楊青松

摘要：隨著我國無線網(wǎng)絡技術(shù)的多樣化發(fā)展以及大數(shù)據(jù)計劃的不斷推廣，大量無線異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡間的數(shù)據(jù)通信需求變得越來越強烈，在眾多的無線傳感器網(wǎng)絡類型里，ZigBee網(wǎng)絡屬于低速短途無線傳感器通信技術(shù)，由于其簡單、能耗低、自適應能力強的優(yōu)點，被工業(yè)自動化監(jiān)控領域大量應用，目前已發(fā)展成熟；而6LoWPAN是另一種著名的無線傳感器網(wǎng)絡，其最大的特點是對IPv6協(xié)議的高度支持，并可實現(xiàn)復雜數(shù)據(jù)的高效傳輸，目前被廣泛地應用在各類手持設備接入因特網(wǎng)的場合，且隨著IPv4協(xié)議不斷向IPv6協(xié)議的過渡，6LoWPAN網(wǎng)絡在未來的發(fā)展?jié)摿薮?。該文主要研究這兩種異構(gòu)網(wǎng)絡各自的運行機制，并對其相互通行問題進行研究，提出了一種協(xié)議轉(zhuǎn)換模型來解決這兩種網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的差異性，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)在這兩種網(wǎng)絡之間的無縫傳輸。

關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；ZigBee；6LoWPAN；協(xié)議轉(zhuǎn)換模型

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）16-0090-02

1 概述

近年來，物聯(lián)網(wǎng)在我國得到了飛速的發(fā)展，我國在網(wǎng)絡通信領域內(nèi)提出的大數(shù)據(jù)計劃和互聯(lián)網(wǎng)+計劃都離不開物聯(lián)網(wǎng)的支持。而在各種物聯(lián)網(wǎng)中，無線傳感器網(wǎng)絡作為其感知層的末梢環(huán)節(jié)，承擔著為物聯(lián)網(wǎng)收集大規(guī)?；A信息的關鍵任務。由于無線傳感器網(wǎng)絡對各種應用環(huán)境的需求差異較大，因此目前發(fā)展出多種類型，其中主要有ZigBee、6LoWPAN、RFID等，在以往物聯(lián)網(wǎng)應用較為單一的情況下，這些網(wǎng)絡各自完成有限范圍內(nèi)的不同任務，彼此間并不存在大規(guī)模的數(shù)據(jù)通信需求，而隨著物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，將現(xiàn)存的這些異構(gòu)網(wǎng)絡有機的融合成為一個整體，從而極大的提高數(shù)據(jù)在不同網(wǎng)絡間的通信效率，已經(jīng)成為了網(wǎng)絡無線通信領域內(nèi)的研究熱點。

ZigBee網(wǎng)絡采用的協(xié)議是一組以IEEE802.15.4協(xié)議為基礎協(xié)議集合，該協(xié)議規(guī)定了物理層和MAC層的接入機制，而在此基礎上，對高層協(xié)議的不同設置而衍生出不同的無線傳感器網(wǎng)絡類型，ZigBee無疑是其中最著名的一種。該類網(wǎng)絡主要用于工業(yè)自動化監(jiān)控場合，其優(yōu)點是功耗低、自適應性強、組網(wǎng)方便靈活、易維護，缺點在于通信帶寬較小。另一方面，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢分析，未來該領域內(nèi)需要解決的核心問題就是如何快速的同因特網(wǎng)進行無縫銜接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無障礙通信，而這正是6LoWPAN網(wǎng)絡特有的優(yōu)勢，該網(wǎng)絡在協(xié)議棧的高層采用IPv6，這使得其快速接入未來因特網(wǎng)這一最大的優(yōu)勢得以充分發(fā)揮，極大地擴展了網(wǎng)絡容量。

本文著眼于這兩種異構(gòu)無線網(wǎng)絡間的通信問題，設計了相關的通信協(xié)議模型，并設計了這兩種異構(gòu)網(wǎng)絡間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的網(wǎng)關系統(tǒng)，有效的優(yōu)化了數(shù)據(jù)的跨網(wǎng)絡通信效率。

