异构无线传感器网络无缝融合技术的研究

杨青松

摘要：随着我国无线网络技术的多样化发展以及大数据计划的不断推广，大量无线异构传感器网络间的数据通信需求变得越来越强烈，在众多的无线传感器网络类型里，ZigBee网络属于低速短途无线传感器通信技术，由于其简单、能耗低、自适应能力强的优点，被工业自动化监控领域大量应用，目前已发展成熟；而6LoWPAN是另一种著名的无线传感器网络，其最大的特点是对IPv6协议的高度支持，并可实现复杂数据的高效传输，目前被广泛地应用在各类手持设备接入因特网的场合，且随着IPv4协议不断向IPv6协议的过渡，6LoWPAN网络在未来的发展潜力巨大。该文主要研究这两种异构网络各自的运行机制，并对其相互通行问题进行研究，提出了一种协议转换模型来解决这两种网络数据的差异性，实现了数据在这两种网络之间的无缝传输。

关键词：无线传感器网络；ZigBee；6LoWPAN；协议转换模型

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）16-0090-02

1 概述

近年来，物联网在我国得到了飞速的发展，我国在网络通信领域内提出的大数据计划和互联网+计划都离不开物联网的支持。而在各种物联网中，无线传感器网络作为其感知层的末梢环节，承担着为物联网收集大规模基础信息的关键任务。由于无线传感器网络对各种应用环境的需求差异较大，因此目前发展出多种类型，其中主要有ZigBee、6LoWPAN、RFID等，在以往物联网应用较为单一的情况下，这些网络各自完成有限范围内的不同任务，彼此间并不存在大规模的数据通信需求，而随着物联网的飞速发展，将现存的这些异构网络有机的融合成为一个整体，从而极大的提高数据在不同网络间的通信效率，已经成为了网络无线通信领域内的研究热点。

ZigBee网络采用的协议是一组以IEEE802.15.4协议为基础协议集合，该协议规定了物理层和MAC层的接入机制，而在此基础上，对高层协议的不同设置而衍生出不同的无线传感器网络类型，ZigBee无疑是其中最著名的一种。该类网络主要用于工业自动化监控场合，其优点是功耗低、自适应性强、组网方便灵活、易维护，缺点在于通信带宽较小。另一方面，物联网的发展趋势分析，未来该领域内需要解决的核心问题就是如何快速的同因特网进行无缝衔接，实现数据的无障碍通信，而这正是6LoWPAN网络特有的优势，该网络在协议栈的高层采用IPv6，这使得其快速接入未来因特网这一最大的优势得以充分发挥，极大地扩展了网络容量。

本文着眼于这两种异构无线网络间的通信问题，设计了相关的通信协议模型，并设计了这两种异构网络间数据转换的网关系统，有效的优化了数据的跨网络通信效率。

2 异构传感网通信系统体系结构

2.1 协议模型

图1为协议转换模型，左侧协议栈为ZigBee网络接入协议模块，右侧为6LoWPAN网络接入协议模块，而居中的主控单元是基于ARM的网关系统，则负责将两种网络的数据进行转换，实现数据的跳转。在ZigBee网络一侧，数据在该网络内以ZigBee协议进行通信，当需要将数据转发至6LoWPAN网络时，则通过接入模块进行数据解析，随后通过SLIP协议发给ARM处理器，在网关的第三层即为IPv6协议，从下层的SLIP协议接受解封的数据后，对其进行转换至IPv6数据包，再通过SLIP协议发送至6LoWPAN接入模块，最后传输至该网络中的目的节点。

2.2 网关功能

由图1可以看出，居中的网关在两种异构网络充当了桥梁的作用，将原本无法相互通信的二者衔接了起来，通过对数据的解析、转换和再次封装实现了数据的跨网传输。具体分析，网关在其中起到的作用主要有以下三点：

1）协议解析功能，网关必须支持多种网络协议，并具备对不同协议的解析并对数据进行协议封装的功能，如ZigBee协议、6LoWPAN协议以及IPv6协议。

2）服务查询功能，在网关中，需要对用户提出的转发申请进行及时的查询，并找到其对应的解决策略，同时也必须对访问节点的身份是否合法进行审查，因此必须预先建立映射表，该表中存放的是传感网节点EUI-64地址与所提供服务的服务表，在两端异构网络中的任意节点都可根据存储在网关中的地址来实现对接口的合法访问，并获得相应的服务权限。

