CN104348929A - 一种用于6LoWPAN接入IPv4 Internet的边缘路由器及接入方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种用于6LoWPAN接入IPv4Internet的边缘路由器及接入方法，提出了一种基于IPv6传感网接入(IPv4)Internet的机制，用以解决传感网与互联网互联的问题。该发明以网络中间件的方式，扩展了6LoWPAN边缘路由器的功能，使其具有透明型网关的效果。ARM9控制单元包含6LoWPAN协议栈和TCP/IP协议栈，完成异构协议转换、路由转发等，并在TCP/IP协议栈的网络层增加了uNAT-PT机制，使用动态地址映射和协议翻译实现IPv4数据包和IPv6数据包之间的转换。本发明不需要在整个通信系统中增加新的网络设备且不需要修改任何网络协议栈，就能解决基于IPv6的传感网与Internet网络的融合问题，体系结构简单、经济、方便，有益于加快异构网之间的无缝融合和业务的延伸。
Description
技术领域
本发明涉及网络通信技术领域，具体涉及一种基于IPv6(下一代互联网协议)的无线传感网6LoWPAN(基于IPv6协议的低速无线个域网)无缝接入Internet(互联网)网络体系结构的方法。用于IPv6传感网数据包和IPv4(互联网协议)以太网数据包之间的转换。
背景技术
无线传感器网络(WSN)被认为是全球未来高技术产业之一，也是目前被高度关注的热点研究领域。它是集信息采集、信息处理、信息传输与信息应用于一体的综合智能信息系统，并被部署在监测区域的大量价格低廉、电池供电、具有无线通信和监测能力的微型嵌入式设备组成，能够提供实时环境监测等业务。就WSN自身特性而言，它应当和某些外部网络互联，使外部网络可以监测和控制WSN才具有更真实的意义。因此，针对WSN研发的6LoWPAN技术采用了IPv6(下一代互联网协议)，通过这种IP技术，6LoWPAN将能够与规模最大、覆盖最广的Internet无缝对接，从而实现人与人、人与物、物与物之间基于统一协议的自由通信。
然而，在Internet中，考虑到网络设备的成本、业务更替等原因，IPv6协议不可能迅速取代IPv4协议的地位，而是一个渐进的过程，且这一过程要持续相当长的时间。目前世界上的IPv6网络基本还处于一个发展初级阶段，IPv4网络仍占有主导地位，在这种情况下，6LoWPAN与Internet的互联，实际上就是IPv6与IPv4之间的通信，即便是在发展后期阶段，也仍旧需要IPv6主导网络与IPv4孤岛通信。
2008年9月24日公开的申请号为200710017543.4的中国专利申请“无线传感器网络WSN接入Internet网络体系结构及服务提供方法”，提出了一种基于服务提供的传感网接入Internet的方法，将传感网节点信息通过网关上传至Internet中的服务管理器，然后以太网用户在服务管理器中通过查找、订购相应的服务，然后再用固定报文格式访问传感网节点。采用该方法存在以下问题：在Internet中需要部署服务管理器，无形中增加了网络开销；使用固定报文格式发送请 求，只能局限于某一些特定协议，不能够通用。
2011年9月28日公开的申请号为201110130348.9的中国专利申请“一种基于IPv6的透明型WSN/TD-SCDMA网关”，提出了一种在网关上联接两个子网接入模块的方式，传感网接入模块通过串口连接在ARM(精简指令集处理器)主控单元，TD-SCDMA(时分同步码分多址)模块则通过USB(通用串行总线)接口连接在ARM主控单元，整个通信过程借助VPN(虚拟专用网络)隧道实现。然而这种方法只能实现IPv6传感网节点与被IPv4网络分离的远端IPv6以太网用户之间的交互，对通信系统及网络支持有很大的局限性。
