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1、- 1 -目 录- 1 -1 绪 论本 章 主 要 针 对 无 线 传 感 器 网 络 协 议 、 相 关 课 题 背 景 ， 课 题 研 究 的 意 义 以 及 此 课 题的 研 究 现 状 做 了 深 入 的 探 讨 ， 并 以 此 引 出 本 课 题 设 计 和 实 现 基 于 IPv6 的 工 业 无 线 传 感器 网 络 中 web server 功 能 所 做 的 工 作 ， 相 关 架 构 和 使 用 的 方 法 。1.1 文 献 综 述1.1.1 无 线 传 感 器 网 络 及 应 用 简 介无 线 传 感 器 网 络 (Wireless Sensor Network, 简 称

2、 WSN)是 集 信 息 采 集 、 信 息 传 输 、信 息 处 理 于 一 体 的 综 合 智 能 信 息 系 统 Error! Reference source not found.。 这 种 网 络 由多 个 单 节 点 组 成 ， 各 节 点 通 过 传 感 或 控 制 参 数 实 现 与 环 境 的 交 互 ； 节 点 必 须 通 过 相 互关 联 才 能 完 成 一 定 的 任 务 ， 而 单 个 节 点 则 通 常 无 法 发 挥 作 用 ； 节 点 间 的 关 联 性 是 通 过无 线 通 信 实 现 的 2。 传 感 器 节 点 由 电 源 、 感 知 部 件 、 嵌 入

3、式 处 理 器 、 存 储 器 、 通 信 部件 和 软 件 这 几 个 部 分 构 成 3。 借 助 传 感 器 节 点 中 内 置 的 形 式 多 样 的 传 感 器 件 ， 可 以 测量 所 在 环 境 中 的 热 、 红 外 、 声 纳 、 雷 达 和 地 震 波 信 号 等 信 号 ， 从 而 探 测 包 括 温 度 、 湿度 、 噪 声 、 光 强 度 、 压 力 、 土 壤 成 分 、 移 动 物 体 的 大 小 、 速 度 和 方 向 等 等 众 多 我 们 感兴 趣 的 物 质 现 象 4。 总 结 起 来 ， 无 线 传 感 器 网 络 的 应 用 主 要 表 现 在 军

4、事 领 域 、 环 境 科学 领 域 、 医 疗 健 康 领 域 、 智 能 家 居 、 工 业 和 商 业 领 域 。1.1.2 工 业 无 线 传 感 器 网 络 协 议 的 技 术 标 准(1)无 线 传 感 器 网 络 标 准无 线 传 感 器 网 络 多 采 用 五 层 协 议 标 准 ：物 理 层 ， 负 责 信 号 调 制 和 数 据 收 发 ， 传 输 介 质 主 要 为 无 线 电 、 红 外 线 、 光 波 等 。数 据 链 路 层 ， 负 责 数 据 成 帧 、 帧 检 测 、 介 质 访 问 、 差 错 控 制 。网 络 层 ， 负 责 路 由 发 现 和 维 护 。传

5、 输 层 ， 负 责 数 据 流 的 传 输 控 制 。应 用 层 。1.1.3 OpenWSN 简 介- 2 -OpenWSN 是 伯 克 利 大 学 的 一 个 项 目 ， 提 供 了 基 于 现 有 物 联 网 的 标 准 的 通 信 协 议 的实 现 。 OpenWSN 中 用 到 了 很 多 被 认 为 最 具 有 实 用 性 的 标 准 ， 它 的 协 议 栈 由 这 些 标 准 组成 ， 如 下 表 1.1：IEEE802.15.4e 工 作 组 在 现 存 的 IEEE802.15.4-2006 标 准 之 上 修 订 了 对 MAC 的 定 义 。建 议 规 范 时 间 同

