CN102404289B - 无线传感网接入IPv4网络的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感网接入IPv4网络的方法，将无线传感器的ID号与网关的UDP端口号构造一个端口映射表，网关根据端口映射表将IPv4报文构造新的WSN数据帧，同时构造发送本次IPv4报文设备的IP地址和会话ID号的会话映射表；网关根据会话映射表将发往IPv4网络的WSN数据帧构造新的IPv4报文发往IPv4网络指定的IP地址。本发明，将无线传感器映射为网关上的一个UDP端口号，解决了用户不能直接访问无线传感器的问题，又不需要在无线传感器上部署IPv6协议栈，可以很好的解决无线传感网和IPv4接入的问题。

Description

无线传感网接入IPv4网络的方法

技术领域

本发明涉及无线传感网，具体涉及无线传感网接入IPv4网络的方法。

背景技术

物联网被认为是继计算机、互联网和移动通信以后的又一次信息技术革命，而无线传感网则是物联网中的一个非常重要的组成部分。无线传感网是一种由大量集成了传感器、处理器和无线通信模块的传感器节点构成的，以向用户及时提供感知信息为主要目的、以自组织作为主要工作方式的无线网络。相对于传统传感方式(如单一大型传感器、有线传感器网等)而言，无线传感网具有感知精度高、布置灵活、整体可靠性好、造价低廉等特点，在工业监控、军事侦察、环境监测、交通运输等领域都具有非常广阔的应用前景。

在实际应用中无线传感网所处的环境往往十分特殊，用户常常无法在现场收集数据。再者，如果无线传感网仅仅是一个独立的小网络而不是和互联网连接起来，则不能发挥更大的作用。只有将无线传感器网络与现有的广泛部署的因特网连接起来，让用户在远端可以实时的监控和共享传感器网络的监测结果，才能充分发挥无线传感器网络的作用。

目前，因特网络是当前世界上规模最大、覆盖最广的网络，而当前因特网采用的主要技术仍然是IPv4互联网协议(Internet Protocol，IP)的第四版。研究如何将各种无线传感网接入到IPv4网络是当前无线传感网的关键技术之一。

当前实现无线传感网与因特网互联的方式主要包括网关方式、重叠方式以及全IP方式。

网关方式通过设置特定的网关节点，在无线传感网和因特网的相同协议层次之间进行协议转换，实现无线传感网和因特网的互联。按照网关节点所工作的协议层次的不同，可进一步细分为应用层网关和NAT(Network addresstranslation)网关两种方式。

重叠模式与网关方式最大的区别是没有明确的网关，协议之间的适配依赖于协议栈的修改。主要有两种方式：WSN over IP和IP over WSN。WSN overIP方式下，每个传感器节点都运行适应无线传感网特点的私有协议，节点之间的通信基于私有协议进行；在IP网络部分，WSN私有协议的网络层被作为应用层承载在TCP/UDP/IP上。该方式实际是一种隧道的形式。这种重叠方式具有相当的灵活性，特别适合于将异构传感网通过IP网互联。缺点是传感器协议种类众多，很难找到一个通用的重叠模式。在IP over WSN的该方式下，WSN的主体部分仍采用私有通信协议，IP协议只被延伸到一些特殊节点，因此从总体上讲，每个普通WSN节点支持IP协议并不被提倡。

为了更方便地实现无线传感网与IP网络的互联，近年又提出了全IP(IPv6)互联方式。该方式要求每个普通的传感器节点都支持IPv6协议，无线传感网和IP网都采用统一的IPv6协议，这种方式是无线传感网与IPv6网络之间的一种无缝结合方式。这种方式也有其缺点：首先IP所遵循的是一种以地址为中心的工作机制，而WSN具有以数据为中心的应用特点，采用IP解决无线传感网的通信问题将意味着比较低的工作效率；而且IPv6协议栈本身需要较多的资源这对于无线传感网节点来说是很难实现的。再者，现在全IP方式大都采用IPv6方式，而现在的因特网和电信网大都采用IPv4的方式，这也是全IP方式的一个缺点。

从以上的分析可以看出，从简单以及易扩展的角度来讲全IPv6的接入方式无疑是最好的，但是这种方式面临两个主要的问题：第一，当前的传感器还无法实现IPv6协议栈，即便是经过裁剪的IPv6协议栈也需要消耗较大的资源；第二，当前的因特网主要是基于IPv4的，基于IPv6的接入短期内很难实现。基于重叠的模式需要修改协议栈，扩展性和灵活性都不是很好，采用的比较少。网关方式是当前比较常用的方式，但目前的研究主要是基于IPv6的，也不太适合当前IPv4网的接入。因此当前还没有很好的办法来解决无线传感网接入IPv4网络的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是解决当前没有很好的方法来解决无线传感网接入IPv4网络的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种无线传感网接入IPv4网络的方法，包括以下步骤：