上述公开文献虽然都实现了简单的传感网接入Internet功能，但总体来讲，接入方法都具有一定的使用限制，没有针对目前网络的实际状况而设计，虽然基于服务提供的措施更有利于网络业务的延伸，却同时增加了网络开销；基于IPv6的方案，其用户也只能是支持IPv6协议的PC机，在目前的网络中不能大范围应用。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种适用于Internet网络协议过渡阶段，基于IPv6协议的传感器网络接入的轻量级网络地址转换—协议转换uNAT-PT(Micro Network Address Translation-Protocol Translation，微型网络地址转换-协议转换)机制。利用该机制使传感网与Internet之间在网络层面上实现统一，促使网络的无缝融合，并使两异构网节点在业务层面上达到直接的端到端交互，拓展业务的延伸。
本发明解决上述技术问题的技术方案包括：一种用于6LoWPAN接入IPv4Internet的边缘路由器，包括ARM9(低功耗移动处理核心架构)控制单元、电源管理模块、2.4G无线收发模块、随机存储器单元、FLASH存储器单元、以太网口、以太网控制单元，其特征在于：ARM9控制单元中运行TCP/IP(传输控制协议/因特网互联协议)协议栈和6LoWPAN协议栈，控制TCP/IP的网络层和介质访问控制子层，完成协议封装和解析、网络互连、路由转发，控制无线收发模块、随机存储器单元、FLASH存储器单元、以太网控制单元之间的数据交互；网络层中采用uNAT-PT机制，依据收到的IP报文类型， 完成数据包在6LoWPAN子网和IPv4Internet之间的收发和转交。
所述数据包的收发和转交采用uNAT-PT机制，所述uNAT-PT机制具体为，若数据包是IPv6报文，其网络地址的转换使用动态地址映射；若数据包是IPv4报文，其网络地址的转换通过查找会话信息表进行转换；将报文头部的非网络地址字段域转换为相应的IPv4非网络地址字段域。6LoWPAN协议栈开始运行时，向6LoWPAN子网广播一个固定的网络地址前缀PREFIX，用于子网节点将前缀PREFIX加上目的IPv4地址映射成目的IPv6地址。IPv4地址池中的地址通过5个不同的状态控制其在每一个会话通信过程中的合理使用，IPv4地址资源的使用具体包括：地址管理单元从地址池中查找状态为Free(空闲)或Occupied(占用)的可用IPv4地址，将查找到的IPv4地址与IPv6数据包中的源地址绑定，数据包转换并转发到绑定的源地址；若IPv6数据包的转换不正常或者会话不能建立，则恢复IPv4地址的状态；若在固定时间内某些会话信息表项的标识未发生变化，则判定该会话已经断开，地址管理单元收回被绑定的IPv4地址，更改地址状态为Free。
本发明还提出一种用于6LoWPAN接入IPv4Internet的接入方法，具体包括：ARM9控制单元中运行TCP/IP协议栈和6LoWPAN协议栈，控制TCP/IP的网络层和介质访问控制子层，完成协议封装和解析、网络互连、路由转发，控制无线收发模块、随机存储器单元、FLASH存储器单元、以太网控制单元之间的数据交互；网络层中采用uNAT-PT机制，依据收到的IP报文类型，完成数据包在6LoWPAN子网和IPv4Internet之间的收发和转交。
当TCP/IP协议栈收到来自进程通道的数据包后，根据数据包目的地址的网络前缀判断是否与uNAT-PT广播的前缀匹配，若匹配，则进行IP地址转换，然后调用PT(协议翻译)模块将IPv6数据包转换为IPv4数据包，接着将转换后的数据包控制权转交给以太网控制单元，若不匹配，则直接丢弃。当以太网控制单元收到要发往Internet的数据包后，根据目的地址通过相应的以太网口输出到Internet中，最终到达目的IPv4主机。
相比于目前所提出的WSN接入Internet的技术，本发明具有以下 优点：