3）协议转换功能。这也是网关最核心的功能，必须将EUI-64地址要转换成IPv6地址才能够对数据进行网络层的封装，即将ZigBee数据包转换成IPv6数据包，同时也必须能够将IPv6数据包反向转换成ZigBee数据包。

3 系统功能设计

3.1 应用层通信协议设计

应用层位于网络通信协议栈的顶层，尤其对于ZigBee网络而言，应用层与ZigBee NWK层相邻，直接接受802.15.4协议提供的服务，因此该网络内节点在于网关进行通信时，必须由应用层负责将自身的EUI-64地址、对方节点的6LoWPAN的EUI-64地址以及有效的用户数据进行封装，所以在网关和两种异构网络的应用层当中就需要包含协调处理这些工作的统一规程，即应用层协议。

3.2 SLIP封装与解封装

无论何种网络首先将数据发送至网关，都需要通过串行线路网际协议SLIP来完成，在封装时，该协议将将原报文中的字符0xC0替换为0XDB、0xDC，将字符0xDB替换为0xDB、0xDD，在解封阶段则反向执行。接收方节点在收到相关报文后，启动相应的校验机制，通过分析SLIP的标志位来进行数据的正确性和完整性的判断，并以此为依据接受或丢弃数据。

3.3 网关任务流程

从业务流程来看，可以讲整个网关的工作过程分为三个主要环节，即初始化环节、服务查询环节以及数据传输环节。图2为本设计网关的详细工作流程，纵轴为时间轴。如图所示，首先由网关初始化生成服务表“EUI-64/SER”，现假设首先由ZigBee网络节点发起了通信申请，网关经审核后，如接受该请求，则返回服务查询响应报文，其首部中包含了该节点所需的目的地址。ZigBee节点将得到的地址封装进数据报中进行发送，网关收到该报文后进行协议转换、封装及转发，完成了整个跨网通信过程。其中主要步骤的细节如下：

1）网关初始化

该步骤包括两个环节，即网络初始化和服务注册。首先网关启动后，分别与两种异构网络建立连接，此过程与ZigBee网络和6LoWPAN网络的启动初始化过程一起，被定义为网络初始化环节；在网关同两端网络建立联系后，两种网络内的各节点向网关上传自己的EUI-64地址和该节点所实现的功能，即可以提供何种服务，完成服务注册环节。

2）服务查询

节点A向网关B发起服务查询请求，网关收到请求后，先验证其身份，通过审核后，为其在服务表中查询对方网络在本网关内注册的服务项目，并确定节点A所需要到达的节点C的地址，最后将此地址封装在响应报文中返回至A，节点A即可根据此地址完成数据的封装与发送。

3）数据传输

封装完成后，节点A将此数据包发送至网关，网关由ARM处理器负责进行接续和查询，当接收到数据包后依次取出两类地址以及数据，调用UDP/IPv6封装程序封装成一个IPv6数据包，再使用SLIP协议进行再次封装，并通过串口发到6LoWPAN边界路由器的网络层，由此路由器负责对数据报进行解析，查找目的地址等工作，随后向下传给MAC层及物理层，通过无线发送到目的6LoWPAN节点，最终实现了数据的跨网传输过程。

4 结束语

本文阐述的采用网关实现异构网络无缝融合的技术在解决无线数据跨网通信领域具有较高的研究和应用价值。随着硬件技术、信息技术和物联网技术的不断发展，未来必将会出现性能更高的数据处理系统，各种新型的协议也会不断问世，这些技术成果都将极大地促进各类异构网络的融合过程，进一步提高无线网络通信的效率。

参考文献：

[1] 蒋挺，赵成林.紫蜂技术及其应用[M].北京：北京邮电大学出版社，2012.

[2] 戚剑超.基于IPv6的无线传感器网络应用研究[D].合肥：合肥工业大学，2014.