鐵 玲, 任海波

(1.成都大學 信息科學與工程學院， 四川 成都 610106；2.成都世紀華寧科技有限公司， 四川 成都 610041)

基于Contiki的無線傳感器網(wǎng)絡的6LoWPAN子網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)研究

鐵 玲1, 任海波2

(1.成都大學 信息科學與工程學院， 四川 成都 610106；2.成都世紀華寧科技有限公司， 四川 成都 610041)

無線傳感器網(wǎng)絡是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，主要通過傳感器感受外界環(huán)境，同時將測量參數(shù)通過無線媒介傳遞給后臺服務器，并且傳感器節(jié)點之間可以組網(wǎng)完成數(shù)據(jù)路由功能.傳統(tǒng)的IP協(xié)議棧并不適合資源和能量受限的無線傳感器節(jié)點，6LoWPAN技術主要完成IPv6互聯(lián)網(wǎng)與無線傳感器網(wǎng)絡之間協(xié)議和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換.通過在傳感器節(jié)點和嵌入式網(wǎng)關中間引入Contiki操作系統(tǒng)以及合適的IPv6協(xié)議?？梢院芎玫貙崿F(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡和Internet的互聯(lián).實現(xiàn)了基于Contiki的CC2530網(wǎng)關節(jié)點的uIP協(xié)議棧，并設計了UDP通信協(xié)議,針對設計方案搭建合理的測試環(huán)境,并采用PING命令進行了連通性測試實驗.

6LoWPAN;IPv6;Internet;聯(lián)接

0 引 言

6LoWPAN技術主要針對在無線傳感器網(wǎng)絡(wireless sensor network,WSN)上提供IPv6協(xié)議，IETF工作組的RFC4944標準[1]對IPv6分組如何在無線傳感器網(wǎng)絡上被封裝和轉(zhuǎn)發(fā)進行了詳細說明.此外，Contiki是一種在無線傳感器網(wǎng)絡上開發(fā)的開源操作系統(tǒng)[2]，在此之上實現(xiàn)了uIP(micro-IP) and lwIP TCP/IP協(xié)議棧，每個節(jié)點提供IPv6連接，從而實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡和IPv6互聯(lián)網(wǎng)之間全IP的互聯(lián)互通[3].本研究基于Contiki，實現(xiàn)一個6LoWPAN的網(wǎng)關，完成IPv6協(xié)議棧和6LoWPAN協(xié)議棧的轉(zhuǎn)換，使得6LoWPAN的無線傳感器節(jié)點和IP網(wǎng)絡的主機能相互訪問.

1 6LoWPAN網(wǎng)絡體系結構

基于6LoWPAN的無線傳感器網(wǎng)絡主要由IPv6的無線傳感器節(jié)點、6LoWPAN網(wǎng)關、IPv6網(wǎng)絡和節(jié)點組成，其網(wǎng)絡體系結構如圖1所示[4].

1.1 6LoWPAN協(xié)議棧

無線傳感器節(jié)點支持Contiki的uIP[5]協(xié)議，其網(wǎng)絡的協(xié)議棧如圖2所示.6LoWPAN適配層是IPv6網(wǎng)絡和IEEE 802.15.4 MAC層間的一個中間層，其向

圖1 6LoWPAN網(wǎng)絡體系結構

上提供IPv6對IEEE 802.15.4媒介訪問支持，向下則控制網(wǎng)絡構建、拓撲及MAC層路由.6LoWPAN適配層的基本功能包括鏈路層的分片和重組、頭部壓縮、組播支持、網(wǎng)絡拓撲構建和地址分配、IPv6報文的轉(zhuǎn)發(fā).

圖2 6LoWPAN協(xié)議棧

1.2 Contiki的系統(tǒng)架構

Contiki[6]是一個適用于有內(nèi)存的嵌入式系統(tǒng)的開源、高可移植并支持網(wǎng)絡的多任務操作系統(tǒng)，其系統(tǒng)架構如圖3所示，包括一個多任務核心、TCP/IP堆棧、程序集以及低能耗的無線通信堆棧.Contiki可以在每個進程內(nèi)選擇是否支持先占式多線程，進程間通信通過事件利用消息來實現(xiàn).Contiki還包括一個可選的GUI子系統(tǒng)，可以提供對本地終端、基于VNC的網(wǎng)絡化虛擬顯示或者Telnet的圖形化支持.

