CN104519554A - 一种支持多频段6LoWSN并行接入Internet的方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种支持多频段6LoWSN并行接入Internet的方法，本发明针对无线传感网的频段和类别设计5个无线传感网接入通道，命名为F1-F5通道，采用轮询端口的方法判断每个接入通道的状态，采用433MHz、470MHz、780MHz、2.4GHz、WiFi5类传感网作为子网接入端，传感网网络层均是基于IPv6协议。传感网中边界节点负责管理和采集所属网络节点的数据信息，并将采集的数据向接入设备上传，接入设备完成数据通道标识和网络层协议(IPv6-IPv4)适配，最终将数据传输到IPv4的Internet中。所设计的接入设备可以较好地应用在传感网网络拓展和延伸场景中，实现外部网络对传感网内部资源的获取和共享，该多通道的接入方法具有良好的可扩展性。

Description

一种支持多频段6LoWSN并行接入Internet的方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及传感网接入方法、协议适配方法、数据包传输方法、系统及通信设备，具体是一种支持多频段6LoWSN并行接入Internet的方法。

背景技术

无线传感网作为物理世界的感知网络，实现了对事物属性的信息采集，提供了物理世界的属性量化值。但是无线传感网的局域性限制了这些量化值的服务范围，因此使无线传感网内部信息资源能够被观察者远程监控和应用是当前无线传感网研究的关键技术，最终实现无线传感网资源拓展和网络延伸是研究的主要目的。无线传感网与Internet之间的互联互通是实现上述目标较好的网络架构，Internet丰富的网络资源给传感网的拓展提供了强有力的保障，两者中间架设的接入设备成了两者互联互通的重要组成部分，其功能和架构的优越性直接关系到两种网络资源共享的畅通问题。

将多个IPv6传感网同时接入Internet中，并实现IPv6传感网数据信息与传统的IPv4网络互通和共享是探索的主要问题。通过使用设备标识符、接入通道标识符、IP头部适配、地址映射、端口轮询扫描等方法实现多通道传感网与Internet的接入。该接入方法可以实现多子网并行接入，可以广泛应用在智能家居、综合安防、智能电网、环境监测、智能交通、工业控制、智能医疗等领域。

当前无线传感网接入Internet存在多种方法，如网关接入方法、重叠方法、全局IP化方法等。

网关接入方法的特点是在传感网与Internet之间架设专用设备，该设备主要完成传感网协议和Internet协议对等层协议的适配工作，针对工作层次的不同可以将该专用的网关设备分为应用透明性网关和NAT(Network AddressTranslation)网关，网关接入方法需要架设专用设备，数据包类型和格式需要严格依赖于该网关的设置，针对于不同类型的传感网，该方法扩展性不强。

重叠方法将传感网协议部分在IP网络中以负载的形式展示，传感网内部使用私有的传感网协议栈运行，当传感网信息需要进入Internet时，将传感网协议部分作为UDP/TCP/IP负载传输。该方法没有较好地按照协议对等层规则进行数据包的封装与解封装，针对于单向数据传输可行，当需要满足上行和下行数据传输要求时，该方法不能很好地满足需求。

全局IP化方法将可通信节点全部IP化，互联互通的多个异构网络均采用IP协议进行通信。该方法确保每个网络设备均具有IP地址，全部使用IP路由寻址机制，只要按照标准协议封装数据包则可以将数据发送到指定节点。该方法的难度在于所提供的传感节点和设备必须运行相应的IP协议。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提出了一种具有良好的可扩展性的支持多频段6LoWSN并行接入Internet的方法。本发明的技术方案如下：一种支持多频段6LoWSN并行接入Internet的方法，所述无线传感网WSN端采用IPv6协议，Internet端采用IPv4协议，其包括以下步骤：

101、在所述无线传感网WSN端和Internet端之间设置接入设备，所述接入设备根据类别和频段设置有M个通道，所述接入设备与无线传感网WSN端之间还设置有边界节点，在接入设备中建立统一的设备标识符以唯一确定各个边界节点；

