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摘要:无线传感器网络与TCP/IPv6网络的互联是当前的热点研究方向之一。本文主要阐述了无线传感网络与IPv6网络的3种互联方式,着重分析全IP互联方式及其有待解决的关键技术,论证其是实现WSN与IPv6网络互联的无缝结合方式。
关键词:无线传感器网络 IPv6网络 全IP方式
0 引言
无线传感器网络(wireless sensor network,WSN)综合了微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术等先进技术,其中包含的位置分散的独立设备使用传感器监控物理环境。这些独立设备,或称节点,可结合路由器和网关创建典型的WSN系统,能够协同地实时监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息,并对其进行处理,处理后的信息通过无线方式发送,并以自组多跳的网络方式传送给观察者。
随着计算机网络的飞速发展,Internet已发展成世界上规模最大的计算机互联网络,而目前使用的IPv4网络在经历了几十年令人惊异的增长后,已经逐渐逼近自己的极限,暴露出越来越多的在地址空间、网络安全等方面的缺点。下一代互联网IPv6所提供的巨大的地址空间以及所具有的诸多优势和功能,将逐步取代Ipv4。因此,如何实现WSN与TCP/IP(v6)网络的互联已成为当前的热点研究方向之一。
1 在WSN中应用IPv6的几种可能
1.1 地址空间 IPv4协议将每个网络接口长度设定为32位IP地址标识,IPv6协议采用了长度为128位的IP地址,彻底解决了IPv4地址不足的难题。128位的地址空间足以使一个大企业将其所有的设备如计算机、打印机甚至寻呼机等连入Internet。这个特点对于WSN的某些应用是非常有吸引力的,例如智能家居。
1.2 移动性 如果能够通过有线或者无线IP网络把连接设备,只要是网络可以到达的地方,就一定可以实时监控和记录设备的活动及相关情况,并进行汇总和反馈。这种技术的应用广泛用于安全监视、远程监控、可视化协同工作和智能化建筑等领域,如多媒体视讯调度指挥、网络视频监控和会议、远程医疗、工业控制、车载移动监控等各个方面。同时,还能够满足家庭安防的需求。
1.3 安全性 IPv6 对安全性有周密的考虑。IPv6 中强制性的安全性包括两方面的内容:一方面,IPv6数据包的接收者可以要求发送者首先利用IPv6认证头进行“登录”,然后才接收数据包,有效地阻止网络“黑客”的攻击;另一方面,利用IPv6的数据包扩展部分加密数据包,可以安全地在Internet 上传输敏感数据,不用担心被第三方截取。
1.4 无状态地址自动配置 IPv6地址配置可以分为手动地址配置和自动地址配置2种方式。自动地址配置方式又可以分为无状态地址自动配置和有状态地址自动配置2种。在无状态地址自动配置方式下,网络接口接收路由器宣告的全局地址前缀,再结合接口ID得到一个可聚集全局单播地址。在有状态地址自动配置的方式下,主要采用动态主机配置协议,需要配备专门的DHCP服务器,网络接口通过客户机/服务器模式从DHCP服务器处得到地址配置信息。无状态自动配置更适合WSN应用。
2 传感器网络接入互联网的几种方式
2.1 Peer to Peer方式 这种方式通过设置特定的网关,在WSN和IPv6的相同协议层之间进行协议转换,实现内外网络之间的互联。这种方式下网关节点必须支持Ipv6协议。按照网关工作层次的不同,可分为应用层网关和NAT (net-work address translation)网关两种方式。
2.1.1 应用层网关 应用层网关方式的核心方法是由设置在WSN与Internet之间的网关在应用层进行协议转换,实现数据转发功能。缺陷在于用户透明度点,WSN提供的各种服务使用困难,而且网络协议不一致。
2.1.2 NAT网关 NAT网关方式的核心方式是由NAT网关在网络层进行地址和协议的转换,初始条件必须在WSN中采用以地址为中心的网络协议,在外网采用Ipv6网络协议,实现数据转发。
