CN107332752A - 基于6LoWPAN的长链状无线传感网络系统及其连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于6LoWPAN的长链状无线传感网络系统及其连接方法，系统包括6LoWPAN长链状无线传感器网络、IP路由器和互联网用户端；所述6LoWPAN长链状无线传感器网络，包括多个无线传输节点和一个边缘路由器，所述无线传输节点与所述边缘路由器为长链状拓扑结构，所述边缘路由器处于所述长链状网络的一端；所述IP路由器与所述6LoWPAN长链状无线传感器网络中的所述边缘路由器通过可通信方式连接；所述互联网用户端，通过互联网连接至所述IP路由器，以及经由所述IP路由器连接所述边缘路由器控制和查询所述无线传输节点。本发明在IP层和物理层之间增加6LoWPAN适配层，实现其在6LoWPAN域内通过802.15.4协议发送数据包，实现无线传输节点和边缘路由器与互联网之间的通信。

Description

基于6LoWPAN的长链状无线传感网络系统及其连接方法

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的长链状无线传感网络系统及其连接方法。

背景技术

长链状无线传感网络，是一种使用在特定环境中的传感器网络，广泛应用于路灯监测控制、电网输电线实时在线检测、河流沿岸环境监控等。就其目的而言，WSN必须接入互联网，使观察者可以通过互联网远程监控感知对象才具有更现实的意义。但是WSN节点受自身硬件性能及其工作环境的限制，将WSN直接接入互联网是不切实际的。而6LoWPAN(IPv6over Low 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。

互联网工程任务组(IETF)于2004年成立了6LoWPAN工作组，该工作组的目标是研究制定在低功耗无线个域网上运行IPv6协议栈的一系列技术与标准。与传统的因特网TCP/IP协议体系结构相比，6LoWPAN在层次结构上多了一个适配层，6LoWPAN在低层采用的是IEEE802.15.4的MAC(媒体访问控制子层)和物理层，而在网络层及以上使用IETF的IPv6协议栈。由于IPv6协议栈不能直接运行于802.15.4之上，6LoWPAN适配层的目的是在IPv6与无线传感网之间实现无缝连接。6LoWPAN适配层的关键技术主要包括：链路层的分片和重组、头部压缩、多播支持、网络拓扑构建和地址分配、以及MAC层路由。

IPv6应用于长链状网络中存在地址转换困难、数据丢失率高等问题。在长链状无线传感网络中，节点呈长链状分布，在这种特殊拓扑结构下，节点与节点之间的数据交换(特别是连续传输的时候)容易发生碰撞冲突。当网络内无线节点需要传输较大的IPv6数据报时，往往需要对数据报进行分段并连续发送。在这种网络环境下，分段后的IPv6数据报在连续发送过程中容易丢失，从而导致报文缺损，边缘路由器接收数据后无法对该数据报进行重组。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，一种基于6LoWPAN的长链状无线传感网络系统及其连接方法，实现基于6lowpan长链状无线传感器网络与互联网的互联互通，不仅提高数据传输效率，而且降低发送过程中数据报文间的冲突以及数据的丢失率，保证了数据的完整性。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明公开了一种基于6LoWPAN的长链状无线传感网络系统，包括6LoWPAN长链状无线传感器网络、IP路由器和互联网用户端；

所述6LoWPAN长链状无线传感器网络，包括多个无线传输节点和一个边缘路由器，所述无线传输节点与所述边缘路由器为长链状拓扑结构，所述边缘路由器处于所述长链状网络的一端，所述无线传输节点呈长链状向另一端延伸；

所述IP路由器与所述6LoWPAN长链状无线传感器网络中的所述边缘路由器通过可通信方式连接；

所述互联网用户端，通过互联网连接至所述IP路由器，以及经由所述IP路由器连接所述边缘路由器控制和查询所述无线传输节点。

作为优选的技术方案，所述6LoWPAN长链状无线传感器网络中的所述边缘路由器和所述无线传输节点之间通信遵循基于6LoWPAN的长链状无线传感器网络的最大路由半径的动态路由方法，所述边缘路由器通过所述IP路由器获取网络地址前缀，并传递至所述无线传输节点，所述无线传输节点利用获取的地址前缀及节点短地址生成IPv6地址，所述无线传输节点具备路由转发功能。