102、当无线传感网WSN端有数据通过通道传入接入设备后，建立设备标识符轮询机制以得知标识符当前状态，有数据则将该通道的数据接收并添加通道标识符，所述通道标识符在数据包中标识数据来源；

103、当添加通道标识符后，重新计算数据包的长度和校验字段，确保数据包正确到达目的IPv4主机；传感网传输的是IPv6协议类型的数据，当前Internet是IPv4，江IPv6协议和IPv4协议IP头部各个字段对应解析和适配。将数据传输到IPv4的Internet中。

进一步的，当接入设备的类别和频段为2.4GHz、433MHz、470MHz、780MHz、WiFi 5个类型时，则对应的设置有5个通道，即对应的通道标识符为F1、F2、F3、F4、F5，所述的F1-F5通道均可同时接入并完成数据从无线传感网WSN端到远端Internet主机的通信过程，边界节点与接入设备之间通信采用自定义协议封装格式或者标准SLIP协议封装格式。

进一步的，步骤101中的接入设备是基于以下模块组成：三星ARM9处理器，与处理器连接的64Mbytes SDRAM和64Mbytes Nand-Flash，2.4GHz无线射频收发模块UZ/US240，433MHz无线射频收发模块、470MHz无线射频收发模块、780MHz无线射频收发模块、STM32F103控制器，WiFi无线射频收发模块RT3070，嵌入式平台上运行linux操作系统。

进一步的，所述的接入设备采用四层协议模型，链路层、网络层、传输层及应用层，传感网协议层次和标准TCP/IP协议层次实现对等层的适配。

进一步的，所述无线传感网WSN端和Internet端端系统和接入设备中间系统均采用全局IP化方法实现端到端通信。赋予每一个节点IP地址，实现无线传感网WSN端和Internet的互联互通。

进一步的，所述无线传感网WSN内每个节点具有一个IPv6地址和一个EUI-64位长地址，传感网在节点加入边界节点形成的网络时，边界节点利用节点的64位长地址并通过地址分配算法为节点分配16位短地址，用于无线传感网WSN内部通信。

进一步的，所述无线传感网WSN IPv6协议与Internet IPv4协议之间的适配过程中运用了动态地址映射机制，地址类型包括源IPv6地址、目的IPv6地址、源IPv4地址、目的IPv4地址，源IPv6地址指代传感器节点的IPv6地址，目的IPv6地址使用内嵌IPv4地址的IPv6地址表示，该地址中第一部分是IPv6前缀信息，第二部分是以IPv4地址的十六进制表示，源IPv4地址是预先设定的一个IPv4地址池，以供源IPv6地址和源IPv4地址映射所需。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明在传感网的多接入方法中比较新颖，其一，该方法能满足多类传感网同时接入Internet的需求，系统的接入端口可以实现热插拔，遵循相应IP协议的传感网可以随时将数据接入该接入设备；其二，该方法使用的协议适配机制能满足IPv4协议和IPv6协议的相互适配，当Internet端运行的是IPv4协议时，6LoWSN传感网的IPv6数据可以在接入设备中进行协议的适配，将传感网的IPv6协议适配为Internet运行的IPv4协议，最终将传感网的传感数据发送到远端指定的Internet主机，相反同理；其三，该接入设备还支持多种接入方式，传感网端包括串口接入，USB接入，SPI总线接入，Internet接入端包括WiFi通信方式接入，3G/4G通信方式接入，以太网口接入，实现了传感网和多种通信网的融合。该发明所涉及的方法具有广阔的应用前景，特别是在物联网或传感网的信息拓展领域可以得到充分应用。

附图说明

图1是按照本发明优选实施例多通道接入设备功能模块示意图；

图2本发明中433MHz、470MHz、780MHz、WiFi频段数据流示意图；

图3本发明中2.4GHz频段数据流示意图；

图4本发明中边界节点与接入设备的链路层SLIP通信协议图；

图5本发明中IPv4和IPv6包封装格式示意图；

图6本发明中多通道接入模块上行通道程序流程图；

图7本发明中多通道接入模块下行通道程序流程图；

图8本发明中IPv6数据包向IPv4数据包转换程序流程图；

图9本发明中IPv4数据包向IPv6数据包转换程序流程图；

图10为本发明的设备连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出一个非限定的实施例对本发明作进一步的阐述。但是应该理解，这些描述只是示例的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