2.2 重叠方式 重叠方式即是WSN与Ipv6之间通过协议承载方式实现互联。重叠方式可进一步分为:IP over WSN和WSN over TCP/IP两种方式。
IP(v6) over WSN:为了使用户能够直接访问或控制WSN中的部分特殊节点,这些特殊节点必须支持Ipv6协议。受通信能力的限制,这些节点与网关之间的数据传输需通过IP over WSN方式才能实现隧道功能,实现数据发送与接收。
WSN over TCP/IP(v6)。该方式通过协议承载来实现传感器网络接入Internet,Internet上所有需要与传感器网络通信的节点以及网关节点被称作传感器网络的虚节点,它们所组成的网络被称作传感器网络的虚网络。在实网络部分,每个传感器节点都运行适应特点的私有协议,节点之间的通信基于私有协议进行;在虚网络部分,传感器网络私有协议的网络层被作为应用承载在TCP/UDP/IP上,TCP/UDP/IP 以隧道的形式实现虚节点之间的数据传输功能。
2.3 全IP方式 全IP方式是WSN与IPv6之间的一种无缝结合方式,充分地利用了Ipv6新特性。该方式要求WSN中的每个普通传感器节点都支持IPv6协议,实现网络互联。当前,对全IP方式存有争论,需要对其展开深入分析。
支持全IP方式理由在于:①IP技术趋于成熟,为WSN与其融合提供了方便;②IP组网技术相对新型组网技术更容易被人们理解与接受;③全IP方式通过有线网络或无线网络将若干传感器节点连接到Ipv6网络,实现互联,是最简单方便的方式。
反对全IP方式理由在于:IP是以地址为中心,而WSN以数据为中心,采用IP解决WSN的通信问题将使工作效率降低;取消单独的网络层,将路由功能放到应用层或者MAC层实现,这也体现了对全IP方式的反对。认为采用全IP方式实现WSN与IP网络的互联是不可取、不可行的。
但若单独地对每个节点进行访问的情况下,应该为每个WSN节点配置全局IP地址;当用户单独访问与控制某些特殊节点时,这些特殊节点也应该具有全局IP地址。得出结论,即全IP式非常适用于对单独节点的访问与控制,为整个通信协议框架提供有力支持,加之已非常成熟完善的各种IP技术,具有一定的改进发展空间和潜在优势。
3 WSN接入IPv6需解决的问题
IPv6协议毕竟不是专门面向传感器网络设计的通信协议,在无线传感器节点上运行Ipv6协议还仍有些问题有待进一步解决:
3.1 WSN节点支持IPv6的程度 由于传感器网络中的某些节点具有路由转发的能力,因此,对于这些节点如何支持IPv6协议是一个重要问题,是仅支持主机侧IPv6,还是同时支持主机和路由的IPv6。
3.2 IPv6包头压缩 IPv6协议自身具有大的分组头开销,而WSN的通信业务量和数据率非常小,如何对IPv6头部的某些字段进行压缩,如何降低分组头开销有待解决。
3.3 如何支持以数据为中心的业务 IPv6是以地址为中心,而WSN以数据为中心,采用IPv6解决WSN的通信问题将使工作效率降低,这也是反对者的反对理由。因此,在以地址为中心的IPv6下,如何支持以数据为中心的WSN也是需要解决的重要问题。
另外,在IPv6地址自动配置、TCP/IP 协议栈剪裁以及无线TCP节能机制等方面都存在有改进因素。
4 结束语
WSN与IPv6的互联方法是当前的热点研究问题。本文介绍了Peer to Peer互联方式、重叠互联方式、全IP互联方式,重点分析了全IP方式,论述了它是实现对单独节点访问与控制的最优互连方式,同时也表述了全IP方式下需要解决的关键问题。总而言之,全IP方式是实现WSN与IPv6网络互联的一种非常重要的思路,能够为整个通信协议框架提供有力支持,值得进一步展开研究。
参考文献:
[1]Edgar H,Callaway J R,无线传感器网络:体系结构与协议[M].王永斌,译.电子工业出版社,2007.
[2]孙利民,李建中,陈渝,等,无线传感器网络[M],清华大学出版社,2005.
[3]Davies J.理解IPv6[M].张晓彤,晏国晟,曾庆峰,译.清华大学出版社,2004.
