一種基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡邊界路由器設計

本文針對無線傳感器網(wǎng)絡與IPv6網(wǎng)絡互聯(lián)，在分析現(xiàn)有接入方式不足的基礎上提出了一種基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡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現(xiàn)，重點介紹了基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧適配層的設計。通過數(shù)據(jù)包分片與重組機制以及報頭壓縮機制，協(xié)議棧適配層實現(xiàn)了IPv6數(shù)據(jù)包在IEEE 802.15.4鏈路中的傳輸。實驗結(jié)果表明，該設計方案實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡與IPv6網(wǎng)絡的無縫融合，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，具有實用性的應用價值。

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network，WSN)近年來發(fā)展迅速，在環(huán)境保護、工業(yè)設備監(jiān)控、醫(yī)療監(jiān)護、農(nóng)田監(jiān)測、智能家居、市政交通管理、軍事偵察等領域具有廣闊的應用前景。無線傳感器網(wǎng)絡的諸多應用都需要遠程用戶能夠方便地對無線傳感器網(wǎng)絡資源進行訪問、控制和使用。TCP/IP的廣泛應用已經(jīng)使其成為事實上的協(xié)議標準，加之IPv6 的諸多優(yōu)良特性，都使得實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡與IPv6網(wǎng)絡的互聯(lián)與融合是當前最現(xiàn)實的選擇。

目前，無線傳感器網(wǎng)絡與IPv6 網(wǎng)絡互聯(lián)主要有網(wǎng)關接入和直接接入兩種方式。其中，網(wǎng)關接入是指利用網(wǎng)關在無線傳感器網(wǎng)絡和IP 網(wǎng)絡之間進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)任務，但是網(wǎng)關接入還存在著網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)復雜、成本較高等諸多問題;直接接入方式是指在無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點直接運行 IPv6 協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡和Internet網(wǎng)絡的無縫融合。無線傳感器網(wǎng)絡是低速率、低功耗的資源受限網(wǎng)絡，在無線傳感器節(jié)點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模塊的無線傳感器網(wǎng)絡邊界路由器的設計方案，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡與IPv6 網(wǎng)絡的無縫融合，并通過實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(shù)據(jù)幀的收發(fā);處理器模塊負責解析收到的數(shù)據(jù)幀，選擇路徑后進行轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 射頻模塊

目前，無線傳感器網(wǎng)絡領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(shù)據(jù)鏈路層的無線通信標準。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(nèi)置了IEEE 802.15.4 協(xié)議，不需要自行設計無線射頻天線接口，開發(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標準的無線收發(fā)器，128 KB 的RAM 運行應用程序，512 KB 的FLASH能夠滿足包括存儲應用程序在內(nèi)的大部分需求。

1.2 串行通信接口設計

無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流量較小，對網(wǎng)絡帶寬要求不高，因此邊界路由器與Internet網(wǎng)絡之間可以采用UART串行總線連接。目前，各種網(wǎng)絡設備中普遍應用USB接口，可以使用轉(zhuǎn)換電路將USB接口轉(zhuǎn)換為UART串行總線接口，本文選擇 FTDI232R芯片完成電平匹配和接口轉(zhuǎn)換，F(xiàn)TDI232R 是一款可編程的USB 接口轉(zhuǎn)UART 接口的集成芯片，具有3.3 V電壓輸出，可編程顯示數(shù)據(jù)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

無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧是無線傳感器網(wǎng)絡軟件設計的核心，是無線傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)、節(jié)點與邊界路由器以及節(jié)點與節(jié)點之間數(shù)據(jù)通信的基礎。為了滿足無線傳感器網(wǎng)絡全IP 互聯(lián)，需要精簡IPv6 協(xié)議以及實現(xiàn)IPv6數(shù)據(jù)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的無線傳感器網(wǎng)絡協(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和關閉射頻收發(fā)器、能量檢測與信道掃描、清除信道評估以及無線電波信號的調(diào)制和解調(diào)等工作。IEEE 802.15.4 MAC層主要完成信道接入、鏈路的連接及斷開以及數(shù)據(jù)通信的差錯及流量控制等工作。輕量級操作系統(tǒng)Contiki負責協(xié)議棧各層任務調(diào)度及管理，保證協(xié)議棧工作的實時性。

