试析物联网中轻量级TCP/IP协议栈的设计与实现

摘 要：随着社会的进步以及经济的飞速发展，现代网络技术应用在不同的领域当中，物联网的概念出现在人们的视野当中，并且受到广泛的欢迎和关注。通过应用物联网能够改变工作效率和工作质量，并且对人们的生活方式产生积极的影响作用。由此看来，必须不断地完善物联网结构，做好相互之间的兼容。本人提出了一种全新的体系结构，这种物联网体系结构具有一定的兼容性和高效性。并且围绕物联网当中轻量级TCP/IP协议栈展开深入的分析和研究。

关键词：物联网；TCP/IP；轻量级；设计工作；具体实现

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.119

物联网在国内和国外都掀起了热潮，不同国家和地区投入了巨大的经济资本研究物联网的相关技术。互联网主要指的就是红外感应器以及激光扫描器、全球定位系统以及射频识别等设备，将物品和互联网之间建立起关系。这样形成了一种全新的交流方式。物联网在不同行业当中有着积极促进作用。在互联网当中引入IP技术有着非常深远的意义，并且进行扩展性的协议，不断发展互联网技术。

1 轻量级协议的分析工作以及设计工作

1.1 6LoWPAN

成立6LoWPAN工作组，并且制定域网标准，通过底层标准的无线个域网来实现最终目的。完善并且支持IP通信的连接工作，成为真正开放标准。制定关于协议的标准草案，并且进行不断的探讨。低功耗松散网络当中，涉及到较少的硬件资源，要求也是比较低的。由此看来在设计节点的过程当中，必须考虑在不同层次形成目标，其中包括应用程、传输层、IPV6层、适配层、MAC层以及物理层。支持树状以及网状的多跳拓扑，提供网络拓扑构建以及地址分配的服务。在整个程序进行过程当中，中间的节点发挥着关键作用，能够进行转发数据报文。适配层的路由协议开销较小，并且根据所需要的实际内存进行计算和分析，从而适用稀缺的无线设备。在具体进行路由算法过程当中采用相关专业的协议。在适配层实现多条传输，使用链路层长地址以及短地址，充分发挥维护功能。

1.2 RPL协议分析

想要确保网络环境具有较高的计算能力，并且降低功耗，满足不同方面的组织需求，就应该不断地改变路由机制。形成专门的工作组，通过努力完成公共的可操作性的基本链路层协议和物理媒体。按照链接格式这样相应要求，并且修正路由协议，不断地进行完善和处理，有效解决低功率设备的不同问题现象。对城市、工业以及家居自动化的路由进行特殊处理，并且完成协议。在此基础之上，工作组研究并且制定RPL协议。这种协议是一个距离向量路由协议，节点通过交换距离不断地形成无环图，有效防止路由环路问题的发生，并且根据限制条件过滤网络当中的不良节点，选择最优的路径。根据路由需求以及定量指标，将数据进行处理和转发，并且做好分离工作，尽量减少能源，并且满足约束。

1.3 CoAP协议分析

成立工作组研究资源受限物体的应用程序协议，根据所提供的IP网络资源进行整体框架的设计工作，明确受限的IP网络所拥有的限制包大小，并且根据一定数目的设备进行关机或者启动。在此基础之上，形成操作简单的应用程序。网络有不同的节点组成，做好相关的操作工作，负责操作资源。这种CoAP协议适用于相同受限网络的设备之间，除此之外，在相同网络中设备和普通节点之间也可以应用CoAP协议。联网的不同受限网络当中，不同设备之间也可以应用CoAP协议。

1.4 关于物联网中轻量级TCP/IP协议栈的设计

在若干工作组现有的基础之上，提出了TCP/IP协议站设计，这种结构具有较强的兼容性以及高效性。除此之外，这种结构也存在智能性和简单性。与原有结构具有一定的相似程度，也包括物理层、网络层、应用层、链路层以及传输层。但是，在不同层次方面有做出改变和完善，保证每个互联网节点拥有IP地址，并且針对互联网的场景进行协议。改进协议工作满足系统实际需求，并且进行报头压缩和分片压缩工作。满足互联网传输的特殊要求，与原有结构相比更加简洁并且效率较高。物联网网关接入互联网，并且采用标准使用工作组提出的路由问题协议，形成可选功能。根据不同情况选择适配层，完成简化的传输层协议工作非常重要。提出用于解决资源受限环境当中的程序问题协议，形成完美的统一。

