基于802.15.4無線網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換

呂定坤， 孫友偉

(西安郵電學(xué)院 a.研究生院；b.通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710061)

0 引言

隨著通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，為了能夠給用戶的生產(chǎn)生活帶來更大的便利，現(xiàn)今的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由骨干網(wǎng)絡(luò)，接入網(wǎng)絡(luò)不斷向用戶延伸，發(fā)展到了今天的物聯(lián)網(wǎng)層面[1]。然而，“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”的核心和基礎(chǔ)仍然是“互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”，是在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；而且從無線傳感網(wǎng)所采集的大量信息都需要通過接入網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到特定的管理服務(wù)器去處理。

1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

一個典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[2]如圖1所示，對于一個監(jiān)測區(qū)域，可以將其分為幾個監(jiān)測子區(qū)間，一個子區(qū)間內(nèi)可以通過各種不同的傳感節(jié)點采集多種類型的數(shù)據(jù)（如A和B類型數(shù)據(jù)），對于同一種類型的數(shù)據(jù)，可以有多個數(shù)據(jù)采集節(jié)點（如A類型數(shù)據(jù)節(jié)點1和A類型數(shù)據(jù)節(jié)點2）。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)核心802.15.4協(xié)議，而接入網(wǎng)主要基于以太接入方式，其核心協(xié)議是802.3[3-4]，因此在Sink節(jié)點完成802.15.4與802.3協(xié)議幀格式的轉(zhuǎn)換便具有了實際的意義。

2 802.15.4 MAC幀結(jié)構(gòu)

MAC層幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計目標(biāo)是用最低復(fù)雜度實現(xiàn)在多噪聲無線信號環(huán)境下的可靠數(shù)據(jù)傳輸[5]。每個MAC子層的幀都由幀頭（MHR,MAC Header）,負(fù)載和幀尾（MFR,MAC Footer）這3部分組成，如圖2所示。幀頭由幀控制信息（Frame Control），幀序列號(Sequence Number)和地址信息(Addressing Fields)組成。MAC子層負(fù)載具有可變長度，具體內(nèi)容由幀類型決定，后面將詳細(xì)解釋各類負(fù)載字段的內(nèi)容。幀尾是幀頭和負(fù)載數(shù)據(jù)的16為CRC校驗序列[6]。

圖1 典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

3 以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)

以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)是OSI參考模型數(shù)據(jù)鏈路層的封裝，其MAC子層結(jié)構(gòu)如圖3所示。

前導(dǎo)序列碼，由7個字節(jié)的10101010組成。

起始幀定界，表示一幀的開始，碼元序列為10101011。

源地址與目的地址各48 bit，其中最高位表示是單址還是多地址，0表示單個地址，以 1表示多址，源地址的最高位保留并置 0。次高位表示是本地的管理地址還是全局的管理地址，0表示全局管理地址，1表示本地的管理地址。若采用廣播方式，本位置1。

長度，表示MAC數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)或者M(jìn)AC客戶協(xié)議的類型。

數(shù)據(jù)字段，其長度為46～1 500 Byte，若小于46 Byte，則自動填充0補(bǔ)齊。

幀校驗，采用32為冗余監(jiān)測碼，檢驗從目的地址開始到數(shù)據(jù)字段的所有內(nèi)容[7]。

4 802.15.4與802.3協(xié)議互轉(zhuǎn)算法

4.1 幀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換基本流程

Sink節(jié)點將完成802.15.4幀結(jié)構(gòu)與以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，從而使無線傳感網(wǎng)收集的數(shù)據(jù)可以從無線側(cè)經(jīng)由Sink節(jié)點轉(zhuǎn)換為有線側(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)而送到特定的服務(wù)器去處理[8]。Sink節(jié)點協(xié)議棧模型如圖 4所示，轉(zhuǎn)換基本過程為，首先，由傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)以無線的方式送入Sink節(jié)點，在其無線側(cè)物理層進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收，然后無線側(cè)的MAC層將數(shù)據(jù)恢復(fù)為IEEE 802.15.4格式的幀格式，然后將其目的地址，源地址等字段轉(zhuǎn)換位IEEE 802.3的格式，再將其組織成IEEE802.3的MAC層幀結(jié)構(gòu)，然后送入Sink節(jié)點的有線側(cè)，以有線方式送入交換機(jī)，進(jìn)入以太網(wǎng)絡(luò)。有線側(cè)收到的數(shù)據(jù)安反向進(jìn)行。