A10、无线传感网通过网关连接到IPv4网络，并将该无线传感网中的各无线传感器的ID号分别映射为该网关的一个UDP端口号，从而构造出一个一一对应的端口映射表；

A20、网关根据端口映射表将从IPv4网络发往无线传感网的IPv4报文构造成新的WSN数据帧发往相应的无线传感器，新的WSN数据帧中的目的ID号为端口映射表中UDP端口号对应的传感器ID号，同时构造本次会话的会话映射表，该会话映射表由IPv4报文的源IP地址、本次会话ID号、UDP端口号和传感器ID构成；

A30、网关根据会话映射表将无线传感器从无线传感网发往IPv4网络的WSN数据帧构造新的IPv4报文发往IPv4网络中指定的用户IP地址，IPv4报文中的目的IP地址为会话映射表中本次会话ID号对应的用户IP地址，源IP地址为网关IP地址，源端口号为会话映射表中本次会话ID号对应的UDP端口号。

在上述方法中，步骤A20包括以下步骤：

A201、当网关接收到从IPv4网络发往无线传感网的一个IPv4报文时，首先根据该IPv4报文中的目的IP地址和目的UDP端口号获得该报文是否为发送到无线传感网的判断结果，当确定该IPv4报文是发送到无线传感网时，用该IPv4报文中的目的UDP端口号检索端口映射表并获得该无线传感器的ID号，之后转步骤A202；否则，不对该IPv4报文作任何处理；

A202、网关产生本次会话的会话ID号，并根据无线传感器的ID号和网关的SinkID号构造新的WSN数据帧，发送给无线传感网中相应的无线传感器，该WSN数据帧中包含本次会话的会话ID号；

A203、网关构造本次会话的会话映射表，该会话映射表由IPv4报文的源IP地址、本次会话ID号、UDP端口号和传感器ID构成。

在上述方法中，步骤A30包括以下步骤：

A301、当网关接收到从无线传感网发往IPv4网络的WSN数据帧时，根据该WSN数据帧中目的传感器ID号和会话ID号到会话映射表中进行检索，得到相应的用户IP地址和UDP端口号；

A302、根据用户IP地址和UDP端口号构造新的IPv4报文，其中用户IP地址为新报文的目的IP地址，网关IP作为新报文的源IP地址，UDP端口号作为新报文的源端口号；

A303、将新的IPv4报文发送到IPv4网络中指定的用户IP地址。

在上述方法中，步骤A201中，预先在网关上为无线传感网中的无线传感器分配一个UDP端口号段范围，然后分别为每个无线传感器分配一个唯一的UDP端口号，分配方式为动态分配。

在上述方法中，在步骤A201中，如果IPv4报文中的目的IP地址是网关的地址，同时目的UDP端口号属于分配给无线传感网的UDP端口号段范围之内，则认为该IPv4报文是发送到无线传感网的。

在上述方法中，步骤A301中，WSN数据帧中的会话ID号用净荷中的用两个字节来存放。

在上述方法中，步骤A301中，首先检查该WSN数据帧中的目的ID号是否为网关的SinkID，如果目的ID号不是网关的SinkID，则丢弃该WSN数据帧。

本发明，将无线传感器映射为网关上的一个UDP端口号，既解决了传统应用层网关方式用户不能直接访问传感器节点的问题，又不需要在无线传感器节点上部署IPv6协议栈，具有和当前IPv4网络很好的兼容性，同时又无需对传感网部分进行大的升级，可以很好的解决无线传感网和IPv4接入的问题。

附图说明

图1是本发明中无线传感网和IPv4网络互联示意图；

图2是本发明中的系统模块示意图；

图3是本发明中的端口映射表；

图4是无线传感网的帧格式示意图；

图5是IPv4报文翻译为无线传感网帧格式的流程图；

图6是本发明中的会话映射表；

图7是无线传感网帧格式翻译为IPv4报文的流程图。

具体实施方式

图1为本发明IPv4网络与无线传感网通过网关互联示意图，该网关在IPv4网络中的作用相当于一个主机或者路由器，而对于无线传感网来说则相当于一个Sink节点，该Sink节点有自己的ID号。

