鄰居發(fā)現(xiàn)輔助與物聯(lián)網(wǎng)整合應(yīng)用

賀秉超，邸書靈，范通讓

（石家莊鐵道大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050043）

1 物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展及關(guān)鍵問題

物聯(lián)網(wǎng)的概念最早由比爾蓋茨于1995年在他的《未來之路》一書中提出，雖然Internet of Things的概念已經(jīng)提出，但是受限于當(dāng)時(shí)的無線技術(shù)、硬件以及傳感器技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)并未受到重視。物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展至今，已經(jīng)融合了傳感器、智能終端、通信、IPv6、人工智能的等諸多技術(shù)，并且應(yīng)用到軍事、智能家居、環(huán)境監(jiān)測、車聯(lián)網(wǎng)等和人類活動(dòng)密切相關(guān)的各方面，進(jìn)一步擴(kuò)展了人類對自然世界的認(rèn)識(shí)和改變。

物聯(lián)網(wǎng)可以認(rèn)為是信息空間與物理空間的融合［1］，人與人、物與物和人與物之間的連接將因多網(wǎng)絡(luò)多技術(shù)的融合轉(zhuǎn)變?yōu)榉涸诰W(wǎng)絡(luò)或普適網(wǎng)絡(luò)［2］，在智能設(shè)備逐漸普及的今天，接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備已不再局限于由人控制的計(jì)算機(jī)，泛在網(wǎng)絡(luò)概念的提出和各種無線技術(shù)以及傳感器技術(shù)的應(yīng)用極大的豐富了我們的信息世界，然而，在動(dòng)態(tài)性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，理想連接應(yīng)該是實(shí)時(shí)的無縫連接。因此，如何改變在互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展之初欠缺的網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性問題成為了現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)，同時(shí)，也是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展亟待解決的問題。

本文將結(jié)合下一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IPv6，Internet Protocol Version 6）設(shè)計(jì)中對移動(dòng)性的支持和對前人6LoWPAN（Low－power Wireless Personal Area Networks）網(wǎng)絡(luò)研究的分析總結(jié)，提出一種使用鄰居發(fā)現(xiàn)機(jī)制的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)輔助通信方法，嘗試改善網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)問題，為小范圍物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)無縫連接提供一種新的思路，最后設(shè)計(jì)將所要實(shí)現(xiàn)的6LoWPAN物聯(lián)網(wǎng)與聯(lián)邦網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Dragon－Lab（Distributed research ＆academic gigabits open network lab）的整合方案。

2 相關(guān)研究

在Internet工程任務(wù)組IETF關(guān)于對IPv6移動(dòng)性支持的RFC3775文檔中指出，在IPv6的設(shè)計(jì)中，需要其本身對移動(dòng)性有良好的支持，因此，提出了移動(dòng)IPv6協(xié)議［3］的概念，移動(dòng)IPv6協(xié)議使節(jié)點(diǎn)在IPv6網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)過程中仍然保持可達(dá)狀態(tài)。每個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)總是由家鄉(xiāng)地址標(biāo)識(shí)，而與它當(dāng)前所接入的網(wǎng)絡(luò)無關(guān)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)出家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，移出節(jié)點(diǎn)會(huì)獲得一個(gè)轉(zhuǎn)交地址，該地址暫時(shí)提供了有關(guān)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前位置的信息。發(fā)送到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)家鄉(xiāng)地址的IPv6數(shù)據(jù)包最終會(huì)被轉(zhuǎn)發(fā)到轉(zhuǎn)交地址。移動(dòng)IPv6協(xié)議使得節(jié)點(diǎn)能夠緩存家鄉(xiāng)地址與轉(zhuǎn)交地址的綁定信息，發(fā)往移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包可以直接發(fā)送到轉(zhuǎn)交地址。