6、步 信 道 跳 频 以 增 加 对 抗 外 部 干 扰 的 鲁 棒 性 ， 并 减 少 多 跳 衰 减 。IETF 6LoWPAN 工 作 组 制 定 关 于 IPv6 数 据 包 在 使 用 IEEE 802.15.4 无 线 电 设 备 通 信的 网 络 上 传 递 的 一 个 标 准 机 制 ， 比 如 头 部 压 缩 。IETF ROLL 工 作 组 标 准 化 了 路 由 协 议 ， 比 如 在 网 络 中 发 现 多 跳 路 径 的 分 布 算 法 。目 前 ， 这 个 提 案 称 作 RPL。表 1.1 OpenWSN 的 通 信 协 议 栈应 用 层 CoAP, HTTP, w

7、ork传 输 层 TCP， UDP网 络 层 IETF RPL适 配 层 IETF 6LowPANMAC 层 IEEE 802.15.4e物 理 层 IEEE 802.15.4-2006（ 1） openWSN 通 信 协 议 栈 基 本 组 成openWSN 通 信 协 议 栈 由 APP、 TRAN、 IPv6、 IPHC、 MAChign、 MAClow 和crosslayers 等 相 应 协 议 以 及 函 数 包 组 成 ， 图 1.1 显 示 了 各 个 协 议 之 间 的 关 系 ：- 3 -图 1.1 openWSN 协 议 栈 构 成1.2 课 题 研 究 背 景 及 意

8、义1.2.1 课 题 研 究 背 景在 过 去 几 十 年 里 ， 传 感 器 网 络 研 究 工 作 者 克 服 了 很 多 网 络 方 面 的 挑 战 。 但 是 很 多工 作 都 是 在 各 自 的 平 台 架 构 上 发 展 的 ， 导 致 了 大 量 的 根 据 应 用 不 同 而 产 生 的 不 同 的 网络 协 议 ， 相 互 之 间 难 以 组 合 5。 过 去 很 多 为 低 功 耗 无 线 网 络 制 定 的 标 准 认 为 IP 地 址 太长 没 有 必 要 引 入 传 感 网 中 ， 就 使 用 了 Ad hoc 方 案 。 随 着 应 用 的 增 多 ， 网 络 规

9、模 增 大 ，这 一 方 案 显 得 过 于 复 杂 。 在 Internet 向 新 的 操 作 域 成 长 的 这 一 环 境 下 ， 弹 性 和 可 扩 展 性变 得 超 乎 以 往 的 更 重 要 。 在 此 背 景 下 ， 将 WSN 与 IPv6 融 合 ， 产 生 了 IPv6 传 感 器 网 络 ，一 种 新 兴 的 网 络 形 态 。 它 把 IPv6 技 术 融 入 无 线 传 感 器 网 络 ， 采 用 分 层 结 构 构 件 开 发 式的 网 络 体 系 ， 不 仅 能 解 决 无 线 传 感 器 网 络 间 、 无 线 传 感 器 网 络 与 Internet 间 的

10、 互 联 互 通- 4 -问 题 ， 同 时 解 决 了 无 线 传 感 器 网 络 固 有 的 缺 点 ， 如 需 要 数 量 巨 大 的 地 址 资 源 、 需 要 实 现有 效 地 址 管 理 机 制 、 缺 乏 应 有 的 安 全 机 制 等 问 题 6。1.2.2 课 题 研 究 意 义本 课 题 采 用 OpenWSN 平 台 ， 分 析 在 该 平 台 中 IPv6 和 无 线 传 感 器 网 络 的 融 合 实 现的 具 体 方 式 ， 以 及 学 习 该 平 台 下 协 议 栈 的 实 现 方 法 ， 为 后 续 开 发 网 络 应 用 奠 定 了 基 础 ，方 便 往 多

