第5章6LoWPAN技術

1、第5章 6LoWPAN技術主要內容n6LoWPAN技術的發(fā)展n6LoWPAN網絡核心協(xié)議n輕量級IPv6無線傳感網協(xié)議棧n6LoWPAN傳感網設備開發(fā)平臺n6LoWPAN無線傳感網系統(tǒng)實驗5.1 6LoWPAN技術的發(fā)展 IETF在2005年成立了6LoWPAN工作組制定適用于IPv6的低功耗、無線Mesh網絡標準。6LoWPAN旨在IEEE802.15.4的網絡中傳輸IPv6報文，但是底層標準并不局限于IEEE802.15.4標準，也支持其他的鏈路層標準。 與 6LoWPAN 相關的 IETF 工作組的主要研究內容5.1 6LoWPAN技術的發(fā)展6LoWPAN具有以下技術優(yōu)勢： 地址空間方面

2、，6LoWPAN網絡基于IPv6地址，擁有廣闊的地址空間，可以滿足海量節(jié)點的部署需要。 網絡互聯方面，6LoWPAN網絡為每個設備配置了IP地址，可以方便地與其他基于IP的網絡互聯，構建異構網絡，實現互相通信。 重用和基礎驗證方面，IP網絡可以保證6LoWPAN重用其他IP網絡的設施和IP調試、診斷工具，并且IP技術已經穩(wěn)定運行多年，為6LoWPAN標準提供了基礎驗證。 標準開放性方面，6LoWPAN是IETF制定的開放標準，應用廣泛，全世界的開發(fā)人員都可以為其改進和完善而努力，為其快速發(fā)展、完善提供了保障。5.2 6LoWPAN網絡核心協(xié)議適配層協(xié)議n為了在基于IEEE 802.15.4底層

3、的無線傳感器網絡中實現IPv6數據的有效傳輸，解決兩種技術的差異性，6LoWPAN適配層協(xié)議主要定義了分片重組、IPv6報頭壓縮以及路由轉發(fā)三種機制。n適配層還具備子網組建與管理、地址分配、組播支持等功能。5.2 6LoWPAN網絡核心協(xié)議n報文格式典型的LoWPAN封裝頭棧5.2 6LoWPAN網絡核心協(xié)議適配層頭部封裝共定義了四種類型的LoWPAN頭部：nMesh尋址頭部：用于支持數據在適配層進行路由轉發(fā)n廣播頭部：用于對廣播數據或者多播數據提供支持n分片頭部：用于數據的分片和重組nIPv6壓縮頭部：用于IPv6報文頭部壓縮使用頭部的首字節(jié)作為頭部類型說明字段（Dispatch值）以區(qū)分標

4、識不同的LoWPAN頭。Dispatch類型值LoWPAN頭分配描述00 00000000 111111NALP非LoWPAN封裝幀01000001IPv6未壓縮的標準IPv6報頭01000010LOWPAN_HC1采用LOWPAN_HC1方式壓縮的IPv6報頭01010000LOWPAN_BC0廣播頭01 10000001 111111LOWPAN_IPHC采用LOWPAN_IPHC方式壓縮的IPv6報頭01111111ESC擴展其他頭類型說明10 0000010 111111MESHMesh尋址報頭11 0000011 000111FRAG1第一個分片報頭11 1000011 100111

5、FRAGN后續(xù)分片報頭5.2 6LoWPAN網絡核心協(xié)議分片和重組分片和重組nIPv6標準RFC2460規(guī)定所使用底層鏈路的最大傳輸單元MTU至少為1 280字節(jié)。nIEEE 802.15.4標準報文的最大長度僅為127字節(jié)，其最大MAC報頭長度為25字節(jié)，MAC層所提供的payload可能只有102字節(jié)。若MAC幀使用安全機制，將進一步減小負載長度。n必須在適配層中引入分片重組機制，將超過MAC層payload長度的IPv6報文分割成多個較小的報文，再遞交給IEEE 802.15.4 MAC層傳輸，并在接收端重組恢復為完整的IPv6報文。5.2 6LoWPAN網絡核心協(xié)議 6LoWPAN分片