2 異構(gòu)傳感網(wǎng)通信系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

2.1 協(xié)議模型

圖1為協(xié)議轉(zhuǎn)換模型，左側(cè)協(xié)議棧為ZigBee網(wǎng)絡接入?yún)f(xié)議模塊，右側(cè)為6LoWPAN網(wǎng)絡接入?yún)f(xié)議模塊，而居中的主控單元是基于ARM的網(wǎng)關系統(tǒng)，則負責將兩種網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的跳轉(zhuǎn)。在ZigBee網(wǎng)絡一側(cè)，數(shù)據(jù)在該網(wǎng)絡內(nèi)以ZigBee協(xié)議進行通信，當需要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至6LoWPAN網(wǎng)絡時，則通過接入模塊進行數(shù)據(jù)解析，隨后通過SLIP協(xié)議發(fā)給ARM處理器，在網(wǎng)關的第三層即為IPv6協(xié)議，從下層的SLIP協(xié)議接受解封的數(shù)據(jù)后，對其進行轉(zhuǎn)換至IPv6數(shù)據(jù)包，再通過SLIP協(xié)議發(fā)送至6LoWPAN接入模塊，最后傳輸至該網(wǎng)絡中的目的節(jié)點。

2.2 網(wǎng)關功能

由圖1可以看出，居中的網(wǎng)關在兩種異構(gòu)網(wǎng)絡充當了橋梁的作用，將原本無法相互通信的二者銜接了起來，通過對數(shù)據(jù)的解析、轉(zhuǎn)換和再次封裝實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的跨網(wǎng)傳輸。具體分析，網(wǎng)關在其中起到的作用主要有以下三點：

1）協(xié)議解析功能，網(wǎng)關必須支持多種網(wǎng)絡協(xié)議，并具備對不同協(xié)議的解析并對數(shù)據(jù)進行協(xié)議封裝的功能，如ZigBee協(xié)議、6LoWPAN協(xié)議以及IPv6協(xié)議。

2）服務查詢功能，在網(wǎng)關中，需要對用戶提出的轉(zhuǎn)發(fā)申請進行及時的查詢，并找到其對應的解決策略，同時也必須對訪問節(jié)點的身份是否合法進行審查，因此必須預先建立映射表，該表中存放的是傳感網(wǎng)節(jié)點EUI-64地址與所提供服務的服務表，在兩端異構(gòu)網(wǎng)絡中的任意節(jié)點都可根據(jù)存儲在網(wǎng)關中的地址來實現(xiàn)對接口的合法訪問，并獲得相應的服務權(quán)限。

3）協(xié)議轉(zhuǎn)換功能。這也是網(wǎng)關最核心的功能，必須將EUI-64地址要轉(zhuǎn)換成IPv6地址才能夠?qū)?shù)據(jù)進行網(wǎng)絡層的封裝，即將ZigBee數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成IPv6數(shù)據(jù)包，同時也必須能夠?qū)Pv6數(shù)據(jù)包反向轉(zhuǎn)換成ZigBee數(shù)據(jù)包。

3 系統(tǒng)功能設計

3.1 應用層通信協(xié)議設計

應用層位于網(wǎng)絡通信協(xié)議棧的頂層，尤其對于ZigBee網(wǎng)絡而言，應用層與ZigBee NWK層相鄰，直接接受802.15.4協(xié)議提供的服務，因此該網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點在于網(wǎng)關進行通信時，必須由應用層負責將自身的EUI-64地址、對方節(jié)點的6LoWPAN的EUI-64地址以及有效的用戶數(shù)據(jù)進行封裝，所以在網(wǎng)關和兩種異構(gòu)網(wǎng)絡的應用層當中就需要包含協(xié)調(diào)處理這些工作的統(tǒng)一規(guī)程，即應用層協(xié)議。