作为优选的技术方案，所述无线传输节点的地址由64位地址前缀和64位接口标识组成，所述64位地址前缀通过所述边缘路由器向所述IP路由器申请获得或采用本地链路地址前缀，所述接口标识由所述无线传输节点在所述长链状无线传感器网络中短地址构成。

作为优选的技术方案，所述的边缘路由器为节点分配网内短地址，以边缘路由器为参考，该短地址由所述无线传输节点与所述边缘路由器之间的距离决定。

作为优选的技术方案，所述的边缘路由器，通过网络地址转换的方式实现IPv6与IPv4的转换。

本发明还提供了一种基于6LoWPAN的长链状无线传感网络连接方法，包括加下述步骤：

S1、新的无线节点加入长链状网络的流程，具体为：

S11、新的无线节点入网时，该节点处于长链状网络的末端，向相邻的无线传输节点发送路由请求，相邻的无线传输节点接收到该请求后，向新的无线节点发送一条路由通告，并向边缘路由器发送节点注册消息；

S12、新的无线节点通过路由通告里的选项信息获取地址前缀；

S13、边缘路由器接收到上述节点注册消息后，为新的无线节点分配网内短地址，新的无线节点获取短地址后重新组合地址前缀与接口标识，从而获取唯一的IPv6地址；

S2、互联网用户端访问长链状无线网络的流程，具体为：

S21、网络初始化，完成长链状无线传感器网络IPv6地址注册，互联网用户端已知无线传输节点的IPv6地址；

S22、互联网用户端向无线节点发送指令时，应用层把需要发送的指令打包成UDP数据包，并设定源地址和目的地址，经由IP路由器发送给边缘路由器；

S23、边缘路由器对接收到的数据报进行处理：

S24、无线传输节点接收到数据报后，经IEEE802.15.4链路层解析得到6LoWPAN数据包，对数据报进行重组、解析，通过6LoWPAN适配层对6LoWPAN数据报解压缩成原始IPv6数据报；

S26、无线传输节点分析UDP封装的指令信息，并执行数据采集，构造IPv6数据包，执行下述步骤S3，并将数据包通过边缘路由器发送给互联网用户端；

S3、无线传感器网络访问互联网用户端的流程，具体为：

S31、无线传输节点进行数据采集并构造IPv6数据包，将IPv6地址进行压缩得到6LoWPAN地址，将无线传输节点的6LoWPAN地址作为源地址、互联网用户端IP地址作为目的地址构造6LoWPAN数据包，无线节点将6LoWPAN数据包封装成IEEE802.15.4数据包发送边缘路由器；

S32、边缘路由器解析IEEE802.15.4数据包得到6LoWPAN数据包，获取数据包中的互联网用户端IP地址，将无线传输节点的6LoWPAN地址解压为IPv6地址，若互联网用户端地址为IPv6地址，则根据无线传输节点的IPv6地址、互联网用户端IPv6地址构造IPv6数据包，将IPv6数据包发送互联网用户端；若互联网用户端地址为IPv4地址，需要将IPv6数据包通过网络数据转换为IPv4数据包，发送互联网用户端。

作为优选的技术方案，所述步骤S23中，缘路由器对接收到的数据报进行处理的具体方法为：

若数据报为IPv4格式，则需要将数据报转换为IPv6格式，然后将IPv6地址压缩成6LoWPAN地址，生成6LoWPAN数据报、经过IEEE802.15.4封装后分段处理，发送至无线传输节点；

