CN105991555A - 基于6LoWPAN的网络连接方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于6LoWPAN的网络连接方法，包括以下步骤：基于LwIP建立包括应用层、传输层、IP层以及物理层的6LoWPAN+RPL协议栈模型；在所述IP层和所述物理层之间增加6LoWPAN适配层，以完成MAC管理、6LoWPAN的帧压缩、帧分片和帧重组。本发明还公开了一种基于6LoWPAN的网络连接系统。本发明基于LwIP建立包括应用层、传输层、IP层以及物理层的6LoWPAN+RPL协议栈模型，并在所述IP层和所述物理层之间增加6LoWPAN适配层，使得节点与网关具有较高的通信效率；并且所述网络连接方法支持MAC数据帧的分片和重组，可以发送任意长度的数据。

Description

基于6LoWPAN的网络连接方法及其系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于6LoWPAN的网络连接方法及其系统。

背景技术

在物联网领域，无线通信技术主要有厂家自定义射频和IEEE 802.15.4标准射频两种。前者射频和具体的厂家有关，应用的兼容性受到很大限制。后者为不同厂家的物联网应用提供了统一的射频标准。长期以来，基于IEEE802.15.4的射频和网络层规范都是基于zigbee协议。zigbee协议这种非TCP/IP协议的专有协议对于设备直接接入互联网有很大的限制，而将TCP/IP协议引入IEEE 802.15.4无线通信网络一直被认为是不现实的。而6LoWPAN(IPv6 overLow power Wireless Personal Area Network，基于IPv6的低速无线个域网)标准的发布已经改变了这一格局。

6LoWPAN是基于IEEE 802.15.4的一个网络层规范，IEEE 802.15.4通过其以运行IPv6协议栈。6LoWPAN所具有的低功率运行的潜力，使它很适合应用在从手持机到仪器的设备中，而其对AES-128加密的内置支持为强健的认证和安全性打下了基础。随着IPv4地址的耗尽，IPv6才是无线通信技术发展的方向。而随着物联网技术的发展，将进一步推动IPv6的部署与应用。6LoWPAN技术具有无线低功耗、自组织网络的特点，是物联网感知层、无线传感器网络的重要技术，ZigBee新一代智能电网标准中SEP2.0已经采用6LoWPAN技术。

随着通信任务变得更加复杂，6LoWPAN也相应调整。为了与嵌入式网络之外的设备通信，6LoWPAN增加了更大的IP地址。当交换的数据量小到可以放到基本包中时，可以在没有开销的情况下打包传送。对于大型传输，6LoWPAN增加分段包头来跟踪信息如何被拆分到不同段中。如果单一跳802.15.4就可以将包传送到目的地，数据包可以在不增加开销地情况下传送。多跳则需要加入网状路由包头。

目前，6LoWPAN协议栈的实现有开源软件，也有非开源软件。开源软件有contiki以及TinyOS，这两个操作系统均可完整实现6LoWPAN协议栈。也有具有较高稳定性的操作系统，但由于开发成本过高，这些稳定的操作系统并没有实现开源。

Contiki操作系统基于uIP(微型TCP/IP协议栈)实现了完整的6LoWPAN协议栈，但由于uIP的局限，其只有一个数据缓冲区，使得Contiki操作系统分片重组能力较差，无法一次性发送较大的数据包，网卡模型结构较差，只能基于一张IEEE 802.15.4的网卡，不支持多网卡操作，不能支持IPv4和IPv6双协议栈。而TinyOS采用NestC语言开发，应用较少，功能也有限，也不能解决Contiki的单个缓冲器等问题，也不能支持IPv6和IPv4双协议栈。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种基于6LoWPAN的网络连接方法及其系统，使得节点与网关具有较高的通信效率、可以发送任意长度的数据。

为实现上述目的，本发明提供的一种基于6LoWPAN的网络连接方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

基于LwIP(Light Weight，轻型IP协议)建立包括应用层、传输层、IP层以及物理层的6LoWPAN+RPL(IPv6Routing Protocol for Low-Power andLossy Networks，低功耗有损网络路由协议)协议栈模型；

