探討IPv6的無線傳感網(wǎng)異構(gòu)通信技術(shù)

繆小明

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，無限傳感網(wǎng)絡(luò)朝著IPv6網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向逐漸靠近，由此生成了ZigBee與6LoWPAN兩種不同的異構(gòu)協(xié)議通信架構(gòu)，即6LoWPAN-IPv6_Zigbee。該結(jié)構(gòu)在完成異構(gòu)節(jié)點(diǎn)問題分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一些列有關(guān)實(shí)際操作的流程，此外，還對相關(guān)的協(xié)議轉(zhuǎn)換模式、網(wǎng)關(guān)功能、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面也進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。期望當(dāng)下的異構(gòu)通信技術(shù)能夠?qū)o線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展帶來一定的幫助。

關(guān)鍵詞：IPv6；無限傳感網(wǎng)；異構(gòu)通信

近年來，IPv6無線傳感網(wǎng)通信技術(shù)得到了快速的發(fā)展，其在無線網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛的應(yīng)用，并且已經(jīng)取得了良好的陳國，但是，其在應(yīng)用的過程中仍然存在一些問題，阻礙了IPv6無線傳感網(wǎng)通信技術(shù)的發(fā)展，基于這一問題，本文分析了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)互通，然后針對IPv6無線傳感網(wǎng)通信技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)展開討論和分析，希望能有效的改善當(dāng)前IPv6無線傳感網(wǎng)通信技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，促進(jìn)無線網(wǎng)絡(luò)行業(yè)的快速發(fā)展。

1、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)互通研究

1.1Zigbee-6LoWPAN

現(xiàn)階段關(guān)于Zigbee與6LoWPAN兩種節(jié)點(diǎn)的互通方案相對較少，歸納起來是主要有雙棧網(wǎng)關(guān)和雙棧節(jié)點(diǎn)這兩種方案。兩個(gè)方案的相同點(diǎn)是Zigbee的應(yīng)用環(huán)節(jié)中加入了有關(guān)IPv6的協(xié)議，也就是說將實(shí)際的IP數(shù)據(jù)當(dāng)做應(yīng)用層數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。雙棧節(jié)點(diǎn)可以分別實(shí)現(xiàn)Zigbee和6LoWPAN的相關(guān)功能，但是不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能，特別是對于具有一定資源限制與功耗較大的節(jié)點(diǎn)來說，更加不適用。雙棧網(wǎng)關(guān)可以有效的減少區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的能源消耗。兩個(gè)方案的相同點(diǎn)是都停在框架層面上，不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的重裝與首部位置的解壓縮，也沒有對相關(guān)的服務(wù)問題與尋址問題進(jìn)行解決。

1.2Zigbee-IPv6

為了實(shí)現(xiàn)ZigBee與IPv6之間的網(wǎng)絡(luò)互連，需要在ZigBee網(wǎng)絡(luò)和IPv6網(wǎng)絡(luò)之間增加傳輸層，并為ZigBee節(jié)點(diǎn)分配有效的IPv6地址。當(dāng)邊界網(wǎng)關(guān)從IPv6網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)包時(shí)，解析分組通過將有效數(shù)據(jù)映射為ZigBee的應(yīng)用層，同時(shí)將信息映射到ZigBee網(wǎng)絡(luò)，將有效數(shù)據(jù)發(fā)送給ZigBee網(wǎng)絡(luò)。在接收到ZigBee網(wǎng)絡(luò)側(cè)的分組之后，應(yīng)用層數(shù)據(jù)也被封裝在IPv6網(wǎng)絡(luò)層中并轉(zhuǎn)發(fā)到IPv6網(wǎng)絡(luò)。我們設(shè)計(jì)了一種可以轉(zhuǎn)換ZigBee和IPv6節(jié)點(diǎn)的交互機(jī)制。最后，通過雙棧網(wǎng)關(guān)完成最終地址交換，雖然該方法在一定程度上解決了兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的地址問題，但忽略了實(shí)際信息傳輸?shù)陌踩珕栴}。此外，ZigBee中沒有相關(guān)的服務(wù)問題的進(jìn)一步解決方案，經(jīng)過多年的實(shí)驗(yàn)研究，一些學(xué)者提出了一種新的節(jié)點(diǎn)交互機(jī)制。在現(xiàn)有的改進(jìn)的交互機(jī)制的基礎(chǔ)上，雙棧網(wǎng)關(guān)不僅實(shí)現(xiàn)了各個(gè)節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)地址的相互轉(zhuǎn)換，而且解決了ZigBee中的服務(wù)問題和IP中的協(xié)議轉(zhuǎn)換。這種轉(zhuǎn)換的主要位置是在網(wǎng)絡(luò)層中，從而可以有效地保證應(yīng)用層上的數(shù)據(jù)傳輸。為了防止信息泄露，該協(xié)議轉(zhuǎn)換為每個(gè)ZigBee區(qū)域建立了相關(guān)設(shè)置，以便于IP網(wǎng)絡(luò)的綜合集成。上述的ZigBee和IPv6的互操作和集成、服務(wù)功能轉(zhuǎn)換和地址轉(zhuǎn)換對于兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的集成具有重要的參考價(jià)值。

2、關(guān)鍵技術(shù)

