6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)組播通信方案的研究與設(shè)計*

孫佳浩，汪誠誠，唐道鮮，李躍華

(南通大學信息科學技術(shù)學院，江蘇 南通 226019)

1 引言

6LoWPAN(IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks)是基于IEEE 802.15.4標準實現(xiàn)IPv6通信的低速無線個人局域網(wǎng)標準[1]，能夠?qū)⒋罅康腤SN(Wireless Sensor Network)節(jié)點接入Internet，實現(xiàn)WSN節(jié)點與外部IPv6網(wǎng)絡(luò)通過IPv6地址進行端到端的通信[2,3]。

Figure 1 Message protocol format in MAC layer

在6LoWPAN中，鏈路層采用IEEE 802.15.4協(xié)議，而網(wǎng)絡(luò)層采用IPv6協(xié)議[4]。在IPv6中，某些協(xié)議需要使用多播通信，例如鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議NDP(Neighbor Discovery Protocol)，但是IEEE 802.15.4本身并不支持多播[5,6]。目前，6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)有一種通過鏈路層的單播實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層組播的通信方案，該方案基于組播樹的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，采用地址結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了組播算法。這種方案在有大量節(jié)點的情況下，采用鏈路層單播的方式實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層組播將會產(chǎn)生較大的時延，通信效率低[7]。6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)也有通過鏈路層的廣播實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層組播的方案，雖然一次可以傳送完所有數(shù)據(jù)，但是顯然達不到區(qū)分特定數(shù)據(jù)接收對象的目的。

本文提出的6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)組播通信方案在鏈路層采用類廣播的通信方式，通過鏈路層的自建組播MAC地址M_MAC_add(Multicast Media Access Control address)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層的組播，實現(xiàn)6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)組播通信。該組播通信方案可以有效地降低多節(jié)點通信下，節(jié)點接收網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)的時延，有效減少組外節(jié)點對無關(guān)數(shù)據(jù)的處理消耗，提高節(jié)點工作效率。

2 相關(guān)協(xié)議

2.1 MAC層協(xié)議

6LoWPAN物理層和MAC層采用IEEE 802.15.4標準[8]，在組播通信方式下，MAC層報文協(xié)議格式如圖1所示，主要分為MHR(MAC Header)幀頭、數(shù)據(jù)單元和MFR(MAC Footer)幀尾[9]。保持目的設(shè)備PANID(Personal Area Network Identity)不變，以目標組播組的組播MAC地址作為通信幀中的目的地址，用于標識目標組播組，在該組播組中的6LoWPAN節(jié)點接收到該數(shù)據(jù)幀后，通過邏輯或檢查目的地址是否和自身的MAC地址或組播MAC地址匹配，匹配則接收該幀，否則丟棄。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議

6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)層采用IPv6協(xié)議，在組播通信方式下，IPv6協(xié)議報頭格式如圖2所示。

Figure 2 Message header format in IPv6 protocol

從IPv6協(xié)議報頭格式中可以看出，IPv6 協(xié)議的固定頭部有 40 個字節(jié)[10]，數(shù)據(jù)幀中采用所有節(jié)點組播地址FF02∷1(鏈路本地地址)作為目的地址[11]，當組播組內(nèi)的6LoWPAN節(jié)點接收到該數(shù)據(jù)幀后，網(wǎng)絡(luò)層對當前數(shù)據(jù)幀的IPv6頭部進行適配檢查，若目的地址為所有節(jié)點組播地址FF02∷1，則默認接收該數(shù)據(jù)幀。

3 6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)組播通信架構(gòu)

本文提出的6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)組播通信方案由3個模塊協(xié)調(diào)完成，如圖3所示，分別為遠程IPv6服務(wù)器模塊、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)模塊和6LoWPAN節(jié)點模塊。

Figure 3 Diagram of 6LoWPAN network multicast communication architecture

遠程IPv6服務(wù)器模塊采用Windows Server主機或者Linux主機，通過系統(tǒng)建立的組播組號池MGNP(Multicast Group Number Pool)來保證各個組播組的獨立性，并對6LoWPAN節(jié)點進行相應的監(jiān)測和控制。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)模塊遵循用戶設(shè)定的組播組消息標準MGMS(Multicast Group Message Standards)，負責管理和維護自身所在的6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)下的組播組表MGT(Multicast Group Table)，連接6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)和IPv6網(wǎng)絡(luò)，滿足異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的相互通信。

6LoWPAN節(jié)點模塊負責配合物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)模塊，對6LoWPAN節(jié)點自身的配置環(huán)境進行相關(guān)組播配置，完成建立、加入和退出組播組的目的。