在所述IP层和所述物理层之间增加6LoWPAN适配层，以完成MAC管理、6LoWPAN的帧压缩、帧分片和帧重组。

优选地，所述基于LwIP建立包括应用层、传输层、IP层以及物理层的6LoWPAN+RPL协议栈模型的步骤包括：

在所述6LoWPAN+RPL协议栈模型中，所述IP层和所述传输层通过网络地址转换的方式实现IPv6与IPv4的转换。

优选地，所述在所述IP层和所述物理层之间增加6LoWPAN适配层的步骤包括：

所述6LoWPAN适配层向所述IP层提供IPv6对标准媒介的访问支持。

优选地，所述在所述IP层和所述物理层之间增加6LoWPAN适配层的步骤还包括：

所述6LoWPAN适配层在所述物理层开发标准射频的驱动程序。

优选地，所述6LoWPAN+RPL协议栈模型的IP层适用于RPL路由协议。

此外，为实现上述目的，本发明还提供一种基于6LoWPAN的网络连接系统，其特征在于，所述系统包括：

6LoWPAN+RPL协议栈模型，用于实现节点与网关之间的通信；

所述6LoWPAN+RPL协议栈模型包括：应用层、传输层、IP层、6LoWPAN适配层以及物理层；

所述6LoWPAN适配层位于所述IP层和所述物理层之间，用于完成所述6LoWPAN+RPL协议栈模型的MAC管理、6LoWPAN的帧压缩、帧分片和帧重组。

优选地，所述IP层和所述物理层还包括：

通过网络地址转换的方式实现IPv6与IPv4的转换。

优选地，所述6LoWPAN适配层还用于：

向所述IP层提供IPv6对标准媒介的访问支持。

优选地，所述6LoWPAN适配层还用于：

在所述物理层开发标准射频的驱动程序。

优选地，所述6LoWPAN+RPL协议栈模型还包括：

LAN口，所述LAN口为6LoWPAN接口，LAN口连接IPv6网络；

WAN口，6LoWPAN+RPL协议栈模型将以太网或者3G接口作为所述WAN口，通过WAN口实现IPv4和IPv6网关。

本发明提出的一种基于6LoWPAN的网络连接方法及其系统，基于LwIP建立包括应用层、传输层、IP层以及物理层的6LoWPAN+RPL协议栈模型，并在所述IP层和所述物理层之间增加6LoWPAN适配层，使得节点与网关具有较高的通信效率；并且所述网络连接方法支持MAC数据帧的分片和重组，可以发送任意长度的数据；本发明的网络连接方法及其系统主要可使用于无线传感网络、智能农业、路灯监控、智能楼宇、工业监控等应用领域。

附图说明

图1为本发明基于6LoWPAN的网络连接方法一实施例的流程示意图；

图2为本发明基于6LoWPAN的网络连接系统中6LoWPAN+RPL协议栈模型的结构示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种基于6LoWPAN的网络连接方法，可应用于无线传感网络、智能农业、路灯监控、智能楼宇、工业监控等应用领域。

参照图1，图1为本发明基于6LoWPAN的网络连接方法第一实施例的流程示意图。

该基于6LoWPAN的网络连接方法方法包括：

步骤S10，基于LwIP建立包括应用层、传输层、IP层以及物理层的6LoWPAN+RPL协议栈模型；在所述IP层和所述物理层之间增加6LoWPAN适配层，以完成MAC管理、6LoWPAN的帧压缩、帧分片和帧重组。

LwIP为轻型IP协议，是一个小型开源的TCP/IP协议栈。在本实施例中，6LoWPAN+RPL协议栈模型基于LwIP开发，充分利用了LwIP的缓冲区管理，基于LwIP重新实现了6LoWPAN协议栈。

6LoWPAN+RPL协议栈模型由于在IP层和物理层之间增加6LoWPAN适配层，使其同时支持几个包的缓冲，可以分片同时接受多个数据包，同时实现RPL路由协议，实现基于IPv6的无线自组网功能；设备IPv6地址自动分配，自动路由选择；同时支持多网卡，可以同时连接多个6LoWPAN网卡，也可以同时连接6LoWPAN网卡和以太网网卡。并且如果要实现网关，仅仅一个处理器就可以实现，只需要路由转发功能即可。

本实施例的网络连接方法基于LwIP建立包括应用层、传输层、IP层以及物理层的6LoWPAN+RPL协议栈模型，并在所述IP层和所述物理层之间增加6LoWPAN适配层，使得节点与网关具有较高的通信效率；并且所述网络连接方法支持MAC数据帧的分片和重组，可以发送任意长度的数据。

6LoWPAN适配层的基本功能包括：对分片和重组做深度优化、链路层的分片和重组、头部压缩、组播支持、网络拓扑构建和地址分配等，其中：

分片和重组：IPv6规定数据链路层最小MTU(Maximum TransmissionUnit，最大传输单元)为1280字节，对于不支持该MTU的链路层，协议要求必须提供对IPv6透明的链路层的分片和重组。因此，6LoWPAN适配层需要通过对IP报文进行分片和重组来传输超过IEEE 802.15.4MAC层最大帧长的报文。

