物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放環(huán)境下新型傳感網(wǎng)關(guān)

周嚴(yán)（南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，江蘇南京210003）

物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放環(huán)境下新型傳感網(wǎng)關(guān)

周嚴(yán)
（南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，江蘇南京210003）

物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放環(huán)境下有更加面向服務(wù)的趨勢(shì)，應(yīng)用層對(duì)于感知層的靈活控制需求日益凸顯，傳統(tǒng)的上傳下達(dá)的網(wǎng)關(guān)已經(jīng)很難適應(yīng)。著眼于一種基于SDN-OpenFlow理念的傳感網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)，根據(jù)開(kāi)放環(huán)境及OpenFlow的不足進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，并提出針對(duì)數(shù)據(jù)信息的封裝格式，以適應(yīng)網(wǎng)關(guān)的流表處理機(jī)制。進(jìn)而物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層可以通過(guò)控制通道對(duì)數(shù)據(jù)通道進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)對(duì)傳感網(wǎng)的開(kāi)放環(huán)境的適應(yīng)和對(duì)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)層的各種服務(wù)進(jìn)行更好的支撐。此外設(shè)計(jì)主要還包括對(duì)網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)分析、軟硬件實(shí)現(xiàn)等。最后分別從功能性和穩(wěn)定性兩個(gè)方面驗(yàn)證了系統(tǒng)的有益特性。

傳感網(wǎng)關(guān)；OpenFlow；數(shù)據(jù)封裝

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)，也即萬(wàn)物互聯(lián)技術(shù)，而物聯(lián)網(wǎng)的開(kāi)放環(huán)境則是指網(wǎng)絡(luò)體系更加面向服務(wù)，包括整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的資源整合，提供給用戶公共的資源公開(kāi)的信息、多元和個(gè)性化的業(yè)務(wù)等[1]。本文主要著眼于傳感網(wǎng)所在的感知層的網(wǎng)關(guān)設(shè)備展開(kāi)設(shè)計(jì)的論述。在物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放環(huán)境中，面向服務(wù)的應(yīng)用層對(duì)于底層數(shù)據(jù)平面的控制需求愈加強(qiáng)烈，網(wǎng)關(guān)的角色不再是上傳下達(dá)的郵差[2-3]。而且傳感網(wǎng)的應(yīng)用囊括各種日常和惡劣場(chǎng)景：大面積信息感知、傳感節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)、傳感網(wǎng)拓?fù)涠嘧兊龋谶@些情況下傳統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)已經(jīng)很難適應(yīng)了。而目前在對(duì)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的研究上主要分為如下幾個(gè)方向：（1）對(duì)網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)；（2）對(duì)網(wǎng)關(guān)的工作協(xié)議和軟件的研究[4]；（3）對(duì)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的功能和屬性的研究；（4）具體場(chǎng)景型網(wǎng)關(guān)的研究。物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放環(huán)境對(duì)網(wǎng)關(guān)提出了更高的要求[5]：（1）對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的控制開(kāi)放和對(duì)感知層的感知開(kāi)放；（2）對(duì)網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性；（3）豐富的業(yè)務(wù)的開(kāi)展，對(duì)于控制管理的要求也更加突出。

本文將在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入網(wǎng)關(guān)設(shè)備，參考OpenFlow協(xié)議，并將其引入網(wǎng)關(guān)設(shè)備與平臺(tái)之間的通信過(guò)程[6]；設(shè)計(jì)一種對(duì)感知層傳感網(wǎng)信息的封裝和通信協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各種傳感網(wǎng)協(xié)議的統(tǒng)一適配，并給出了網(wǎng)關(guān)的實(shí)力實(shí)現(xiàn)方式。

1 網(wǎng)關(guān)關(guān)鍵技術(shù)

傳統(tǒng)的傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)往往接口單一、邏輯固化、數(shù)據(jù)操作簡(jiǎn)單、缺乏面向上層后臺(tái)部分的接口和支撐，已經(jīng)很難滿足物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)底層的信息感知的需求。將在軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入網(wǎng)關(guān)設(shè)備，參考OpenFlow協(xié)議，并將其引入網(wǎng)關(guān)設(shè)備與平臺(tái)之間的通信過(guò)程，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)層直接處理原生的感知信息。設(shè)計(jì)一種對(duì)感知層傳感網(wǎng)信息的封裝和通信協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各種傳感網(wǎng)協(xié)議的統(tǒng)一適配。

