6LoWPAN 网络与联邦网络的整合设计

王翠姣，范通让

（石家庄铁道大学 信息科学与技术学院，河北 石家庄 050043）

DragonLab联邦实验室基于联邦架构的大规模下一代互联网技术合作研究实验“云”平台，前期实现的在联邦平台上进行物联网整合实验中［1］，用ZigBee网络为联邦实验环境进行了探索。未来传感器、手持终端等都将拥有独立的IP地址，数量巨大的终端设备接入使骨干网络升级为IPv6是大势所趋。互联网工程任务组（IETF）成立了6LowPAN 工作组，旨在将IPv6引入以IEEE 802.15.4为底层标准的无线个域网。在联邦环境下搭建基于IPv6的无线个域网，使用6LoWPAN 技术进一步丰富和完善联邦网络的末梢网络成为亟需解决的问题。

1 新兴无线个域网技术分析

无线个域网（Wireless Personal Area Network，WPAN）通常指覆盖范围在10m 半径以内，实现便携式电器和通信设备之间进行短距离连接的无线网络。6LoWPAN 是IPv6over low－power wireless area networks的简写，即基于IPv6的低速无线个域网。如图1所示，同Zigbee技术一样［2］，6LowPAN 技术底层采用IEEE 802.15.4规定的PHY 层 和MAC 层。IPv6允许传输的最大数据包远大于IEEE 802.15.4底层所支持的最大帧长度，需要在IP 层和MAC层之间增加一个网络适配层，用来完成包头压缩、分片与重组以及网状路由转发等工作［3］。Geoff Mulligan［4］将ZigBee协议和6LoWPAN 协议在代码量、报头开销、互联网接入等方面性能进行比较，为我们采用6LoWPAN 设备取代ZigBee对联邦实验室进行扩展提供了理论依据。SISCO、ATMEL和SICS已发布了支持6LoWPAN 标准的uIPv6堆栈，国内也已有公司面向研发用户提供完整的uIPv6开发套件。国内外已有研究成果为实现6LoWPAN 网络与联邦网络的整合提供了坚实的理论基础和技术支撑。

作为无线个域网领域的新兴技术之一，蓝牙低功耗技术（Bluetooth Low Energy，BLE）以低功耗提供持久的无线连接，开辟了新的网络服务与应用。6LoWPAN 工作组也已发布RFC草案描述参照6LoWPAN 协议标准将IPv6数据包适配到BLE 链路。但BLE 技术更适合在人体周围的低功耗外设设备（如手表、健康监视器）领域应用，并且BLE技术发展尚不成熟，因此本文选择6LoWPAN 技术进行联邦网络的整合。

图1 IP协议栈、6LoWPAN 协议栈以及ZigBee协议栈参考模型

2 整合方案设计

石家庄铁道大学网络与信息安全实验室已加盟国家DragonLab联邦，承担教育部“信息融合与云服务网络平台”项目示范基地研究任务。针对联邦实验“云”网络以及物联网，已有一定的研究成果，其中文献［1］实现了联邦网络与物联网在三层云结构下进行整合；文献［5］结合云计算及互联网创新联盟（IIU）提出了资源管理经济模型；文献［6］建立了云计算资源环境下的网络竞赛分层管理模型；文献［7］针对物联网中异构性数据管理提出了有效的解决方案。前期的研究积累为本设计搭建了坚实的软硬件平台，将6LoWPAN 网络纳入DragonLab实验“云”平台，丰富DragonLab服务及应用，是对该领域研究的下一步发展构想。

图2 6LoWPAN 网络与联邦网络整合云结构图

联邦实验平台使用三层云结构提供云应用及服务，分别是面向设备的IaaS（Infrastructure as a service），面向平台的PaaS（Platform as a service）和面向服务的SaaS（Software as a service）［1］。6LoWPAN 网与联邦网络的整合设计的整体结构如图2所示：面向设备的IaaS主要包括网络设备资源，计算资源和存储资源三部分。本文涉及到的IPv6接入网卡、6LoWPAN智能网关、6LoWPAN 传感器节点等即属于为联邦实验平台的IaaS层添加的设备资源；面向平台的PaaS是联邦实验平台的应用服务支持平台，用户可以通过与联邦实验室领航平台互相连通，开发相关的应用模块。本文设计的6LoWPAN 网的整合，完善了该层服务的IPv6高级应用支撑模块和物联网应用支撑模块；面向服务的SaaS为用户提供基于联邦的云服务。本实施方案为6LoWPAN 网络提供节点信息进行本地与远程的实时采集与分析处理、漫游节点的全程监测等一系列的云服务。