6、重組流程圖適配層對分片報文的格式進行了定義，包括數據報大小、數據報標簽和數據報偏移量三個域。5.2 6LoWPAN網絡核心協(xié)議n標準IPv6報文頭部格式5.2 6LoWPAN網絡核心協(xié)議IPv6報頭壓縮報頭壓縮n數據報頭部過長會造成大量分片的產生，將導致傳輸的效率非常低，增加了通信的負擔和節(jié)點的能量消耗。n有必要在適配層對IPv6報文的固定頭部進行適當壓縮，從而提高數據的傳輸效率。n RFC6282提出了壓縮效率更高的LOWPAN_IPHC壓縮算法，來彌補和代替LOWPAN_HC1的不足之處。LOWPAN_IPHC可以支持有狀態(tài)和無狀態(tài)壓縮支持有狀態(tài)和無狀態(tài)壓縮。5.2 6LoWPAN網絡核心

7、協(xié)議 LOWPAN_IPHC基本的幀格式如圖nIPHC格式的前三位“011”用于表示為IPHC壓縮算法nTF域表示IPv6頭部中優(yōu)先級和流標簽的壓縮nNH位用于判斷下一頭部是否壓縮，如果NH位值為1，則采用NHC壓縮算法對下一頭部進行壓縮。nHLIM域用于壓縮IPv6頭部的跳數限制字段nCID位用于表示IPv6地址是否適用基于環(huán)境的壓縮方法，如果該位為1，IPv6壓縮頭部后需帶有SCI和DCI字段nSAC和DAC位表示源地址以及目的地址是否使用基于狀態(tài)的壓縮。nSAM和DAM表示源地址和目的地址的模式。M位表示目的地址是否為多播地址5.2 6LoWPAN網絡核心協(xié)議TF的壓縮方式HLIM的壓縮

8、方式5.2 6LoWPAN網絡核心協(xié)議路由協(xié)議路由協(xié)議6LoWPAN路由分為兩大類：nMesh-under：依靠Mesh頭在適配層進行路由轉發(fā)工作nRoute-over:依靠IPv6頭在網絡層進行路由轉發(fā)工作。5.2 6LoWPAN網絡核心協(xié)議Router-overn路由方式在網絡層進行路由選擇和轉發(fā)，適配層不參與。中間節(jié)點對轉發(fā)數據的IPv6報頭進行解析。n節(jié)點的每一跳對應一跳IP鏈路，因此分片數據每轉發(fā)一次就要重組一次。nRouter-over是全IP化網絡，因此可以較為容易地使用IPv6技術保障數據的安全性和服務質量。5.2 6LoWPAN網絡核心協(xié)議RPL路由協(xié)議nRPL專為低功耗有損

9、網 絡設計，目標對象是使用了IP技術的智能物件，由IETF ROLL工作組負責制定。n LLN特點：低帶寬、有損耗、低功耗 nRPL工作在IP層，遵循IP架構，但其并未限定特定的鏈路層，可以工作在多種鏈路層上。 5.2 6LoWPAN網絡核心協(xié)議RPL傳輸模式傳輸模式 RPL支持三種基本的數據傳輸模式: n多點到點，Multipoint-to-Point (MP2P) n點到多點，Point-to-Multipoint (P2MP) n 點到點，Point-to-Point (P2P)方法：通過節(jié)點間構造DODAG來實現 n為MP2P構造上行到DAG根節(jié)點的路徑 n為P2MP構造從DAG根節(jié)點

10、出發(fā)的下行路徑 n通過DAG檢查和避免路由環(huán)路 n通過上行、下行之間的轉換支持P2P 5.2 6LoWPAN網絡核心協(xié)議DODAG n RPL指定了如何在一個LLN中構造DODAG的過程。n DODAG在構造時需確定一個目標函數，使用一系列的度量和約束（m etrics/constraints）中的一個節(jié)點在同一時刻能夠參與和加入 多個graph，每個graph稱為一個RPL實例 DODAG的構造過程由根節(jié)點或LoWPAN邊界路由器發(fā)起。 為了實現DODAG的構造，RPL基于ICMPv6，新增加了如下三條控制消息： nDIS： (DODAG Information Solicitation)