6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)組播通信方案采用動態(tài)組網(wǎng)方式[12]。6LoWPAN節(jié)點加入組播組的過程如下所示：網(wǎng)絡(luò)所有者或管理人員為網(wǎng)絡(luò)中每個邊界路由器節(jié)點配置網(wǎng)絡(luò)。邊界路由器節(jié)點啟動后，6LoWPAN節(jié)點和邊界路由器之間通過RPL(IPv6 Routing Protocol for low-power and Lossy networks)路由協(xié)議建立組網(wǎng)，完成節(jié)點的通信地址配置[13-15]。6LoWPAN節(jié)點加入6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)之后，便可向節(jié)點所在6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)下的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)申請新建或者加入組播組[16]，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)接收到6LoWPAN節(jié)點的請求后，告知待入組節(jié)點當前6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)下所有的組播組狀態(tài)和配置信息，待入組節(jié)點可以選擇需要加入的組播組或者選擇新建組播組，并配合物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)完成入組配置。入組后的6LoWPAN節(jié)點獲得一個64位組播MAC地址，完成入組。

4 6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)組播通信方案設(shè)計

為了實現(xiàn)6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)中物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的動態(tài)組播通信功能，在IPv6服務(wù)器端加入組播組號池(MGNP)。與IPv6服務(wù)器連接的各個6LoWPAN組播組之間相互獨立，由IPv6服務(wù)器上的組播組號池分配唯一的組播組號MGN(Multicast Group Number)，保證組播組的獨立性。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)遵循用戶設(shè)定的組播組消息標準，該標準區(qū)分了各組播組的消息類別，在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)端加入組播組表，表屬性包括組播組消息標準(MGMS)、組播組號(MGN)和組播MAC地址(M_MAC_add)，其中組播MAC地址由對應的組播組號通過拓展獲得，通過組播組表建立每一個獨立的組播組號和對應的組播MAC地址的映射關(guān)系，實施管理。在6LoWPAN節(jié)點端加入預設(shè)組播MAC地址位，區(qū)別于6LoWPAN節(jié)點自身MAC地址，預設(shè)組播MAC地址用于接收組播組信息，實現(xiàn)6LoWPAN網(wǎng)內(nèi)組播通信。

4.1 IPv6服務(wù)器端組播組號池設(shè)計

IPv6服務(wù)器端的組播組號池的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖4所示，考慮到組播組號的申請和撤銷，組播組號池采用隊列的結(jié)構(gòu)。申請組播組號時，組播組號池從隊列頭部分配新的組播組號；撤銷組播組號時，在隊列尾部插入被撤銷的組播組號。通過隊列結(jié)構(gòu)的方式，可減少組播組號分配和撤銷過程中對組播組號池的處理開銷。

Figure 4 Structure of multicast group number pool

4.2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)端組播組表設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)端的組播組表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖5所示，考慮到當建立新的組播組時，需要向組播組表中插入新的組播組的信息(組播組消息標準、組播組號和組播MAC地址)，以及當撤銷組播組時，需要及時從組播組表中刪除該組播組的信息，所以組播組表采用鏈表的結(jié)構(gòu)，以方便插入和刪除某個組播組信息。當有新的組播組建立時，在鏈表的尾部插入該組播組的信息即可；當有組播組表被撤銷時，查詢到該組播組在鏈表中的位置后，直接刪除該組播組信息即可。通過鏈表結(jié)構(gòu)的方式，可減少新的組播組插入組播組表及組播組從組播組表中刪除過程中對其他組播組信息的處理開銷。

Figure 5 Structure of multicast group table

4.3 6LoWPAN節(jié)點端預設(shè)組播MAC地址設(shè)計

6LoWPAN節(jié)點端的預設(shè)組播MAC地址的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖6所示，考慮到預設(shè)組播MAC地址隨著加入組播組或退出組播組而更新，本文采用簡單數(shù)組的結(jié)構(gòu)，方便地址及時更新。

Figure 6 Structure of the default multicast MAC address

4.4 組播MAC地址設(shè)計

組播MAC地址的計算過程如圖7所示，組播MAC地址作為6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)組播組內(nèi)的通信地址，由IPv6服務(wù)器分配的組播組號通過拓展獲得。將8位組播組號“00000001”中每一位替換成其對應的4位二進制數(shù)，再按照MAC地址的標準格式進行地址化分割，得到組播MAC地址的尾部“00:00:00:01”，加上組播MAC地址前綴“FF:FF:FF:FF”得到該組播組對應的組播MAC地址“FF:FF:FF:FF:00:00:00:01”。組播組號的獨立性也決定了組播MAC地址的獨立性。

