與下一代Internet融合的WSN協(xié)議與應用研究

摘 要：無線傳感器網絡（WSN）的技術及應用是當前研究熱點之一，針對下一代互聯(lián)網的IPv6協(xié)議及技術必然對WSN的設計與應用產生較大影響。本文分析了無線傳感器網絡與IPv6的特點及關系，提出了IPv6協(xié)議在無線傳感網絡設計過程中的關鍵技術及設計思路，對未來WSN的設計開發(fā)有一定的指導作用。

關鍵詞：IPv6；下一代互聯(lián)網；無線傳感網絡；融合

中圖分類號：TP212

無線傳感器網絡[1]（Wireless Sensor Network，簡稱WSN）技術及應用得到大力推廣，成為當前研究熱點之一，也是物聯(lián)網和云計算發(fā)展的一個重大支柱。各個節(jié)點采取自組織方式，實現(xiàn)分布式網絡傳輸，由功能類似或相同的無線智能節(jié)點組成，實現(xiàn)對現(xiàn)場或指定對象參數(shù)的檢測與傳輸。即每個節(jié)點均具有感知、信號調理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和網絡通信組成的。廣泛應用于公共安全、環(huán)保、智能調度、智能家居、智慧城市、智慧農業(yè)、智慧工廠等諸多行業(yè)或技術領域。

圖1是充分體現(xiàn)了WSN工作原理與布置。

目前，在WSN網絡協(xié)議標準尚無明確規(guī)定，常見的有ZigBee、各種形式的WLAN/wifi、公共頻段的無線數(shù)傳等網絡通信技術。針對下一代互聯(lián)網的IPv6協(xié)議，理應在WSN的應用方面有其一席之地，且因為標準成熟和技術基礎良好，其應用前景將非常廣闊。本文提出基于IPv6協(xié)議的WSN機構及其的系統(tǒng)融合模型。

1 下一代網絡協(xié)議

隨著互聯(lián)網技術和應用需求的發(fā)展，尤其是物聯(lián)網和云計算的發(fā)展，對互聯(lián)網的技術要求更高更多，如節(jié)點數(shù)量、智能調度和實時服務等方面的要求，迫使互聯(lián)網技術向NGI發(fā)展，其中IPv6在地址空間、性能、安全性、實時性服務、配置管理等方面得到較大改進和完善[2]。IPv6去掉了部分IPv4頭字段的內容，并對結構進行了優(yōu)化，主要是針對提高網絡的路由效率、擴展地址、簡化分組格式，加強了數(shù)據(jù)分組的擴展和選項的支持，同時，IPV6還具有流標記、身份驗證和保密等技術支持。流標記功能對于基于ad hoc的自組織功能的WSN而言，能夠有效提供路徑查找和傳輸效率，實現(xiàn)和優(yōu)化了WSN的網絡通信的整體QoS性能。顯然的，WSN的數(shù)據(jù)安全是十分重要的，IPv6在此方面具有顯然的優(yōu)勢，可以實現(xiàn)WSN數(shù)據(jù)通信的身份驗證和數(shù)據(jù)保密。

2 IPv6在WSN中的解決方案

IPv6的誕生是為NGI服務的，并沒有針對性的考慮嵌入式系統(tǒng)的應用。由于WSN節(jié)點在能耗要求上的特殊性，目前較為復雜的IPv6協(xié)議棧要直接用到WSN中，還需要做一定的協(xié)議裁剪工和優(yōu)化工作。即保留其在通信、安全、高效的優(yōu)點，改進其結構和實現(xiàn)復雜性的方面。

針對WSN改進后的IPv6我們稱之為嵌入式IPv6，協(xié)議棧見圖2，其棧結構可分為4層：事件觸發(fā)接口層、網絡協(xié)議層、網絡接口核心層和設備驅動接口層[3，4]。對標準IPv6裁剪和修改夫人方面很多，如采用鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議裁減[5-7]，在設計時優(yōu)先考慮其選徑的效率，優(yōu)化鄰居節(jié)點狀態(tài)表。協(xié)議裁剪時，在保證協(xié)議能夠正常工作的前提下，刪除或優(yōu)化鄰居表中的鏈路層地址信息，將鄰居狀態(tài)修改為“可達”和“抑制”兩種狀態(tài)，刪除目的地址緩存表、重復地址探測和重定向功能，簡化鄰居“不可達”探測和地址解析。這樣可以有效減少內存空間和計算時間，可以大幅度減少鄰居協(xié)議的通信流量，有效地簡化了IPv6協(xié)議棧的實現(xiàn)，為WSN的實現(xiàn)提供了一個可行的支持平臺。

3 IPv6在WSN中的應用

3.1 地址空間

IPv6可以為每個節(jié)點提供實IP，這個顯然的優(yōu)勢是每個網絡都期待的?？梢苑治龅?，實現(xiàn)WSN或物聯(lián)網時，我們都希望把這些科技成果應用于智能家居。但是，對于一個有幾百萬人口的城市，全部實現(xiàn)家居智能化控制，如果每個節(jié)點都使用實IP地址，至少需要幾千萬甚至上億的網絡地址來區(qū)分，就算是建立局域網，其節(jié)點需求也要幾十萬或百萬之多，才能實現(xiàn)家庭智能家居的基本功能，如安全警報、緊急呼叫等，而IPv6協(xié)議棧和技術則為此應用提供了可行性和技術保障。