1、在网络上实现了基于IPv6的传感网接入基于IPv4的Internet，实现了二者之间的互联互通。在整个实现过程中不需要对任何协议栈进行修改，不需要增加任何网络中间件，以方便、灵活、经济、操作简单等特点积极推动了无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Networks)的实用化进程。
2、本发明结合了WSN、Linux操作系统、嵌入式技术、IPv6等技术，扩展了6LoWPAN边缘路由器的功能，使得WSN接入Internet在网络上的部署更简单；由于数据包是在网络层进行的转发，实现了网络设备与具体应用数据的相互独立，增加了其应用范围；而且动态地址的映射，保证了传感网的安全性，避免出现网络的人为割裂。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对上下文的考察研究，对本领域技术人员而言将是显而易见的，本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书、权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1使用于6LoWPAN的边缘路由器模块框图；
图2网关协议模型及数据流示意图；
图3IPv6传感数据包转换为IPv4以太网数据包流程图；
图4IPv4以太网数据包转换为IPv6传感数据包流程图；
图5动态地址映射状态机。
具体实施方式
本发明提出的基于IPv6协议的传感器网络接入Internet(IPv4)的uNAT-PT机制，结合附图详细说明如下。
如图1所示为使用于6LoWPAN的边缘路由器模块框图，可以实现6LoWPAN节点的组网以及作为6LoWPAN和Internet互通的网关，包括：ARM9控制单元(1)、电源管理模块(2)、2.4G无线收发模块(3)、随机存储器(RAM)单元(4)、FLASH(闪存)存储器单元(5)、以太网口(6-1)、以太网控制单元(6-2)。ARM9控制单元中运行TCP/IP和 6LoWPAN协议栈，控制TCP/IP的网络层和介质访问控制子层，完成协议封装和解析、网络互连、路由转发，依据收到的IP报文类型，完成数据包在6LoWPAN子网和IPv4Internet之间的收发和转交，控制无线收发模块、随机存储器单元、FLASH存储器单元、以太网控制单元之间的数据交互。
如图2为网关协议模型及数据流示意图。
该边缘路由器工作在Linux操作系统平台上，两套协议栈中6LoWPAN的边缘路由协议栈，主要涉及物理(PHY)层、介质访问控制(MAC)层、适配层、网络层和应用层，适配层负责报文的压缩/解压缩和分片/重组，网络层负责数据流走向控制，转发或上传；TCP/IP协议栈，主要涉及物理层、链路层和网络层，网络层中增加uNAT-PT机制，负责IPv4数据包和IPv6数据包的转换。经过边缘路由器的数据流主要包括：传感节点交互流(7)、上传边缘路由器的传感采样报文(8)、进程间通信流(9)、以太网交互流(10)。
无线传感网(6LoWPAN)首先组建网络，6LoWPAN协议栈调用SPI(串行外设接口)驱动通过2.4G无线收发模块向传感网通告一个96bit的网络地址前缀(PREFIX::/96)，此前缀不仅用于标识需要翻译的报文而且用于将IPv4地址转换为IPv6地址。传感节点收到该前缀后加上32bit的目的主机IPv4地址作为对IPv4网络中主机的标识。
所述uNAT-PT机制协议转换具体包括：边缘路由器首先向6LoWPAN中通告一个96位的地址前缀，然后传感网节点用96位地址前缀加上32位主机IPv4地址作为对IPv4网络中主机的标识。当Linux操作系统(免费、开源的多用户、多任务操作系统)通过射频无线模块接收到传感网数据包后，利用SPI驱动上传给运行6LoWPAN协议栈，经过底层解析到达网络层后，判断IPv6数据包的目的地址，如果是发给本机的，继续上传到应用层做处理，如果是发往外网的，调用进程间通信机制传递给TCP/IP协议栈做进一步处理；若是其他数据包或是错误包，则直接丢弃。当TCP/IP协议栈收到来自进程通道的数据包后，根据数据包目的地址的网络前缀判断是否与uNAT-PT广播的前缀匹配，若匹配，则进行IP地址转换，然后调用PT(协议翻译)模块将IPv6数据包转换为IPv4数据包，接着将转换后 的数据包控制权转交给以太网控制单元，若不匹配，则直接丢弃。当以太网控制单元收到要发往Internet的数据包后，根据目的地址通过相应的以太网口输出到Internet中，最终到达目的IPv4主机。