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)離開家鄉(xiāng)鏈路的行為對于傳輸和高層協(xié)議來說是透明的。移動(dòng)IPv6協(xié)議同時(shí)適用于相同媒介和不同媒介中的移動(dòng)。例如，移動(dòng)IPv6支持從以太網(wǎng)移動(dòng)到以太網(wǎng)，也支持從以太網(wǎng)移動(dòng)到WLAN，同時(shí)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的IP地址不變。可以認(rèn)為移動(dòng)IPv6是移動(dòng)性問題在網(wǎng)絡(luò)層的解決方案。

JeongGil Ko，Terzis等［4］人在低功耗網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)的研究中指出，802.15.4協(xié)議并未提供完整的組播功能，然而卻有著重疊的廣播域，為解決以上問題，6LoWPAN工作組致力于IPv6數(shù)據(jù)報(bào)在802.15.4協(xié)議中的傳輸和重疊區(qū)域內(nèi)的鄰居發(fā)現(xiàn)機(jī)制這兩個(gè)問題。6LoWPAN依靠路由廣播和路由請求實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)機(jī)制。

Montavont等［5］人通過實(shí)驗(yàn)評估基于Contiki的6LoWPAN上的移動(dòng)IPv6，得出移動(dòng)IPv6可以作為解決6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)層移動(dòng)性的有效方法。

這種移動(dòng)管理方案雖然是簡單可行的，但仍然存在缺陷，由于未來網(wǎng)絡(luò)會(huì)有大量節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，并且其中很大一部分具有高動(dòng)態(tài)性，頻繁的移動(dòng)會(huì)大大增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的代價(jià)。在這樣的情況下，不準(zhǔn)確的移動(dòng)監(jiān)測則會(huì)致使網(wǎng)絡(luò)失去穩(wěn)定性甚至連通性，而在低功耗個(gè)域網(wǎng)中，節(jié)點(diǎn)的能耗也是需要考慮的重要因素。文獻(xiàn)［6］提出了對6LowPAN中鄰居發(fā)現(xiàn)機(jī)制的改進(jìn)，針對傳統(tǒng)的鄰居發(fā)現(xiàn)機(jī)制不適用于沒有組播功能的6LoWPAN，提出了一種6LoWPAN擴(kuò)展的鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議，并設(shè)計(jì)了模塊化的協(xié)議棧。通過已實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用測試了協(xié)議的正確性，進(jìn)一步減小了能耗，提高了傳輸效率。

考慮到6LoWPAN的低功耗短距離的傳輸特性，本文提出利用鄰居發(fā)現(xiàn)機(jī)制原理，使用節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)定位等方法，結(jié)合6LoWPAN兼容的IPv6協(xié)議，對小范圍內(nèi)移出通信區(qū)域的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行輔助連接通信的方法，可以有效解決在智能家居、工業(yè)控制等領(lǐng)域的小范圍節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)問題。

在整合實(shí)驗(yàn)中使用Dragon－Lab，聯(lián)邦網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Dragon－Lab是一個(gè)以研究為目的的基于聯(lián)邦式網(wǎng)絡(luò)的下一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)測試平臺(tái)［7］。Dragon－Lab相當(dāng)于一個(gè)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室，它打破了各高校實(shí)驗(yàn)室的地域隔閡，將實(shí)驗(yàn)資源整合至一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，通過遠(yuǎn)程定制和管理實(shí)驗(yàn)資源進(jìn)行本地綜合網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)。

在前期的工作中，我們一直致力于物聯(lián)網(wǎng)的通信方案和應(yīng)用整合研究，在文獻(xiàn)［8］中，作者提出了以Dragon－Lab實(shí)驗(yàn)云模型模擬真實(shí)網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)的整合設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了利用ZigBee技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)自組網(wǎng)通信。文獻(xiàn)［9］對聯(lián)邦平臺(tái)進(jìn)行了系統(tǒng)的說明，體現(xiàn)了其諸多功能和性能上的優(yōu)點(diǎn)，并且對現(xiàn)有案例進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。

