基于IPv6協(xié)議的無(wú)線傳感網(wǎng)服務(wù)架構(gòu)研究

盛雨晶

摘 要：目前，關(guān)于傳感器網(wǎng)絡(luò)與IPv6互聯(lián)的技術(shù)研究在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)興起。然而，現(xiàn)有的初步研究工作僅局限在簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)傳輸，功能上也遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需求；缺少一個(gè)統(tǒng)一服務(wù)框架，應(yīng)用開(kāi)發(fā)效率低、難度大，缺少因特網(wǎng)互聯(lián)的支持，無(wú)法支撐大規(guī)模聚集式應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：IPv6；無(wú)線；傳感網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TN929.5；TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）26-0090-01

1 項(xiàng)目研究背景和意義

1.1 研究背景

隨著電子科技的進(jìn)步，傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)經(jīng)歷了四代的發(fā)展，無(wú)線傳感網(wǎng)作為新興的下一代傳感網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力更強(qiáng)，節(jié)點(diǎn)間通信更加方便，能夠?qū)崿F(xiàn)比以往更加復(fù)雜的應(yīng)用?，F(xiàn)階段的無(wú)線傳感網(wǎng)正處于研究和開(kāi)發(fā)階段，已有一些試驗(yàn)性項(xiàng)目，美國(guó)INTEL公司從2002年開(kāi)始了基于微型無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的新型計(jì)算發(fā)展規(guī)劃，我國(guó)也在無(wú)線傳感網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)、操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)路由等方面陸續(xù)開(kāi)展工作。

1.2 研究目標(biāo)

研究傳感器網(wǎng)絡(luò)與下一代互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)的問(wèn)題，重點(diǎn)研究具通用性的基礎(chǔ)服務(wù)和對(duì)應(yīng)的面向傳感器網(wǎng)絡(luò)的IPv6支撐協(xié)議，以方便快速構(gòu)建連接傳感器網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)，連接不同地域環(huán)境的傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模應(yīng)用。

2 基于IPv6的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)協(xié)議

本項(xiàng)目研究面向典型應(yīng)用的共性基礎(chǔ)服務(wù)，以及支撐服務(wù)的基于IPv6的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議族，并構(gòu)建典型應(yīng)用環(huán)境，部署并運(yùn)行一個(gè)完整的服務(wù)系統(tǒng)。服務(wù)系統(tǒng)及其支撐協(xié)議的整體架構(gòu)，如圖1所示。

2.1 傳感網(wǎng)IPv6協(xié)議族

IPv6具有地址數(shù)量大，很好的支持自組織組網(wǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，充分符合傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議要求。但傳感節(jié)點(diǎn)由于諸多硬件限制，難以實(shí)現(xiàn)整個(gè)IPv6協(xié)議族，需要基于上面提到的幾類服務(wù)，針對(duì)性的研究必需的幾類簡(jiǎn)化IPv6協(xié)議，服務(wù)和IPv6中的協(xié)議對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖2所示。

由于無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)功耗和計(jì)算能力等方面的限制，使得不可能也不必要實(shí)現(xiàn)完整的IPv6協(xié)議族，而要根據(jù)上層服務(wù)的需求，僅實(shí)現(xiàn)必需的最小協(xié)議集合，需符合兩條要求：首先，輸入/輸出數(shù)據(jù)包都具有標(biāo)準(zhǔn)格式，能與IPv6網(wǎng)絡(luò)互連互通；其次，為降低功耗，去除IPv6協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中不需要的功能和屬性。主要研究?jī)?nèi)容分為以下幾類。

2.1.1 路由協(xié)議

主要實(shí)現(xiàn)局部網(wǎng)絡(luò)常用的ICMPv6和鄰居發(fā)現(xiàn)（Neighbor Discovery， ND）協(xié)議，以支持傳感節(jié)點(diǎn)的自組織組網(wǎng)。

2.1.2 傳輸協(xié)議

單播通信支持UDP協(xié)議，TCP協(xié)議由于其復(fù)雜性不適合在傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，且傳感網(wǎng)內(nèi)由于數(shù)據(jù)量不大，基于其特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)逐跳可靠傳輸，跨越互聯(lián)網(wǎng)的可靠傳輸可由網(wǎng)關(guān)提供支持。

2.1.3 服務(wù)協(xié)議

①自動(dòng)服務(wù)注冊(cè)。

網(wǎng)關(guān)需要向中央服務(wù)器預(yù)注冊(cè)以獲取一些全局分配信息，如IPv6地址。傳感節(jié)點(diǎn)經(jīng)簡(jiǎn)單的撒播部署后能自動(dòng)組織成局部傳感網(wǎng)絡(luò)，并連接到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)根據(jù)預(yù)設(shè)信息在指定的中央服務(wù)器上注冊(cè)該網(wǎng)絡(luò)，并返回一些傳感網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的初始信息。

②可靠的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信服務(wù)。

互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的可靠性由TCP協(xié)（下轉(zhuǎn)92頁(yè)）（上接90頁(yè)）議來(lái)保證，但由于傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)較弱的功能和單次傳輸信息較少的特點(diǎn)，TCP協(xié)議的消耗過(guò)大。另外，如果傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)具移動(dòng)性，路由會(huì)經(jīng)常更改和出錯(cuò)，造成上層連接頻繁的不穩(wěn)定。

3 IPv6的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新之處

3.1 以面向服務(wù)為目標(biāo)，提出融合傳感網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)框架

結(jié)合目前省內(nèi)可持續(xù)化發(fā)展的需求，提出基于IPv6協(xié)議的融合傳感網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)框架，可有效用于涉及多個(gè)傳感網(wǎng)的跨互聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模聚集應(yīng)用。服務(wù)框架提供自動(dòng)服務(wù)注冊(cè)機(jī)制，有利于應(yīng)用的快速部署；提出了適合混合網(wǎng)絡(luò)整體特點(diǎn)的可靠通信機(jī)制，以保證一些關(guān)鍵應(yīng)用的可靠性；并提供針對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)的服務(wù)原語(yǔ)，規(guī)范化了節(jié)點(diǎn)的訪問(wèn)方法，消除了應(yīng)用開(kāi)發(fā)時(shí)的大量重復(fù)性工作；同時(shí)以整網(wǎng)操作為目標(biāo)，提出了更具應(yīng)用信息的群操作服務(wù)，消除了IPv6多播協(xié)議和上層應(yīng)用需求的差距，方便全局信息的配置。

3.2 面向傳感網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)的傳感網(wǎng)IPv6精簡(jiǎn)協(xié)議棧設(shè)計(jì)

針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求，充分考慮必要的傳感器網(wǎng)絡(luò)的在功耗和性能方面的要求，結(jié)合節(jié)點(diǎn)的大部分應(yīng)用場(chǎng)景，精簡(jiǎn)IPv6協(xié)議棧。從OSI七層協(xié)議的角度，裁減高層協(xié)議。在報(bào)頭定義、路徑最大傳輸單元發(fā)現(xiàn)、鄰居發(fā)現(xiàn)、地址自動(dòng)配置等方面進(jìn)行相應(yīng)修改。精簡(jiǎn)后的協(xié)議能夠保證和下一代互聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)，同時(shí)兼顧自主設(shè)計(jì)的傳感節(jié)點(diǎn)的資源配置。

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