当边缘路由器收到网络数据包后，完成IPv6数据包与IPv4数据包间的转换，包括以下几个部分：
一、边缘路由器中流向为6LoWPAN→Internet的数据包转换实施步骤。
图3所示为IPv6传感数据包转换为IPv4以太网数据包流程图。
1、边缘路由器获得来自6LoWPAN子网内的比特流，按照IEEE802.15.4标准对其解析，得到相应的数据帧，经过MAC(媒体接入控制)地址判断，若目的地址不是边缘路由器，边缘路由器获得的数据是非本机处理的，直接丢弃；否则执行2；
2、将相应的数据帧上传至适配层，经过分片重组、报头解压缩，形成标准的IPv6数据包，然后进行路由查找，若目的地址仍是6LoWPAN子网内，则执行3.a，若目的地址是边缘路由器，则执行3.b，若是外部网络的，则执行3.c；
3.a、数据包是发往6LoWPAN内，则边缘路由器通过无线收发模块转发，
3.b、将数据包进一步解析，得到相应的报文，然后上传至本机高层，
3.c、将IPv6数据包通过进程间通信机制，发送至TCP/IP协议栈的网络层接收队列中；
4、TCP/IP协议栈从数据缓冲队列中提取出标准的IPv6数据包，对目的地址判断，若是发往IPv6网络内的，则执行5.a，若是发往IPv4网络内的，则执行5.b；
5.a、直接通过路由查找，利用与目标网络相匹配的底层协议封装后发往相应的IPv6网络。
5.b、对待转换的IPv6报文头部的网络地址字段域，先检测IPv6目的地址的网络地址前缀与自己广播的PREFIX::/96的一致性。若网络地址前缀相匹配，则执行6.b；否则执行6.a；
6.a、丢弃待转换的IPv6数据包，并释放相应的资源；
6.b、采用uNAT-PT机制调用IPv4地址池资源管理，从IPv4地址池中选取一个合法的全球可路由IPv4地址R1作为IPv6节点的映射地址，将IPv6报文中源地址Y1.address与其映射地址R1绑定；从IPv6报文目的地址PREFIX::X1.address中提取其后32位的IPv4目的地址X1.address，同时从IPv6报文网络层负载中提取IPv4目的端口p1和IPv6节点通信源端口p2，并将信息分别保存会话表中，并且修改当前使用R1的会话个数N，记录R1被绑定后的时间T。该会话表如下所示：
7、报文头部的IP地址字段域按照上述步骤形成的新的会话表项进行对应的转换，对于上述会话后续捕获到的报文按照上述会话表中的信息直接进行转换。
8、将报文头部的非网络地址字段域转换为相应的IPv4非网络地址字段域(见图3)。利用uNAT-PT机制，IPv6数据包被转换为IPv4数据包，最终经过路由查找，用与目标网络相匹配的底层协议封装后发往相应的IPv4网络。
二、边缘路由器中流向为Internet→6LoWPAN的数据包转换
1、网卡接收到相应的IPv4数据包后，送到TCP/IP协议栈处理；
2、TCP/IP协议栈的网络层按IPv4数据包的目的地址进行处理，若目的地址是地址池中的IPv4地址，则执行3.b，否则执行3.a；
3.a、收到的数据包不是发往6LoWPAN子网的，按TCP/IP协议栈的正常流程处理；
3.b、接收待转换的IPv4数据包，执行uNAT-PT机制，具体的处理流程如图4所示。报文头部的IP地址及端口号转换按下面的映射关系进行转换：
f(X1.address,p1,R1,p2)＝(PREFIX::X1.address,p1,Y1.address,p2)