3 6LoWPAN發(fā)現(xiàn)輔助通信與Dragon－Lab整合應(yīng)用

首先具體介紹依靠6LoWPAN代替ZigBee的物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)間的IPv6通信方案，以及基于6LoWPAN的節(jié)點(diǎn)鄰居發(fā)現(xiàn)機(jī)制的移動(dòng)傳輸方案，其次給出完整的基于6LoWPAN的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模型與聯(lián)邦網(wǎng)絡(luò)整合的實(shí)現(xiàn)框架。

3.1 6LoWPAN鄰居輔助通信

6LoWPAN技術(shù)非常適合應(yīng)用于嵌入式IPv6這一領(lǐng)域，使大量的電子產(chǎn)品不僅可以彼此之間組網(wǎng)，還可以通過IPv6協(xié)議接入下一代互聯(lián)網(wǎng)。而ZigBee定義通信在802.15.4協(xié)議的節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行，然后定義上層應(yīng)用通信技術(shù)。這意味著ZigBee設(shè)備可以和其它ZigBee設(shè)備互通，而無法直接接入互聯(lián)網(wǎng)，6LoWPAN節(jié)點(diǎn)采用IPv6協(xié)議接入下一代網(wǎng)絡(luò)，使大量物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和互聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)具有對等的地位。

考慮到6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)具有短距離通信的特性，因此具有相對較高的節(jié)點(diǎn)密度和重疊通信區(qū)域，當(dāng)節(jié)點(diǎn)或接入網(wǎng)絡(luò)移出通信范圍時(shí)，可以通過鄰居發(fā)現(xiàn)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)周圍節(jié)點(diǎn)，并通過鄰居節(jié)點(diǎn)找到目的地址，進(jìn)行多跳傳輸，完成6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的通信。

鄰居發(fā)現(xiàn)機(jī)制是IPv6協(xié)議中的基本組成部分，其主要功能包括路由和前綴發(fā)現(xiàn)，地址解析，可達(dá)性測試，重定向等功能［10］。6LoWPAN鏈路層不支持多播，靠算法通過不可靠廣播模擬多播會(huì)大量消耗節(jié)點(diǎn)能量。在實(shí)驗(yàn)中，可以使用6LoWPAN探測節(jié)點(diǎn)對接入網(wǎng)關(guān)或移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的相對移動(dòng)探測與IPv6所支持的鄰居發(fā)現(xiàn)策略相結(jié)合，對網(wǎng)絡(luò)的變化和接入策略進(jìn)行更精準(zhǔn)的判斷，通過這種方法，使6LoWPAN節(jié)點(diǎn)和資源受限的傳感器節(jié)點(diǎn)等減少額外的能量消耗和大量的復(fù)雜算法實(shí)現(xiàn)，更適合在低功耗網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)關(guān)上使用。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)智能應(yīng)用與Dragon－Lab聯(lián)邦網(wǎng)絡(luò)整合

首先，對6LoWPAN節(jié)點(diǎn)配置和測試，設(shè)計(jì)合理的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，配置?jié)點(diǎn)IPv6地址，保證6LoWPAN內(nèi)部正常通信。然后通過6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模塊相結(jié)合，構(gòu)建一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)智能應(yīng)用模型。其中應(yīng)用模塊可以包含各種監(jiān)測傳感器，對周圍環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測；無線射頻識(shí)別模塊，對物品和人員進(jìn)行識(shí)別和管理；安防模塊，通過多種探測和識(shí)別技術(shù)完成安防操作；智能終端設(shè)備，通過采集和處理6LoWPAN局域網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)對應(yīng)用模塊采取相應(yīng)控制和管理功能。

其次，6LoWPAN局域網(wǎng)內(nèi)采集的數(shù)據(jù)可以由智能網(wǎng)關(guān)發(fā)送到Dragon－Lab云端處理模塊，對接入網(wǎng)關(guān)進(jìn)行配置，保證與聯(lián)邦網(wǎng)絡(luò)的正常通信，聯(lián)邦服務(wù)器采用B/S構(gòu)架，用戶可以通過IPv6網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)隨地訪問遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

