6LoWPAN无线传感网性能测试系统设计与实现

［王冠雄 蔡龙腾］



6LoWPAN无线传感网性能测试系统设计与实现

［王冠雄 蔡龙腾］

摘要

为了验证6LoWPAN[1]无线传感网的性能界限，文章在充分调研网络性能分析参数、方法和工具的基础上，探索可行的6LoWPAN性能测量[2]和分析方法，提出相应的测试框架和和测试方法[3]，主要设计了6LoWPAN无线传感网的时间同步测试、时延测试、和丢包率测试，最后搭建6LoWPAN无线传感网络的性能测试验证平台，实现了对6LoWPAN无线传感网的性能测试。

关键词：6LoWPAN无线传感网 性能测试 指标

王冠雄

重庆邮电大学自动化学院。

蔡龙腾

重庆邮电大学自动化学院。

1　前言

6LoWPAN无线传感网协议作为一种工业以太网标准，其性能问题是其实现可靠通信的关键技术之一，因此通过测试网络传输的时延[4]、吞吐量、时钟同步等指标可以反映实时性的运行情况。6LoWPAN无线传感网性能测试能够为被测试网络提供一个客观的量化指标，帮助企业进行网络评估与验收。

性能测试[5]对于网络维护有重大的实际意义。对于一个已经建好的6LoWPAN无线传感网，通过实时性能测试可以检查网络的实际运行情况，通过对实时运行数据的分析可以及时的发现网络可能出现的问题，并及时的维护以降低网络的运行风险，增加网络的运行可靠性。对于厂家而言，这种可靠性的增加可以节约生产的维护成本，提高效率。

目前，对于其它实时以太网标准的性能测试均有相应的测试标准与测试设备。对于6LoWPAN无线传感网络，目前常用性能测试方案均不能很好的模拟6LoWPAN通信环境，因此测试所得的数据不能更好的反映网络的通信现状。因此，设计一个6LoWPAN性能测试器，在测试器上设计新的实时性测试方案，这样即可以很好的模拟6LoWPAN通信环境，测试得到的数据可更好的反映6LoWPAN无线传感网的性能。

2　6LoWPAN无线传感网性能测试研究与分析

2.16LoWPAN无线传感网通信协议模型

基于的IEEE 802.15.4[6]协议的IPv6无线传感器网络是在IEEE 802.15.4链路上传输IPv6数据包，让传感器网络中的节点具有接入互联网的能力。IETF成立了6LoWPAN工作组和ROLL工作组。6LoWPAN工作组定义IPv6数据包在IEEE 802.15.4网络中传输规范也叫6LoWPAN标准，以实现IPv6无线传感器网络中的设备和Internet中的设备互联互通。ROLL工作组的任务是修正现有的路由协议或者制定新的满足低功耗松散网络需求的路由机制并提出了新的适合LLN网络的IPv6路由协议——RPL协议[7]。

6LoWPAN网络协议栈[8]在MAC层和网络层之间加了一个适配层，适配层为IP协议屏蔽无线传感器网络底层细节，如图1。与传统TCP/IP协议模型比较，在6LoWPAN网络中，MAC层和物理层协议主要是比较成熟的IEEE 802.15.4协议，网络层采用IPv6协议，在网络层和MAC层之间增加了一个6LoWPAN适配层，遵循6LoWPAN协议。6LoWPAN适配层主要用于完成IPv6协议对802.15.4网络的适配，提供报头压缩、报文分片/重组、网络拓扑构建、地址自动配置和组播支持等功能，各种功能的报头采用堆栈的方式封装在IPv6载荷外层。

图1　6LoWPAN协议模型

2.26LoWPAN无线传感网性能指标

6LoWPAN性能测试指标主要用来描述运行网络中的特定性能。IETF的IP网络性能测量（IPPM）工作组制定了相应的建议和草案，定义了网络性能测量的基本框架，并规范了性能指标所必须遵循的标准[9]。根据不同的用途，可以对网络的多种参数进行测量，包括时延、丢包率、链路的容量和带宽、流量、连接的平均持续时间、网络拓扑等。本文主要分析了6LoWPAN网络的丢包率、时延和递交时间。

丢包率[10]是网络交换设备在不同的负载和不同帧长的条件下由于缺乏资源或者协议本身不稳定的情况，应该正确转发但是没有转发的数据包占接收数据包的百分比。例如被测路由设备DUT接收数据包为X，转发的数据包为Y，那么丢包率就下面的公式计算得出：

时延[11]是指一个数据包从网络的一端传输到网络另外一端所需时间。它主要包括处理时延、排队时延、发送时延以及传播时延。其中，一个6LoWPAN设备将应用层数据单元传输到另一个6LoWPAN应用层所需时间，即应用层的端到端时延，又叫做递交时间。

3　6LoWPAN无线传感网性能测试系统设计

根据对6LoWPAN协议及性能测试的分析以及远程测试架构，设计出如图2所示的6LoWPAN协议性能测试系统。整个测试系统由上层的测试服务器和下层的6LoWPAN协议硬件测试平台构成，它们通过网络相连接。