11、nDIO： (DODAG Information Object) nDAO： (DODAG Destination Advertisement Object) 5.2 6LoWPAN網絡核心協(xié)議DODAG拓撲建立的過程5.2 6LoWPAN網絡核心協(xié)議DODAG上行構造過程上行構造過程 n根節(jié)點利用DIO消息廣播DODAG的信息；n根節(jié)點的鄰居節(jié)點收到DIO后，根據一定的準則，決定是否加入這個DODAG，這些準則包括：目標函數 、DAG特性、各種自定義的本地策略等 n當某個鄰居節(jié)點加入所廣播的DODAG后，它就建立了一條到達DODAG根節(jié)點的路徑。根節(jié)點被稱為該節(jié)點的“父節(jié)點”，這種通信模式稱

12、為MP2P ，也稱為上行路由。 n如果新加入圖的節(jié)點類型是路由器，它將向自己的鄰居節(jié)點繼續(xù)廣播包含DODAG信息的DIO消息。n如果新加入圖的節(jié)點是“葉子節(jié)點”，則只是完成入網動作，不廣播DIO消息。 n鄰居節(jié)點不斷重復上述廣播和加入動作，直至到達網絡的所有葉子節(jié)點。 5.2 6LoWPAN網絡核心協(xié)議DIS的用法的用法 n DIS消息用于節(jié)點主動向鄰居節(jié)點中的路由器請求DODAG圖的信息。 n路由器收到DIS后，會回復DIO消息。 nDIS主要在穩(wěn)定的環(huán)境中使用，例如DODAG已基本形成后，節(jié)點由于某種原因想再次獲取圖信息時，可主動發(fā)送DIS消息。 5.2 6LoWPAN網絡核心協(xié)議DODA

13、G下行構造過程下行構造過程n下行路由與上行路由相反，由根節(jié)點到達葉子節(jié)點或上級節(jié)點到達下級節(jié)點n下行路由的構造通過DAO消息來完成。n每個節(jié)點加入DODAG后，在網絡發(fā)起上行路 徑構造指令后，將發(fā)送DAO消息到它的父節(jié)點 。DAO消息中含有前綴、前綴的有效時間等信息，用于表征節(jié)點所在前綴的可達性。 n 當一個節(jié)點收到DAO消息后，將對前綴信息進行處理，并在路由表中添加路由表項。然后將該前綴信息進一步通過DAO上傳給自己的父節(jié)點。n 一個節(jié)點也可以將收到的前綴可達性信息進行匯集后，再發(fā)給自己的父節(jié)點n前綴上傳過程一直進行，直至前綴信息到達父節(jié)點。 n每個節(jié)點都完成前綴上傳后，整個網絡將建立起一個

14、從根節(jié)點到達所有葉子節(jié)點的下行路由圖。n下行路由也稱為P2MP 5.2 6LoWPAN網絡核心協(xié)議點到點通信點到點通信 n RPL也支持DODAG中的P2P通信模式。 n 當LLN中的一個源節(jié)點發(fā)送數據包到目標節(jié)點時，該數據包將首先沿著“上行”路由到達源 節(jié)點與目標節(jié)點共同的祖先節(jié)點，然后再從祖先節(jié)點處轉為向下傳輸，通過“下行”路由到 達目標節(jié)點。 nIETF ROLL工作組設計了專門的標準對P2P通 信進行優(yōu)化。 5.2 6LoWPAN網絡核心協(xié)議路由中的環(huán)路問題路由中的環(huán)路問題 n在路由協(xié)議中，需要盡量避免在MESH圖中生成環(huán)路。如果生成了環(huán)路，則應該能夠有效檢 測到環(huán)路并及時進行處理。n

15、傳統(tǒng)路由協(xié)議中，環(huán)路的產生一般是由于網絡拓撲發(fā)生變化，或節(jié)點之間發(fā)生了同步問題。 n環(huán)路出現后，需要盡快的檢測處理，否則會導致數據包擁塞和超時丟棄，同時需采用各種優(yōu)化機制來避免環(huán)路的出現。 n在LLN中，環(huán)路的發(fā)生經常是臨時的，而且由于LLN一般速率較低，環(huán)的影響比傳統(tǒng)網絡要小，所以網絡對環(huán)路應該適當反應。如果過度反應，可能會引起路由的振蕩，浪費額外的能量來進行控制報文交互。5.2 6LoWPAN網絡核心協(xié)議Rank n每個新加入圖的節(jié)點需根據Metric和目標函數，用一定方法計算與該圖根節(jié)點之間的Rank值。Rank用于表示DODAG中某個節(jié)點的相對位置，即該節(jié)點與根節(jié)點 之間相對距離的值。