如图1为如图1所示，接入设备需要完成传感网与Internet的互联互通要求，并且无线传感网端是引入了IPv6的协议，Internet端是基于IPv4的协议，接入设备需要完成二层、三层协议的转换。(下面段落是针对于图一整体说明所发明内容的处理过程，是一个总的说明内容，根据本发明方法给出的实施例，该实施例涉及所发明的基本内容，6LoWSN传感网采用多频段接入接入设备，该接入过程需要完成各个驱动在linux系统下的实现。应用空间6LoWSN-stack负责2.4G频段数据接收和解析并将数据发送给多通道采集及通道标识模块，多通道采集及通道标识模块负责轮询扫描传感网的接入端口并采集传感网多频段的接入数据，接收到数据后完成其相应的解封装和标识符添加操作后将数据发送给协议适配地址转换模块，该模块将传感网的IPv6协议数据适配为当前Internet的IPv4协议数据数据，该过程涉及地址转换和协议适配两方面内容，具体参考发明内容说明部分，最后通过以太网口、WiFi、3G/4G等多种方式将IPv4数据信息发送到Internet的目的主机，下行数据按照逆向操作即可。

接入设备是以ARM处理器为载体，搭载嵌入式linux系统，充分利用硬件较高的处理效率和软件强大的系统资源，系统搭建需要完成linux系统下各个硬件外设的内核空间驱动设计以及用户空间多通道模块、6LoWSN协议栈模块、协议适配模块的设计。

传感网端接入5个类型的传感网，均引入了IPv6协议，根据频段和类型划分为：2.4GHz、433MHz、470MHz、780MHz、WiFi 5个类型。由于软硬件接口类型和传感网接入方式的不同，可以采用单射频SPI接口接入、RS-232串口接入，基于多路扩展芯片的SPI接口接入、USB接入等方式。所有的硬件外设均需要与用户空间的进程实现通信，因此需要进行内核空间的驱动接口设计。例如2.4GHz频段的驱动采用SPI接口方式与主控单元进行通信，需要完成主控SPI寄存器初始化，注册主控单元的外部中断，通过SPI初始化外部射频单元寄存器并完成工作信道、PANID、短地址、长地址等信息的设定。以上工作均是在嵌入式linux系统下完成，驱动的设计需要具备驱动模块加载函数、驱动模块卸载函数、GNU通用公共许可证三个必要部分。

2.4GHz频段的6LoWSN-Stack模块是将6LoWSN-Stack移植到嵌入式linux系统中实现，由于边界节点需要完成节点入网、数据包路由、网络管理、数据收发等众多功能，这样的需求对节点的性能提出了较高的要求，所以将该频段边界节点的所有功能移植到嵌入式linux系统下实现，不再设立单独的边界节点用于传感网的数据接入，接入设备同时作为边界节点功能存在，由此大大提高了该角色的处理能力，同时满足了边界节点对软硬件资源的需求。

Internet接入端采用多种接入方式达到通信目的，如WiFi、以太网、2G/3G等通信方式，实现了传感网和通信网的融合。在嵌入式linux系统中需要完成WiFi网卡和2G/3G网卡驱动的移植。(下面两段是添加图2图3后在正文中的解释说明)

如图2所示，433MHz、470MHz、780MHz、WiFi频段的传感网节点的数据是通过边界节点(6LoWSN Border Node)接入接入设备，该方式中边界节点和接入设备使用不用的处理器，两者使用SLIP协议进行数据交互。节点的IPv6数据包发送给边界节点后，边界节点完成IEEE 802.15.4标准所涉及层的解析任务，将IPv6报文封装SLIP链路层协议，最终将数据发送给接入设备。接入设备首先完成IPv6协议到IPv4协议的适配，再将该数据封装以太网协议头发送到IPv4的网络中。下行数据流进行逆向操作即可。