若数据报为IPv6格式，将数据报中包含的用户端的IPv6地址和目的地址为无线传输节点的IPv6地址压缩成6LoWPAN地址，生成6LoWPAN数据报、经IEEE802.15.4链路封装后、分段处理，发送至无线传输节点。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明提供了一种基于6LoWPAN的长链状无线传感网络系统及其连接方法，在IP层和物理层之间增加6LoWPAN适配层，实现其在lowpan域内通过802.15.4协议发送数据包，使得无线传输节点与边缘路由器具有较高的通信效率。

2、本发明提出了互联网主动访问6lowpan长链状无线传感器网络流程和长链状无线传感器网络节点主动上报数据给互联网的流程，解决了基于6lowpan的长链状无线传感器网络与互联网用户端的互联互通问题。

3、本发明所述基于6LoWPAN的长链状无线传感网络通信采用最大路径的动态路由方法、支持数据报的分段处理，可以发送任意长度的数据，降低发送过程中数据报文间的冲突以及数据的丢失率，保证了数据的完整性。

附图说明

图1是本发明的基于6LoWPAN的长链状无线传感网络系统的架构示意图。

图2是本发明用户端到基于6LoWPAN的长链状无线传感网络的双向数据传输示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，一种基于6LoWPAN的长链状无线传感网络系,包括6LoWPAN长链状无线传感器网络、IP路由器和互联网用户端；

所述6LoWPAN长链状无线传感器网络，包括多个无线传输节点和一个边缘路由器，所述无线传输节点与所述边缘路由器为长链状拓扑结构，所述边缘路由器处于所述长链状网络的一端，所述无线传输节点呈长链状向另一端延伸；

所述IP路由器与所述6LoWPAN长链状无线传感器网络中的所述边缘路由器通过可通信方式连接；

所述互联网用户端，通过互联网连接至所述IP路由器，以及经由所述IP路由器连接所述边缘路由器控制和查询所述无线传输节点。

所述6LoWPAN长链状无线传感器网络中的所述边缘路由器和所述无线传输节点之间通信遵循基于6LoWPAN的长链状无线传感器网络的最大路由半径的动态路由方法，所述边缘路由器通过所述IP路由器获取网络地址前缀，并传递至所述无线传输节点，所述无线传输节点利用获取的地址前缀及节点短地址生成IP地址，所述无线传输节点具备路由转发功能。

所述无线传输节点的地址由64位地址前缀和64位接口标识组成，所述64位地址前缀通过所述边缘路由器向所述IP路由器申请获得或采用本地链路地址前缀，所述接口标识由所述无线传输节点在所述长链状无线传感器网络中短地址构成。

所述的边缘路由器为节点分配网内短地址，以边缘路由器为参考，该短地址由所述无线传输节点与所述边缘路由器之间的距离决定。

所述的边缘路由器，通过网络地址转换的方式实现IPv6与IPv4的转换。

如图2所示，一种基于6LoWPAN的长链状无线传感网络连接方法，包括加下述步骤：

S1、新的无线节点加入长链状网络的流程，具体为：

S11、新的无线节点入网时，该节点处于长链状网络的末端，向相邻的无线传输节点发送路由请求，相邻的无线传输节点接收到该请求后，向新的无线节点发送一条路由通告，并向边缘路由器发送节点注册消息；

S12、新的无线节点通过路由通告里的选项信息获取地址前缀；

S13、边缘路由器接收到上述节点注册消息后，为新的无线节点分配网内短地址，新的无线节点获取短地址后重新组合地址前缀与接口标识，从而获取唯一的IPv6地址；

S2、互联网用户端访问长链状无线网络的流程，具体为：

S21、网络初始化，完成长链状无线传感器网络IPv6地址注册，互联网用户端已知无线传输节点的IPv6地址；

S22、互联网用户端向无线节点发送指令时，应用层把需要发送的指令打包成UDP数据包，并设定源地址和目的地址，经由IP路由器发送给边缘路由器；

S23、边缘路由器对接收到的数据报进行处理：所述步骤S23中，缘路由器对接收到的数据报进行处理的具体方法为：

若数据报为IPv4格式，则需要将数据报转换为IPv6格式，然后将IPv6地址压缩成6LoWPAN地址，生成6LoWPAN数据报、经过IEEE802.15.4封装后分段处理，发送至无线传输节点；