4、报文头部的非网络地址字段域也按照SIIT(无状态网络互联协议/网络控制报文协议翻译技术)技术将其转换为相应的IPv6非网 络地址字段域。uNAT-PT机制将IPv4数据包转换为对应的IPv6数据包后，利用进程间通信机制将IPv6数据包转交给6LoWPAN协议栈，最终6LoWPAN协议栈将发往自己的数据包进行处理，或者将发往子节点的数据包通过边缘路由器的2.4G无线收发模块发送至子网目的节点。
三、uNAT-PT机制中的IPv4地址池资源管理定义如下：
地址绑定表中的映射地址有Free(空闲)、Bound(绑定)、Occupied(占用)、Occupied and bound(占用并绑定)4个状态，各状态分别描述如下：
Free：地址未被使用；
Bound：地址被绑定到某一IPv6地址；
Occupied：地址正在被某一会话使用；
Occupied and bound：地址在被某一会话使用的同时绑定到另一IPv6地址。
如图5所示，展示了地址池中IPv4地址资源的具体使用算法，详细描述如下所述：
A)新会话建立过程中，首次调用uNAT-PT机制处理IPv6数据包，uNAT-PT机制会因为查询会话信息表无果而调用地址管理单元，地址管理单元先从地址池中查找状态为Free或Occupied的可用IPv4地址，并将挑选出来的IPv4地址与IPv6数据包中的源地址绑定。若从地址池中挑选出来的IPv4地址状态为Free，则在绑定后将该IPv4地址的状态更改为Bound；若从地址池中挑选出来的IPv4地址状态为Occupied，则在绑定后将该IPv4地址的状态更改为Occupied and bound。通过前述步骤，优先获取状态为Free的IPv4地址，当池中该类地址不存在时再查找Occupied状态的IPv4地址，若能得到可用的IPv4地址并成功绑定，则数据包可顺利转换并转发，否则没有可用地址导致数据包不能被转换。
B)若数据包在得到地址管理单元返回的状态为Bound或者Occupied and bound的IPv4地址后能够被正常转换且成功建立会话，则更新会话信息表的同时将IPv4地址的状态修改为Occupied状态；若IPv6数据包后续的转换不正常或者会话不能建立，则恢复IPv4地 址的状态。
C).在uNAT-PT机制中增加时间信号机制，该机制每秒刷新一次会话信息表，若在固定时间内某些会话信息表项的标识未发生变化，则判定为该会话已经断开，此时地址管理单元收回被绑定的IPv4地址，更改地址状态为Free。
通过本设计能简单有效的实现6LoWPAN子网接入(IPv4)Internet，成功解决两种网络之间的不同网络协议互通的问题，在IP层面上实现了统一，为促进异构网络之间的无缝融合有积极意义，降低了传感网接入以太网的成本，并提高了转发效率。
以上所述是对本发明的具体实施例而已，并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于6LoWPAN接入IPv4 Internet的边缘路由器，包括:ARM9控制单元、电源管理模块、2.4G无线收发模块、随机存储器单元、FLASH存储器单元、以太网口、以太网控制单元，其特征在于：ARM9控制单元中运行TCP/IP协议栈和6LoWPAN协议栈，控制TCP/IP的网络层和介质访问控制子层，完成协议封装和解析、网络互连、路由转发，控制无线收发模块、随机存储器单元、FLASH存储器单元、以太网控制单元之间的数据交互；网络层中数据包的收发和转交采用微型网络地址转换-协议转换 uNAT-PT机制，依据收到的IP报文类型，完成数据包在6LoWPAN子网和 IPv4 Internet之间的收发和转交。
2.如权利要求1所述的边缘路由器，其特征在于：所述uNAT-PT机制具体为，若数据包是IPv6报文，其网络地址的转换使用动态地址映射；若数据包是IPv4报文，其网络地址的转换通过查找会话信息表进行转换，IPv4地址池中的地址通过不同的状态控制其在每一个会话通信过程中的合理使用；将报文头部的非网络地址字段域转换为相应的IPv4非网络地址字段域。