16、n Rank主要用于環(huán)避免。 nRPL并沒有指定Rank的計算方法 ，其具體計算由目標函數及相應 的策略決定，但需要滿足相對位置的性質。 5.2 6LoWPAN網絡核心協(xié)議環(huán)路的避免策略 RPL采用兩種策略避免環(huán)的出現，這些方法都用到rank值。n 策略1：最大深度策略 n策略2： 一個節(jié)點在鄰居中選擇父節(jié)點時，不能選擇rank值比它自己的rank值大一定程度的 節(jié)點，即rank值超過node-rank+max_depth的節(jié)點，不能選擇作為父節(jié)點。至于超過多少深度才不能選擇 （max_depth的大小），由根節(jié)點確定。這種策略主要是防止選比自己還深的節(jié)點作為父節(jié)點 一個節(jié)點不能過度貪婪（gr

17、eedy），不能為了增加父節(jié)點數，而移動自己在圖中的深度，使深度值加大。 5.2 6LoWPAN網絡核心協(xié)議路由的修復路由的修復 路由的修復是任何路由協(xié)議都需關注的核心特性。在RPL中，當節(jié)點或鏈路失效時，需要對圖進行修復。RPL需避免由于臨時短暫的失效 而導致過大的修復開銷。 RPL中定義了兩種修復方法：n 局部修復：當一個節(jié)點發(fā)現其鏈路或鄰居節(jié)點失效 ，并且在上行路徑上沒有其它路由器可供中轉時， 將啟動局部修復過程。該節(jié)點會快速尋找一個備用 的父節(jié)點。 n全局修復：對圖進行整體的重建，全局修復只能由 根節(jié)點發(fā)起，開銷比較大。每個節(jié)點都會參與到修復過程中。 5.2 6LoWPAN網絡核心協(xié)議

18、Mesh-under路由n適配層是基于MAC地址進行路由轉發(fā)，需要知道數據路由的最終目的地址以及源地址，由于IEEE 802.15.4 MAC幀頭部的目的地址僅能表示下一跳節(jié)點的地址，無法表示路由最終節(jié)點的目的地址，因此6LoWPAN適配層引入Mesh尋址頭部，以支持適配層的多跳路由工作。nMesh-under方式的路由協(xié)議主要包括按需路由協(xié)議和分層路由協(xié)議兩大類5.2 6LoWPAN網絡核心協(xié)議n Mesh尋址頭消息格式如下Mesh尋址頭中每個字段的含義： 1，0：Mesh尋址頭部的Dispatch類型值 V：表示Originator address的類型，值為0代表使用EUI-64地址，值

19、為1代表使用16位短地址。 F：表示Final address的類型，值為0代表使用EUI-64地址，值為1代表使用16位短地址。 Hops Left：剩余跳數。表示Mesh數據在子網內所能經過的最大跳數，每轉發(fā)一次該值減1。 Originator address：Mesh路由源地址。為64位MAC長地址或者16位短地址。 Final address：Mesh路由最終目的地址。為64位MAC長地址或者16位短地址。5.2 6LoWPAN網絡核心協(xié)議n路由機制比較5.2 6LoWPAN網絡核心協(xié)議鄰居發(fā)現協(xié)議鄰居發(fā)現協(xié)議標準的IPv6鄰居發(fā)現協(xié)議不適用于無線傳感器網絡。6LoWPAN改進與優(yōu)化：

20、n取消基于組播的地址解析機制n取消重定向機制；n采用節(jié)點主動更新RA消息中信息的機制，n去除了路由器周期性發(fā)送RA消息n允許節(jié)點休眠n增加了三種分別用于地址注冊機制、頭部壓縮信息傳遞機制、前綴和頭部壓縮信息多跳分配機制的新選項n兩個用于重復地址檢測的ICMPv6報文類型5.2 6LoWPAN網絡核心協(xié)議6LoWPAN新增選項和消息5.2 6LoWPAN網絡核心協(xié)議n地址注冊機制6LoWPAN的地址解析過程不再采用多播NS報文實現，而是利用鄰居緩存表實現。在注冊生存期到期前，單播發(fā)送帶有ARO的NS消息給默認路由器。地址注冊過程如下：5.2 6LoWPAN網絡核心協(xié)議鄰居不可達檢測n當節(jié)點上鄰居