若数据报为IPv6格式，将数据报中包含的用户端的IPv6地址和目的地址为无线传输节点的IPv6地址压缩成6LoWPAN地址，生成6LoWPAN数据报、经IEEE802.15.4链路封装后、分段处理，发送至无线传输节点。

S24、无线传输节点接收到数据报后，经IEEE802.15.4链路层解析得到6LoWPAN数据包，对数据报进行重组、解析，通过6LoWPAN适配层对6LoWPAN数据报解压缩成原始IPv6数据报；

S26、无线传输节点分析UDP封装的指令信息，并执行相应操作，构造IPv6数据包，执行下述步骤S3，并将数据包通过边缘路由器发送给互联网用户端；

S3、无线传感器网络访问互联网用户端的流程，具体为：

S31、无线传输节点进行数据采集并构造IPv6数据包，将IPv6地址进行压缩得到6lowpan地址，将无线传输节点的6lowpan地址作为源地址、互联网用户端IP地址作为目的地址构造6lowpan数据包，无线节点将6lowpan数据包封装成IEEE802.15.4数据包发送边缘路由器；

S32、边缘路由器解析IEEE802.15.4数据包得到6lowpan数据包，获取数据包中的互联网用户端IP地址，将无线传输节点的6lowpan地址解压为IPv6地址，若互联网用户端地址为IPv6地址，则根据无线传输节点的IPv6地址、互联网用户端IPv6地址构造IPv6数据包，将IPv6数据包发送互联网用户端；若互联网用户端地址为IPv4地址，需要将IPv6数据包通过网络数据转换为IPv4数据包，发送互联网用户端。

基于6LoWPAN的长链状无线传感网络系统中无线节点的协议栈模型包括：应用层、传输层、IP层、6LoWPAN适配层以及物理层；所述6LoWPAN适配层，用于完成对数据报的解析和压缩。

用户端向无线节点发送数据时，应用层把需要发送的指令打包成UDP数据包，通过以太网发送至边缘路由器，当边缘路由器接收的数据报为IPv6格式，则不需要进行数据报转换，直接利用6LoWPAN适配层对该数据报进行处理。若边缘路由器接收到的数据报为IPv4数据报，则需要把该数据报转换为IPv6格式。然后利用6LoWPAN适配层对该数据报进行压缩，如果数据报较大，则压缩后还需进行数据分段，最后发送至无线节点。无线节点接收到数据后，在6LoWPAN适配层对数据报进行解析，获取用户端指令并执行相应动作。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于6LoWPAN的长链状无线传感网络系统，其特征在于，包括6LoWPAN长链状无线传感器网络、IP路由器和互联网用户端；

所述6LoWPAN长链状无线传感器网络，包括多个无线传输节点和一个边缘路由器，所述无线传输节点与所述边缘路由器为长链状拓扑结构，所述边缘路由器处于所述长链状网络的一端，所述无线传输节点呈长链状向另一端延伸；

所述IP路由器与所述6LoWPAN长链状无线传感器网络中的所述边缘路由器通过可通信方式连接；

所述互联网用户端，通过互联网连接至所述IP路由器，以及经由所述IP路由器连接所述边缘路由器控制和查询所述无线传输节点。

2.根据权利要求1所述基于6LoWPAN的长链状无线传感网络系统，其特征在于，所述6LoWPAN长链状无线传感器网络中的所述边缘路由器和所述无线传输节点之间通信遵循基于6LoWPAN的长链状无线传感器网络的最大路由半径的动态路由方法，所述边缘路由器通过所述IP路由器获取网络地址前缀，并传递至所述无线传输节点，所述无线传输节点利用获取的地址前缀及节点短地址生成IPv6地址，所述无线传输节点具备路由转发功能。