2 6LoWPAN星型网络的设计方案以及编程实现

这种6LoWPAN星型网络的设计工作，必须参考相关的协议所提出的草案，并且明确项目的具体开发目的以及集成度，只有这样才能够设计出具有高性能的无线传感器网络，实现新型网络的核心部分，并且自动配置地址。另外，组播以及安全的运行机制所涉及到的内容结构是非常复杂的，并且在进行编程测试的过程当中需要大量的工作人员以及较长的时间，因此占有较多内存，所以在最初阶段并没有完全实现。支持路由也要考虑实现RPL协议，所以采用最简单的星型结构是非常合理的。在无线传感器操作系统运行过程需要选择，涉及到开发软件，但是并没有提供精确的源码，仅仅提供库文件，所以不能够开发较多的资源。也有一些地区推出了其他系统的无线传感器，有着丰富的开发资源，并且可以采取开源策略，所以受到了广泛的欢迎和应用。应用专业技术，并且考虑用户的实际需求做好底层处理工作，对于开发上层协议栈而言，在很大程度上降低了开发的难度。系统的整体设计要实现协议的主要功能，采用新型拓扑结构，并且通过节点完成通信工作，在整个运行过程当中可以进行正常的UDP交换。

在进行星型网络的编程实现过程当中，首先要实现系统模块以及接口。根据操作系统的具体特点，实现组件问题，其中包括blibP module和blibC configuration两个组件。连接到必要的组件当中，并且做好接口工作，其中涉及到内存池以及缓冲池等内容。除此之外，也包括收发函数的实现。处理好不同的函数工作非常重要，并且明确组建的具体构成，将模块当中使用的接口和相应的系统进行有效连接，完成UDP报文处理工作。使用命令将远程终端连接到相关端口，然后发送数据报，完成发送工作之后，应用层会提供负载缓冲区，在发送数据的过程当中应用程序必须确保所提供的缓冲区，能够被接受和使用，并且会被应用所改变，一直到事件信号完全发出以后。除此之外，提供远程终端节点的IP地址和指向包含负载的数据必须有效传送给接收者。应用程序做好支配工作，并且处理好函数的返回，IP协议栈会再次的使用。地址会自动的进行配置，根据相应的原理，在实现过程当中，使用编码作为地址的前缀，并且协议栈初始化的广播地址也能够有效实现。生产不同的地址接口，按照节点利用本地链路地址生成全新的地址。实现适配层也是非常重要的，根据小组标准当中的格式进行设计，并且实现报头压缩算法，了解基本功能。设计收发数据，考虑不同的要求和标准，在处理接收数据的过程当中，不同层次的数据以及相应的协议都有着相对的函数进行单独的处理。发出事件信号之后，根据规定的数据确定报头的类型，并且选择合适的报头也可以用相应的函数来实现分片的重组功能。在成功重组一个分片之后，其余的部分做好传递，也要通过函数进行处理。检查报头之前的分发值字段，并且使用压缩方式，传递到相应位置进行函数处理。

3 系统测试

在进行系统测试工作的时候，首先要搭建好测试环境，使用IRIS系列产品，并且处理器有着较低的功耗节点，处理器当中的射频芯片能够支持测试，并且作为无线传感器，网络基站对于USB编程也是比较适应的。进行测验的过程当中需要测试验证节点能否和网络之间形成正常的通信连接，并且做好UDP的交换工作。将节点通过串口连接到底版，并且与PC连接，在节点之上启动基站程序，通过串口和节点能够完成交互通信工作。除此之外，单独的节点在设计协议站的过程当中能够作为终端节点，形成良好的测试环境。

将节点连上网关插入电脑的USB口，作为路由。将相应的程序安装到节点当中，不同的网关有着不同的设备号，启动相关程序来进行交互。如果在程序测试的过程当中黄灯亮起来，那么说明测试成功。如果看到红灯亮了，那么表示无线传感器路由配置成功。经过一系列的操作，在红灯亮起之后的1秒到2秒，显示节点地址。如果数据报传输正常，那么便可以进行正常的通信。

4 结语

上文已经详细的分析轻量级协议的设计，其中包括几种不同的协议，并且明确物联网当中TCP/IP协议栈的具体设计和实现，希望能为相关工作人员提供有效的参考意见。

参考文献：

[1]王金华，李允俊.物联网中嵌入式TCP/IP协议栈的设计技巧[J].网络空间安全，2016（10）.

[2]陈宪超，王辉，张兴海等.物联网应用中TCP重传队列的设计与实现[J].长江大学学报（自科版），2016（06）.

作者简介：陈海红（1982-），女，湖南东安人，硕士，讲师，研究方向：现代教育技术和网络安全。