將物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境應(yīng)用層的數(shù)據(jù)平臺(tái)類比SDN網(wǎng)絡(luò)控制器，將網(wǎng)關(guān)設(shè)備類比SDN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)設(shè)備，從而參考OpenFlow來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)平臺(tái)和網(wǎng)關(guān)之間的通信。

OpenFlow協(xié)議針對(duì)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備往往配有多個(gè)以太網(wǎng)口[7-8]，為了將OpenFlow協(xié)議的理念融入傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)中，就需要針對(duì)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的特點(diǎn)對(duì)協(xié)議進(jìn)行一些改良。

（1）根據(jù)地理位置和平臺(tái)的信息分割區(qū)域進(jìn)行流表瘦身。傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間的通信主要是傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)與上層數(shù)據(jù)平臺(tái)的通信，不同部署區(qū)的傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間很少會(huì)有通信需求。這個(gè)特點(diǎn)為數(shù)據(jù)流區(qū)域的劃分提供了可能。將整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放環(huán)境下的感知層的傳感網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)流區(qū)域切割，不同區(qū)域之間的網(wǎng)關(guān)設(shè)備沒(méi)有直接通信的需求，流表幾乎沒(méi)有關(guān)聯(lián)，可以很好地達(dá)到流表瘦身的效果。當(dāng)不同區(qū)域的網(wǎng)關(guān)或者傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)通信需求時(shí)，則要借助上層的數(shù)據(jù)平臺(tái)。

（2）將流水線結(jié)構(gòu)的流表改良為索引式結(jié)構(gòu)。Open-Flow協(xié)議中的流水線式的流表匹配操作往往需要經(jīng)歷多個(gè)流表才能查詢到。網(wǎng)關(guān)設(shè)備的數(shù)據(jù)流往往是固定的幾個(gè)類別，比如上行和下行數(shù)據(jù)流，因此可以按照這個(gè)特點(diǎn)改變?cè)械牧魉€式的流表組織，使用索引式流表組織使得每種數(shù)據(jù)流使用單獨(dú)的流表。每個(gè)索引對(duì)應(yīng)的流表可以是異構(gòu)的，可以將最常用的表項(xiàng)放在一張表，將支持?jǐn)U展功能的擁有更細(xì)顆粒度的表項(xiàng)放在另外一張索引對(duì)應(yīng)的流表中。流表組織結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中按照數(shù)據(jù)流的類型（諸如版本號(hào)、上下行數(shù)據(jù)等）來(lái)作為區(qū)分的種類，只作為示例。

圖1 索引式流表結(jié)構(gòu)

在N張表中，每張表有a個(gè)表項(xiàng)的情況下，級(jí)聯(lián)的流表查找效率是：平均查找深度為（N+1）/2，存儲(chǔ)單元為N*a個(gè)，而索引式結(jié)構(gòu)流表在同等存儲(chǔ)損耗的情況下，查找深度為2。在嵌入式備中索引式無(wú)疑是較好的選擇。

1.2 數(shù)據(jù)適配與協(xié)議封裝

為使流表的適配高效，數(shù)據(jù)流的格式越統(tǒng)一越簡(jiǎn)單越好，但網(wǎng)關(guān)需要適配的協(xié)議種類是繁多的。比較常用的協(xié)議有TCP/IP、ZigBee、6LoWPAN、藍(lán)牙等[9]，這給流表的適配帶來(lái)了很大難度。

為了解決上述問(wèn)題，使用32位/128位虛擬地址封裝數(shù)據(jù)載荷。因?yàn)楹芏嗵幚砥魑粚挾际?2位，可以一次尋址讀取32位數(shù)據(jù)，128是32的整數(shù)倍，將所有的協(xié)議分為32位封裝和128位封裝兩種，32位封裝面向IPv4和ZigBee等，128位封裝面向IPv6和未壓縮6LoWPAN地址等。對(duì)于IPv4協(xié)議，不用任何處理即可；對(duì)于ZigBee地址，這里使用16位的網(wǎng)絡(luò)號(hào)和16位的節(jié)點(diǎn)地址作為標(biāo)識(shí)符；對(duì)于IPv6協(xié)議和6LoWPAN協(xié)議不需要處理。版本號(hào)用以區(qū)分虛擬地址的長(zhǎng)度是32位還是128位，還可以做流表選擇的索引功能。

