邻居发现辅助与物联网整合应用

贺秉超，邸书灵，范通让

（石家庄铁道大学 信息科学与技术学院，河北 石家庄 050043）

1 物联网发展及关键问题

物联网的概念最早由比尔盖茨于1995年在他的《未来之路》一书中提出，虽然Internet of Things的概念已经提出，但是受限于当时的无线技术、硬件以及传感器技术的发展，物联网并未受到重视。物联网发展至今，已经融合了传感器、智能终端、通信、IPv6、人工智能的等诸多技术，并且应用到军事、智能家居、环境监测、车联网等和人类活动密切相关的各方面，进一步扩展了人类对自然世界的认识和改变。

物联网可以认为是信息空间与物理空间的融合［1］，人与人、物与物和人与物之间的连接将因多网络多技术的融合转变为泛在网络或普适网络［2］，在智能设备逐渐普及的今天，接入网络的设备已不再局限于由人控制的计算机，泛在网络概念的提出和各种无线技术以及传感器技术的应用极大的丰富了我们的信息世界，然而，在动态性的网络结构中，理想连接应该是实时的无缝连接。因此，如何改变在互联网发展之初欠缺的网络移动性问题成为了现在研究的热点，同时，也是物联网发展亟待解决的问题。

本文将结合下一代互联网协议（IPv6，Internet Protocol Version 6）设计中对移动性的支持和对前人6LoWPAN（Low－power Wireless Personal Area Networks）网络研究的分析总结，提出一种使用邻居发现机制的移动节点辅助通信方法，尝试改善网络中的移动问题，为小范围物联网实现无缝连接提供一种新的思路，最后设计将所要实现的6LoWPAN物联网与联邦网络实验平台Dragon－Lab（Distributed research ＆academic gigabits open network lab）的整合方案。

2 相关研究

在Internet工程任务组IETF关于对IPv6移动性支持的RFC3775文档中指出，在IPv6的设计中，需要其本身对移动性有良好的支持，因此，提出了移动IPv6协议［3］的概念，移动IPv6协议使节点在IPv6网络中移动过程中仍然保持可达状态。每个移动节点总是由家乡地址标识，而与它当前所接入的网络无关。当节点移动出家乡网络时，移出节点会获得一个转交地址，该地址暂时提供了有关移动节点当前位置的信息。发送到移动节点家乡地址的IPv6数据包最终会被转发到转交地址。移动IPv6协议使得节点能够缓存家乡地址与转交地址的绑定信息，发往移动节点的数据包可以直接发送到转交地址。

移动节点离开家乡链路的行为对于传输和高层协议来说是透明的。移动IPv6协议同时适用于相同媒介和不同媒介中的移动。例如，移动IPv6支持从以太网移动到以太网，也支持从以太网移动到WLAN，同时移动节点的IP地址不变。可以认为移动IPv6是移动性问题在网络层的解决方案。

JeongGil Ko，Terzis等［4］人在低功耗网络接入互联网的研究中指出，802.15.4协议并未提供完整的组播功能，然而却有着重叠的广播域，为解决以上问题，6LoWPAN工作组致力于IPv6数据报在802.15.4协议中的传输和重叠区域内的邻居发现机制这两个问题。6LoWPAN依靠路由广播和路由请求实现发现机制。

Montavont等［5］人通过实验评估基于Contiki的6LoWPAN上的移动IPv6，得出移动IPv6可以作为解决6LoWPAN网络层移动性的有效方法。

这种移动管理方案虽然是简单可行的，但仍然存在缺陷，由于未来网络会有大量节点加入网络，并且其中很大一部分具有高动态性，频繁的移动会大大增加网络负载的代价。在这样的情况下，不准确的移动监测则会致使网络失去稳定性甚至连通性，而在低功耗个域网中，节点的能耗也是需要考虑的重要因素。文献［6］提出了对6LowPAN中邻居发现机制的改进，针对传统的邻居发现机制不适用于没有组播功能的6LoWPAN，提出了一种6LoWPAN扩展的邻居发现协议，并设计了模块化的协议栈。通过已实现的应用测试了协议的正确性，进一步减小了能耗，提高了传输效率。

考虑到6LoWPAN的低功耗短距离的传输特性，本文提出利用邻居发现机制原理，使用节点发现定位等方法，结合6LoWPAN兼容的IPv6协议，对小范围内移出通信区域的节点进行辅助连接通信的方法，可以有效解决在智能家居、工业控制等领域的小范围节点或网络移动问题。

在整合实验中使用Dragon－Lab，联邦网络实验平台Dragon－Lab是一个以研究为目的的基于联邦式网络的下一代网络技术测试平台［7］。Dragon－Lab相当于一个远程网络实验室，它打破了各高校实验室的地域隔阂，将实验资源整合至一个综合实验平台上，通过远程定制和管理实验资源进行本地综合网络实验。

