行簡單通信。

該智能無線網(wǎng)關(guān)除具備通用無線路由器的功能以外，可以支持基于Contiki操作系統(tǒng)的USB UIP網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)UIP網(wǎng)絡(luò)和普通IP網(wǎng)絡(luò)之間的IPV6互連，同時還支持在OPENWRT的基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)展應(yīng)用。為使網(wǎng)關(guān)能夠連接無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，需要在圖2右下角的USB口處插入 USB Stick網(wǎng)卡。USB Stick如圖3所示。

圖3 USB Stick

2.2 軟件設(shè)計

6LoWPAN網(wǎng)關(guān)的軟件架構(gòu)如圖4所示。網(wǎng)關(guān)通過WAN口與Internet互聯(lián)。一方面接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，并將幀實(shí)體提交給應(yīng)用層處理;另一方面從應(yīng)用層接收幀實(shí)體數(shù)據(jù)，并用以太網(wǎng)幀頭對幀實(shí)體進(jìn)行封裝，通過WAN口發(fā)送出去，這里以太網(wǎng)幀頭中的目的地址為下一跳的MAC地址，源地址為網(wǎng)關(guān)的MAC地址。

圖4 6LoWPAN網(wǎng)關(guān)軟件框架

網(wǎng)關(guān)通過USB Stick與6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。一方面無線接口接收IEEE 802.15.4數(shù)據(jù)幀，并將幀實(shí)體提交給適配層處理;另一方面從適配層接收幀實(shí)體數(shù)據(jù)，并用IEEE 802.15.4幀頭對幀實(shí)體進(jìn)行封裝，通過無線接口發(fā)送出去。

該網(wǎng)關(guān)設(shè)計的關(guān)鍵之一是對USB Stick的設(shè)計。它采用Contiki OS作為操作系統(tǒng)，其物理層和MAC層遵循 IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，集成了 uIPv6協(xié)議棧和6LoWPAN適配層。采用 AT90USB1287芯片，在Congtiki Studio集成開發(fā)環(huán)境下編程、編譯，并通過AVR Studio 4連接JTAG仿真器進(jìn)行程序燒寫。USB Stick中主要完成了報文分片與重組、報頭壓縮及鏈路層的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等方面功能。

3 性能分析

為分析系統(tǒng)的性能，根據(jù)圖1搭建了測試網(wǎng)絡(luò)。通過對端到端網(wǎng)絡(luò)的連接性、延時變化、往返延時、丟包率以及吞吐量的測試，對該網(wǎng)絡(luò)性能作出簡要分析。

(1)連接性。連接性又稱可達(dá)性，嚴(yán)格說應(yīng)是網(wǎng)絡(luò)的基本能力或?qū)傩?，并不能稱為性能，它直接反映了網(wǎng)絡(luò)是否可用。通過Ping6命令測試，證明網(wǎng)絡(luò)能夠互通，即實(shí)現(xiàn)6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與IPv6網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 連接性測試

(2)時延變化。對3 000 s內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的往返時延進(jìn)行了監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果如圖6(a)所示。時延的突升或突降，通常表明網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，或受到安全攻擊等。從測試結(jié)果可以看出，每個時間段內(nèi)往返延時比較平穩(wěn)，從而說明該網(wǎng)絡(luò)的通訊性能良好。

(3)往返時延。往返時延(RTT，Round Trip Times)由3部分決定:線路的傳播時間、末端系統(tǒng)的處理時間及路由器緩存中的排隊和處理時間。其中第一項是相對固定的，而后兩項則和網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷及系統(tǒng)性能有關(guān)，所以RTT值能間接反映網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷和系統(tǒng)性能，并且可以大致認(rèn)為RTT值和網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷成正比，而和系統(tǒng)性能成反比。為便于測量，主要考慮不同大小數(shù)據(jù)包的端到端往返時延。

