基于6LOWPAN传感器网关设计

摘要 在研究6LoWPAN无线传感器网络以及IPv6网络的基础上，提出一种基于6LoWPAN的传感器网关解决方案，实现6LoWPAN无线传感器网络与IPv6网络之间互联，并对网关中的硬件与软件设计进行论述。最后搭建测试网络，通过对端到端网络的连接性、延时变化、往返延时、丢包率以及吞吐量的测试，对该网络性能作出简要分析。测试结果表明，该网关实现了6LoWPAN无线传感器网络与IPv6网络的互联，并能在实际网络环境中运行。
关键词 6LoWPAN；网关；IPv6；无线传感器网络：Contiki

    目前IEEE 802．15．4已成为针对低功耗、低数据速率、低可靠性的通用标准。如ZigBee、WirelessHART等在物理层和MAC层均采用IEEE 802．15．4标准，但在网络层它们采用各自定义的协议，不能实现网络层的互联。且无线传感器网络一般采用自定义的通信地址，地址数量有限，仅在单个无线网络内有效。而IPv6具有充足的地址空间，IPv6所具有的特性较好地满足物联网应用需求，是物联网大规模发展的基础性保证。因此，物联网采用IPv6协议实现其广泛互联通成为必然趋势。IETF成立了3个工作组进行低功耗IPv6网络方面的研究，旨在将IPv6与资源受限的无线网络无缝连接。
    文中对基于6LoWPAN的无线传感器网络以及IPv6网络进行了研究，主要目标在于设计和实现一种基于6LoWPAN的传感器网关。实现6LoWPAN无线传感器网络与IPv6有线网络之间互联，建立一种能普遍应用的系统平台架构，并在软硬件上进行实现和应用。

1 研究概况
    将IPv6技术引入无线传感网络可便于实现与IPv6有线网络设备端对端的通信，提高了转发效率，增强了安全性。文献中提出了IPv6无线传感器网络体系结构，旨在实现IPv6技术与无线传感器网络技术的融合，并讨论了采用网关接入方式，实现无线传感器网络与现有网络的互联。
    对于传感器网关架构的研究，有3种不同的设计思想。一是文献设计的网关，客户端通过采用Web技术获取无线传感器节点的数据信息。这类解决方案的缺点是使用专有的协议连接传感器节点，相当于在无线传感器网络与Internet之间放置了代理服务器，并不能实现客户端与传感器节点直接通信；二是文献设计的网关，是基于具体应用而设计的，描述了在该应用场景下网关的信息交互，并未涉及网关的软硬件设计；三是文献设计的基于6LoWPAN的无线传感器网关架构。文献提出了基于6LoWPAN的无线传感器网关架构，实现6LoWPAN无线传感器网络短地址与IPv6地址之间直接转换，分析了数据包的传输过程，但未涉及网关的软硬件设计；文献实现IPv6无线传感器网络的端到端通信，但也没有对网关的软硬件设计进行论述；文献虽着重于网关的软硬件设计，但未对网关及整体系统的性能进行分析。
而文献只关注了网络性能方面的测试。
    文中提出一种采用网关接入方式实现6LoWPAN无线传感器网络与IPv6网络互联的整体架构，并对网关中的硬件与软件设计进行论述，最后搭建测试网络对系统的性能进行分析。

2 网关设计
    6LoWPAN网关接入方式实现6LoWPAN无线传感器网络与IPv6网络互联的系统架构如图1所示。系统分为4个部分：6LoWPAN传感器节点、6LoWPAN网关、6LoWPAN服务器以及IPv6用户终端。所有无线设备采用Contiki OS作为操作系统。物理层和MAC层遵循IEEE 802．15．4标准，集成了6LoWPAN适配层和uIPv6协议栈，具备邻居发现、自动组网等功能，能支持构建功能完善的基于IPv6的无线传感器网络。传感器节点可以将采集的监测数据通过ContikiRPL路由汇聚到网关，网关进行协议转换及将数据的转发到服务器，服务器将对数据进行分析、处理和存储，而IPv6客户端可以通过访问服务器对网络进行有效的控制和管理。

2．1 硬件设计
    网关硬件构成如图2所示。该智能无线网关基于OPENWRT系统，具备3个局域网口，1个广域网口，1个802．11a／b／g WiFi无线网络接口，1个标准USB口和1个可选的串口调试口。WAN口连接如IPv6或IPv4有线网络现有外界网络等。USB口连接USBStick能支持IEEE 802．15．4标准，可以与WSN内的任何节点通信。