2.1地址轉(zhuǎn)換

對于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)互操作的最大問題是找到地址，ZigBee中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要在IPv6地址與6LoWPAN通信之前具有IPv6地址。6LoPAN-IPV6-ZigBee地址轉(zhuǎn)換的地點(diǎn)通常在邊境網(wǎng)關(guān)的中間，由IEEE定義的兩個(gè)主要鏈路層地址：在域網(wǎng)絡(luò)中動態(tài)分配的16位數(shù)字的短地址和由相關(guān)設(shè)備的制造商設(shè)置的64位長地址，并且這兩個(gè)地址可以同時(shí)存在于節(jié)點(diǎn)中。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，可以使用16位短地址，并且可以使用64位長地址，但是節(jié)點(diǎn)必須在IPv6網(wǎng)絡(luò)中具有IP地址，使得兩個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的通信必須在ZigBee地址和IPv6地址之間實(shí)現(xiàn)，并且通常是通用的。一個(gè)基于64位地址的EUI64。它是唯一可行的生成IPv6地址的映射方案。ZigBee和6LoWPAN通常在域內(nèi)完成通信時(shí)使用16位短地址，但這兩種方式不同。ZigBee主要使用相關(guān)的算法來分配地址給節(jié)點(diǎn)，6LoWPAN主要是使用邊界路由來使用重復(fù)檢測機(jī)制來分配節(jié)點(diǎn)地址。因此，邊界網(wǎng)關(guān)應(yīng)該將不同的地址分配給不同的通信節(jié)點(diǎn)，也就是說，它們對應(yīng)于EUI-64逐個(gè)地址。由于ZigBee協(xié)議中沒有適配層，因此有必要在這里添加一個(gè)相關(guān)規(guī)則，以便于IPv6的某個(gè)地址轉(zhuǎn)換。此外，在邊界網(wǎng)絡(luò)中還建立了ZigBee短地址和相應(yīng)的IPv6地址和EUI64（通常由EUI64生成）表。映射表不僅包括一定的節(jié)點(diǎn)地址信息，而且還包括該區(qū)域之外的一些地址信息。例如，ZigBee協(xié)調(diào)器向?qū)?yīng)于6LoWPAN節(jié)點(diǎn)的特定域節(jié)點(diǎn)分配相應(yīng)的短地址，然后向?qū)?yīng)的映射表中添加特定項(xiàng)信息，以完成不同域中的節(jié)點(diǎn)之間的通信。

2.2報(bào)文轉(zhuǎn)換

由于Zigbee和IPv6可以實(shí)現(xiàn)一定的地址轉(zhuǎn)換，因此也可以在兩者之間實(shí)現(xiàn)報(bào)頭的轉(zhuǎn)換，即Zigbee邊界網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)Zigbee網(wǎng)絡(luò)層的報(bào)頭Pv6中第一個(gè)位置的轉(zhuǎn)換。上述地址轉(zhuǎn)換實(shí)際上包含在當(dāng)前消息轉(zhuǎn)換中，因此需要充分重視這一內(nèi)容。ZigBee幀設(shè)計(jì)考慮IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的鏈路層負(fù)載長度限制，并且不要求包頭壓縮。由于IPv6數(shù)據(jù)包頭很大，為了在IEEE802.15.4協(xié)議上運(yùn)行，必須按照6LoWPAN標(biāo)準(zhǔn)壓縮包頭。因此，Zigbee和IPv6數(shù)據(jù)包報(bào)頭轉(zhuǎn)換時(shí)，需要完成數(shù)據(jù)包報(bào)頭的壓縮和解壓縮，并且合理完成安全和路由兩種協(xié)議信息的轉(zhuǎn)換，并且必須考慮這些組件。6LoWPAN數(shù)據(jù)包和Zigbee數(shù)據(jù)包都在鏈路層的最大傳輸單元內(nèi)。因此，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信不需要考慮數(shù)據(jù)分組重組和分段，但是6LoWPAN層的壓縮仍然是不可或缺的。

2.3服務(wù)發(fā)現(xiàn)

在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)初始化后，開展具體的節(jié)點(diǎn)通信前，還要做好相應(yīng)的設(shè)備發(fā)現(xiàn)和服務(wù)發(fā)現(xiàn)。節(jié)點(diǎn)會自動借助網(wǎng)絡(luò)平臺找尋自己感興趣的設(shè)備與服務(wù)，然后和其進(jìn)行相互通信，與此同時(shí)，

節(jié)點(diǎn)還需要向網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中播報(bào)自己的服務(wù)功能與相關(guān)設(shè)備信息，方便其他節(jié)點(diǎn)的查找。Zigbee設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在應(yīng)用層當(dāng)中研發(fā)出了一套關(guān)于服務(wù)與設(shè)備的發(fā)現(xiàn)機(jī)制，也就是所謂的服務(wù)發(fā)現(xiàn)機(jī)制。其中IP中主要是指SSDP協(xié)議，6LoWPAN主要是指COAPCL協(xié)議，Zigbee中則主要是指ZDO-SD協(xié)議。三者之間在相互協(xié)作的過程中，相互轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)信息的交互。在整體的服務(wù)發(fā)現(xiàn)機(jī)制中，6LoWPAN-IPv6-Zigbee架構(gòu)更多的是在邊界網(wǎng)關(guān)當(dāng)中實(shí)現(xiàn)Zigbee、IP、6LoWPAN之間的協(xié)議，同時(shí)完成相互之間的信息轉(zhuǎn)換。

結(jié)語

綜上所述，隨著無線網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，無線傳感異構(gòu)通信也在不斷發(fā)展。文章在充分考慮了Zigbee和6LoWPAN協(xié)議特性的基礎(chǔ)上，對這兩種通信進(jìn)行了研究，在保證兩者原有特征的基礎(chǔ)上，在網(wǎng)關(guān)當(dāng)中添加一定的轉(zhuǎn)換模塊以此來實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議的互通，最終給出了新的通信模式與框架，具有很強(qiáng)的創(chuàng)新性，也為深入的研究無線網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)融合做好了一定鋪墊。

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（作者單位：中郵通建設(shè)咨詢有限公司）