组播支持：组播在IPv6中有非常重要的作用，IPv6特别是邻居发现协议的很多功能都依赖于IP层组播。此外，WSN(Wireless Sensor Network，无线传感器网络)的一些应用也需要MAC层广播的功能。IEEE 802.15.4MAC层不支持组播，但提供有限的广播功能，6LoWPAN适配层利用可控广播共泛的方式来在WSN中传播IP组播报文。

头部压缩：在不使用安全功能的前提下，IEEE 802.15.4MAC层的最大数据帧为102字节，而IPv6报文头部为40字节，再减去6LoWPAN适配层和传输层头部，应用数据空间剩余50字节左右。为了满足IPv6在IEEE 802.15.4传输的MTU，一方面可以通过分片和重组来传输大于102字节的IPv6报文，另一方面可通过对IPv6报文进行压缩来提高传输效率和节省节点能量。为了实现压缩，在适配层头部后增加一个头部压缩编码字段，该字段指出IPv6头部中将被压缩的可压缩字段；还可对上层协议头部进行进一步压缩，以提高传输效率。

网络拓扑构建和地址分配：IEEE 802.15.4标准对中MAC层提供包括信道扫描、网络维护等原语。但MAC层并不负责调用原语以形成网络拓扑、并对拓扑进行维护，因此6LoWPAN适配层实现调用原语进行拓扑维护的工作。

步骤S20，在所述6LoWPAN+RPL协议栈模型中，所述IP层和所述传输层通过网络地址转换的方式实现IPv6与IPv4的转换。

为了简化6LoWPAN节点直接访问互联网，减少隧道路由器的使用，本实施例通过网络地址转换的方式实现的IPv6转IPv4的路由器，具体地，该网络地址转换方式为类似于NAT(Network Address Translation，网络地址转换)的方式。即该6LoWPAN+RPL协议栈模型相当于网关有一个以太网接口或者3G接口作为WAN口，6LoWPAN接口为LAN口；其中WAN口实现IPv4和IPv6的双协议栈，LAN口实现IPv6协议栈。这是基于IPv6是无线自组网技术，各个设备通过网关自动获取IPv6地址，支持多达200个节点设备的入网。节点和网关支持完整的6LoWPAN+RPL+IPv6协议栈，并且网关支持IPv6转IPv4的功能，允许节点直接访问互联网。通过网络地址转换的方式实现的IPv6转IPv4，通过本发明的方法可以直接访问互联网，可提极大升系统的通信性能和应用体验。

步骤S30可以包括：所述6LoWPAN适配层向所述IP层提供IPv6对标准媒介的访问支持。

进一步地，上述步骤S30还可以包括：所述6LoWPAN适配层在所述物理层开发标准射频的驱动程序。

6LoWPAN适配层是IPv6网络和IEEE 802.15.4物理层间的一个中间层，其向上提供IPv6对IEEE 802.15.4媒介访问支持，向下则控制LoWPAN网络构建、拓扑及MAC层路由。

步骤S40包括：6LoWPAN+RPL协议栈模型的IP层适用于RPL路由协议。

在IP层，本发明6LoWPAN的网络连接方法按照RFC6550,完整实现了RPL路由协议，包括基于ICMPv6(Internet Control Managemet Protocol Version6，互联网控制信息协议版本六)的RPL消息实现，RPL路由算法实现等。基于IP层还实现了完整的RPL路由协议，这是专门为无线物联网制定的低功耗自组网路由协议。

基于本发明6LoWPAN的网络连接方法中的协议栈模型，可开发出6LoWPAN网关和6LoWPAN模块产品，并且6LoWPAN模块和6LoWPAN网关可以组成一个无线mesh网络，该无线mesh网络由mesh routers(路由器)和mesh clients(客户端)组成，每个6LoWPAN网关或6LoWPAN模块都有一个唯一的IPv6地址。

本发明进一步提供一种基于6LoWPAN的网络连接系统。

参照图2，图2为本发明基于6LoWPAN的网络连接系统中6LoWPAN+RPL协议栈模型的结构示意图。

在本实施例中，基于6LoWPAN的网络连接系统包括：

6LoWPAN+RPL协议栈模型，用于实现节点与网关之间的通信；

6LoWPAN+RPL协议栈模型包括：应用层、传输层、IP层、6LoWPAN适配层以及物理层；

6LoWPAN适配层位于IP层和物理层之间，用于完成6LoWPAN+RPL协议栈模型的MAC管理、6LoWPAN的帧压缩、帧分片和帧重组。

6LoWPAN+RPL协议栈模型由于在IP层和物理层之间增加6LoWPAN适配层，使其同时支持几个包的缓冲，可以分片同时接受多个数据包；同时支持多网卡，可以同时连接多个6LoWPAN网卡，也可以同时连接6LoWPAN网卡和以太网网卡。并且如果要实现网关，仅仅一个处理器就可以实现，只需要路由转发功能即可。

