基于6LoWPAN傳感器網關設計

張效奎，白恩健，2

(1.東華大學信息科學與技術學院，上海 201620;2.東華大學數字化紡織服裝技術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、低數據速率、低可靠性的通用標準。如 ZigBee、Wireless HART等在物理層和MAC層均采用IEEE 802.15.4標準，但在網絡層它們采用各自定義的協議，不能實現網絡層的互聯。且無線傳感器網絡一般采用自定義的通信地址，地址數量有限，僅在單個無線網絡內有效。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網應用需求，是物聯網大規模發展的基礎性保證。因此，物聯網采用IPv6協議實現其廣泛互聯互通成為必然趨勢。IETF成立了3個工作組進行低功耗IPv6網絡方面的研究，旨在將Ipv6與資源受限的無線網絡無縫連接。

文中對基于6LoWPAN的無線傳感器網絡以及IPv6網絡進行了研究，主要目標在于設計和實現一種基于6LoWPAN的傳感器網關。實現6LoWPAN無線傳感器網絡與IPv6有線網絡之間互聯，建立一種能普遍應用的系統平臺架構，并在軟硬件上進行實現和應用。

1 研究概況

將IPv6技術引入無線傳感網絡可便于實現與IPv6有線網絡設備端對端的通信，提高了轉發效率，增強了安全性。文獻［1］中提出了IPv6無線傳感器網絡體系結構，旨在實現IPv6技術與無線傳感器網絡技術的融合，并討論了采用網關接入方式，實現無線傳感器網絡與現有網絡的互聯。

對于傳感器網關架構的研究，有3種不同的設計思想。一是文獻［2～3］設計的網關，客戶端通過采用Web技術獲取無線傳感器節點的數據信息。這類解決方案的缺點是使用專有的協議連接傳感器節點，相當于在無線傳感器網絡與Internet之間放置了代理服務器，并不能實現客戶端與傳感器節點直接通信;二是文獻［4］設計的網關，是基于具體應用而設計的，描述了在該應用場景下網關的信息交互，并未涉及網關的軟硬件設計;三是文獻［5～7］設計的基于6LoWPAN的無線傳感器網關架構。文獻［5］提出了基于6LoWPAN的無線傳感器網關架構，實現6LoWPAN無線傳感器網絡短地址與IPv6地址之間直接轉換，分析了數據包的傳輸過程，但未涉及網關的軟硬件設計;文獻［6］實現IPv6無線傳感器網絡的端到端通信，但也沒有對網關的軟硬件設計進行論述;文獻［7］雖著重于網關的軟硬件設計，但未對網關及整體系統的性能進行分析。而文獻［8］只關注了網絡性能方面的測試。

文中提出一種采用網關接入方式實現6LoWPAN無線傳感器網絡與IPv6網絡互聯的整體架構，并對網關中的硬件與軟件設計進行論述，最后搭建測試網絡對系統的性能進行分析。

2 網關設計

6LoWPAN網關接入方式實現6LoWPAN無線傳感器網絡與IPv6網絡互聯的系統架構如圖1所示。系統分為4個部分:6LoWPAN傳感器節點、6LoWPAN網關、6LoWPAN服務器以及IPv6用戶終端。所有無線設備采用Contiki OS作為操作系統。物理層和MAC層遵循IEEE 802.15.4標準，集成了6LoWPAN適配層和uIPv6協議棧，具備鄰居發現、自動組網等功能，能支持構建功能完善的基于IPv6的無線傳感器網絡。傳感器節點可以將采集的監測數據通過ContikiRPL［9］路由匯聚到網關，網關進行協議轉換及將數據的轉發到服務器，服務器將對數據進行分析、處理和存儲，而IPv6客戶端可以通過訪問服務器對網絡進行有效的控制和管理。

圖1 6LoWPAN網關接入方式系統架構

2.1 硬件設計

網關硬件構成如圖2所示。該智能無線網關基于OPENWRT系統，具備3個局域網口，1個廣域網口，1個802.11a/b/g WiFi無線網絡接口，1個標準USB口和1個可選的串口調試口。WAN口連接如IPv6或IPv4有線網絡現有外界網絡等。USB口連接USB Stick能支持IEEE 802.15.4標準，可以與WSN內的任何節點通信。

圖2 6LoWPAN網關的硬件構成

在用戶不能夠訪問IPv6服務器的情況下，仍能支持用戶終端通過LAN口直接與網關相連，實現與傳感器網絡內節點進行簡單通信。

該智能無線網關除具備通用無線路由器的功能以外，可以支持基于Contiki操作系統的USB UIP網卡實現UIP網絡和普通IP網絡之間的IPV6互連，同時還支持在OPENWRT的基礎上進一步擴展應用。為使網關能夠連接無線傳感器網絡，需要在圖2右下角的USB口處插入 USB Stick網卡。USB Stick如圖3所示。