本发明提供的无线传感网接入IPv4网络的方法如图2所示，具体包括以下步骤：

A10、首先预先在网关上为无线传感网中的无线传感器分配一个UDP端口号段范围，例如，UDP端口号段范围为49152～65535，然后网关分别为该无线传感网中的每个无线传感器分配一个唯一的UDP端口号，分配方式采用动态分配的方式进行，最后将无线传感网中的每一个无线传感器的ID号与UDP端口号映射为一一对应的端口映射表，端口映射表的格式如图3所示。

A20、网关根据端口映射表将从IPv4网络发往无线传感网的IPv4报文构造成新的WSN(Wireless Sensor Networks)数据帧发往相应的无线传感器，新的WSN数据帧中的目的ID号为端口映射表中UDP端口号对应的传感器ID号；同时构造本次会话的会话映射表，该会话映射表由IPv4报文的源IP地址、本次会话ID号、UDP端口号和传感器ID构成；WSN数据帧的格式如图4所示，会话映射表如图6所示。

A30、网关根据会话映射表将无线传感器从无线传感网发往IPv4网络的WSN数据帧构造新的IPv4报文发往IPv4网络中指定的用户IP地址，IPv4报文中的目的IP地址为会话映射表中本次会话ID号对应的用户IP地址，源IP地址为网关IP地址，源端口号为会话映射表中本次会话ID号对应的UDP端口号。

其中，步骤A20包括以下详细步骤，如图5所示。

A201、当网关接收到从IPv4网络发往无线传感网的一个IPv4报文时，首先根据该IPv4报文中的目的IP地址和目的UDP端口号获得该报文是否为发送到无线传感网的判断结果，如果IPv4报文中的目的IP地址是网关的地址，同时目的UDP端口号属于分配给无线传感网的UDP端口号段范围之内，则认为该IPv4报文是发送到无线传感网的。当确定该IPv4报文是发送到无线传感网时，网关提取该报文中的UDP端口号，并检索端口映射表获得该UDP端口号对应的无线传感器的ID号，之后转步骤A202；否则，说明该IPv4报文不是发送到无线传感网的，不对该IPv4报文作任何处理。

A202、网关产生本次会话的会话ID号，并根据无线传感器的ID号和网关的SinkID号构造新的WSN数据帧，发送给无线传感网中相应的无线传感器，WSN数据帧中包含本次会话的会话ID号；

A203、网关构造本次会话的会话映射表，该会话映射表的每一行由IPv4报文的源IP地址(用户IP地址)、本次会话ID号、UDP端口号和传感器ID构成，如图6所示。

无线传感网发送给IPv4网络的WSN数据帧中，源节点是网关节点(Sink节点)，目的节点是IPv4网络用户要访问的传感器节点，这样，当不同的IPv4网络用户访问无线传感器节点时，经过网关的翻译转换，无线传感器节点是不知道IPv4网络用户的信息的。本发明使用会话技术来解决该问题，即每个用户访问一个传感器节点都是一个会话，虽然在网关处报文格式被翻译转换，但在网关处用一个会话ID来记录本次会话，并把该会话ID添加到WSN数据帧中发送到无线传感器，当无线传感器回送数据时在WNS数据帧中包含该会话ID，这样网关在收到从无线传感器回送回来的WSN数据帧时，通过该会话ID可以查到本次数据应该发给IPv4网中哪个IP地址用户，因此解决了无线传感器节点不能区分不同IP用户的问题。本发明在WNS数据帧净荷中用两个字节来存放会话ID，这样既不破坏帧头结构，同时又比传送IP地址要节省空间。

本发明中，无线传感网中的WSN数据帧格式采用IEEE802.15.4的帧格式，IEEE802.15.4是无线低速个域网(LR-WPAN)的物理层和媒体接入控制层规范，也是无线传感网中最常用的物理层技术，具体格式如图4所示。因此，在网关构造发往无线传感网的新的WNS数据帧时，会同时会产生一个会话ID，并将该会话ID以及用户IP，UDP端口号和无线传感器ID写到会话映射表中，以便对无线传感网回来的WSN数据帧进行翻译转换。

步骤A30包括以下详细步骤，如图7所示。

A301、当网关接收到从无线传感网发往IPv4网络的WSN数据帧时，首先检查该WSN数据帧的合法性，即该WSN数据帧是否为送到IPv4网络侧的数据，通过检查该WSN数据帧中的目的节点ID号是否为网关的SinkID来判断，如果目的节点ID号不是网关的SinkID，则丢弃该WSN数据帧。否则，从WSN数据帧中取出源节点ID和会话ID，源节点ID对应于会话映射表中的传感器ID；用传感器ID和会话ID到会话映射表中进行检索，检索得到用户IP地址和UDP端口号。