21、不可達檢測指出一個或者多個默認路由器變?yōu)椴豢蛇_時，節(jié)點刪除路由器在默認路由器緩存中的對應表項，使用組播RS消息發(fā)現一個新的默認路由器集合；n當鄰居不可達檢測指出一個節(jié)點變?yōu)椴豢蛇_時，路由器保留節(jié)點在鄰居緩存中對應表項直至注冊生存期到期。5.2 6LoWPAN網絡核心協(xié)議n無狀態(tài)地址自動配置如果RA的M標志位為0，則表示節(jié)點自動配置地址，并執(zhí)行重復地址檢測。重復地址檢測在節(jié)點向路由器進行地址注冊過程中NS消息和NA消息的交互期間，通過路由器與邊界路由器交互DAR消息和DAC消息實現。6LoWPAN鄰居發(fā)現的無狀態(tài)地址自動配置過程如圖示。5.2 6LoWPAN網絡核心協(xié)議CoAP協(xié)議n基于REST

22、架構的面向受限IP網絡設計的應用層標準n傳輸層采用UDP協(xié)議，位于應用層之下。應用層邏輯結構應用層邏輯結構CoAP協(xié)議從邏輯上把應用層劃分為： 報文控制層：負責數據的異步傳輸控制。 請求/響應交互層：為應用程序提供功能支持，為報文控制層提供數據服務。應用程序是為了滿足用戶需求而設計并實現的功能程序的集合，位于應用層之上。5.2 6LoWPAN網絡核心協(xié)議統(tǒng)一資源標識符n CoAP使用“coap”和“coaps”URI機制來指示和定位資源。 資源存放在COAP服務器上，按層次進行組織。nCoaps 是帶安全機制的URI方案。 nCoAP URI的語法符合統(tǒng)一資源定位符的通用語法格式。 coap-

23、URI ： coap: / host : port path-abempty ? query 例如，coap:/aaaa:1147:00ff:fe00:169a:61619/.well-known/core nCOAP默認端口號： 5683 5.2 6LoWPAN網絡核心協(xié)議n報文類型CoAP協(xié)議定義了可靠報文（CON）、非可靠報文（NON）、確認報文（ACK）和重置報文（RST）四種類型的報文。下述交互過程的交互模型為“普通請求/響應交互模型”：n當CON類型的報文作為請求時，客戶端要求服務器返回響應。n當NON類型的報文作為請求時，客戶端不要求服務器返回響應n當服務器收到NON類型的請求但

24、是操作失敗時，可以根據失敗原因發(fā)送ACK類型的響應描述失敗的原因，也可以發(fā)送CON類型或RST類型的空報文要求客戶端重新發(fā)送。5.2 6LoWPAN網絡核心協(xié)議報文代號nCoAP協(xié)議定義了GET、POST、PUT、DELETE四種操作方法，以及一系列操作結果的描述代號，被填充在報文代號域。n報文代號域的填充形式為無符號整型，在瀏覽器中顯示時需要轉換為代號形式，以增強可讀性。報文代號域的前3個比特的值等于代號表示形式的整數位，后5個比特的值等于代號表示形式的小數位。5.2 6LoWPAN網絡核心協(xié)議n報文格式CoAP協(xié)議規(guī)定的報文格式如圖5.2 6LoWPAN網絡核心協(xié)議n功能介紹（1）GET功