    在用户不能够访问IPv6服务器的情况下，仍能支持用户终端通过LAN口直接与网关相连，实现与传感器网络内节点进行简单通信。
    该智能无线网关除具备通用无线路由器的功能以外，可以支持基于Contiki操作系统的USB UIP网卡实现UIP网络和普通IP网络之间的IPV6互连，同时还支持在OPENWRT的基础上进一步扩展应用。为使网关能够连接无线传感器网络，需要在图2右下角的USB口处插入USB Stick网卡。USB Stick如图3所示。

2．2 软件设计
    6LoWPAN网关的软件架构如图4所示。网关通过WAN口与Internet互联。一方面接收以太网数据帧，并将帧实体提交给应用层处理；另一方面从应用层接收帧实体数据，并用以太网帧头对帧实体进行封装，通过WAN口发送出去，这里以太网帧头中的目的地址为下一跳的MAC地址，源地址为网关的MAC地址。

    网关通过USB Stick与6LoWPAN无线传感器网络互联。一方面无线接口接收IEEE 802．15．4数据帧，并将帧实体提交给适配层处理；另一方面从适配层接收帧实体数据，并用IEEE 802．15．4帧头对帧实体进行封装，通过无线接口发送出去。
    该网关设计的关键之一是对USB Stick的设计。它采用Contiki OS作为操作系统，其物理层和MAC层遵循IEEE 802．15．4标准，集成了uIPv6协议栈和6LoWPAN适配层。采用AT90USB1287芯片，在Congtiki Studio集成开发环境下编程、编译，并通过AVR Studio 4连接JTAG仿真器进行程序烧写。USBStick中主要完成了报文分片与重组、报头压缩及链路层的数据转发等方面功能。

3 性能分析
    为分析系统的性能，根据图1搭建了测试网络。通过对端到端网络的连接性、延时变化、往返延时、丢包率以及吞吐量的测试，对该网络性能作出简要分析。
    (1)连接性。连接性又称可达性，严格说应是网络的基本能力或属性，并不能称为性能，它直接反映了网络是否可用。通过Ping6命令测试，证明网络能够互通，即实现6LoWPAN无线传感器网络与IPv6网络的互联。测试结果如图5所示。

    (2)时延变化。对3 000 s内网络的往返时延进行了监测。监测结果如图6(a)所示。时延的突升或突降，通常表明网络出现故障，或受到安全攻击等。从测试结果可以看出，每个时间段内往返延时比较平稳，从而说明该网络的通讯性能良好。
    (3)往返时延。往返时延(RTT，Round Trip Times)由3部分决定：线路的传播时间、末端系统的处理时间及路由器缓存中的排队和处理时间。其中第一项是相对固定的，而后两项则和网络负荷及系统性能有关，所以RTT值能间接反映网络负荷和系统性能，并且可以大致认为RTT值和网络负荷成正比，而和系统性能成反比。为便于测量，主要考虑不同大小数据包的端到端往返时延。
    由图6(b)中图可以看出，数据包的大小将会对网络时延有一定的影响。发送的数据包越大，端到端的时延就越长，系统性能就越差。

    (4)丢包率。理论上，丢包率一般在0％～15％之间变化。然而由于系统是基于6LoWPAN无线传感器网络，本身即具有低功耗、低数据速率、低可靠性等特点，以及发送的数据包为不可靠传输。因此测得的丢包率比较大，但网络仍然是可达的。监测不同大小的数据包在3 000 s内的丢包率。监测结果如图6(c)所示，数据包越大丢包率就越高。
    (5)吞吐量。吞吐量是指数据在网络上的传输速率，一般以bit·s-1、Byte·s-1以及P·s-1表示。吞吐量一般是指链路上所有通信数据的总传输速率，有时也可以表示某特定业务的数据传送速率。这里就是通过ping6命令发送ICMPv6包测试其传输速率，如图6(d)和图6(e)所示。
    除以上测试外，发现系统的抗干扰能力比较弱。稍加干扰会就会使丢包率显著增加，甚至导致网络中断。另外，网络环境的改变也很大程度上影响无线传感器节点的有效传输距离。

4 结束语
    提出一种基于6LoWPAN的传感器网关解决方案，并对网关中的硬件与软件设计进行了论述。最后，搭建了测试网络，在实际网络环境中，对端到端网络的连接性、延时变化、往返延时、丢包率以及吞吐量进行了测试。测试结果表明，网关系统能实现6LoWPAN无线传感器网络与IPv6网络的互联，并能在实际网络环境中运行。
    从测试中看出，该网关系统的丢包率较高，传输的距离受环境影响较大。总体来说，系统的抗干扰能力较弱。进一步研究工作的重点将放在系统的安全性及稳定性上，并考虑其在智能交通中的应用。