图2　6LoWPAN性能测试系统拓扑结构图

系统的测试流程，如图3。

（1）用户通过HTTP协议访问测试服务器，建立连接，递交测试申请，传递配置参数以及控制信息；

（2）测试服务器和测试设备通过TCP/IP协议通信，测试服务器将设备配置信息和测试执行命令下发给测试设备；

（3）6LoWPAN协议性能测试的测试设备是测试路由器，测试路由器根据测试案例可以是一个或多个，测试设备将测试命令下发给被测设备；

图3　6LoWPAN性能测试流程图

（4）被测设备根据测试命令完成测试执行，生成测试响应；

（5）被测设备将测试响应传递给测试设备；

（6）测试设备将测试响应生成测试数据传递给测试服务器；

（7）测试服务器将测试数据进行处理、存储之后，将测试过程信息和测试结果信息通过HTTP协议传递给测试用户；

（8）测试结束。

3.1丢包率测试实现

丢包率测试的测试执行流程如图4。

图4　丢包率测试流程

数据解析模块获得测试数据包后，根据源地址和目的地址在相应节点的统计上分别计数。根据序列号判断抓包器是否本身丢包，如果抓包器丢包，通过计算序列号进行值的补偿。例如，路由节点获得某一节点此次传来的序列号为0x3A,而下一次该路由节点的序列号为0x3D,说明抓包器有两个数据包没抓到，应进行数据补偿

3.2时延和递交时间测试实现

网络时延[12]主要分为两类，即单向时延和往返时延。单向时延是指数据包从发送端全部发送到接收端所需要的时间，单向时延的测试必须保证发送端和接收端保持时间同步。往返时延是指数据发送端从发送数据开始，到接受到来自接收端的确认这段时间(接收端在接收到数据之后必须马上发送确认)。其中单向延迟的测试为数据包从发送设备出发，带上起始的时间戳，然后根据需要可在网络层、数据链路层、网络层分别打上时间戳，然后传递给接收设备，并打上终止时间戳。这样，可通过在发送设备上打上的不同时间戳计算处理时延、排队时延以及发送时延，而根据发送设备和接受设备的时间差可计算出递交时间，如图5。

图5　时延的组成

4　6LoWPAN协议性能测试系统验证

4.1性能测试平台搭建

6LoWPAN协议性能测试平台如图6。该测试平台由3个测试路由器和多个标准设备组成。三个测试路由器分别充当网关、路由节点和终端设备。标准设备是4个路由节点和40个终端设备。标准设备和测试路由器一起组成一个网络。

图6　6LoWPAN协议测试平台

4.2性能测试系统验证

本节利用ASP.NET开发的6LoWPAN协议性能测试软件对6LoWPAN协议的丢包率，时延和递交时间进行测试。

4.2.1丢包率测试

根据对丢包率性能测试方法的研究，丢包率测试软件的运行效果如图7。通信配置区域为测试路由器的IP地址和端口号的配置。数据统计区域包括网络中每个路由节点实际收到数据包个数，转发数据包个数以及每个路由节点的丢包率，还包括整个网络所有路由节点一共收到数据包个数和一共转发数据包个数以及总丢包率。其页面还分别用实时柱状图和实时曲线图分别显示了每个节点处理数据包个数和总的丢包率变化情况。

图7　丢包率测试软件运行效果

4.2.2时延和递交时间测试

时延和递交时间测试软件的运行效果如图8，包含递交时间、排队时延、处理时延和发送时延的结果曲线图。在各自曲线下方数据表格中能够查看瞬时偏差、平均值、最大值、最小值。

图8　时延测试软件运行效果图

5　结论

本文在认真分析6LoWPAN协议的基础上，针对无线传感网的特点[13]和要求以及RFC2544[14]文档对性能测试的要求，研究了6LoWPAN网络性能测试的目的和方法，设计出针对6LoWPAN无线传感网的性能测试平台并对丢包率和时延进行了测试，后续工作还可以考虑添加时延抖动、链路带宽、路由收敛[15]等性能指标的测量。

参考文献

1IETF.IPv6 over Low power WPAN(IPv6)[EB/OL].[2006-07-07

2李俊玲.网络性能测试系统功能的分析研究.河北科技大学硕士学位论文.2008,12

3易明华,王平,汪春华,陈良华,王浩文.EPA协议一致性测试方法[J].仪器仪表学报,2007,03:451-455

4王平,黄源,谢昊飞.EPA应用层证实服务响应时延测试的研究与实现[J].广东通信技术,2009,02:54-57

5甘伟.面向6LoWPAN传感网测试系统的设计与实现[D].中国科学院大学,2014

6IEEE 8B.15 WPAN Task Group 4.Standard for Part 15.4:Wireless medium access control(MAC)and physical layer(PHY)specifications for low-rate wireless personal area networks(WAPNs),2006

7T.Winter E,P.Thubert E,Brandt A,et al.RPL:IPv6 routing rotocol for low-power and lossy networks[J].Internet Requests for Comment,2012,rfc 6550

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9海洋,寿国础,胡怡红.基于RFC2544测试的网络测试仪的设计与实现[J].计算机工程,2008,34(13):95-97

10徐前方,郭军.组播网络中链路丢包率的测量[J].哈尔滨工业大学学报,2009,(05):136-139

11黎文伟,王俊峰,谢高岗等.基于包对采样的IP网络时延变化测量方法[J].计算机研究与发展,2004,41(08):1352-1360

12冯建茹.端到端网络时延的性能测量[D].北京邮电大学,2006

13王雪.无线传感网络测量系统[M].机械工业出版社,2007

14RFC2544.Benchmarking terminology for network interconnection[S].Harvard University.1999

15张新秀,张淼,张振川.无线传感器网络分簇路由改进算法及其性能[J].中国科技论文,2010,(02):92-96

收稿日期：（2015-12-15）

DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.03.009