CN102469174A - 一种用于传感器网络的数据包头处理方法及网络网关 - Google Patents

一种用于传感器网络的数据包头处理方法及网络网关 Download PDF

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刘刚
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Abstract

本发明提供了一种用于传感器网络的数据包头处理方法及其装置，所述传感器网络通过一个网络网关与IP网络连接，网络网关接收来自IP网络的数据包之后，将其数据包头中的IP源地址、目的地址替换为传感器网络适用的链路局域地址，之后，进行适用于传感器网络的数据帧封装和发送。网络网关可使用一个保留的链路局域地址来替换所述IP源地址，并建立一个传感器网络侧UDP端口与所述IP源地址之间的映射关系，从而进一步实现数据包头的恢复。以本发明技术方案可有效减少传感器网络内部传感器节点与远程站点之间进行数据通信时，其数据包在传感器网络内的传输开销，从而进一步节约相关资源。

Description

一种用于传感器网络的数据包头处理方法及网络网关
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种适用于传感器网络数据传送的数据包头处理方法及其网关。
背景技术
随着互联网的普及，Internet对人们生活方式的影响越来越巨大，并将继续在未来的各领域持续发挥其影响力。集成了网络技术，嵌入式技术、微机电系统及传感器技术的传感器网络将Internet为从虚拟世界延伸到物理世界，从而将逻辑上的信息世界与真实物理世界融合在一起，满足了人们对“无处不在”的网络的需求。
IEEE(美国电气和电子工程师协会)802.15.4工作组，致力于定义一种供廉价、固定、便捷或移动设备使用的，复杂度、成本和功耗极低的低速率无线连接技术，这种短距离的无线低功耗通信技术最适合传感器网络使用。而IPv6作为下一代网络协议，具有地址资源丰富、地址自动配置、安全性高、移动性好等优点，可以满足无线传感器网络在地址和安全方面的需求。
IETF(互联网工程任务组)6LoWPAN(基于IPv6的低功耗无线个域网)工作组，它规定了6LoWPAN技术底层采取IEEE 802.15.4，MAC层以上采取IPv6协议栈，致力于如何将Ipv6适配于IEEE 802.15.4，实现IPv6数据包在IEEE802.15.4上的有效传输。由于IPv6的字节开销远大于IEEE 802.15.4中MAC(介质访问控制子层协议)层所支持的载荷长度，为了实现MAC层与网络层的无缝链接，6LoWPAN工作组建议在网络层和MAC层之间增加一个网络适配层，用来完成包头压缩处理、分片与重组以及网状路由转发等工作。
针对IPv6数据包的包头压缩处理。目前的压缩方案之一--双向编址方案利用传感器网关存储无线传感器网络中各个传感器节点的链路局域地址(LinkLocal Address)和全球单播地址(Global Unicast Address)并建立——映射关系。图1是双向编址方案中IEEE 802.15.4帧格式示意图，中间部分表示IEEE802.15.4数据帧格式，上面部分表示当使用完整64位唯一地址和/或16位PAN_ID时，IEEE 802.15.4的帧头内容，下面部分包括DSP字节、HC1(标题压缩字节)以及所使用的压缩后的IPv6数据包头等，其中IPv6数据包头压缩按照其建议可使用三种压缩方式。参考图2，第1和第2种方式采用部分压缩方案，可适用于无线传感器网络内部传感器节点和无线传感器网络外部远程站点之间通信的情形，压缩后的IPv6数据包头开销为21字节；第3种方式中采用完全压缩方案，适用于相同无线传感器网络内部节点之间通信的情形，压缩后的IPv6数据包头开销为7字节。通过综合利用这3种压缩方式，能够有效地访问和管理无线传感器网络节点，同时降低了无线传感器网络内部的通信开销。
但是，对于前述技术方案而言，对于传感器网络内部传感器节点与远程站点之间的数据通信而言，其包头开销在传感器网络内占用仍旧很大。
发明内容
本发明旨在提供一种在网络网关中对数据包头进行处理的技术方案，它可对传感器网络内部传感器节点与远程站点之间的数据包头进行压缩或恢复处理，从而降低其在传感器网络内部的通信开销。
根据本发明的一个方面，这里提供一种在网络网关中数据包头处理方法，所述网络网关连接传感器网络与IP网络，网络网关接收来自IP网络的数据包；将其数据包头中的IP源地址、目的地址替换为所述传感器网络适用的链路局域地址；之后，进行适用于传感器网络的数据帧封装和发送。
根据本发明的另外一个方面，这里提供一种在传感器网络与IP网络之间进行包头处理的网络网关，包括：第一接口装置，用于进行适用于IP网络的数据包接收；处理装置，用于将其数据包头中的IP源地址、目的地址替换为所述传感器网络适用的链路局域地址；第二接口装置，用于进行适用于传感器网络的数据帧处理和发送。
本发明技术优势：