11、个 硬 件 平 台 的 移 植 、 测 试 。 因 IPv6 中 每 个 节 点 都 是 对 等 的 ， 无 线 传 感 器 节 点和 其 他 入 网 设 备 使 用 同 样 的 上 层 协 议 ， 这 将 极 大 发 展 网 络 的 兼 容 性 和 扩 展 性 。 实 现 同样 IPv6 网 络 中 无 线 传 感 器 节 点 和 设 备 如 计 算 机 的 通 信 具 有 重 要 意 义 。- 5 -2 openwsn 中 的 IP 层 技 术本 章 主 要 介 绍 openwsn 中 IP 层 协 议 的 具 体 实 现 、 主 要 功 能 ， 以 及 6LoWPAN 适 配层 的 工

12、作 。 在 openwsn 中 ， IP 层 分 成 了 03b-IPv6 和 03a-IPHC 两 层 ， 都 体 现 了 IPv6 的具 体 实 现 。2.1 IPv6 在 IP 层 的 实 现Openwsn 的 网 络 层 使 用 IPv6 协 议 ， 下 面 将 从 IPv6 的 数 据 结 构 和 数 据 流 等 角度 分 析 具 体 的 实 现 方 式 。2.1.1 IPv6 中 的 数 据 结 构在 openwsn 中 内 部 的 IPv6 数 据 包 头 包 括 如 下 字 段 ： 一 个 字 节 长 表 示 流 量 类 别（ traffic_class） ， 四 个 字 节

13、长 表 示 流 标 签 （ flow_label） ， 一 个 字 节 长 度 表 示 下 一 个 头标 识 （ next_header） ， 以 及 一 个 字 节 长 度 表 示 跳 数 限 制 （ hop_limit） ， 一 个 字 节 长 度 表示 头 部 长 度 ， 以 及 两 个 地 址 变 量 表 示 源 地 址 和 目 的 地 址 ， 一 个 bool 变 量 表 示 下 一 个 头部 是 否 被 压 缩 。IPHC 的 压 缩 报 头 ， 实 现 了 6LoWPAN 中 的 压 缩 报 头 功 能 ， 其 格 式 如 图 2.1 所 示 ：图 2.1 IPHC 压 缩 报

14、头2.1.2 IPv6 中 的 地 址 架 构IPv6 地 址 长 度 为 128 位 ， 16 个 字 节 ， 地 址 类 型 包 括 单 播 、 任 播 和 多 播 。一 个 单 播 地 址 由 子 网 前 缀 和 接 口 标 识 符 组 成 ， 在 一 个 子 网 中 ， 同 一 个 链 路 上 ， 接口 标 识 必 须 是 唯 一 的 。 这 个 性 质 ， 在 openwsn 中 可 以 被 用 来 寻 找 下 一 跳 以 及 在 压 缩 报头 是 进 行 分 类 处 理 。 在 这 个 单 播 地 址 中 ， 子 网 前 缀 是 64 位 。任 播 地 址 是 一 个 分 配 到

15、一 组 接 口 上 的 地 址 ， 该 地 址 分 配 给 路 由 器 ， 而 不 是 主 机 ，无 法 作 为 源 地 址 。2.1.2 IPv6 中 的 数 据 流- 6 -当 一 个 数 据 包 经 上 层 传 递 给 了 IP 层 ， 数 据 包 经 历 的 过 程 为 ：f o r w a r d i n g _s e n d 函 数 接收 到 数 据 m s g修 改 o w n e r 为C O M P O N E N T _ F O R W A R D I N G 并 把 数 据 传给 f o w a r d i n g _ s e n d _ i n t e r n a l

16、函 数得 到 下 一 跳 ， 把 数 据 数 值 给m s g 的 l 2 _ n e x t O R p r e v i o u s H o p把 m s g 传 给i p h c _ s e n d F r o m F or w a r d i n g 函 数修 改 m s g 的 o w n e r 为C O M P O N E N T _ I P H C ， l 3 的 1 2 8 位 地 址分 成 子 网 掩 码 和 目 的 m a c 地 址根 据 是 否 和 当 前 节 点 为 同一 子 网 确 定 s a m 和 d a m 值 ，并 填 写 i p v 6 头 部传 递 给

