基于6LoWPAN的無線傳感網設計

龔成瑩，何 輝，馬應蓮，梁金榮，劉 陽

(蘭州工業學院 電子信息工程學院，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

基于低功耗和自組織的無線互聯的傳感器和執行器，無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)在智能家居、遠程監測、公共安全、健康監測和智能交通等領域發展迅速[1]。經過多年發展，出現了大量的WSN私有協議，如MAC層的S-MAC、T-MAC、BMAC和XMAC等，路由層的AODV、LEACH、DYMO、HiLOW和GPSR等[2]，由于缺乏標準，這些協議的使用范圍較窄，較難推廣。

主流的WSN標準有IEEE802.15.4[3]、ZigBee[4]和ISA100.11a等，由于這些標準采用非IP技術，在實際的應用中，WSN在需要接入互聯網時需要復雜的應用層網關，無法實現端到端的數據傳輸和控制，為此，IETF 6LoWPAN(基于IPv6的低速無線個域網，即IPv6 over IEEE 802.15.4)[5]工作組致力于解決該問題，以使IP網絡能夠在無線嵌入式設備和網絡中使用。通過實現輕量級6LoWPAN的IPv6協議棧，并設計專門的鄰居發現機制，將IPv6網絡延伸到無線嵌入式領域，從而實現了大量嵌入式設備的端到端IP互聯[6]，達到TCP/IP網絡與無線傳感網絡的融合目的。本文通過對6LoWPAN網絡的結構、基本路由和6LoWPAN與IP協議的研究，設計了一種基于簡單LoWPAN的應用模型，并采用CC2538芯片實現6LoWPAN網絡節點，進行實際應用網絡的組建和測試。

1 6LoWPAN網絡

6LoWPAN網絡是一種類似于ZigBee協議的新型網絡，利用IEEE802.15.4標準，性能較ZigBee更好，可以運行在網絡接口層，能夠與以IP為基礎的系統相連接，通過6LoWPAN實現TCP/IP協議的分層數據處理，實現端到端的數據通信[7]。

1.1 LoWPAN結構

6LoWPAN采用的適配層技術使得6LoWPAN節點能夠應用IPv6技術實現數據通信和數據交換等，其架構由低功耗無線局域網(LoWPAN)組成，這些LoWPAN是IPv6的末梢網絡，分為簡單LoWPAN、擴展LoWPAN和自組織LoWPAN三種網絡[8]。一個LoWPAN網絡由節點和一個或多個邊緣路由器組成，其中節點可以充當主機或路由器在同一個LoWPAN中的節點的網絡接口共享相同的IPv6地址前綴，這些地址前綴由LoWPAN中的邊緣路由器和路由器分配。LoWPAN節點與其他網絡節點的通信以端對端的方式進行，就像TCP/IP網絡通信一樣，每個LoWPAN節點是通過一個唯一的IPv6地址來標識，并可以發送和接收IPv6數據報。簡單的LoWPAN和擴展的LoWPAN比較類似，主要的不同是邊緣路由器的數量，它們共享相同的IPv6前綴和共同的骨干鏈路，當節點從一個LoWPAN移動到另一個LoWPAN時，節點的IPv6地址隨之改變。

6LoWPAN也可以作為一個自組織的LoWPAN來運行，在這種結構中，必須配置一個作為簡化的邊緣路由器來實現唯一本地單播地址和6LoWPAN鄰居發現注冊功能，自組織網絡具有本地的IPv6本地前綴，而不是全球地址，并且在該LoWPAN之外沒有路由。

1.2 6LoWPAN協議棧

互聯網協議的重要功能是將異構的鏈路互聯到一個單一的可互操作的網絡，這同樣適用于6LoWPAN網絡。對互聯網IP協議和6LoWPAN進行比較如圖1所示。

圖1 IP協議與6LoWPAN協議

表面上看這2個協議棧比較類似，但是6LoWPAN只支持IPv6，并定義了一個小型適配層在IEEE802.15.4和類似的鏈路層上優化IPv6[9]。6LoWPAN在傳輸層使用UDP協議，由于性能、效率和復雜性的原因，6LoWPAN中不常使用TCP協議[10]。