通过本发明技术方案可有效减少传感器网络内部传感器节点与远程站点之间进行数据通信时，其数据包在传感器网络内的传输开销，从而进一步节约相关资源，例如：带宽、电力消耗等。以6LoWPAN传感器网络为例分析，假定物理帧长度为127字节，其中，固定的IEEE 802.15.4MAC封装开销为25字节，因此MAC层有效载荷实际为102字节。在采用DAS机制进行IP数据包处理时，其IPV6数据包头被压缩为21字节，其效率为(102-21)/127＝64％；而本发明技术方案，IPV6数据包头可被压缩为7个字节，其效率为(99-7)/127＝75％，由此可见，本发明技术方案对于传感器节点与传感器网络外的一个远程站点之间的数据通信而言，其包头开销效率提高了17％。
附图说明
通过下面提出的结合附图的详细描述，本发明的特征、性质和优点将变得更加明显，附图中相同的元件具有相同的标识，其中：
图1是一种典型的IEEE 802.15.4数据帧格式；
图2是一种典型的IPv6数据包头压缩方式；
图3是本发明所提供的一种无线传感器网络系统结构示意图例；
图4是本发明所提供的传感器网关对来自远程站点的以太网数据帧进行转换的实施例；
图5是本发明所提供的传感器网关对来自传感器节点的IEEE 802.15.4数据帧进行转换的实施例。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的优选实施方式进行详细的说明。
图3是本发明所提供的一种无线传感器网络系统结构示意图例，它包括由若干传感器节点301、302、303等构成的传感器网络300，IP网络320、连接前述传感器网络300和IP网络320的传感器网关310，以及可与传感器网络中的一个传感器节点301进行通信的远程站点330，其中：
传感器网络300可以是一个典型的基于6LoWPAN类型构建的网络，技术底层采取IEEE 802.15.4，MAC层以上采取IPv6协议栈，实现IPv6数据包在IEEE 802.15.4上的传输。传感器网络中的任何传感器节点301可被一个128位的全球单播地址、或16位链路局域地址予以标识，16位链路局域地址作为一种短地址，可在该传感器网络内唯一地标识一个传感器节点，用于传感器网络内部节点之间的通信，有效节约数据包字节开销；128位的全球单播地址可在全球范围内唯一地标识一个通信节点。
远程站点330，作为传感器网络300内传感器节点301的通信节点，其对应的IPv6全球单播地址假定为2003:0DB8:7654:3210:FEDC:BA98:7654:3210。
IP网络320，其对应于传感器网关接口部分根据其接入网络类型可以使用不同的数据封装形式，例如，可使用以太网数据帧封装形式。
传感器网关310，于IP网络320侧，它具有可用于进行适用于IP网络320的数据处理能力的网络接口1，例如，它可接收来自远程站点330的、采用以太网数据帧封装的IP数据包并进行处理。于传感器网络300侧，它具有可适用于传感器网络300的数据处理能力的网络接口2，例如，它可将数据包以IEEE802.15.4数据帧进行封装并发送给传感器网络内的节点，该网络接口2为传感器网络300每个传感器节点创建并维持前述16位链路局域地址与128位全球单播地址之间的映射关系(参见表1)。传感器网关310还具有在前述网络接口1和网络接口2之间对数据包进行处理的处理装置，它可对来自网络接口1的IP数据包的包头进行压缩处理，将其数据包中的128位IPv6源地址、目的地址替换为所述传感器网络适用的16位的链路局域地址之后通过网络接口2进一步处理后发送给传感器网络300。这里，处理装置可利用表1所提供的映射关系，将前述128位IPv6目的地址替换为传感器节点301所对应的16位链路局域地址，同时，它利用一个保留的16位链路局域地址(例如：FFFF)替换128位IPv6源地址，以表示与一个传感器节点与其所对应的远程站点之间的通信；同样，处理装置可进一步对来自网络接口2的数据包头中的16位链路局域地址形式的源地址、目的地替换为所述IP网络320适用的128位IPv6源地址、目的地址，之后通过网络接口1进一步处理后发送给IP网络320。
表1：传感器节点地址映射关系表
  传感器节点   16位短地址   128位全球单播地址
  301   3A21   2001:A800:200C:417A:0321:11FF:FE44:1234
  302   3A22   2001:A800:200C:417A:0321:11FF:FE44:1235
  303   3A23   2001:A800:200C:417A:0321:11FF:FE44:1236
以下，我们结合图4、图5对传感器网关如何进行数据包转换进行进一步说明：