3.根据权利要求2所述的边缘路由器，其特征在于：当ARM9控制单元中运行6LoWPAN协议栈时，向6LoWPAN子网广播一个固定的网络地址前缀PREFIX，用于子网节点将前缀PREFIX加上目的IPv4地址映射成目的IPv6地址。
4.根据权利要求2所述的边缘路由器，其特征在于：所述合理使用具体包括：地址管理单元从地址池中查找状态为空闲Free或占用Occupied的可用IPv4地址，将查找到的IPv4地址与IPv6数据包中的源地址绑定，数据包转换并转发到绑定的源地址；若IPv6数据包的转换不正常或者会话不能建立，则恢复IPv4地址的状态；若在固定时间内某些会话信息表项的标识未发生变化，则判定该会话已经断开，地址管理单元收回被绑定的IPv4地址，更改地址状态为Free。
5.根据权利要求1-3其中之一所述的边缘路由器，其特征在于：其特征在于：当TCP/IP协议栈收到来自进程通道的数据包后，根据数据包目的地址的网络前缀判断是否与广播的网络地址前缀匹配，若匹配，则进行IP地址转换，然后调用协议翻译模块将IPv6数据包转换为IPv4数据包，接着将转换后的数据包控制权转交给以太网控制单元，若不匹配，则直接丢弃；当以太网控制单元收到要发往Internet的数据包后，根据目的地址通过相应的以太网口输出到Internet中，最终到达目的IPv4主机。
6.一种用于6LoWPAN接入IPv4 Internet的接入方法，其特征在于：ARM9控制单元中运行TCP/IP协议栈和6LoWPAN协议栈，控制TCP/IP的网络层和介质访问控制子层，完成协议封装和解析、网络互连、路由转发，控制无线收发模块、随机存储器单元、FLASH存储器单元、以太网控制单元之间的数据交互；网络层中采用微型网络地址转换-协议转换 uNAT-PT机制，依据收到的IP报文类型，完成数据包在6LoWPAN子网和 IPv4 Internet之间的收发和转交。
7.根据权利要求6所述的接入方法，其特征在于：所述uNAT-PT机制具体为，若数据包是IPv6报文，其网络地址的转换使用动态地址映射；若数据包是IPv4报文，其网络地址的转换通过查找会话信息表进行转换，IPv4地址池中的地址通过不同的状态控制其在每一个会话通信过程中的合理使用；将报文头部的非网络地址字段域转换为相应的IPv4非网络地址字段域。
8.根据权利要求6所述的接入方法，其特征在于：当ARM9控制单元中6LoWPAN协议栈开始运行时，向6LoWPAN子网广播一个固定的网络地址前缀PREFIX，用于子网节点将前缀PREFIX加上目的IPv4地址映射成目的IPv6地址。
9.根据权利要求7所述的接入方法，其特征在于：IPv4地址池中的地址通过5个不同的状态控制其在每一个会话通信过程中的合理使用，IPv4地址资源的使用具体包括：地址管理单元从地址池中查找状态为Free或Occupied的可用IPv4地址，将查找到的IPv4地址与IPv6数据包中的源地址绑定，数据包转换并转发到绑定的源地址；若IPv6数据包的转换不正常或者会话不能建立，则恢复IPv4地址的状态；若在固定时间内某些会话信息表项的标识未发生变化，则判定该会话已经断开，地址管理单元收回被绑定的IPv4地址，更改地址状态为Free。
10.根据权利要求8所述的接入方法，其特征在于：当TCP/IP协议栈收到来自进程通道的数据包后，根据数据包目的地址的网络前缀判断是否与广播的网络地址前缀匹配，若匹配，则进行IP地址转换，然后调用协议翻译模块将IPv6数据包转换为IPv4数据包，接着将转换后的数据包控制权转交给以太网控制单元，若不匹配，则直接丢弃；当以太网控制单元收到要发往Internet的数据包后，根据目的地址通过相应的以太网口输出到Internet中，最终到达目的IPv4主机。
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