協(xié)議棧包括的任務有自組網(wǎng)任務、適配層主任務、網(wǎng)絡維護任務、IP層任務以及應用層任務，任務調(diào)度關系如圖4 所示。

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

2.2 適配層設計

組建網(wǎng)絡是邊界路由器適配層需要完成的基本任務，系統(tǒng)啟動后，自組網(wǎng)任務負責在選定信道和網(wǎng)絡16 位PAN_ID后建立網(wǎng)絡。網(wǎng)絡維護任務在網(wǎng)絡建立后維持父節(jié)點與子節(jié)點之間的鏈路穩(wěn)定，并在鏈路出現(xiàn)異常時進行上報并嘗試修復鏈路。IEEE 802.15.4物理層數(shù)據(jù)單元最大為127 B，而IPv6 要求鏈路支持的最小MTU(Maximum Transmission Unit，MTU)長度為1 280 B，明顯不支持此長度MTU.適配層介于IEEE 802.15.4 MAC層和IP 層之間，因此適配層主任務除了負責管理MAC層協(xié)議事件之外，主要完成節(jié)點自動地址配置、IP數(shù)據(jù)包的分片與重組和IP數(shù)據(jù)包頭壓縮與解壓等功能以實現(xiàn) IP數(shù)據(jù)包在IEEE 802.15.4鏈路中的傳輸。

2.2.1 地址映射機制

基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡中每個節(jié)點都需要配置惟一的IPv6 地址，但是手動配置繁瑣并且難以保證地址惟一性。本文設計的無線傳感器網(wǎng)絡邊界路由器采用無狀態(tài)地址自動配置機制。IPv6地址由全局地址前綴和接口標識 ID(Interface ID，IID)兩部分組成。因為每一個射頻模塊都分配有一個全球惟一的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IPv6地址接口標識ID來實現(xiàn)無狀態(tài)地址自動配置。

2.2.2 適配層分片與重組機制

為了減少適配層包頭開銷，適配層幀頭分為不分片和分片兩種格式，分別用于IP數(shù)據(jù)包長度小于MAC 層MTU 的報文和IP 數(shù)據(jù)包長度大于MAC 層MTU 的報文。適配層不分片幀頭格式與常規(guī)幀頭相同，分片幀頭又分為第一個分片和后續(xù)分片兩種格式，如圖5和圖6所示。

節(jié)點適配層接收到適配層數(shù)據(jù)包時，首先檢查該數(shù)據(jù)包是否分片，如果是一個分片的數(shù)據(jù)包，則在將所有數(shù)據(jù)分片重新組合成完整的IP 數(shù)據(jù)包后，再傳送到IP網(wǎng)絡層處理;若某一個分片丟失，則丟棄該IP數(shù)據(jù)包的所有后續(xù)分片。對于IP 層下發(fā)的數(shù)據(jù)包，節(jié)點適配層判斷IP報文長度是否超過鏈路層MTU 長度，若超過鏈路層MTU長度，則將此IP數(shù)據(jù)包分片后發(fā)送;若不超過鏈路層MTU長度，則按照不分片格式發(fā)送。

適配層的每一種數(shù)據(jù)幀都有調(diào)度編碼位域(8位)，不同的調(diào)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型。其中，11000xxx表示本數(shù)據(jù)幀是已分片適配層數(shù)據(jù)幀的第一個分片，11100xxx則表示本數(shù)據(jù)幀是已分片適配層數(shù)據(jù)幀的后續(xù)分片。

datagram_size:11 b，表示鏈路層未分包之前的IP數(shù)據(jù)包的總長度，該IP 數(shù)據(jù)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，用來區(qū)分同一數(shù)據(jù)源節(jié)點的不同IP數(shù)據(jù)包。同一個IP數(shù)據(jù)包的所有鏈路層分片都具有相同的分片標識，數(shù)據(jù)源節(jié)點每成功發(fā)送一個完整的IP數(shù)據(jù)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(xiàn)在第二個及后續(xù)分片中。