以下，我们结合图4所提供的传感器网关310对来自远程站点330的数据包进行转换的实施例进行说明，当来自远程站点330的以太网帧封装的IP数据包需要通过传感器网关310发送到传感器网络300内的一个传感器节点301，如前所述，该数据包所对应的源地址为远程站点330的IPv6全球单播地址为2003:0DB8:7654:3210:FEDC:BA98:7654:3210，目的地址为传感器节点301对应的IPv6全球单播地址为2001:A800:200C:417A:0321:11FF:FE44:1234，传感器网关310在将转换数据包为一个适用于传感器网络300的IEEE802.15.4数据帧时，其相应的数据包头压缩处理过程如下：
首先，传感器网关310将该数据包中的源地址替换为一个适用于传感器网络300中IEEE 802.15.4数据帧传送的16位链路局域地址，区别于该传感器网络中其他传感器节点所对应的16位链路局域地址，我们可以采用一个保留的16位短地址“FFFF“来标识。
接下来，通过获得数据包中的目的地址，即对应于传感器节点301的IPv6全球单播地址，以及表1所提供的传感器节点301的16位链路局域地址及其128位IPv6全球单播地址之间的映射关系，传感器网关310进一步将该数据包中的目的地址替换为该传感器节点301所对应的16位链路局域地址，即3A21”。
传感器网关310将进一步选择一个传感器器网络侧可用的源UDP端口“65530”作为通信端口并将其加入数据包。
接下来，传感器网关310进行传感器网络所适用的IEEE 802.15.4数据帧封装和发送，具体地，它进一步以IEEE 802.15.4 MAC头替换以太网MAC帧头、生成其它特征域被加入，例如：DSP字节，HC1(标题压缩字节)，HL(剩余跳数)字节，以及IEEE 802.15.4 MAC帧尾。
为了标识远程站点330，传感器网关310可将该远程站点映射到该数据包前述UDP(用户数据包协议)端口65530，并建立一个相应的映射关系，如表2所示意：
表2：远程站点地址-端口映射关系表
  远程站点  源UDP端口   128位IPv6全球单播地址
  330  65530   2003:0DB8:7654:3210:FEDC:BA98:7654:3210
 65529   2003:0DB8:7654:3210:FEDC:3210:BA98:7654
 65528   2003:0DB8:7654:3210:FEDC:3210:7654:BA98
值得说明的是，远程站点330的IPv6全球单播地址与源UDP端口之间的映射关系不是永久性的，当在该UDP端口的会话结束，该映射关系可被删除。
而在常规方式下数据包头压缩方式下，即部分压缩方案，传感器网关存储传感器网络中各个传感器节点的链路局域地址和IPv6全球单播地址之间的映射关系，它仅仅将所接收到的以太网帧中数据包的目的地址(即目标传感器节点所对应的IPv6全球单播地址)替换为一个适用于传感器网络中IEEE 802.15.4帧传送的16位链路局域地址(即目标传感器节点所对应的链路局域地址)，而对数据包头中的源地址不予进行压缩处理，相应地，数据包头开销高于本实施例方案。
以下，我们结合图5所提供的本发明所提供的传感器网关310对来自传感器节点301的数据包进行转换的实施例进行说明，当传感器网络300内的一个传感器节点301的数据包需要路由至一个远程站点330时，传感器网关310将进一步完成805.14.2数据帧到以太网数据帧的转换，相应地需要对其中的数据包头进行如下恢复操作：
首先，传感器网关310对所接收到的IEEE 805.14.2数据帧，它判定其数据包中的目标地址是否为前述保留的16位链路局域地址“FFFF”，如果是，则表明该数据包需要转发给本传感器网络外的一个远程站点。
接下来，传感器网关310根据数据包中的目的UDP端口号“65530”，以及前述表2远程站点地址-端口映射关系表，可获得数据包所对应的目标地址为远程站点330的IPv6全球单播地址2003:0DB8:7654:3210:FEDC:BA98:7654:3210”，传感器网关310采用该地址替换原数据包中的目的地址“FFFF”。
接下来，传感器网关310根据数据包中的源地址“3A21”，以及利用表1传感器节点地址映射关系表，可获得源地址为传感器节点301所对应的IPv6全球单播地址2001:A800:200C:417A:0321:11FF:FE44:1234，传感器网关310采用该地址替换原数据包中的源地址“3A21”。
接下来，传感器网关310进行以太网数据帧封装和发送，具体地，它采用以太网MAC头替换原IEEE 802.15.4 MAC头，并生成相应的IP头，以太网MAC帧尾等。
而在常规方式下IPV6包头处理方式，即部分压缩方案，传感器网关存储传感器网络中各个传感器节点的链路局域地址和IPv6全球单播地址之间的映射关系，它仅仅需要将所接收到的IEEE 802.15.4数据帧中的源地址(即传感器节点所对应的链路局域地址)替换为一个适用于IP网络中数据帧传送的128位IPv6全球单播地址(即传感器节点所对应的IPv6全球单播地址)，而对数据包头中的目的地址不予进行处理。
尽管上述说明为本发明提供了一些实施例，并非用来限定本发明的保护范围，本技术领域的专业人员可以在不脱离本发明的范围和精神的前提下，对实施例进行各种修改，这种修改均属于本发明的范围内。