25、能 GET方法用于資源發(fā)現、資源讀取和資源觀察。（2）POST功能 POST方法用于資源創(chuàng)建與資源更新。（3）PUT功能 PUT方法用于資源創(chuàng)建或資源更新。（4）DELETE功能 DELETE方法用于資源刪除，5.3 輕量級IPv6無線傳感網協(xié)議棧n協(xié)議棧體系結構5.3 輕量級IPv6無線傳感網協(xié)議棧n應用層實現面向具體應用的應用協(xié)議。在本層可采用CoAP、XMPP等適用于傳感網的應用層協(xié)議。n傳輸層實現無連接占用資源少的UDP協(xié)議。完成UDP報文的封裝解析、UDP連接的建立和銷毀。n網絡層功能為IPv6報文的封裝解析、鄰居發(fā)現、路由器發(fā)現和地址解析等。n適配層的功能包括IPv6報文的分片重組

26、、報文的壓縮解壓縮和無狀態(tài)地址配置等。nMAC層和物理采用802.15.4規(guī)范，負責節(jié)點的入網、獲取16位段地址和數據的收發(fā)等功能。5.3 輕量級IPv6無線傳感網協(xié)議棧協(xié)議棧設計要求n要求設計的IPv6協(xié)議棧實現IPv6所有核心協(xié)議中所規(guī)定的全部功能n要求實現的IPv6協(xié)議棧通過國際認可的IPv6 Ready Phase-2階段的測試認證n要求設計的傳感網IPv6協(xié)議棧實現適配層協(xié)議所規(guī)定的全部功能。n要求協(xié)議棧運行過程中占用的RAM和ROM等資源盡可能地少n要求協(xié)議棧在設計上獨立于特定的硬件平臺為了滿足上述設計要求，需重點突破如下關鍵技術：n協(xié)議棧的標準化問題n協(xié)議棧的小型化問題n協(xié)議棧的

27、模塊化問題5.3 輕量級IPv6無線傳感網協(xié)議棧協(xié)議棧整體方案設計 IPv6協(xié)議棧的每層都具有獨立的主狀態(tài)機和接收狀態(tài)機。 每層當中除具備主狀態(tài)機和接收狀態(tài)機外，還分別向上層協(xié)議和下層協(xié)議提供獨立的交互接口：DoService和RxHandoff。無線傳感器網絡IPv6協(xié)議棧總體設計方案如圖所示5.3 輕量級IPv6無線傳感網協(xié)議棧協(xié)議棧應用層設計應用層狀態(tài)機分為應用層主狀態(tài)機、應用層接收狀態(tài)機、應用層發(fā)送狀態(tài)機。應用層主狀態(tài)機之間的狀態(tài)轉換圖5.3 輕量級IPv6無線傳感網協(xié)議棧協(xié)議棧傳輸層設計傳輸層狀態(tài)機的狀態(tài)轉移圖5.3 輕量級IPv6無線傳感網協(xié)議棧協(xié)議棧網絡層設計網絡層發(fā)送數據流程5

28、.3 輕量級IPv6無線傳感網協(xié)議棧n網絡層主狀態(tài)機網絡層接收狀態(tài)機負責網絡層數據的接收網絡層主狀態(tài)機設定六個狀態(tài)，分別為：（1）空閑狀態(tài)（NWK_STATE_IDLE）；（2）命令態(tài)（NWK_STATE_CMD_START）；（3）下一跳確定態(tài)（NWK_STATE_NEXT _HOP_START）；（4）地址解析態(tài)（NWK_STATE_ADDR_RESOL_START）；（5）通用發(fā)送等待態(tài)（NWK_START_GENERIC_TX_WAIT）；（6）分片發(fā)送等待態(tài)（NWK_START_FRAG_TX_WAIT）。適配層接收狀態(tài)機適配層接收狀態(tài)機負責適配層數據的接收、數據的解壓縮及分片數據的

29、重組操作網絡層接收狀態(tài)機設定五個狀態(tài)，分別為：（1）空閑狀態(tài)（ADAPT_RXSTATE_IDLE）；（2）開始接收態(tài)（ADAPT_RXSTATE_START）；（3）遞交態(tài)（ADAPT_RXSTATE_IPV6_HANDOFF）；（4）重組態(tài)（ADAPT_RXSTATE_REASS）；（5）解壓縮態(tài)（ADAPT_RXSTATE_UNCOMPRESS）5.3 輕量級IPv6無線傳感網協(xié)議棧5.4 6LoWPAN傳感網設備開發(fā)平臺6LoWPAN傳感網設備開發(fā)平臺總體設計n功能設計 基于IPv6協(xié)議的便攜式多功能傳感網設備開發(fā)平臺同時具有IEEE802.15.4網關、邊界路由設備和Sniffer抓