Figure 7 Calculation of multicast MAC address

4.5 組播組組網(wǎng)設(shè)計

6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部組播組的建立與拓展，均由該6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的6LoWPAN節(jié)點發(fā)起，如圖8所示。已加入某一個6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)但未加入組播組的6LoWPAN節(jié)點向物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)發(fā)送請求指令，請求當前6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)的所有組播組的信息，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的處理流程如圖9所示，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)接收到6LoWPAN節(jié)點發(fā)來的請求指令后，對網(wǎng)關(guān)自身維護的組播組表進行掃描檢查，檢查產(chǎn)生如下2種結(jié)果：

Figure 8 Flow chart of 6LoWPAN node joining multicast group

Figure 9 Flow chart of gateway processing node joining multicast group

結(jié)果1當前的6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)還沒有建立組播組，網(wǎng)關(guān)的組播組表為空。這種情況下，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)向請求組播組信息的6LoWPAN節(jié)點回發(fā)請求組網(wǎng)指令。該節(jié)點接收到網(wǎng)關(guān)的請求組網(wǎng)指令后，向網(wǎng)關(guān)發(fā)起組網(wǎng)申請。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)接收到6LoWPAN節(jié)點的組網(wǎng)申請后，向遠程IPv6服務(wù)器發(fā)起請求，進行組播組號申請。IPv6服務(wù)器的處理流程如圖10所示，服務(wù)器接收到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)發(fā)來的組網(wǎng)申請指令后，從組播組號池中為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)分配一個組播組號，并及時對組播組號池進行更新，保證組播組號的獨立性。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)接收到IPv6服務(wù)器分配的組播組號后，通過4.4節(jié)所述計算方法對該組播組號進行處理，獲得相應的組播MAC地址，同時更新網(wǎng)關(guān)自身的組播組表，更新信息包括組播組消息標準(MGMS)、組播組號(MGN)和對應的組播MAC地址(M_MAC_add)，并將該組播MAC地址配置信息回發(fā)給請求組網(wǎng)的6LoWPAN節(jié)點。節(jié)點得到網(wǎng)關(guān)的配置指令后，對自身的預設(shè)組播MAC地址進行更新(未加入任何組播組的情況下，預設(shè)組播MAC地址與節(jié)點自身的MAC地址相同)，實現(xiàn)入組。

Figure 10 Flow chart of server multicast group number configuration

結(jié)果2當前的6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)存在組播組，網(wǎng)關(guān)的組播組表不為空。這種情況下，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)直接將已有的組播組信息回發(fā)給待入組節(jié)點。待入組節(jié)點收到組播組信息后，可根據(jù)組播組消息標準選擇加入已存在的組播組或者建立新的組播組。若選擇建立新的組播組，系統(tǒng)實現(xiàn)同結(jié)果1的處理流程；否則，待入組節(jié)點選擇想要加入的組播組，并將該組播組對應的組播組號傳給物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)將該組播組號對應的組播MAC地址回發(fā)給待入組節(jié)點，協(xié)助待入組節(jié)點完成入組配置，完成入組。

4.6 6LoWPAN節(jié)點退組設(shè)計

6LoWPAN節(jié)點退出組播組與組播組的建立相同，由想要退出當前組播組的6LoWPAN節(jié)點率先發(fā)起指令，向當前6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)請求退出組播組，如圖11所示。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的處理流程如圖12所示，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)接收到節(jié)點的請求退出組播組指令后，向該節(jié)點回發(fā)確認指令，確認收到該節(jié)點的退組請求，該節(jié)點可以執(zhí)行退組配置。待退組節(jié)點接收到網(wǎng)關(guān)發(fā)來的確認信息后，對自身的預設(shè)組播MAC地址進行更新，完成后向物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)發(fā)送完成指令，完成退組配置。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)接收到該節(jié)點的完成指令后，向該節(jié)點所在的組播組發(fā)送查詢命令，查詢該組播組內(nèi)當前狀態(tài)下是否還存在組員節(jié)點，查詢產(chǎn)生如下2種結(jié)果：

Figure 11 Flow chart of node exiting a multicast group

Figure 12 Flow chart of gateway processing node exiting a multicast group

結(jié)果1當前組播組內(nèi)還有組員節(jié)點存在，組員節(jié)點響應物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)查詢指令的流程如圖13所示。組內(nèi)節(jié)點接收到網(wǎng)關(guān)的查詢指令后，回發(fā)響應信息，告知網(wǎng)關(guān)當前組播組內(nèi)還有節(jié)點存在。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)接收到組內(nèi)節(jié)點的響應，完成退組配置。

Figure 13 Flow chart of the node response to a gateway query

結(jié)果2當前組播組已空，需要回收該組播組，避免資源浪費。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)一定時間內(nèi)沒有收到組內(nèi)響應即向IPv6服務(wù)器請求撤銷相應組播組號。IPv6服務(wù)器撤銷組播組號的處理流程如圖10所示，服務(wù)器接收到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)關(guān)于撤銷組播組號的請求，將對應的組播組號重新載入組播組號池，并及時更新組播組號池，同時物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)對自身組播組表進行更新，完成組播組回收配置。