如图3所示，2.4GHz频段传感网节点的数据是直接发送给接入模块，传感网的边界节点功能已经全部移植到接入模块中，其边界节点的功能在接入设备中是以6LoWSN Coordinator Process的形式表现。节点的IPv6数据包发送给接入设备后，接入设备中的6LoWSN Coordinator Process完成IEEE 802.15.4标准所涉及层的解析任务，将网络层IPv6报文通过进程间通信方式传递给地址翻译模块，该模块完成网络层IPv6协议到IPv4协议的适配，再将该数据封装以太网帧头发送到IPv4的网络中。下行数据流进行逆向操作即可。

如图4所示，本发明中牵涉串行IP数据通信问题，在串口接入方式中，为了在串行线路上实现对传感网IP报文的承载，选用RFC 1055[Romkey 1988]所描述的SLIP链路层协议对传感网IP报文进行封装和传输，并且接入设备的内核支持该协议类型，从而解决了边界节点与接入设备间使用RS-232串行端口进行IP数据通信的问题。

如图5所示，本发明中地址协议转换模块的任务是将IPv4数据包和IPv6数据包相互转换，从图中可以看出，整个转换需要对网络层和链路层分别处理，其中最核心的部分是网络层的IPv4报头和IPv6报头之间的相互转换。将使用地址池映射方式将IPv6地址和IPv4地址进行绑定，并对IPv6报头和IPv4报头相应字段进行转换，IPv6扩展报头转换可以参照图6和图7。

如图6所示，本发明中多通道接入模块上行程序流程图说明传感网端数据的接入问题，该多通道接入模块通过设定相应的设备描述符来标识各个传感网通道，并采用轮询扫描机制判定通道的数据到达情况，当通道有数据到达则立即读取并存入各自的接收缓冲区，模块再对接收缓冲区的数据包进行处理。首先为数据包添加通道标识符，并更新数据包IP报头和UDP报头中的长度字段信息，随后进行校验和字段的更新，最终将该数据包交付给下一个处理进程。

如图7所示，本发明中多通道接入模块下行处理流程图说明下行数据分流问题，多通道模块收到地址协议转换模块发来的IPv6数据后，依据通道标识符进行传感网通道判别，并交由特定通道的接口函数处理。首先删除通道标识符，并更新数据包IP报头和UDP报头中的长度字段信息，随后进行校验和字段的更新，最终将该数据包通过标识符指定的接口发送到指定的传感网边界节点中，边界节点再决定该数据包在传感网内部的流向。

如图8所示，本发明中IPv6数据包向IPv4数据包转换流程图解决IPv6协议到IPv4协议的适配问题。该模块从套接字数据缓冲区队列中提取待转换的IPv6报文，检查报文的合法性，如果合法性检查通过，则开始协议转换。首先是网络层IP报头的转换，接着依照IPv6报头中的下一个报头字段进行转换，最后发送ARP请求，获取下一跳主机硬件地址并修改链路层帧格式中的相应域，最终将该IPv6数据包转换为IPv4数据包，借助原始套接字将该以太网帧发送到Internet。

如图9所示，本发明中IPv4数据包向IPv6数据包转换流程图解决IPv4协议到IPv6协议的适配问题。该模块的处理过程和上行处理过程相反，与IPv6数据包转换为IPv4数据包过程的区别主要是要处理数据包分片的问题，因为IPv6标准中规定IPv6数据包的分片操作是由源节点一次性解决而在传输的途中不再进行分片操作。在IPv4协议中，分片是由中间网络设备参与处理的。完成IPv4数据包到IPv6数据包的转换以后将该IPv6数据包通过进程间通信(IPC，Inter Process Communication)传输到下一模块处理。

针对所涉及的传感网频段和类型，提出传感网接入Internet的模型，该模型主要解决异构网络之间的多通道并行接入、设备标识符的循环扫描、异构网之间的协议适配、动态地址映射等内容。

多通道传感网接入Internet中使用边界节点汇聚各个传感网的信息，多个边界节点再将各个传感网的信息输入到接入设备，接入设备通过设备标识符轮询机制可以接收当前通道的数据，实现多通道数据的并行接入。