A302、根据用户IP地址和UDP端口号构造新的IPv4报文，将用户IP地址作为IPv4报文的目的IP地址，网关IP作为IPv4报文的源IP地址，UDP端口号作为IPv4报文的源端口号；

A303、将该IPv4报文发送到IPv4网络中指定的IP地址。

本发明主要由两个映射表和两个翻译转换模块组成，如图2所示，两个映射表分别是端口映射表和会话映射表，端口映射表实现IPv4报文中的目的UDP端口号与无线传感网中的无线传感器的ID号的一一映射，会话ID以及用户IP地址、UDP端口号和传感器ID分别写到会话映射表中，以便对从无线传感网回来的WSN数据帧进行翻译转换。两个翻译转换模块分别对应于从IPv4网方向到无线传感网方向和从无线传感网到IPv4网络方向的翻译转换，即从IPv4报文构造WSN数据帧和从WSN数据帧构造IPv4报文。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.无线传感网接入IPv4网络的方法，其特征在于包括以下步骤：

A10、无线传感网通过网关连接到IPv4网络，并将该无线传感网中的各无线传感器的ID号分别映射为该网关的一个UDP端口号，从而构造出一个一一对应的端口映射表；

A20、网关根据端口映射表将从IPv4网络发往无线传感网的IPv4报文构造成新的WSN数据帧发往相应的无线传感器，新的WSN数据帧中的目的ID号为端口映射表中UDP端口号对应的传感器ID号，同时构造本次会话的会话映射表，该会话映射表由IPv4报文的源IP地址、本次会话ID号、UDP端口号和传感器ID构成；

A30、网关根据会话映射表将无线传感器从无线传感网发往IPv4网络的WSN数据帧构造新的IPv4报文发往IPv4网络中指定的用户IP地址，IPv4报文中的目的IP地址为会话映射表中本次会话ID号对应的用户IP地址，源IP地址为网关IP地址，源端口号为会话映射表中本次会话ID号对应的UDP端口号；

步骤A20包括以下步骤：

A201、当网关接收到从IPv4网络发往无线传感网的一个IPv4报文时，首先根据该IPv4报文中的目的IP地址和目的UDP端口号获得该报文是否为发送到无线传感网的判断结果，当确定该IPv4报文是发送到无线传感网时，用该IPv4报文中的目的UDP端口号检索端口映射表并获得该无线传感器的ID号，之后转步骤A202；否则，不对该IPv4报文作任何处理；

A202、网关产生本次会话的会话ID号，并根据无线传感器的ID号和网关的网关节点SinkID号构造新的WSN数据帧，发送给无线传感网中相应的无线传感器，该WSN数据帧中包含本次会话的会话ID号；

A203、网关构造本次会话的会话映射表，该会话映射表由IPv4报文的源IP地址、本次会话ID号、UDP端口号和传感器ID构成。

2.如权利要求1所述的无线传感网接入IPv4网络的方法，其特征在于步骤A30包括以下步骤：

A301、当网关接收到从无线传感网发往IPv4网络的WSN数据帧时，根据该WSN数据帧中目的传感器ID号和会话ID号到会话映射表中进行检索，得到相应的用户IP地址和UDP端口号；

A302、根据用户IP地址和UDP端口号构造新的IPv4报文，其中用户IP地址为新报文的目的IP地址，网关IP作为新报文的源IP地址，UDP端口号作为新报文的源端口号；

A303、将新的IPv4报文发送到IPv4网络中指定的用户IP地址。

3.如权利要求1所述的无线传感网接入IPv4网络的方法，其特征在于步骤A201中，预先在网关上为无线传感网中的无线传感器分配一个UDP端口号段范围，然后分别为每个无线传感器分配一个唯一的UDP端口号，分配方式为动态分配。

4.如权利要求2所述的无线传感网接入IPv4网络的方法，其特征在于在步骤A201中，如果IPv4报文中的目的IP地址是网关的地址，同时目的UDP端口号属于分配给无线传感网的UDP端口号段范围之内，则认为该IPv4报文是发送到无线传感网的。

5.如权利要求2所述的无线传感网接入IPv4网络的方法，其特征在于步骤A301中，WSN数据帧中的会话ID号用净荷中的用两个字节来存放。

6.如权利要求5所述的无线传感网接入IPv4网络的方法，其特征在于步骤A301中，首先检查该WSN数据帧中的目的ID号是否为网关的SinkID，如果目的ID号不是网关的网关节点SinkID，则丢弃该WSN数据帧。