3.2 SLIP封裝與解封裝

無論何種網(wǎng)絡首先將數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關，都需要通過串行線路網(wǎng)際協(xié)議SLIP來完成，在封裝時，該協(xié)議將將原報文中的字符0xC0替換為0XDB、0xDC，將字符0xDB替換為0xDB、0xDD，在解封階段則反向執(zhí)行。接收方節(jié)點在收到相關報文后，啟動相應的校驗機制，通過分析SLIP的標志位來進行數(shù)據(jù)的正確性和完整性的判斷，并以此為依據(jù)接受或丟棄數(shù)據(jù)。

3.3 網(wǎng)關任務流程

從業(yè)務流程來看，可以講整個網(wǎng)關的工作過程分為三個主要環(huán)節(jié)，即初始化環(huán)節(jié)、服務查詢環(huán)節(jié)以及數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)。圖2為本設計網(wǎng)關的詳細工作流程，縱軸為時間軸。如圖所示，首先由網(wǎng)關初始化生成服務表“EUI-64/SER”，現(xiàn)假設首先由ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點發(fā)起了通信申請，網(wǎng)關經(jīng)審核后，如接受該請求，則返回服務查詢響應報文，其首部中包含了該節(jié)點所需的目的地址。ZigBee節(jié)點將得到的地址封裝進數(shù)據(jù)報中進行發(fā)送，網(wǎng)關收到該報文后進行協(xié)議轉(zhuǎn)換、封裝及轉(zhuǎn)發(fā)，完成了整個跨網(wǎng)通信過程。其中主要步驟的細節(jié)如下：

1）網(wǎng)關初始化

該步驟包括兩個環(huán)節(jié)，即網(wǎng)絡初始化和服務注冊。首先網(wǎng)關啟動后，分別與兩種異構(gòu)網(wǎng)絡建立連接，此過程與ZigBee網(wǎng)絡和6LoWPAN網(wǎng)絡的啟動初始化過程一起，被定義為網(wǎng)絡初始化環(huán)節(jié)；在網(wǎng)關同兩端網(wǎng)絡建立聯(lián)系后，兩種網(wǎng)絡內(nèi)的各節(jié)點向網(wǎng)關上傳自己的EUI-64地址和該節(jié)點所實現(xiàn)的功能，即可以提供何種服務，完成服務注冊環(huán)節(jié)。

2）服務查詢

節(jié)點A向網(wǎng)關B發(fā)起服務查詢請求，網(wǎng)關收到請求后，先驗證其身份，通過審核后，為其在服務表中查詢對方網(wǎng)絡在本網(wǎng)關內(nèi)注冊的服務項目，并確定節(jié)點A所需要到達的節(jié)點C的地址，最后將此地址封裝在響應報文中返回至A，節(jié)點A即可根據(jù)此地址完成數(shù)據(jù)的封裝與發(fā)送。

3）數(shù)據(jù)傳輸

封裝完成后，節(jié)點A將此數(shù)據(jù)包發(fā)送至網(wǎng)關，網(wǎng)關由ARM處理器負責進行接續(xù)和查詢，當接收到數(shù)據(jù)包后依次取出兩類地址以及數(shù)據(jù)，調(diào)用UDP/IPv6封裝程序封裝成一個IPv6數(shù)據(jù)包，再使用SLIP協(xié)議進行再次封裝，并通過串口發(fā)到6LoWPAN邊界路由器的網(wǎng)絡層，由此路由器負責對數(shù)據(jù)報進行解析，查找目的地址等工作，隨后向下傳給MAC層及物理層，通過無線發(fā)送到目的6LoWPAN節(jié)點，最終實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的跨網(wǎng)傳輸過程。

4 結(jié)束語

本文闡述的采用網(wǎng)關實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡無縫融合的技術(shù)在解決無線數(shù)據(jù)跨網(wǎng)通信領域具有較高的研究和應用價值。隨著硬件技術(shù)、信息技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，未來必將會出現(xiàn)性能更高的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，各種新型的協(xié)議也會不斷問世，這些技術(shù)成果都將極大地促進各類異構(gòu)網(wǎng)絡的融合過程，進一步提高無線網(wǎng)絡通信的效率。

參考文獻：

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