3.2 移動服務

要實現(xiàn)物聯(lián)，無論是WSN還是其他智能節(jié)點，首選是必須與網絡相連，WSN是通過無線方式連接的，當節(jié)點移動時， 其他網絡節(jié)點都可以通過網絡以及其擁有的唯一的IP地址找到它，并對其進行訪問控制，以實現(xiàn)移動服務。如醫(yī)療監(jiān)控/健康監(jiān)控等。對病患者，如心臟病患者，正常情況下的，病人的活動范圍可以較大，甚至可以是整個城市，或者到城市旅游，由于選用基于IPv6的移動IP技術，根據(jù)其地址的唯一性，一旦出現(xiàn)緊急情況，如傳感器檢測到心臟病突發(fā)，WSN和物聯(lián)網系統(tǒng)可以判斷其具體地點，并可以發(fā)出輔助救助的信息，供現(xiàn)場救助。

3.3 安全性

隨著WSN的推廣應用以及智能家居、工業(yè)控制等應用方面的保密性需求，系統(tǒng)的安全服務是首要的。除了應用層的身份驗證等權限控制外。WSN還應該在數(shù)據(jù)傳輸和網絡防攻擊方面充分予以考慮，這些安全技術完全可以利用互聯(lián)網的研究成果來實現(xiàn)。

3.4 無狀態(tài)自動配置

IPv6協(xié)議具有支持即插即用接入特性，不需要安裝和管理DHCP服務器。對于小規(guī)模系統(tǒng)，無狀態(tài)自動配置更適合WSN應用?；贗Pv6的無狀態(tài)自動配置對節(jié)點接入需要如下操作：

（1）需要配置的節(jié)點必須明確自身鏈路本地地址（如MAC地址）；

（2）驗證并確認該鏈路本地地址在鏈路上的唯一性；

（3）自動配置節(jié)點信息。配置好的節(jié)點信息，確定同一鏈路上沒有相同MAC地址，就表明該節(jié)點的IPv6地址可用。

在實際WSN節(jié)點設計時，并不是所有的模塊都硬性規(guī)定該MAC地址，也就說，可以編程時可以靈活修改！所以應用時要檢查并避免地址重復。有些嵌入式處理器/控制器在出廠時配置了固定且唯一的序列號，這些都有利于WSN系統(tǒng)中的IPv6的地址的自動配置。

系統(tǒng)架構分析：以基于IPv6的WSN在城市污水處理中的應用系統(tǒng)為例，如圖3，系統(tǒng)描述了基于IPv6協(xié)議在設計污水處理自動化系統(tǒng)中應用。

該系統(tǒng)是為某城市污水站儀表系統(tǒng)更新?lián)Q代和自動化系統(tǒng)改造提出的設計方案。整個系統(tǒng)分為3個層面進行設計和開發(fā)的。由于現(xiàn)場取電相對有一定的優(yōu)勢，有些節(jié)點采取現(xiàn)場220VAC供電，有些特殊場所節(jié)點采取電池供電，主要參數(shù)類型包括：液位、含氧、COD、流量、壓力、H2S、溫度等。電池供電的節(jié)點通過Zigbee網絡，通過協(xié)調器與Zigbee to IPv6網關連接進入Internet，以達到接入計算機控制系統(tǒng)的目的；具有200VAC供電條件的節(jié)點，直接通過wifi路由器接入到計算機控制系統(tǒng)。所以，該系統(tǒng)實際上是一個混合型系統(tǒng)，與也就是說，污水站現(xiàn)場無線儀表是由一個混合型的WSN組成，完成數(shù)據(jù)采集和網絡傳輸。核心協(xié)議包括IPv6和Zigbee協(xié)議，通過Internet看可以實現(xiàn)各個節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信。WSN的數(shù)據(jù)通過網絡后數(shù)據(jù)進入計算機控制系統(tǒng)的上位計算機，完成數(shù)據(jù)處理、存儲、顯示、報表和控制等。

4 結論

基于下一代互聯(lián)網（NGI）核心協(xié)議IPv6協(xié)議在WSN中應用融合是一個新的嘗試，其技術研究和應用還有待完善，由于IPv6的復雜性，在實際應用時可能需要裁減和改進。本文闡述了無線傳感器網絡特征，結合IPv6的自身特點及優(yōu)化思路，提出了IPv6在WSN中應用的場景，并結合WSN分析了IPv6在無線傳感器網絡中的關鍵技術，其二者融合思路對于WSN設計開發(fā)和技術研究有一定的借鑒作用。

參考文獻：

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[7]鄔春學，譚石來，劉磊.融合RFID的無線傳感器網絡節(jié)能研究[J].計算機系統(tǒng)應用，2012，06：219-223+239.

作者簡介：劉兵偉（1983.7-），男，2007年畢業(yè)于長春師范學院生物技術專業(yè)，主要研究方向：污水處理方面的技術的研究、水質分析、計算機在污水處理中的應用等。