Claims (8)

1.一种在网络网关中数据包头处理方法，所述网络网关连接传感器网络与IP网络，其特征在于包括如下步骤：
步骤A.接收来自IP网络的数据包；
步骤B.将其数据包头中的IP源地址、目的地址替换为所述传感器网络适用的链路局域地址；
步骤C.进行适用于传感器网络的数据帧封装和发送。
2.如权利要求1所述的方法，其中，步骤B中网络网关以一个保留的链路局域地址来替换所述IP源地址，并以建立一个传感器网络侧UDP端口与所述IP源地址之间的映射关系。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于进一步包括：
步骤D.接收来自传感器网络的数据帧，根据其UDP端口及所述映射关系将数据包中的目的地址替换为IP网络适用的IP地址，进行适用于IP网络的数据帧封装和发送。
4.如权利要求1至3所述的方法，其特征在于所述传感器网络为6LoWPAN网络。
5.一种在传感器网络与IP网络之间进行包头处理的网络网关，其特征在于包括：
第一接口装置：用于进行适用于IP网络的数据包接收；
处理装置：用于将其数据包头中的IP源地址、目的地址替换为所述传感器网络适用的链路局域地址；
第二接口装置：用于进行适用于传感器网络的数据帧处理和发送。
6.如权利要求5所述的网络网关，其特征在于所述处理装置以一个保留的链路局域地址来替换所述源地址，并建立一个传感器网络侧UDP端口与源地址之间的映射关系。
7.如权利要求6所述的网络网关，其特征在于所述第二接口装置接收来自传感器网络的数据帧，所述处理装置进一步根据其UDP端口及所述映射关系将数据包中的目的地址替换为IP网络适用的IP地址，所述第一接口装置进行适用于IP网络的数据包处理和发送。
8.如权利要求5至7所述的网络网关，其特征在于所述传感器网络为6LoWPAN网络。
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