本平臺(tái)將臺(tái)風(fēng)實(shí)況,包括臺(tái)風(fēng)位置、臺(tái)風(fēng)路徑、臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度、風(fēng)圈半徑、臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)等信息,并采用不同顏色的點(diǎn)和線顯示不同等級(jí)的臺(tái)風(fēng)中心位置及其路徑(圖2)。對(duì)不同預(yù)報(bào)線路也采用不同顏色表示,平臺(tái)可同時(shí)顯示一個(gè)或多個(gè)臺(tái)風(fēng)信息,所有臺(tái)風(fēng)有關(guān)信息都可以顯示或消隱,并具備測(cè)距、地形疊加等GIS功能,方便預(yù)報(bào)員參考。同時(shí)平臺(tái)也對(duì)省臺(tái)臺(tái)風(fēng)報(bào)告單制作系統(tǒng)提供良好支持。

2 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文提出一種針對(duì)上述若干關(guān)鍵技術(shù)的網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)，如圖2所示，模塊之間的3條黑色虛線表示邏輯的控制通道。

圖2 網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)備結(jié)構(gòu)上分為若干模塊，感知信息數(shù)據(jù)從各種底層物理接口進(jìn)入網(wǎng)關(guān)設(shè)備，進(jìn)行統(tǒng)一適配或協(xié)議封裝，交由交換/路由單元模塊進(jìn)行流表的匹配操作（流表就在交換/路由模塊），或交由通信適配模塊進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)或轉(zhuǎn)發(fā)給其他網(wǎng)關(guān)等，同樣從互聯(lián)網(wǎng)或者數(shù)據(jù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)信息也是類似邏輯機(jī)制；管理員可以通過(guò)近端控制單元對(duì)設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)配置、管理，也可以通過(guò)控制通道與控制管理單元通信，配置底層通信適配模塊和交換/路由模塊以改變?cè)O(shè)備的工作方式或者轉(zhuǎn)發(fā)策略協(xié)同工作等。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)的硬件平臺(tái)選擇了ARM平臺(tái)，它擁有更豐富的接口和軟件支持性[10]。

核心部分主要包括處理器和存儲(chǔ)器，在這里存儲(chǔ)器分為Flash和RAM，分別用來(lái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和運(yùn)行內(nèi)存。外圍接口部分主要負(fù)責(zé)為核心部分?jǐn)U展接口，豐富接入屬性，主要包括電源、串口、USB和網(wǎng)卡等模塊。串口模塊主要是面向低速率的近距離的通信，USB（通用串行總線）模塊的主要作用就是通信組件的擴(kuò)展，比如無(wú)線網(wǎng)卡等[11]。以太網(wǎng)卡模塊，一顆DM9000的百兆網(wǎng)絡(luò)適配芯片以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)接入。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

選擇了嵌入式Linux作為軟件環(huán)境[12]。下面給出網(wǎng)關(guān)的核心部分的軟件實(shí)現(xiàn)。

（1）流表的實(shí)現(xiàn)

流表主要存在于交換/路由模塊。在索引式結(jié)構(gòu)流表中，分為索引表和每個(gè)索引對(duì)應(yīng)的頁(yè)流表，在本次實(shí)現(xiàn)中使用版本號(hào)作為索引表，頁(yè)表中每個(gè)表項(xiàng)包括包頭域、計(jì)數(shù)域和操作域。表項(xiàng)的操作域由枚舉類型組成，每個(gè)參數(shù)對(duì)應(yīng)一個(gè)函數(shù)指針，其指向的函數(shù)正進(jìn)行相關(guān)的操作。每個(gè)流表設(shè)置8個(gè)表項(xiàng)，多個(gè)流表通過(guò)樹狀鏈表呈索引形式締結(jié)起來(lái)。而且索引式的流表可以實(shí)現(xiàn)異構(gòu)的流表，比如最常用的數(shù)據(jù)流的操作放在某一張流表的最前面，而且包頭域十分簡(jiǎn)潔以保證匹配速度，另外一個(gè)索引對(duì)應(yīng)的流表可能較少用到，但是支持?jǐn)U展的功能，比如端口號(hào)、用戶ID和優(yōu)先級(jí)等，這種索引式的流表更好地權(quán)衡了效率和多樣性。