图10为本发明的设备连接示意图。

本发明的接入设备是基于以下模块组成：三星ARM9处理器，与处理器连接的64Mbytes SDRAM和64Mbytes Nand-Flash，2.4GHz无线射频收发模块UZ/US240，433MHz无线射频收发模块及STM32F103控制器，470MHz无线射频收发模块及STM32F103控制器，780MHz无线射频收发模块及STM32F103控制器，WiFi无线射频收发模块RT3070，嵌入式平台上运行linux操作系统。

在接入设备中运行的协议有基于IPv6协议的传感网协议栈6LoWSN，接入设备支持IEEE 802.11协议和TCP/IP协议等。接入设备将完成数据在无线网络端和Internet端的双向传输，实现多种协议间的自由转换。

接入设备采用四层协议模型，链路层、网络层、传输层、应用层，传感网协议层次和标准TCP/IP协议层次实现对等层的适配。

本发明设计的端系统(End system)和中间系统(Intermediate system)均采用全局IP化方法实现端到端通信。赋予每一个节点IP地址，从而实现传感网和Internet的互联互通。

IPv6的传感网内每个节点具有一个IPv6地址和一个EUI-64位长地址，传感网在节点(RFD)加入边界节点(FFD)形成的网络时，边界节点利用节点的64位长地址并通过地址分配算法为节点分配16位短地址，用于传感网内部通信。

边界节点在接受普通节点的入网申请以后将为该节点维护一张地址映射表，记录其IP地址和短地址信息以便两者通信所需。

节点发往Internet的IPv6数据经边界节点解析以后传输到接入设备的网络层，在该过程中提取该数据包源IPv6地址、目的IPv6地址。从地址协议转换模块的IPv4地址池中提取IPv4地址绑定源IPv6地址，使用该IPv4地址作为源IPv4地址，使用内嵌IPv4地址的目的IPv6地址中的IPv4地址段作为目的IPv4地址，IP头部经过协议转换构成标准的IPv4包，构造ARP数据包请求目的端主机以太网地址,接收ARP应答填充数据包以太网首部字段信息并完成数据帧发送。

Internet端主机需要发送数据包到传感网内部节点时则依照如下格式发送数据包：目的IPv4地址为地址协议转换模块中的地址池地址，源IPv4地址为主机IPv4地址，以太网目的地址为接入设备以太网地址，以太网源地址为Internet主机以太网地址。

地址协议转换模块收到Internet主机的数据帧后解析到网络层检测目的IPv4地址为地址协议转换模块地址池中的IPv4地址，则判断出该数据包是发往传感网端，进而从地址池中提取该IPv4地址对应的IPv6地址充当该数据包的目的IPv6地址，使用内嵌IPv4地址的IPv6地址作为源IPv6地址，内嵌的IPv4地址使用该数据包的源IPv4地址构成，完成地址转换过程。

对数据包的IP头部各字段进行IPv4到IPv6的协议翻译过程，UDP首部字段作为传输层内容不需要进行实质的变动，UDP负载信息根据特定的应用层协议需要进行约定，完成相关应用功能的端到端实现。

地址协议转换模块处理完以后将该IPv6数据包封装SLIP(Serial Line IP)协议发送到传感网的边界节点中，边界节点根据该数据包的目的IPv6地址进行短地址映射，将该数据包发送到指定的传感网节点端。

本发明针对于传感网多通道接入Internet的通信问题，从传感网协议特点和信息共享需求等多个角度出发，提出一种支持6LoWSN多通道接入Internet的方法，解决传感网和Internet全局IP化问题，真正意义上实现端到端节点间的通信问题；并提出多个通道并行接入，最大化满足多类传感网信息共享的需求，不同的传感网协议均可以按照指定封装格式接入到Internet，经过端口轮询、协议翻译、地址转换、通道标识等方法实现了网络接入的灵活性，合理性。保证了传感网采集的各类信息都可以远程传输到监控终端，并可实现对传感网节点的远程监控，该方法可以广泛应用在智能家居、综合安防、智能电网、环境监测、智能交通、工业控制、智能医疗等领域。