3 方案实现方法

为了将6LoWPAN 网络从设备到服务完整的纳入DragonLab联邦网络，本设计的整合方案包括6LoWPAN 节点数据感知模块、运行在联邦环境下的IPv6互联网云数据处理模块，以及对6LoWPAN 网络监控的客户端模块三个部分，构建了远程监控系统。6LoWPAN 网络由部署在监测环境内不同类型传感器节点构成，传感器实时地从监测环境内采集数据，再经由智能网关将数据传输到联邦网络内的云数据处理模块；云数据处理模块对检测信息处理和分析，并进行分布式存储；用户访问云数据处理服务器获得监测区域内的信息，对相应设备进行访问、控制和管理，从而达到远程监控的目的。具体的实现步骤如下：

（1）本地6LoWPAN 网络的搭建并接入联邦实验“云”网络

根据传感器节点的监测范围和通信范围在被监测区域合理部署传感器节点；运行6LoWPNA 网络协议的节点上电后自动读取MAC 地址，并配置好所需的IPv6地址，使客户端能实现对单个或多个节点进行操作；确定每级节点的最大发送速率，避免大量数据趋近网关是产生拥塞；传感器周期性地采集监测数据并通过IPv6接入网卡转发到本地PC，当监测值超出设定范围时发出警告并通知用户；对接入到联邦网络的智能网关设计和配置，保证两个网络之间的正常通信；将运行融合子系统的6LoWPAN 设备加入到联邦平台，通过DragonLab平台的可视化拓扑连接器对6LoWPAN 传感器节点进行控制管理。

（2）客户端对6LoWPAN 节点的实时远程监测和控制

将本地采集信息通过智能网关发送到云数据处理模块，将不同节点的监测数据进行处理和分析并进行分布式存储。联邦网络内服务器采用浏览器／服务器架构，方便客户端用户通过已配置IPv6地址的PC或手机登陆Web页面，随时随访问节点数据的记录信息，并对远程节点进行实时的访问控制；将本地获取的6LoWPAN 节点数据同远程客户端获取的数据进行对比，针对由于网关处理和远距离传输等造成的数据延迟、数据包差错等问题进行分析，优化远程监控的性能。

（3）6LoWPAN 网络节点漫游的实现

先期提出的两网融合模型中，ZigBee节点均为固定节点。结合IPv6的扩展设计以及实际应用（如测量体温的便携式传感器），实现节点在不同6LoWPAN 网段间漫游过程中保持当前连接。移动节点已有的IPv6地址是基于其家乡网络地址前缀的永久IP 地址，当移动节点移动到一个外地网络时构建一个或多个临时地址即转交地址。移动节点向家乡代理申请注册，为两个地址建立绑定映射关系。针对该过程中出现的路由的搜索、节点位置的确定、节点转交地址的获取以及切换延等具体问题进行分析解决，使移动节点实现及时发现网络，并在网络重叠覆盖区域能够准确选择接入网络。

4 结束语

随着无线个域网的迅速发展及下一代互联网技术的日益普及，6LoWPAN 技术将广泛应用于智能家居、医疗保健、环境监测和工业自动化等多个领域，使人们通过互联网实现对大规模传感器网络的控制成为可能，给人们的工作和生活带来极大的便利。因此，将6LoWPAN技术引入联邦网络是扩展联邦实验平台，合作开发6LoWPAN 应用亟待解决的问题。本文提出将6LoWPAN 同联邦网络的整合方法并加以修订，从IPv6角度丰富联邦实验室平台可实现的服务，利用真实的网络设备资源和真实的IPv6互联网环境，深入研究6LoWPAN 网络。

［1］Fan T R，Gao F，Zhang X，Integration of IoT and DRAGON－lab in cloud environment［J］.The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications，2012，19（2）：87－91.

［2］Baronti P，Pillai P，Chook V W C，et al.Wireless sensor networks：A survey on the state of the art and the 802.15.4and ZigBee standards［J］.Computer communications，2007，30（7）：1655－1695.

［3］Shelby Z，Bormann C.6LoWPAN：The wireless embedded Internet［M］.Wiley，2011.

［4］Mulligan G.The 6LoWPAN architecture［C］.Proceedings of the 4th workshop on Embedded networked sensors.ACM，2007：78－82.

［5］Fan T R，Zhao F，Gao F.Research on Cloud Resource Management Model of Economics Based on Internet Innovation Union［C］.2012 2nd IEEE International Conference on Cloud Computing and Intelligence Systems，Hangzhou，China，2012：524－528.

［6］Fan T R，Liu Z W，Niu L P.A Study of Dragon－lab Federal Experiment Cloud and Network Contest［C］.ICIW 2011，The Sixth International Conference on Internet and Web Applications and Services.2011：249－254.

［7］Fan T R，Chen Y Z.A scheme of data management in the Internet of Things［C］.Network Infrastructure and Digital Content，2010 2nd IEEE International Conference on.IEEE，2010：110－114.