IPv6與LoWPAN之間的格式自適應由邊緣路由器實現，路由器能夠實現雙向透明、有效和無狀態的轉換，在LoWPAN內部，由于所有的壓縮字段被廣播到所有節點，所以主機和路由器實際上并不需要完整的IPv6或UDP報頭。6LoWPAN中的IP編址與IPv6網絡一致，長度為128位的IPv6地址，由64位的前綴部分和64位的接口標識符組成，通過組合LoWPAN前綴和無線接口的鏈路層地址以無狀態自動配置(SAA)方式自動生成IPv6地址。

1.3 路由與數據轉發

數據報在LoWPAN的傳輸往往要經過多個無線跳，這就需要第2層的數據轉發和第3層的路由，路由協議在每個節點上填寫路由信息庫(RIB)或轉發信息庫(FIB)，RIB包含了運行路由協議所需的信息，用于轉發數據報[11]。LoWPAN路由模型如圖2所示。

圖2 LoWPAN路由模型

由如圖2可知，數據報被發送到某一條連路上，到達路由器的接口上，路由器在FIB中查找目的地址，通過接口發送數據報，在一個LoWPAN中，轉發并不是因為要使用2個不同的鏈路，而是因為第1個節點可能不在第3個節點的通信范圍內，因此，數據報到達路由器的接口通常也是用于再次發送該數據報的接口(類似于IP網絡中的單臂路由[12])。LoWPAN中的路由和轉發既能發生在IP層之下，也可能發生在IP層之上。

1.4 6LoWPAN與互聯網的連接

通過有效地壓縮報頭和簡化IPv6，6LoWPAN使IPv6可以應用到低功耗網絡的無線傳感設備中，當LoWPAN與其他IP網絡進行數據互聯時，還應考慮以下幾個問題[13]。

1.4.1 最大傳輸單元(MTU)

6LoWPAN通過分片和重組實現IPv6的MTU(1 280 B)[14]，為了減少性能上的損失，應盡可能減少數據報的大小，從而避免IPv6數據報分段。

1.4.2 與IPv4的互聯

目前互聯網的主流仍是IPv4協議，而6LoWPAN僅支持IPv6，無法雙棧運行，這就面臨IPv6與IPv4相互連接的問題，常見的方法是IPv6-over-IPv4隧道和網絡地址轉換。

1.4.3 防火墻與NAT

在實際的互聯網中，防火墻被廣泛使用，這通常會導致端口阻塞。NAT使IP地址無法直達，靜態地址通過NAT往往會被隱藏。

1.4.4 安全性

盡管6LoWPAN在鏈路層上提供了一些安全機制，但是如同主流的互聯網協議一樣，在網絡層之外的通信依然容易受到攻擊，由于6LoWPAN節點限制了完整的IPsec[15]的使用，這就增加了應用層上端到端的安全性要求。

1.5 6LoWPAN網絡模型

6LoWPAN的網絡由IPv6網絡、遠程服務器、IPv6路由器、6LoWPAN邊緣路由器、6LoWPAN路由節點(R)和主機節點(H)組成[16]，如圖3所示。

圖3 6LoWPAN網絡模型

2 6LoWPAN應用設計

基于嵌入式設備的6LoWPAN應用與其他無線傳感器網絡通信一樣，需要有一些特殊的設計，如節點芯片、邊緣路由器、協議棧的集成、嵌入式操作系統和傳感器等。

2.1 節點芯片

在實際應用中，使用嵌入式微控制器集成6LoWPAN協議棧，包括單芯片、雙芯片和網絡處理器3種解決方案，其中單芯片方式使用片上系統射頻技術，內置微控制器；雙芯片方式中的射頻芯片和微控制器是分離的；網絡處理器方式使用的射頻芯片包含有協議棧，可以被微控制器使用。