本发明还具有以下优点：

(1)接入设备可以搭载WiFi模块，使用WiFi通信方式实现接入设备和Internet的互联。

(2)由于linux系统软件资源丰富，接入设备可以搭载3G/4G模块，实现WSN和3G/4G网络的融合。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (7)

1.一种支持多频段6LoWSN并行接入Internet的方法，所述无线传感网WSN端采用IPv6协议，Internet端采用IPv4协议，其特征在于，包括以下步骤：

101、在所述无线传感网WSN端和Internet端之间设置接入设备，所述接入设备根据类别和频段设置有M个通道，所述接入设备与无线传感网WSN端之间还设置有边界节点，在接入设备中建立统一的设备标识符以唯一确定各个边界节点；

102、当无线传感网WSN端有数据通过通道传入接入设备后，建立设备标识符轮询机制以得知标识符当前状态，有数据则将该通道的数据接收并添加通道标识符，所述通道标识符在数据包中标识数据来源；

103、当添加通道标识符后，重新计算数据包的长度和校验字段，确保数据包正确到达目的IPv4主机；传感网传输的是IPv6协议类型的数据，当前Internet是IPv4，将IPv6协议和IPv4协议IP头部各个字段对应解析和适配。将数据传输到IPv4的Internet中。

2.根据权利要求1所述的支持多频段6LoWSN并行接入Internet的方法，其特征在于，当接入设备的类别和频段为2.4GHz、433MHz、470MHz、780MHz、WiFi 5个类型时，则对应的设置有5个通道，即对应的通道标识符为F1、F2、F3、F4、F5，所述的F1-F5通道均可同时接入并完成数据从无线传感网WSN端到远端Internet主机的通信过程，边界节点与接入设备之间通信采用自定义协议封装格式或者标准SLIP协议封装格式。

3.根据权利要求1所述的支持多频段6LoWSN并行接入Internet的方法，其特征在于，步骤101中的接入设备是基于以下模块组成：三星ARM9处理器，与处理器连接的64Mbytes SDRAM和64Mbytes Nand-Flash，2.4GHz无线射频收发模块UZ/US240，433MHz无线射频收发模块、470MHz无线射频收发模块、780MHz无线射频收发模块、STM32F103控制器，WiFi无线射频收发模块RT3070，嵌入式平台上运行linux操作系统。

4.根据权利要求3所述的支持多频段6LoWSN并行接入Internet的方法，其特征在于，所述的接入设备采用四层协议模型，链路层、网络层、传输层及应用层，传感网协议层次和标准TCP/IP协议层次实现对等层的适配。

5.根据权利要求1所述的支持多频段6LoWSN并行接入Internet的方法，其特征在于，所述无线传感网WSN端和Internet端端系统和接入设备中间系统均采用全局IP化方法实现端到端通信。赋予每一个节点IP地址，实现无线传感网WSN端和Internet的互联互通。

6.根据权利要求1所述的支持多频段6LoWSN并行接入Internet的方法，其特征在于，所述无线传感网WSN内每个节点具有一个IPv6地址和一个EUI-64位长地址，传感网在节点加入边界节点形成的网络时，边界节点利用节点的64位长地址并通过地址分配算法为节点分配16位短地址，用于无线传感网WSN内部通信。

7.根据权利要求1所述的支持多频段6LoWSN并行接入Internet的方法，其特征在于，所述无线传感网WSN IPv6协议与Internet IPv4协议之间的适配过程中运用了动态地址映射机制，地址类型包括源IPv6地址、目的IPv6地址、源IPv4地址、目的IPv4地址，源IPv6地址指代传感器节点的IPv6地址，目的IPv6地址使用内嵌IPv4地址的IPv6地址表示，该地址中第一部分是IPv6前缀信息，第二部分是以IPv4地址的十六进制表示，源IPv4地址是预先设定的一个IPv4地址池，以供源IPv6地址和源IPv4地址映射所需。