17、下 层r e s _ s e n d 函 数O p e n b r i dg e 函 数 触发从 缓 存 得 到 8 个字 节 的 下 一 跳和 数 据为 一 个 新 的O p e n Q u e u e E n t r y _ t结 构 体 p k t 分 配 内存设 置 相 应 变 量发 送 p k t 到i p h c _ s e n d F r o mB r i d g e 函 数修 改 o w n e r 为C O M P O N E N T _ I P H C ， 并 传给 下 层 的 r e s _ s e n d 函 数图 2.2 IP 层 发 送 数 据 流2.2 6LoWP

18、AN 在 IP 层 的 实 现2.2.1 6LowPAN 适 配 层 的 一 般 原 理适 配 层 是 IPv6 网 络 和 IEEE 802.15.4MAC 层 中 间 的 一 个 过 渡 层 ， 向 上 提 供 IPv6 对IEEE 802.15.4 的 访 问 支 持 ， 向 下 控 制 LowPAN 网 络 构 建 、 拓 扑 及 MAC 层 路 。2.3 ICMPv6 协 议- 7 -ICMP 在 因 特 网 中 应 用 已 久 ， 它 的 功 能 主 要 是 错 误 信 息 报 告 和 诊 断 ， 用 于 回 声 请 求 、应 答 和 一 些 错 误 提 示 等 。 ICMPv6

19、是 IPv6 架 构 的 另 一 关 键 组 成 部 分 ， 不 仅 仅 继 承 了IPv4 中 的 大 部 分 特 性 ， 还 增 加 了 一 些 非 ICMP 协 议 所 支 持 的 新 特 性 。2.3.1 ICMPv6Echo该 类 型 数 据 包 报 头 结 构 type、 code、 identifier、 sequence_number、 checksum。 请 求数 据 包 含 的 identifier 为 0x00340012， sequence_number 为 icmpv6echo_vars.seq 加1， code 为 0.在 接 收 到 ICMPv6 的 请 求 之

20、后 ， 产 生 一 个 OpenQueueEntry_t 结 构 体 reply，具 体 过 程 ： 更 改 reply 的 owner 和 creator 为 COMPONENT_ICMPv6ECHO； 把 msg 的负 载 全 部 复 制 成 reply 的 负 载 ； 把 msg 的 源 地 址 复 制 成 reply 的 目 的 地 址 ； 释 放 msg； 设置 reply 的 基 本 管 理 信 息 ； 设 置 reply 的 消 息 类 型 为 IANA_ICMPv6_ECHO_REPLY； 通过 icmpv6_send 函 数 发 送 ， 发 送 后 释 放 掉 reply。

21、收 到 消 息 回 复 不 予 处 理 ， 直 接 丢 掉 。2.3.2 路 由 器 请 求 消 息该 消 息 写 在 ICMPv6Router 中 ， 在 openwsn 中 ， 设 定 触 发 原 因 来 自 于 OpenSerial 的输 入 命 令 。 目 的 地 址 为 128 位 IPv6 地 址 ， 由 缓 存 中 得 到 。 端 口 类 型 为IANA_ICMPv6_RS。 当 收 到 RS 消 息 时 ， 可 以 从 数 据 包 中 获 取 子 网 地 址 ， 并 设 定 自 己 的ID。一 般 来 讲 ， 路 由 器 请 求 信 息 （ RS） 消 息 是 由 主 机 发