圖3 USB Stick

2.2 軟件設計

6LoWPAN網關的軟件架構如圖4所示。網關通過WAN口與Internet互聯。一方面接收以太網數據幀，并將幀實體提交給應用層處理;另一方面從應用層接收幀實體數據，并用以太網幀頭對幀實體進行封裝，通過WAN口發送出去，這里以太網幀頭中的目的地址為下一跳的MAC地址，源地址為網關的MAC地址。

圖4 6LoWPAN網關軟件框架

網關通過USB Stick與6LoWPAN無線傳感器網絡互聯。一方面無線接口接收IEEE 802.15.4數據幀，并將幀實體提交給適配層處理;另一方面從適配層接收幀實體數據，并用IEEE 802.15.4幀頭對幀實體進行封裝，通過無線接口發送出去。

該網關設計的關鍵之一是對USB Stick的設計。它采用Contiki OS作為操作系統，其物理層和MAC層遵循 IEEE 802.15.4標準，集成了 uIPv6協議棧和6LoWPAN適配層。采用 AT90USB1287芯片，在Congtiki Studio集成開發環境下編程、編譯，并通過AVR Studio 4連接JTAG仿真器進行程序燒寫。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據轉發等方面功能。

3 性能分析

為分析系統的性能，根據圖1搭建了測試網絡。通過對端到端網絡的連接性、延時變化、往返延時、丟包率以及吞吐量的測試，對該網絡性能作出簡要分析。

(1)連接性。連接性又稱可達性，嚴格說應是網絡的基本能力或屬性，并不能稱為性能，它直接反映了網絡是否可用。通過Ping6命令測試，證明網絡能夠互通，即實現6LoWPAN無線傳感器網絡與IPv6網絡的互聯。測試結果如圖5所示。

圖5 連接性測試

(2)時延變化。對3 000 s內網絡的往返時延進行了監測。監測結果如圖6(a)所示。時延的突升或突降，通常表明網絡出現故障，或受到安全攻擊等。從測試結果可以看出，每個時間段內往返延時比較平穩，從而說明該網絡的通訊性能良好。

(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，而后兩項則和網絡負荷及系統性能有關，所以RTT值能間接反映網絡負荷和系統性能，并且可以大致認為RTT值和網絡負荷成正比，而和系統性能成反比。為便于測量，主要考慮不同大小數據包的端到端往返時延。

由圖6(b)中圖可以看出，數據包的大小將會對網絡時延有一定的影響。發送的數據包越大，端到端的時延就越長，系統性能就越差。

(4)丟包率。理論上，丟包率一般在0% ～15%之間變化。然而由于系統是基于6LoWPAN無線傳感器網絡，本身即具有低功耗、低數據速率、低可靠性等特點，以及發送的數據包為不可靠傳輸。因此測得的丟包率比較大，但網絡仍然是可達的。監測不同大小的數據包在3 000 s內的丟包率。監測結果如圖6(c)所示，數據包越大丟包率就越高。

(5)吞吐量。吞吐量是指數據在網絡上的傳輸速率，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據的總傳輸速率，有時也可以表示某特定業務的數據傳送速率。這里就是通過ping6命令發送 ICMPv6包測試其傳輸速率，如圖6(d)和圖6(e)所示。

圖6 系統性能測試曲線

除以上測試外，發現系統的抗干擾能力比較弱。稍加干擾會就會使丟包率顯著增加，甚至導致網絡中斷。另外，網絡環境的改變也很大程度上影響無線傳感器節點的有效傳輸距離。

4 結束語

提出一種基于6LoWPAN的傳感器網關解決方案，并對網關中的硬件與軟件設計進行了論述。最后，搭建了測試網絡，在實際網絡環境中，對端到端網絡的連接性、延時變化、往返延時、丟包率以及吞吐量進行了測試。測試結果表明，網關系統能實現6LoWPAN無線傳感器網絡與IPv6網絡的互聯，并能在實際網絡環境中運行。

從測試中看出，該網關系統的丟包率較高，傳輸的距離受環境影響較大。總體來說，系統的抗干擾能力較弱。進一步研究工作的重點將放在系統的安全性及穩定性上，并考慮其在智能交通中的應用。

［1］張宏科，梁露露，高德云.IPv6無線傳感器網絡的研究及其應用［J］.中興通訊技術，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.

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［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.

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