圖3 Contiki的系統(tǒng)架構示意圖

2 uIP協(xié)議設計

uIP的TCP/IP協(xié)議棧是為能夠在對內(nèi)存具有嚴格要求的智能體和其他網(wǎng)絡嵌入式設備運行而設計的.本設計中，uIP協(xié)議棧[7]主要有2個任務：傳感器的數(shù)據(jù)包通過uip封裝成IP報文，然后放在緩存區(qū)里，適配層通過對其報文的頭部壓縮和分片，在通過加入相應的mesh頭或分片來構造6LoWPAN數(shù)據(jù)包，最后發(fā)送出去；處理由底層驅(qū)動收到的數(shù)據(jù)包.數(shù)據(jù)的接收過程正好相反.協(xié)議實現(xiàn)的構架圖如圖4所示.

圖4 uIP協(xié)議

本設計主要采用應用UDP[8]來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā).通過timeout-handler()函數(shù)來觸發(fā)定時器，然后調(diào)用uip-udp-packet-send()函數(shù)來實現(xiàn)發(fā)送.該函數(shù)通過調(diào)用網(wǎng)絡層驅(qū)動sicslowpan.c文件中的sicslowpan-init(void)來啟動MAC層的輸出，最后將數(shù)據(jù)發(fā)送出去.應用層程序通過uip-udp-new()函數(shù)建立一個新的UDP連接，動態(tài)分配一個未使用的本地端口號，可以在使用uip-udp-new后調(diào)用uip-udp-bind()函數(shù)來選擇使用其他端口號[9].具體為：

uip-ipaddr-t addr;

struct uip-udp-conn*c;

uip-ipaddr(&addr,192,168,2,1);

c=uip-udp-new(&addr,UIP-HTONS(12345));

if(c!=NULL)

{uip-udp-bind(c,UIP-HTONS(12344));

}

struct uip-udp-conn*uip-udp-new

(

const uip-ipaddr-t*ripaddr,

uint16-t rport

);

3 連通性性能測試

本設計主要實現(xiàn)了LJ601[10]網(wǎng)關，其將6LoWPAN網(wǎng)絡和互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)在一起，運行有IPv4和IPv6雙棧.此網(wǎng)關有2個口：一個是WAN口，另一個是LAN口.WAN口可以直接連接到互聯(lián)網(wǎng).本設計采用WAN口，所有的6LoWPAN節(jié)點都共享這單一的WAN口，其測試平臺的結構如圖5所示.測試中，通過Contiki對節(jié)點和網(wǎng)關分配地址：節(jié)點IPv6地址為2001::1/64,其網(wǎng)關缺省IPv6地址為2001::1，Window 7 PC IPv6地址為2001::6/64.為了測試其連通性，6LoWPAN傳感器節(jié)點使用PING命令，測試結果如圖6所示.

圖5 6LoWPAN測試平臺

圖6 6LoWPAN PING測試結果

4 結 論

本研究設計了一個網(wǎng)關，并采用Contiki操作系統(tǒng)實現(xiàn)6LoWPAN節(jié)點和IPv6互聯(lián)網(wǎng)的互操作，連通性測試結果表明，外部互聯(lián)網(wǎng)可以使用IPv6協(xié)議完成和內(nèi)部無線網(wǎng)絡的全IP連接，這對于實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)的互操作和集成有一定的指導意義.

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Abstract：Wireless sensor network(WSN) is one of the important parts of the Internet of Things,which mainly detects the outside environment through sensors and passes the measurement parameters to the server through wireless medium.The sensor nodes can be connected together to form the data network routing.The traditional IP protocol stack is not suitable for wireless sensor nodes because of its limited resources and energy.6LoWPAN technology is mainly used to complete the conversion between IPv6 Internet and WSN protocol and data.By introducing the Contiki operating system and the appropriate IPv6 protocol stack between the sensor nodes and the embedded gateway,the interconnection between WSN and the Internet can be well implemented.In this paper,the uIP protocol stack of CC2530 gateway based on Contiki is implemented,and the UDP communication protocol is designed.The test environment is set up according to the design scheme,and the connectivity test is carried out by using the PING command.

Keywords：6LoWPAN;IPv6;Internet;connectivity

ResearchonConnectivityBetween6LoWPANSubsetinWirelessSensorNetworkandInternetBasedonContiki

TIELing1，RENHaibo2

(1.School of Information Science and Engineering， Chengdu University, Chengdu 610106,China;2.Shijihuaning Technology Co., Ltd., Chengdu 610041, China)

TP311.52；TN929.532

A

1004-5422(2017)03-0262-03

2017-07-12.

四川省科技廳自然科學基金(2013GZ0016)資助項目.

鐵 玲(1970 — )， 女， 博士， 副教授， 從事物聯(lián)網(wǎng)與信息安全研究.