22、出 ， 目 的 是 获 得 路 由 器 通 告（ RA） 消 息 答 复 ， 而 不 用 等 到 RA 消 息 周 期 性 计 时 器 超 时 。- 8 -3 openwsn 中 传 输 层 协 议 的 实 现在 openwsn 的 传 输 层 ， 有 两 种 协 议 ， TCP 协 议 和 UDP 协 议 。 设 计 基 于 IPv6 的 web server 功 能 是 基 于 TCP 连 接 ， 本 章 将 重 点 介 绍 openwsn 中 的 TCP 协 议 实 现 ， 简 介UDP。3.1 TCP 协 议TCP 协 议 为 在 IP 层 之 上 提 供 一 个 可 靠 的 字 节

23、流 。 通 过 缓 冲 数 据 并 结 合 主 动 确 认 和重 传 机 制 以 实 现 可 靠 性 。 在 任 何 数 据 要 发 送 之 前 ， 两 个 端 点 之 间 先 明 确 的 建 立 一 个 连接 ， 连 接 由 端 点 的 IP 地 址 和 TCP 端 口 号 唯 一 确 定 。3.1.1 TCP 协 议 中 的 重 要 结 构 体FIN 标 识 用 于 TCP 连 接 将 终 止 时 设 定 ， SYN 用 于 建 立 连 接 时 设 定 ， RST 用 于 终 止连 接 并 重 新 激 活 。 PSH 标 志 位 用 于 指 示 一 个 TCP 段 是 一 系 列 由 应

24、用 程 序 发 送 的 段 的 最后 一 个 ， 且 接 收 TCP 应 该 直 接 将 这 些 数 据 传 给 应 用 程 序 。3.1.2 TCP 连 接 的 建 立 和 终 止图 3.1 CoAP 消 息 格 式3.2 CoAP 协 议 的 具 体 实 现基 于 CoAP 的 在 gina 节 点 上 的 应 用 有 Rinfo（ 收 集 gina 节 点 的 基 本 信 息 ） ， Rt（ 收集 温 度 信 息 ） ， Rleds（ 收 集 灯 亮 灭 信 息 ） 等 。- 9 -4 基 于 IPv6 的 webserver 设 计 与 实 现基 于 IPv6 的 低 功 耗 工 业

25、无 线 传 感 器 网 络 设 计 是 应 用 openwsn 协 议 栈 在 gina 节 点 完成 的 。 本 章 介 绍 协 议 栈 测 试 和 设 计 思 路 ， 以 及 最 后 的 成 果 测 试 。4.1 协 议 栈 测 试为 在 gina 节 点 上 成 功 运 行 openwsn 协 议 平 台 ， 在 开 始 设 计 之 前 ， 先 对 其 进 行 测 试 。使 用 软 件 IAR 追 踪 程 序 appudptimer 的 运 行 。4.2 设 计 思 路4.3 系 统 测 试- 10 -参 考 文 献蔡 开 科 著 . 连 续 铸 钢 . 北 京 ： 冶 金 工 艺 出

26、版 社 ， 1987.材 料 科 学 . 天 人 . 北 京 ： 冶 金 工 艺 出 版 社 ， 1987李 晓 东 ， 张 庆 红 ， 叶 瑾 琳 ， 等 .气 候 学 研 究 的 若 干 理 论 问 题 J.北 京 大 学 学 报 ： 自 然科 学 版 ， 1999, 35(1): 101-106.刘 武 ， 郑 良 ， 姜 础 .元 谋 古 猿 牙 齿 测 量 数 据 的 统 计 分 析 及 其 在 分 类 研 究 上 的 意 义 J.科 学 通 报 ， 1999, 44(23): 2481-2488.傅 刚 ， 赵 承 ， 李 佳 路 .大 风 沙 过 后 的 思 考 N/OL.北 京 青 年 报 ， 2000-04-12(14)2005-07-12. http:/ 少 强 .数 字 式 中 文 全 文 文 献 格 式 的 设 计 与 研 究 J/OL.情 报 学 报 ， 1999, 18(4): 1-62001-07-081. http:/ periodical. wanfangdata. htm.KANAMORI H. Shaking without quaking J. Science, 1998, 279(5359): 2063-2064.