本实施例的网络连接方法基于LwIP建立包括应用层、传输层、IP层以及物理层的6LoWPAN+RPL协议栈模型，并在所述IP层和所述物理层之间增加6LoWPAN适配层，使得节点与网关具有较高的通信效率；并且所述网络连接方法支持MAC数据帧的分片和重组，可以发送任意长度的数据。

6LoWPAN适配层还用于：向所述IP层提供IPv6对标准媒介的访问支持。

进一步地，6LoWPAN适配层还用于：在所述物理层开发标准射频的驱动程序。

本实施例中，IP层和所述物理层还包括：

通过网络地址转换的方式实现IPv6与IPv4的转换。

进一步地，上述6LoWPAN+RPL协议栈模型还包括：

LAN口，所述LAN口为6LoWPAN接口，LAN口连接IPv6网络；

WAN口，6LoWPAN+RPL协议栈模型将以太网或者3G接口作为所述WAN口，通过WAN口实现IPv4和IPv6网关。

其中WAN口实现IPv4和IPv6的双协议栈，LAN口实现IPv6协议栈。通过网络地址转换的方式实现的IPv6转IPv4，通过本发明的方法可以直接访问互联网，可提极大升系统的通信性能和应用体验。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于6LoWPAN的网络连接方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

基于LwIP建立包括应用层、传输层、IP层以及物理层的6LoWPAN+RPL协议栈模型；

在所述IP层和所述物理层之间增加6LoWPAN适配层，以完成MAC管理、6LoWPAN的帧压缩、帧分片和帧重组。

2.如权利要求1所述的基于6LoWPAN的网络连接方法，其特征在于，所述基于LwIP建立包括应用层、传输层、IP层以及物理层的6LoWPAN+RPL协议栈模型的步骤包括：

在所述6LoWPAN+RPL协议栈模型中，所述IP层和所述传输层通过网络地址转换的方式实现IPv6与IPv4的转换。

3.如权利要求1所述的基于6LoWPAN的网络连接方法，其特征在于，所述在所述IP层和所述物理层之间增加6LoWPAN适配层的步骤包括：

所述6LoWPAN适配层向所述IP层提供IPv6对标准媒介的访问支持。

4.如权利要求3所述的基于6LoWPAN的网络连接方法，其特征在于，所述在所述IP层和所述物理层之间增加6LoWPAN适配层的步骤还包括：

所述6LoWPAN适配层在所述物理层开发标准射频的驱动程序。

5.如权利要求1-4中任意一项所述的基于6LoWPAN的网络连接方法，其特征在于，所述6LoWPAN+RPL协议栈模型的IP层适用于RPL路由协议。

6.一种基于6LoWPAN的网络连接系统，其特征在于，所述系统包括：

6LoWPAN+RPL协议栈模型，用于实现节点与网关之间的通信；

所述6LoWPAN+RPL协议栈模型包括：应用层、传输层、IP层、6LoWPAN适配层以及物理层；

所述6LoWPAN适配层位于所述IP层和所述物理层之间，用于完成所述6LoWPAN+RPL协议栈模型的MAC管理、6LoWPAN的帧压缩、帧分片和帧重组。

7.如权利要求6所述的基于6LoWPAN的网络连接系统，其特征在于，所述IP层和所述物理层还包括：

通过网络地址转换的方式实现IPv6与IPv4的转换。

8.如权利要求6所述的基于6LoWPAN的网络连接系统，其特征在于，所述6LoWPAN适配层还用于：

向所述IP层提供IPv6对标准媒介的访问支持。

9.如权利要求8所述的基于6LoWPAN的网络连接系统，其特征在于，

所述6LoWPAN适配层还用于：

在所述物理层开发标准射频的驱动程序。

10.如权利要求9所述的基于6LoWPAN的网络连接系统，其特征在于，所述6LoWPAN+RPL协议栈模型还包括：

LAN口，所述LAN口为6LoWPAN接口，LAN口连接IPv6网络；

WAN口，6LoWPAN+RPL协议栈模型将以太网或者3G接口作为所述WAN口，通过WAN口实现IPv4和IPv6网关。