4.2 地址轉(zhuǎn)換算法

然而這種設(shè)置的地址長度為32 bit，即：16_bit_PAN ID+16_bit_short_address

而802.3的MAC地址格式為48 bit，即：

24_bit_網(wǎng)絡(luò)ID+24_bit_主機(jī)ID

所以再將 802.15.4MAC幀的源地址轉(zhuǎn)換為802.3MAC幀的源地址時，需要形成48 bit地址，首先先將16 bit的PAN ID與24 bit的網(wǎng)絡(luò)ID相對應(yīng)，由于802.3MAC中全“1”碼表示廣播地址，而802.15.4中PAN ID的廣播地址也是全“1”碼，所以在對應(yīng)時，具體辦法是在Sink節(jié)點，在802.15.4的16 bit尾部填充8 bit的“1”序列，即：

16_bit_PAN ID+8_bit_one

這樣，在將802.15.4的廣播地址轉(zhuǎn)換為802.3的廣播地址時，便可以直接使用。

對于802.15.4的16 bit的短地址與802.3的24 bit主機(jī) ID相對應(yīng)時，也是采取在其尾部填充8 bit的“1”序列：

16_bit_short_address+8_bit_one

這種設(shè)置也不會影響到廣播地址。

4.3 802.15.4 16位短地址設(shè)置

有時傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測區(qū)域較大，而且檢測的節(jié)點數(shù)據(jù)類型（溫度，濕度，電器開關(guān)等）較多，如果所有的傳感節(jié)點都按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器隨機(jī)分配地址的話，不便于數(shù)據(jù)的識別和管理，而且希望能將不同類型的數(shù)據(jù)經(jīng)由路由器送到不同的云端服務(wù)器去處理，而目前對于傳感節(jié)點的16位短地址并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，所以，現(xiàn)在定義一種節(jié)點地址格式，以便于數(shù)據(jù)類型的識別和管理，將16位短地址分成4段，第0位是標(biāo)志位，第1位到第3位表示目前檢測區(qū)域中的各個子區(qū)間，因為無線傳感本身比較小，所以在這里用3比特表示各個子區(qū)間基本能滿足要求，第4到第9位表示節(jié)點數(shù)據(jù)的類型，如溫度，濕度，電器開關(guān)等。第10到第15位表示在同一種數(shù)據(jù)類型下的各個節(jié)點編號，因為在一個監(jiān)測區(qū)間內(nèi)，同一種類型的數(shù)據(jù)可能需要多個監(jiān)測節(jié)點，這主要基于兩點考慮，第一，不同事物可能同時需要監(jiān)測同一種類型的數(shù)據(jù)；第二，對同一種類型的數(shù)據(jù)需要多重采集以確定數(shù)據(jù)的可靠性。另外，基于廣播地址的需要，除標(biāo)志位外，其他3段均不能取全“1”碼。具體的地址格式如圖5所示。

5 結(jié)語

由于這種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是采用將無線監(jiān)測數(shù)據(jù)以有線的方式送入以太網(wǎng)，進(jìn)而送入數(shù)據(jù)管理服務(wù)器，Sink節(jié)點主要完成了兩種協(xié)議硬件地址的轉(zhuǎn)換，因此其特點與網(wǎng)橋類似，只是因為是進(jìn)行無線幀與有線幀的轉(zhuǎn)換，所以結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。同時，文中根據(jù)實際應(yīng)用場景的需要，提出了利用短地址對無線監(jiān)測區(qū)域和傳感器節(jié)點進(jìn)行區(qū)分識別的短地址格式，研究同時發(fā)現(xiàn)，其16位短地址仍未得到更有效地利用，這種地址格式還有待進(jìn)一步的分析和研究。

[1] 孫鵬,王耀輝,陳超.物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)與應(yīng)用場景[J].通信技術(shù)，2011,44（05）:100-102.

[2] 石明明,魯周迅.三種無線通信協(xié)議綜述[J].通信技術(shù)，2011,44（07）:72-73.

[3] 孫友偉.基于GPON技術(shù)的下一代數(shù)字有線電視接入網(wǎng)絡(luò)[J].電視技術(shù),2008,31(10):51-53.

[4] 孫友偉.構(gòu)建下一代有線數(shù)字電視傳送網(wǎng)[J].電視技術(shù)，2009，32(03):43-44.

[5] 司宏林.基于ZigBee技術(shù)的高性能MAC機(jī)制與接入控制策略[D].南京:東南大學(xué),2006.

[6] 賈玉鳳.基于多重?zé)o線通訊協(xié)議的WSN的設(shè)計[D].山東：山東大學(xué)，2008.

[7] 孫友偉. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換[J].西安郵電學(xué)院學(xué)報,2010，15（03）:68-71.

[8] 孫友偉.有線數(shù)字電視光分組交換網(wǎng)絡(luò)物理層協(xié)議配置[J].電視技術(shù)，2006,30(03):62-65.