由圖6(b)中圖可以看出，數(shù)據(jù)包的大小將會對網(wǎng)絡(luò)時延有一定的影響。發(fā)送的數(shù)據(jù)包越大，端到端的時延就越長，系統(tǒng)性能就越差。

(4)丟包率。理論上，丟包率一般在0% ～15%之間變化。然而由于系統(tǒng)是基于6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，本身即具有低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低可靠性等特點(diǎn)，以及發(fā)送的數(shù)據(jù)包為不可靠傳輸。因此測得的丟包率比較大，但網(wǎng)絡(luò)仍然是可達(dá)的。監(jiān)測不同大小的數(shù)據(jù)包在3 000 s內(nèi)的丟包率。監(jiān)測結(jié)果如圖6(c)所示，數(shù)據(jù)包越大丟包率就越高。

(5)吞吐量。吞吐量是指數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸速率，一般以 bit·s－1、Byte·s－1以及 P·s－1表示。吞吐量一般是指鏈路上所有通信數(shù)據(jù)的總傳輸速率，有時也可以表示某特定業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳送速率。這里就是通過ping6命令發(fā)送 ICMPv6包測試其傳輸速率，如圖6(d)和圖6(e)所示。

圖6 系統(tǒng)性能測試曲線

除以上測試外，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的抗干擾能力比較弱。稍加干擾會就會使丟包率顯著增加，甚至導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中斷。另外，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的改變也很大程度上影響無線傳感器節(jié)點(diǎn)的有效傳輸距離。

4 結(jié)束語

提出一種基于6LoWPAN的傳感器網(wǎng)關(guān)解決方案，并對網(wǎng)關(guān)中的硬件與軟件設(shè)計進(jìn)行了論述。最后，搭建了測試網(wǎng)絡(luò)，在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，對端到端網(wǎng)絡(luò)的連接性、延時變化、往返延時、丟包率以及吞吐量進(jìn)行了測試。測試結(jié)果表明，網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與IPv6網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，并能在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中運(yùn)行。

從測試中看出，該網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的丟包率較高，傳輸?shù)木嚯x受環(huán)境影響較大?？傮w來說，系統(tǒng)的抗干擾能力較弱。進(jìn)一步研究工作的重點(diǎn)將放在系統(tǒng)的安全性及穩(wěn)定性上，并考慮其在智能交通中的應(yīng)用。

［1］張宏科，梁露露，高德云.IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究及其應(yīng)用［J］.中興通訊技術(shù)，2009，15(5):37 －40.

［2］DUN FAN Y，LIANG LIANG M，WEI W.Design and implementation of wireless sensor network gateway based on environmental monitoring［C］.Wuhan:ESIAT，2009.

［3］STEENKAMP L，KAPLAN S，WILKINSON R.Wireless sensor network gateway［C］.Nairobi:AFRICON，2009.

［4］JARA A J，ZAMORA M A，SKARMETA A FG.Hwsn6:Hospital wireless sensor networks based on 6lowpan technology:mobility and fault tolerance management［C］.Vancouver，BC:CSE，2009.

［5］SURYADY G，SARWAR U，ABBAS M.A gateway solution for ipv6 wireless sensor networks ［C］.St.Petersburg:ICUMT，2009.

［6］OLIVEIRA L，RODRIGUESJ，MACAO B，et al.End － to －end connectivity IPv6 over wireless sensor networks［C］.Dalian:ICUFN，2011.

［7］SILVA D，RODRIGUESJ J，OLIVEIRA L，et al.Design and construction of a wireless sensor and actuator network gateway based on 6LoWPAN［C］.Lisbon:EUROCON，2011.

［8］HASBOLLAH A A，ARIFFIN S H S，HAMINI M I A.Performance analysis for 6lowpan ieee 802.15.4 with ipv6 network［C］.Singapore:TENCON，2009.

［9］TSIFTESN，ERIKSSON J，DUNKELSA.Poster abstract:Low－power wireless IPv6 routing with ContikiRPL［C］.Stockholm，Sweden:IPSN，2010.