試析物聯網中輕量級TCP/IP協議棧的設計與實現

摘 要：隨著社會的進步以及經濟的飛速發展，現代網絡技術應用在不同的領域當中，物聯網的概念出現在人們的視野當中，并且受到廣泛的歡迎和關注。通過應用物聯網能夠改變工作效率和工作質量，并且對人們的生活方式產生積極的影響作用。由此看來，必須不斷地完善物聯網結構，做好相互之間的兼容。本人提出了一種全新的體系結構，這種物聯網體系結構具有一定的兼容性和高效性。并且圍繞物聯網當中輕量級TCP/IP協議棧展開深入的分析和研究。

關鍵詞：物聯網；TCP/IP；輕量級；設計工作；具體實現

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.119

物聯網在國內和國外都掀起了熱潮，不同國家和地區投入了巨大的經濟資本研究物聯網的相關技術。互聯網主要指的就是紅外感應器以及激光掃描器、全球定位系統以及射頻識別等設備，將物品和互聯網之間建立起關系。這樣形成了一種全新的交流方式。物聯網在不同行業當中有著積極促進作用。在互聯網當中引入IP技術有著非常深遠的意義，并且進行擴展性的協議，不斷發展互聯網技術。

1 輕量級協議的分析工作以及設計工作

1.1 6LoWPAN

成立6LoWPAN工作組，并且制定域網標準，通過底層標準的無線個域網來實現最終目的。完善并且支持IP通信的連接工作，成為真正開放標準。制定關于協議的標準草案，并且進行不斷的探討。低功耗松散網絡當中，涉及到較少的硬件資源，要求也是比較低的。由此看來在設計節點的過程當中，必須考慮在不同層次形成目標，其中包括應用程、傳輸層、IPV6層、適配層、MAC層以及物理層。支持樹狀以及網狀的多跳拓撲，提供網絡拓撲構建以及地址分配的服務。在整個程序進行過程當中，中間的節點發揮著關鍵作用，能夠進行轉發數據報文。適配層的路由協議開銷較小，并且根據所需要的實際內存進行計算和分析，從而適用稀缺的無線設備。在具體進行路由算法過程當中采用相關專業的協議。在適配層實現多條傳輸，使用鏈路層長地址以及短地址，充分發揮維護功能。

1.2 RPL協議分析

想要確保網絡環境具有較高的計算能力，并且降低功耗，滿足不同方面的組織需求，就應該不斷地改變路由機制。形成專門的工作組，通過努力完成公共的可操作性的基本鏈路層協議和物理媒體。按照鏈接格式這樣相應要求，并且修正路由協議，不斷地進行完善和處理，有效解決低功率設備的不同問題現象。對城市、工業以及家居自動化的路由進行特殊處理，并且完成協議。在此基礎之上，工作組研究并且制定RPL協議。這種協議是一個距離向量路由協議，節點通過交換距離不斷地形成無環圖，有效防止路由環路問題的發生，并且根據限制條件過濾網絡當中的不良節點，選擇最優的路徑。根據路由需求以及定量指標，將數據進行處理和轉發，并且做好分離工作，盡量減少能源，并且滿足約束。

1.3 CoAP協議分析

成立工作組研究資源受限物體的應用程序協議，根據所提供的IP網絡資源進行整體框架的設計工作，明確受限的IP網絡所擁有的限制包大小，并且根據一定數目的設備進行關機或者啟動。在此基礎之上，形成操作簡單的應用程序。網絡有不同的節點組成，做好相關的操作工作，負責操作資源。這種CoAP協議適用于相同受限網絡的設備之間，除此之外，在相同網絡中設備和普通節點之間也可以應用CoAP協議。聯網的不同受限網絡當中，不同設備之間也可以應用CoAP協議。

1.4 關于物聯網中輕量級TCP/IP協議棧的設計

在若干工作組現有的基礎之上，提出了TCP/IP協議站設計，這種結構具有較強的兼容性以及高效性。除此之外，這種結構也存在智能性和簡單性。與原有結構具有一定的相似程度，也包括物理層、網絡層、應用層、鏈路層以及傳輸層。但是，在不同層次方面有做出改變和完善，保證每個互聯網節點擁有IP地址，并且針對互聯網的場景進行協議。改進協議工作滿足系統實際需求，并且進行報頭壓縮和分片壓縮工作。滿足互聯網傳輸的特殊要求，與原有結構相比更加簡潔并且效率較高。物聯網網關接入互聯網，并且采用標準使用工作組提出的路由問題協議，形成可選功能。根據不同情況選擇適配層，完成簡化的傳輸層協議工作非常重要。提出用于解決資源受限環境當中的程序問題協議，形成完美的統一。