Dragon－Lab具有四層體系結(jié)構(gòu)［11］：分別是物理層、業(yè)務(wù)邏輯層、調(diào)度管理層和用戶邏輯層。通過各層之間的銜接及遠(yuǎn)程資源的配合，形成一套完整的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

在物理層中，由交換機(jī)和路由器等連接各節(jié)點(diǎn)的資源，搭建平臺(tái)硬件環(huán)境；業(yè)務(wù)邏輯層，對資源進(jìn)行管理，添加設(shè)備只需添加相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)即可；管理調(diào)度層配置實(shí)驗(yàn)資源；用戶層客戶端使用戶能夠直觀的操作實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。圖1是6LoWPAN物聯(lián)網(wǎng)與Dragon－Lab整合實(shí)驗(yàn)構(gòu)架。

圖1 6LoWPAN物聯(lián)網(wǎng)與Dragon－Lab整合實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

4 結(jié)語

隨著下一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和低功耗個(gè)域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷向前推進(jìn)和普及，6LoWPAN已逐步替代之前的ZigBee，成為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)以純IPv6方式互聯(lián)互通的解決方案，其設(shè)計(jì)與性能有著諸多優(yōu)勢。由于6LoWPAN具有短距離通信的特點(diǎn)，移動(dòng)管理問題較易解決，本文通過對6LoWPAN中鄰居發(fā)現(xiàn)和輔助通信實(shí)現(xiàn)方法的探索，總結(jié)出一種對小范圍物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)移動(dòng)和接入管理的思路，并提出使用兼容IPv6的方式與物聯(lián)網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)整合，對于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的推廣具有重要作用，這項(xiàng)技術(shù)的完善可以促進(jìn)其廣泛應(yīng)用于自然監(jiān)測，工業(yè)控制，智能家居，實(shí)驗(yàn)教學(xué)等領(lǐng)域，具有優(yōu)良的發(fā)展前景和研究價(jià)值。

［1］朱曉蓉，齊麗娜，孫君，等.物聯(lián)網(wǎng)與泛在通信技術(shù)［M］.人民郵電出版社，2010.

［2］孫其博，劉杰，黎葬，等.物聯(lián)網(wǎng)：概念、架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究綜述 ［J］.北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，33（3）：1－9.

［3］Johnson D，Perkins C，Arkko J.RFC 3775：Mobility support in IPv6［J］.IETF，June，2004.

［4］Ko J G，Terzis A，Dawson－Haggerty S，et al.Connecting low－power and lossy networks to the internet［J］.Communications Magazine，IEEE，2011，49（4）：96－101.

［5］Montavont J，Roth D，No?l T.Mobile IPv6in Internet of Things：Analysis，experimentations and optimizations［J］.Ad Hoc Networks，2013.

［6］毛妙.6LoWPAN適配層與 ND協(xié)議的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.上海：華東師范大學(xué)，2007.

［7］FAN T R，GAO F，ZHANG X，WANG X.（2012）.Integration of IoT and DRAGON－lab in cloud environment.The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications，19（2），87－91.

［8］張宣.物聯(lián)網(wǎng)與Dragon－Lab實(shí)驗(yàn)云的融合研究［D］.石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2013.

［9］范通讓，王建民，趙永斌.DRAGON－Lab聯(lián)邦上的網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐環(huán)境整合［J］.計(jì)算機(jī)教育，2010（023）：59－62.

［10］Narten T，Nordmark E，Simpson W.H.Soliman.Neighbor Discovery for IP version 6（IPv6）［R］.RFC 4861，September，2007.

［11］Wang J L，Li Z H，Lv G H，et al.DRAGON－Lab－Next generation internet technology experiment platform［J］.Science in China Series F：Information Sciences，2008，51（11）：1908－1918.