3.根据权利要求1或2所述的基于6LoWPAN的长链状无线传感网络系统，其特征在于，所述无线传输节点的地址由64位地址前缀和64位接口标识组成，所述64位地址前缀通过所述边缘路由器向所述IP路由器申请获得或采用本地链路地址前缀，所述接口标识由所述无线传输节点在所述长链状无线传感器网络中短地址构成。

4.根据权利要求1所述的基于6LoWPAN的长链状无线传感网络系统，其特征在于，所述的边缘路由器为节点分配网内短地址，以边缘路由器为参考，该短地址由所述无线传输节点与所述边缘路由器之间的距离决定。

5.根据权利要求1所述的基于6LoWPAN的长链状无线传感网络系统，其特征在于，所述的边缘路由器，通过网络地址转换的方式实现IPv6与IPv4的转换。

6.一种基于6LoWPAN的长链状无线传感网络连接方法，其特征在于，包括加下述步骤：

S1、新的无线节点加入长链状网络的流程，具体为：

S11、新的无线节点入网时，该节点处于长链状网络的末端，向相邻的无线传输节点发送路由请求，相邻的无线传输节点接收到该请求后，向新的无线节点发送一条路由通告，并向边缘路由器发送节点注册消息；

S12、新的无线节点通过路由通告里的选项信息获取地址前缀；

S13、边缘路由器接收到上述节点注册消息后，为新的无线节点分配网内短地址，新的无线节点获取短地址后重新组合地址前缀与接口标识，从而获取唯一的IPv6地址；

S2、互联网用户端访问长链状无线网络的流程，具体为：

S21、网络初始化，完成长链状无线传感器网络IPv6地址注册，互联网用户端已知无线传输节点的IPv6地址；

S22、互联网用户端向无线节点发送指令时，应用层把需要发送的指令打包成UDP数据包，并设定源地址和目的地址，经由IP路由器发送给边缘路由器；

S23、边缘路由器对接收到的数据报进行处理：

S24、无线传输节点接收到数据报后，经IEEE802.15.4链路层解析得到6LoWPAN数据包，对数据报进行重组、解析，通过6LoWPAN适配层对6LoWPAN数据报解压缩成原始IPv6数据报；

S26、无线传输节点分析UDP封装的指令信息，并执行数据采集，构造IPv6数据包，执行下述步骤S3，并将数据包通过边缘路由器发送给互联网用户端；

S3、无线传感器网络访问互联网用户端的流程，具体为：

S31、无线传输节点进行数据采集并构造IPv6数据包，将IPv6地址进行压缩得到6LoWPAN地址，将无线传输节点的6LoWPAN地址作为源地址、互联网用户端IP地址作为目的地址构造6LoWPAN数据包，无线节点将6LoWPAN数据包封装成IEEE802.15.4数据包发送边缘路由器；

S32、边缘路由器解析IEEE802.15.4数据包得到6LoWPAN数据包，获取数据包中的互联网用户端IP地址，将无线传输节点的6LoWPAN地址解压为IPv6地址，若互联网用户端地址为IPv6地址，则根据无线传输节点的IPv6地址、互联网用户端IPv6地址构造IPv6数据包，将IPv6数据包发送互联网用户端；若互联网用户端地址为IPv4地址，需要将IPv6数据包通过网络数据转换为IPv4数据包，发送互联网用户端。

7.根据权利要求6所述基于6LoWPAN的长链状无线传感网络连接方法，其特征在于，所述步骤S23中，缘路由器对接收到的数据报进行处理的具体方法为：

若数据报为IPv4格式，则需要将数据报转换为IPv6格式，然后将IPv6地址压缩成6LoWPAN地址，生成6LoWPAN数据报、经过IEEE802.15.4封装后分段处理，发送至无线传输节点；

若数据报为IPv6格式，将数据报中包含的用户端的IPv6地址和目的地址为无线传输节点的IPv6地址压缩成6LoWPAN地址，生成6LoWPAN数据报、经IEEE802.15.4链路封装后、分段处理，发送至无线传输节点。