在前期的工作中，我们一直致力于物联网的通信方案和应用整合研究，在文献［8］中，作者提出了以Dragon－Lab实验云模型模拟真实网络与物联网的整合设计，并实现了利用ZigBee技术的物联网内自组网通信。文献［9］对联邦平台进行了系统的说明，体现了其诸多功能和性能上的优点，并且对现有案例进行了详细的介绍。

3 6LoWPAN发现辅助通信与Dragon－Lab整合应用

首先具体介绍依靠6LoWPAN代替ZigBee的物联网内部节点间的IPv6通信方案，以及基于6LoWPAN的节点邻居发现机制的移动传输方案，其次给出完整的基于6LoWPAN的物联网应用模型与联邦网络整合的实现框架。

3.1 6LoWPAN邻居辅助通信

6LoWPAN技术非常适合应用于嵌入式IPv6这一领域，使大量的电子产品不仅可以彼此之间组网，还可以通过IPv6协议接入下一代互联网。而ZigBee定义通信在802.15.4协议的节点间进行，然后定义上层应用通信技术。这意味着ZigBee设备可以和其它ZigBee设备互通，而无法直接接入互联网，6LoWPAN节点采用IPv6协议接入下一代网络，使大量物联网节点和互联网节点具有对等的地位。

考虑到6LoWPAN网络具有短距离通信的特性，因此具有相对较高的节点密度和重叠通信区域，当节点或接入网络移出通信范围时，可以通过邻居发现机制，发现周围节点，并通过邻居节点找到目的地址，进行多跳传输，完成6LoWPAN网络内部的通信。

邻居发现机制是IPv6协议中的基本组成部分，其主要功能包括路由和前缀发现，地址解析，可达性测试，重定向等功能［10］。6LoWPAN链路层不支持多播，靠算法通过不可靠广播模拟多播会大量消耗节点能量。在实验中，可以使用6LoWPAN探测节点对接入网关或移动节点的相对移动探测与IPv6所支持的邻居发现策略相结合，对网络的变化和接入策略进行更精准的判断，通过这种方法，使6LoWPAN节点和资源受限的传感器节点等减少额外的能量消耗和大量的复杂算法实现，更适合在低功耗网络和物联网接入网关上使用。

3.2 物联网智能应用与Dragon－Lab联邦网络整合

首先，对6LoWPAN节点配置和测试，设计合理的网络拓扑，配置节点IPv6地址，保证6LoWPAN内部正常通信。然后通过6LoWPAN网络与物联网应用模块相结合，构建一个物联网智能应用模型。其中应用模块可以包含各种监测传感器，对周围环境进行监测；无线射频识别模块，对物品和人员进行识别和管理；安防模块，通过多种探测和识别技术完成安防操作；智能终端设备，通过采集和处理6LoWPAN局域网内数据对应用模块采取相应控制和管理功能。

其次，6LoWPAN局域网内采集的数据可以由智能网关发送到Dragon－Lab云端处理模块，对接入网关进行配置，保证与联邦网络的正常通信，联邦服务器采用B/S构架，用户可以通过IPv6网络随时随地访问远程实验环境。

Dragon－Lab具有四层体系结构［11］：分别是物理层、业务逻辑层、调度管理层和用户逻辑层。通过各层之间的衔接及远程资源的配合，形成一套完整的实验环境。

在物理层中，由交换机和路由器等连接各节点的资源，搭建平台硬件环境；业务逻辑层，对资源进行管理，添加设备只需添加相应的驱动即可；管理调度层配置实验资源；用户层客户端使用户能够直观的操作实验平台。图1是6LoWPAN物联网与Dragon－Lab整合实验构架。

图1 6LoWPAN物联网与Dragon－Lab整合实验模型

4 结语

随着下一代网络技术和低功耗个域网络技术不断向前推进和普及，6LoWPAN已逐步替代之前的ZigBee，成为物联网节点以纯IPv6方式互联互通的解决方案，其设计与性能有着诸多优势。由于6LoWPAN具有短距离通信的特点，移动管理问题较易解决，本文通过对6LoWPAN中邻居发现和辅助通信实现方法的探索，总结出一种对小范围物联网网移动和接入管理的思路，并提出使用兼容IPv6的方式与物联网及互联网整合，对于物联网应用的推广具有重要作用，这项技术的完善可以促进其广泛应用于自然监测，工业控制，智能家居，实验教学等领域，具有优良的发展前景和研究价值。

［1］朱晓蓉，齐丽娜，孙君，等.物联网与泛在通信技术［M］.人民邮电出版社，2010.

［2］孙其博，刘杰，黎葬，等.物联网：概念、架构与关键技术研究综述 ［J］.北京邮电大学学报，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，Noël T.Mobile IPv6in Internet of Things：Analysis，experimentations and optimizations［J］.Ad Hoc Networks，2013.

［6］毛妙.6LoWPAN适配层与 ND协议的研究与实现［D］.上海：华东师范大学，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］张宣.物联网与Dragon－Lab实验云的融合研究［D］.石家庄：石家庄铁道大学，2013.

［9］范通让，王建民，赵永斌.DRAGON－Lab联邦上的网络实践环境整合［J］.计算机教育，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.