30、包器三種功能，具體功能可根據不同的應用場景進行選擇。 基于IPv6協(xié)議的便攜式多功能傳感網設備開發(fā)平臺雙棧結構圖如下：5.4 6LoWPAN傳感網設備開發(fā)平臺把6LoWPAN協(xié)議棧設計在一個具備USB接口的便攜式物聯網（IoT）設備上，而IPv6網絡接口設計在Linux主機上，這樣，邊界路由設備既能作為物聯網網關在本地使用，也能夠與任意Linux主機結合，同時實現三種功能，如下圖：5.4 6LoWPAN傳感網設備開發(fā)平臺 6LoWPAN傳感網設備開發(fā)平臺硬件設計硬件總體結構主控制器模塊需要具有標準USB接口來支持即插即用的功能，射頻芯片一般通過SPI接口與主控制器模塊連接。 主控制器模塊獲取無

31、線模塊傳送過來的數據，通過USB接口上傳給上位機。5.4 6LoWPAN傳感網設備開發(fā)平臺硬件電路設計n電源電路設計n調試電路電路設計n最小系統(tǒng)電路設計nUSB接口n射頻模塊接口5.4 6LoWPAN傳感網設備開發(fā)平臺6LoWPAN傳感網設備開發(fā)平臺軟件設計傳感網設備開發(fā)平臺軟件設計 基于IPv6協(xié)議的便攜式多功能傳感網設備開發(fā)平臺主要選擇IAR Embedded Workbench for ARM、Source Insight、協(xié)議分析儀以及串口調試助手等軟件作為軟件開發(fā)環(huán)境。Contiki操作系統(tǒng)開發(fā)平臺nContiki平臺是專門面向無線傳感器網絡的嵌入式操作系統(tǒng)n 開源，免費，可移植到多

32、種平臺 C51, TI MSP430, Atmel AVR, CC2430, ARM n 支持多任務，采用低功耗設計 n 具有TCP/IP等多種網絡協(xié)議棧，支持ipv4和ipv6協(xié)議 5.4 6LoWPAN傳感網設備開發(fā)平臺n邊界路由設備軟件實現架構 邊界路由設備節(jié)點與6LoWPAN子網節(jié)點具備不同的功能。因此，在Contiki協(xié)議棧中需要設計不同功能的進程來完成相應的功能。協(xié)議棧架構如圖所示：5.4 6LoWPAN傳感網設備開發(fā)平臺協(xié)議棧數據處理流程設計協(xié)議棧數據處理流程設計nRPL路由協(xié)議工作實現流程n6LoWPAN子網節(jié)點數據處理n邊界路由設備數據處理網絡管理命令設計網絡管理命令設計管理

33、命令實現流程如右圖所示5.4 6LoWPAN傳感網設備開發(fā)平臺傳感器節(jié)點應用程序設計傳感器節(jié)點應用程序設計n本平臺設計了兩種傳感器數據獲取機制：周期性匯報機制和查詢機制n在Contiki操作系統(tǒng)中，通過類似于UDP套接字的API函數來實現應用層數據的收發(fā)。傳感器節(jié)點的兩種數據獲取機制通過兩個進程來實現：udp_client_process和udp_cmd_ process，這兩個進程都設置為自啟動方式運行。5.4 6LoWPAN傳感網設備開發(fā)平臺周期性匯報機制應用程序設計流程圖查詢機制應用程序設計流程圖5.4 6LoWPAN傳感網設備開發(fā)平臺LoWPAN傳感網網絡管理程序設計n基于IPv6 WSN邊界路由設備需要與一臺Linux主機配合以完成路由轉發(fā)和遠程數據服務功能，因此需要設計一個在Linux系統(tǒng)上運行的后臺守護程序以完成USB設備驅動、數據中轉、路由以及命令下發(fā)和上傳等工作。n IoT設備的守護程序在Linux上開發(fā)，既能獨立運行，也能配合上層界面完成IoT設備的驅動，工作模式的設定數據轉發(fā)等功能； n上層界面和Sniffer協(xié)議分析儀通過網絡套接字能夠遠程登錄守護