選擇單芯片方式的TI CC2538作為6LoWPAN應用的節點芯片，CC2538是一種集成無線射頻，包含協議棧的單芯片微控制器。包含ARM Cortex M3的微控制器，具有高達32 KB的片上RAM和高達512 KB的片上閃存以及可靠的IEEE802.15.4射頻功能，支持較為復雜的網絡協議棧，同時擁有32個GPIO接口以及串行外設接口，具有保持功能的低功耗模式。CC2538還具有強大的調試系統和綜合性驅動器庫，開發較為方便[17]。

利用CC2538設計的IEEE802.15.4設計無線傳感網絡中，天線以及差分到單端的阻抗匹配網絡(平衡轉換器)電路的設計較為關鍵，這關系到射頻通路指標的優良性，使得通信距離更優越、系統功耗更小、整個電路系統性能更好。常用的天線設計有PCB天線，如倒F天線、螺旋天線等，也可以使用SMA接口的桿狀天線，根據不同的應用來選擇。

2.2 邊緣路由器(6LBR)與Contiki

邊緣路由器6LBR是6LoWPAN網絡的網關，6LBR網關使得IPv6互聯網與WSN(6LoWPAN)網絡通過低功耗有損網絡路由協議(RPL)路由連接起來，從而構成整個網絡。以CC2538的6LoWPAN開發板為基礎，在Contiki嵌入式操作系統上運行6LBR應用程序和UDP服務器程序，實現IPv6和IEEE802.15.4協議之間的協議適配層，可以使得2種類型的網絡互通。RPL路由涵蓋鄰居發現協議(NDP)的功能，并在NDP功能的基礎上又做了很大的改進。Contiki實時操作系統使用接口把通過的數據包過濾，把以太網數據包和6LoWPAN網絡數據包分離開，然后再進行數據交換[18]。

2.3 應用網絡組建

基于CC2538的開發模塊組建6LoWPAN應用網絡，如圖4所示。在測試網絡拓撲中，使用了3塊CC2538節點、1塊ENC28J60以太網模塊、1臺遠程上位機和1臺二層交換機，其中任意一塊CC2538節點與ENC28J60以太網接口模塊連接都可以作為邊緣路由器[19]，由另外2個節點進行簡單的溫濕度數據采集，節點所使用的操作系統是Contiki 3.0，各節點和遠程主機的IPv6地址如表1所示。

圖4 6LoWPAN測試網絡

表1 節點地址

名稱IPv6地址遠程上位機bbbb::75d9:45fc:12c9:85656LBR路由節點(邊緣)bbbb::100數據采集節點1 aaaa::212:4b00:5af:81a1數據采集節點2aaaa::212:4b00:5af:8269

與圖3不同的是，該測試網絡省去了IPv6網絡路由器這臺設備，而直接由LBR節點來為數據采集節點和遠程主機自動分配IPv6地址。

2.4 應用網絡測試

2.4.1 IPv6地址分配信息

2.4.2 網絡暢通性測試

2.4.3 基于UDP的數據采集

UDP方式中，將遠程上位機作為服務器端，無線傳感節點為客戶端，上位機啟動UDP Server后，6LoWPAN節點作為UDP Client不斷向UDP服務器(端口號2345)發送DHT11溫濕度傳感器[20]采集的數據，下面簡單描述了6LoWPAN節點對溫度數據的處理和UDP方式的發送過程。

∥發送間隔

etimer_set(&p，eriodic_timer，SEND_INTERVAL)；

PROCESS_WAIT_UNTIL(etimer_expired(&periodic_timer))；

∥UDP服務器的IPv6地址

uip_ip6addr(&ip6addr，0xbbbb，0，0，0，0x75d9，0x45fc，0x12c9，0x8565)；

∥DHT11傳感器采集

DHT11_Inint()；

∥溫度數據合成

tempu[0]= Tem_dec+0x30；

tempu[1]= Tem_uni+0x30；

tempu[2]= ’

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