[4]吴永祥,李黔蜀.IPv6在无线传感网络应用中的关键技术[J].微计算机信息,2007,23(4):115-116.
关键词:无线传感器网络 IPv6网络 全IP方式
0 引言
无线传感器网络(wireless sensor network,WSN)综合了微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术等先进技术,其中包含的位置分散的独立设备使用传感器监控物理环境。这些独立设备,或称节点,可结合路由器和网关创建典型的WSN系统,能够协同地实时监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息,并对其进行处理,处理后的信息通过无线方式发送,并以自组多跳的网络方式传送给观察者。
随着计算机网络的飞速发展,Internet已发展成世界上规模最大的计算机互联网络,而目前使用的IPv4网络在经历了几十年令人惊异的增长后,已经逐渐逼近自己的极限,暴露出越来越多的在地址空间、网络安全等方面的缺点。下一代互联网IPv6所提供的巨大的地址空间以及所具有的诸多优势和功能,将逐步取代Ipv4。因此,如何实现WSN与TCP/IP(v6)网络的互联已成为当前的热点研究方向之一。
1 在WSN中应用IPv6的几种可能
1.1 地址空间 IPv4协议将每个网络接口长度设定为32位IP地址标识,IPv6协议采用了长度为128位的IP地址,彻底解决了IPv4地址不足的难题。128位的地址空间足以使一个大企业将其所有的设备如计算机、打印机甚至寻呼机等连入Internet。这个特点对于WSN的某些应用是非常有吸引力的,例如智能家居。
1.2 移动性 如果能够通过有线或者无线IP网络把连接设备,只要是网络可以到达的地方,就一定可以实时监控和记录设备的活动及相关情况,并进行汇总和反馈。这种技术的应用广泛用于安全监视、远程监控、可视化协同工作和智能化建筑等领域,如多媒体视讯调度指挥、网络视频监控和会议、远程医疗、工业控制、车载移动监控等各个方面。同时,还能够满足家庭安防的需求。
1.3 安全性 IPv6 对安全性有周密的考虑。IPv6 中强制性的安全性包括两方面的内容:一方面,IPv6数据包的接收者可以要求发送者首先利用IPv6认证头进行“登录”,然后才接收数据包,有效地阻止网络“黑客”的攻击;另一方面,利用IPv6的数据包扩展部分加密数据包,可以安全地在Internet 上传输敏感数据,不用担心被第三方截取。
1.4 无状态地址自动配置 IPv6地址配置可以分为手动地址配置和自动地址配置2种方式。自动地址配置方式又可以分为无状态地址自动配置和有状态地址自动配置2种。在无状态地址自动配置方式下,网络接口接收路由器宣告的全局地址前缀,再结合接口ID得到一个可聚集全局单播地址。在有状态地址自动配置的方式下,主要采用动态主机配置协议,需要配备专门的DHCP服务器,网络接口通过客户机/服务器模式从DHCP服务器处得到地址配置信息。无状态自动配置更适合WSN应用。
2 传感器网络接入互联网的几种方式
2.1 Peer to Peer方式 这种方式通过设置特定的网关,在WSN和IPv6的相同协议层之间进行协议转换,实现内外网络之间的互联。这种方式下网关节点必须支持Ipv6协议。按照网关工作层次的不同,可分为应用层网关和NAT (net-work address translation)网关两种方式。
2.1.1 应用层网关 应用层网关方式的核心方法是由设置在WSN与Internet之间的网关在应用层进行协议转换,实现数据转发功能。缺陷在于用户透明度点,WSN提供的各种服务使用困难,而且网络协议不一致。
2.1.2 NAT网关 NAT网关方式的核心方式是由NAT网关在网络层进行地址和协议的转换,初始条件必须在WSN中采用以地址为中心的网络协议,在外网采用Ipv6网络协议,实现数据转发。
2.2 重叠方式 重叠方式即是WSN与Ipv6之间通过协议承载方式实现互联。重叠方式可进一步分为:IP over WSN和WSN over TCP/IP两种方式。