實(shí)現(xiàn)流表的代碼如下：

（2）數(shù)據(jù)封裝的實(shí)現(xiàn)

在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中需要針對(duì)地址格式的不同提供至少兩種封裝的頭部，結(jié)構(gòu)體中包含一個(gè)指針指向數(shù)據(jù)凈負(fù)荷，使用指針的方式避免了數(shù)據(jù)的復(fù)制操作，使得處理過(guò)程更加高效。而且在不考慮字節(jié)對(duì)齊的情況下只占用了10 B。

實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)封裝的代碼如下：

3 系統(tǒng)驗(yàn)證與分析

這里通過(guò)一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)對(duì)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)：一個(gè)多任務(wù)動(dòng)態(tài)感知的情景，如圖3所示，每個(gè)虛線圓圈內(nèi)部的加點(diǎn)表示一個(gè)物理上的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。

圖3 典型應(yīng)用示例

實(shí)驗(yàn)中構(gòu)建了一個(gè)簡(jiǎn)單的類似圖3的環(huán)境，網(wǎng)關(guān)G2、G3直接連接6LoWPAN傳感網(wǎng)（N1、N2、N3分別為3個(gè)傳感網(wǎng)的協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)），G1通過(guò)Wi-Fi與G2、G3連接并作為其上層網(wǎng)關(guān)提供互聯(lián)網(wǎng)接入。這里僅通過(guò)整個(gè)系統(tǒng)對(duì)流量的控制和時(shí)延兩個(gè)方面來(lái)驗(yàn)證網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的功能性和穩(wěn)定性。從網(wǎng)關(guān)G1通過(guò)G2向N1發(fā)送PING包，原路返回，其間附上節(jié)點(diǎn)的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)5次，時(shí)間曲線繪制如圖4（a）所示?？梢?jiàn)在網(wǎng)關(guān)與傳感網(wǎng)之間的通信時(shí)延較大，但是總體時(shí)延控制在500 ms以內(nèi)且時(shí)延抖動(dòng)小。G2網(wǎng)關(guān)采集N1和N3的數(shù)據(jù)，G3網(wǎng)關(guān)采集N2的數(shù)據(jù)，N1和N3數(shù)據(jù)量很大，所以G2網(wǎng)關(guān)的下行接口隨時(shí)都有可能堵塞，這時(shí)G2向數(shù)據(jù)平臺(tái)反饋，數(shù)據(jù)平臺(tái)反饋N3改道G3網(wǎng)關(guān)，從而避免了G2的堵塞，流量監(jiān)測(cè)如圖4（b）所示。

圖4 分析圖

4 結(jié)論

網(wǎng)關(guān)具有以下特點(diǎn)：重量體積輕巧，低功耗；電路板采用DC 5V-2A供電，發(fā)熱量少；常溫下主芯片最高43℃。在測(cè)試的一周內(nèi)，各個(gè)模塊都無(wú)異常。

上述的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)具有如下有益效果：（1）為物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放環(huán)境的數(shù)據(jù)平臺(tái)的資源整合及控制傳感網(wǎng)提供了有效的支撐；（2）從傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)中提煉出控制面，能夠在運(yùn)行中根據(jù)數(shù)據(jù)平臺(tái)的調(diào)度或者不同的需求更改網(wǎng)絡(luò)通信特性和適配特性；（3）流表及其控制機(jī)制的引入易于實(shí)現(xiàn)資源的調(diào)度。

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Design of sensor gatew ay in IOT open environment

Zhou Yan
（College of Telecommunications&Information Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210003，China）

The open environment of the IOT has a trend to be more service oriented，as a result the traditional gateway which works as uploader is difficult to adapt to the current complex situation of open environment.This paper focuses on the design of sensor gateway based on SDN-OpenFlow technology，makes improvement to adapt the feature of gateway，and puts forward the packaging format for data information in order to adapt to the processing mechanism of flow table.The IOT application layer can configure the data platform through the control channel，so as to realize the adaption to open environment and the support to varies of services.The design mainly also includes the design of gateway structure，hardware and software implementation.At last，this paper presents experimental verification of the system.

gateway；OpenFlow；data encapsulation

TP212.9；TP393.4

A

1674-7720（2015）14-0068-03

2015-01-25）

周嚴(yán)（1991-），男，碩士研究生，主要研究方向：網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用、嵌入式軟件技術(shù)。