2 6LoWPAN星型網絡的設計方案以及編程實現

這種6LoWPAN星型網絡的設計工作，必須參考相關的協議所提出的草案，并且明確項目的具體開發目的以及集成度，只有這樣才能夠設計出具有高性能的無線傳感器網絡，實現新型網絡的核心部分，并且自動配置地址。另外，組播以及安全的運行機制所涉及到的內容結構是非常復雜的，并且在進行編程測試的過程當中需要大量的工作人員以及較長的時間，因此占有較多內存，所以在最初階段并沒有完全實現。支持路由也要考慮實現RPL協議，所以采用最簡單的星型結構是非常合理的。在無線傳感器操作系統運行過程需要選擇，涉及到開發軟件，但是并沒有提供精確的源碼，僅僅提供庫文件，所以不能夠開發較多的資源。也有一些地區推出了其他系統的無線傳感器，有著豐富的開發資源，并且可以采取開源策略，所以受到了廣泛的歡迎和應用。應用專業技術，并且考慮用戶的實際需求做好底層處理工作，對于開發上層協議棧而言，在很大程度上降低了開發的難度。系統的整體設計要實現協議的主要功能，采用新型拓撲結構，并且通過節點完成通信工作，在整個運行過程當中可以進行正常的UDP交換。

在進行星型網絡的編程實現過程當中，首先要實現系統模塊以及接口。根據操作系統的具體特點，實現組件問題，其中包括blibP module和blibC configuration兩個組件。連接到必要的組件當中，并且做好接口工作，其中涉及到內存池以及緩沖池等內容。除此之外，也包括收發函數的實現。處理好不同的函數工作非常重要，并且明確組建的具體構成，將模塊當中使用的接口和相應的系統進行有效連接，完成UDP報文處理工作。使用命令將遠程終端連接到相關端口，然后發送數據報，完成發送工作之后，應用層會提供負載緩沖區，在發送數據的過程當中應用程序必須確保所提供的緩沖區，能夠被接受和使用，并且會被應用所改變，一直到事件信號完全發出以后。除此之外，提供遠程終端節點的IP地址和指向包含負載的數據必須有效傳送給接收者。應用程序做好支配工作，并且處理好函數的返回，IP協議棧會再次的使用。地址會自動的進行配置，根據相應的原理，在實現過程當中，使用編碼作為地址的前綴，并且協議棧初始化的廣播地址也能夠有效實現。生產不同的地址接口，按照節點利用本地鏈路地址生成全新的地址。實現適配層也是非常重要的，根據小組標準當中的格式進行設計，并且實現報頭壓縮算法，了解基本功能。設計收發數據，考慮不同的要求和標準，在處理接收數據的過程當中，不同層次的數據以及相應的協議都有著相對的函數進行單獨的處理。發出事件信號之后，根據規定的數據確定報頭的類型，并且選擇合適的報頭也可以用相應的函數來實現分片的重組功能。在成功重組一個分片之后，其余的部分做好傳遞，也要通過函數進行處理。檢查報頭之前的分發值字段，并且使用壓縮方式，傳遞到相應位置進行函數處理。

3 系統測試

在進行系統測試工作的時候，首先要搭建好測試環境，使用IRIS系列產品，并且處理器有著較低的功耗節點，處理器當中的射頻芯片能夠支持測試，并且作為無線傳感器，網絡基站對于USB編程也是比較適應的。進行測驗的過程當中需要測試驗證節點能否和網絡之間形成正常的通信連接，并且做好UDP的交換工作。將節點通過串口連接到底版，并且與PC連接，在節點之上啟動基站程序，通過串口和節點能夠完成交互通信工作。除此之外，單獨的節點在設計協議站的過程當中能夠作為終端節點，形成良好的測試環境。

將節點連上網關插入電腦的USB口，作為路由。將相應的程序安裝到節點當中，不同的網關有著不同的設備號，啟動相關程序來進行交互。如果在程序測試的過程當中黃燈亮起來，那么說明測試成功。如果看到紅燈亮了，那么表示無線傳感器路由配置成功。經過一系列的操作，在紅燈亮起之后的1秒到2秒，顯示節點地址。如果數據報傳輸正常，那么便可以進行正常的通信。

4 結語

上文已經詳細的分析輕量級協議的設計，其中包括幾種不同的協議，并且明確物聯網當中TCP/IP協議棧的具體設計和實現，希望能為相關工作人員提供有效的參考意見。

參考文獻：

[1]王金華，李允俊.物聯網中嵌入式TCP/IP協議棧的設計技巧[J].網絡空間安全，2016（10）.

[2]陳憲超，王輝，張興海等.物聯網應用中TCP重傳隊列的設計與實現[J].長江大學學報（自科版），2016（06）.

作者簡介：陳海紅（1982-），女，湖南東安人，碩士，講師，研究方向：現代教育技術和網絡安全。