IP(v6) over WSN:为了使用户能够直接访问或控制WSN中的部分特殊节点,这些特殊节点必须支持Ipv6协议。受通信能力的限制,这些节点与网关之间的数据传输需通过IP over WSN方式才能实现隧道功能,实现数据发送与接收。
WSN over TCP/IP(v6)。该方式通过协议承载来实现传感器网络接入Internet,Internet上所有需要与传感器网络通信的节点以及网关节点被称作传感器网络的虚节点,它们所组成的网络被称作传感器网络的虚网络。在实网络部分,每个传感器节点都运行适应特点的私有协议,节点之间的通信基于私有协议进行;在虚网络部分,传感器网络私有协议的网络层被作为应用承载在TCP/UDP/IP上,TCP/UDP/IP 以隧道的形式实现虚节点之间的数据传输功能。
2.3 全IP方式 全IP方式是WSN与IPv6之间的一种无缝结合方式,充分地利用了Ipv6新特性。该方式要求WSN中的每个普通传感器节点都支持IPv6协议,实现网络互联。当前,对全IP方式存有争论,需要对其展开深入分析。
支持全IP方式理由在于:①IP技术趋于成熟,为WSN与其融合提供了方便;②IP组网技术相对新型组网技术更容易被人们理解与接受;③全IP方式通过有线网络或无线网络将若干传感器节点连接到Ipv6网络,实现互联,是最简单方便的方式。
反对全IP方式理由在于:IP是以地址为中心,而WSN以数据为中心,采用IP解决WSN的通信问题将使工作效率降低;取消单独的网络层,将路由功能放到应用层或者MAC层实现,这也体现了对全IP方式的反对。认为采用全IP方式实现WSN与IP网络的互联是不可取、不可行的。
但若单独地对每个节点进行访问的情况下,应该为每个WSN节点配置全局IP地址;当用户单独访问与控制某些特殊节点时,这些特殊节点也应该具有全局IP地址。得出结论,即全IP式非常适用于对单独节点的访问与控制,为整个通信协议框架提供有力支持,加之已非常成熟完善的各种IP技术,具有一定的改进发展空间和潜在优势。
3 WSN接入IPv6需解决的问题
IPv6协议毕竟不是专门面向传感器网络设计的通信协议,在无线传感器节点上运行Ipv6协议还仍有些问题有待进一步解决:
3.1 WSN节点支持IPv6的程度 由于传感器网络中的某些节点具有路由转发的能力,因此,对于这些节点如何支持IPv6协议是一个重要问题,是仅支持主机侧IPv6,还是同时支持主机和路由的IPv6。
3.2 IPv6包头压缩 IPv6协议自身具有大的分组头开销,而WSN的通信业务量和数据率非常小,如何对IPv6头部的某些字段进行压缩,如何降低分组头开销有待解决。
3.3 如何支持以数据为中心的业务 IPv6是以地址为中心,而WSN以数据为中心,采用IPv6解决WSN的通信问题将使工作效率降低,这也是反对者的反对理由。因此,在以地址为中心的IPv6下,如何支持以数据为中心的WSN也是需要解决的重要问题。
另外,在IPv6地址自动配置、TCP/IP 协议栈剪裁以及无线TCP节能机制等方面都存在有改进因素。
4 结束语
WSN与IPv6的互联方法是当前的热点研究问题。本文介绍了Peer to Peer互联方式、重叠互联方式、全IP互联方式,重点分析了全IP方式,论述了它是实现对单独节点访问与控制的最优互连方式,同时也表述了全IP方式下需要解决的关键问题。总而言之,全IP方式是实现WSN与IPv6网络互联的一种非常重要的思路,能够为整个通信协议框架提供有力支持,值得进一步展开研究。
参考文献:
[1]Edgar H,Callaway J R,无线传感器网络:体系结构与协议[M].王永斌,译.电子工业出版社,2007.
[2]孙利民,李建中,陈渝,等,无线传感器网络[M],清华大学出版社,2005.
[3]Davies J.理解IPv6[M].张晓彤,晏国晟,曾庆峰,译.清华大学出版社,2004.
[4]吴永祥,李黔蜀.IPv6在无线传感网络应用中的关键技术[J].微计算机信息,2007,23(4):115-116.