5 實驗測試

為了評估6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)組播通信方案的通信延遲和性能，本節(jié)通過Cooja模擬實驗環(huán)境搭建多節(jié)點無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信測試平臺，進行多節(jié)點的單播、廣播和組播的通信性能對比測試，模擬實驗環(huán)境的節(jié)點分布如圖14所示，為了得到良好的實驗結(jié)果，模擬實驗采用多節(jié)點的方式，其中1號節(jié)點作為6LoWPAN物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點，其他節(jié)點隨機分布在1號節(jié)點的最佳通信距離內(nèi)，保證通信穩(wěn)定。

Figure 14 Nodes distribution

5.1 節(jié)點數(shù)據(jù)接收時延測試

節(jié)點數(shù)據(jù)接收時延測試主要模擬測試在不同組播方式下，組播組內(nèi)各個節(jié)點接收數(shù)據(jù)的時延。

模擬測試過程如下所示：單播模擬實驗中，1號物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點與網(wǎng)內(nèi)節(jié)點通過單播來實現(xiàn)組播通信，3號節(jié)點需要等待2號節(jié)點數(shù)據(jù)接收完成后才能開始接收數(shù)據(jù)。廣播模擬實驗中，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點廣播數(shù)據(jù)信息。組播模擬實驗中，1號物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點與網(wǎng)內(nèi)節(jié)點通過組播進行通信，2～16號節(jié)點作為組播組內(nèi)節(jié)點接收組播信息，17～21號和22～26號節(jié)點在模擬實驗過程中分別加入組播組，接收組內(nèi)信息，27～31號節(jié)點未加入組播組，獨立接收物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)信息。

測試結(jié)果如圖15所示。在單播實現(xiàn)組播的測試結(jié)果中，2～16號節(jié)點完成數(shù)據(jù)接收總共用時9.12 s，實驗數(shù)據(jù)顯示，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部通信時延與通信節(jié)點個數(shù)有關(guān)，通信節(jié)點個數(shù)越多，時間越長，網(wǎng)絡(luò)流量越大。在組播通信的測試結(jié)果中，組內(nèi)節(jié)點接收物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)時間基本一致，通信時間與組內(nèi)節(jié)點個數(shù)無關(guān)，2～16號節(jié)點作為一個組播組接收網(wǎng)關(guān)信息，總共用時1.38 s，是單播模擬實驗的15.13%，降低了網(wǎng)內(nèi)節(jié)點接收網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)的時延和網(wǎng)絡(luò)流量。

Figure 15 Comparison of receiving delay among unicast,broadcast and multicast

5.2 組外節(jié)點性能測試

組外節(jié)點性能測試主要模擬測試在廣播和組播通信下，組內(nèi)數(shù)據(jù)對組外節(jié)點的影響，對比組外節(jié)點的數(shù)據(jù)處理性能。

模擬測試過程如下所示：廣播通信時，組外節(jié)點在不接收廣播消息時對自身數(shù)據(jù)進行不間斷處理，并記錄處理數(shù)量，接收到廣播消息則處理廣播消息。組播通信時，組外節(jié)點不接收組內(nèi)消息，對自身數(shù)據(jù)進行處理，并記錄處理數(shù)量。

測試結(jié)果如圖16所示。在廣播的測試結(jié)果中，組外節(jié)點處理了41條數(shù)據(jù)，在組播的測試結(jié)果中，組外節(jié)點處理了57條數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理效率比廣播通信時提升了39.02%。與采用鏈路層廣播實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層組播的方式相比，組播通信時，組外節(jié)點處理自身數(shù)據(jù)不受組內(nèi)信息干擾，有效降低了組外節(jié)點對無關(guān)數(shù)據(jù)的處理消耗，提高了節(jié)點的工作效率。

Figure 16 Performance comparison of out-of-group nodes

6 結(jié)束語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)組播通信方案，利用自組建組播MAC地址實現(xiàn)6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)組播通信，解決了采用鏈路層的單播實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層組播方式時通信時延高、網(wǎng)絡(luò)流量大以及廣播通信時組外節(jié)點易受干擾的問題。實驗結(jié)果表明，本文所設(shè)計的6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)組播通信方案中，6LoWPAN節(jié)點能夠動態(tài)構(gòu)建組播組，實現(xiàn)了組播組通信，并降低了組外節(jié)點對無關(guān)數(shù)據(jù)的處理開銷，為6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)的組播通信提供了一種設(shè)計思路。