（通信与信息系统专业论文）基于ipv6的无线传感器网络网关的设计与实现.pdf

信息工程大学硕士学位论文 摘要 无线传感器网络( 埘r e l e s ss e 璐o rn e t w o r k w s n ) 是由部署在监测区域内的大量微型传 感器组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、 采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。 6 协议是新一代互联网协议标准，它保留了目前广泛使用的m v 4 协议的主要设计 思想，同时又针对现代互联网应用需求，对其进行了修改、扩充和完善。 、，6 彻底解决了 m 地址紧张等一系列重大问题。 实现w s n 与v 6 网络的互联，无论对于推动前者的发展还是对于扩充后者的业务范 围，都具有十分重要的意义。本文以国家发改委c n g i 研究开发产业化和试验应用示范 项目“i p v 6 无线传感器网络节点”为基础，围绕基于p v 6 的无线传感器网络网关的 设计与实现展开。 1 、深入研究w s n 与i p v 6 网络互联的关键性问题，提出了虚拟v 6 网络、节能和安 全三方面的网关设计思想，介绍了包括代替应答、查询融合以及用户认证等在内的关键技 术。 2 、分析了全口互联方式的必要性，给出了全口方式下w s n 的网络结构、业务类型 和处理流程。将n d 协议与w s n 相结合，介绍了如何在w s n 中利用n d 协议进行地址的 自动配置。对t c p r e n o 和t c p s a c k 在w s n 环境下的性能进行了对比，并且对t c p s a c k 进行了改进。n s 一2 仿真结果表明，改进后的算法性能得到了提升。 3 、根据无线传感器网络能耗特点，设计了基本转发和节能转发两种模式。完成了基于 m v 6 的无线传感器网络网关的设计与实现。测试结果证明了网关转发的可靠性和有效性。 关键词：无线传感器网络，叭6 ，网关，全口，节能转发 第页 笪星三墨奎兰堡主堂篁笙苎 a b s t r a c t w i r ；e l e s s n s o r 珊栅r ki sc 伽p o s e do f al a r g en 岫b e ro f d i s 仃i b u 伽s e n s o rn o d e st h a ta 北 d e 嵋e l yd c p l o y c de i 恤e ri m i d ct h ep h o m o no rv e r yc l o t 0i t 1 1 1 e 辩s e n r 肿d e so r g ；i i l i t l l e m l v e si n t oa 眦m h o p 丽r e l 鼯sn e t w 0 咄a n dc o o p 眦t od e l i v e rc o l l 洮g 血诅t 0s i n l ( n o c i e s i p v 6p r o t o c o li s 血en e 妣g e n e 枷n 咖e cs t a 删，w 量i i c h s e n ，e sm a n y 班| c c e s s 削 吐i 啪c t e 陪o f 】p 、，4 柚dp r o v i d e ss 咄m o r cp o w e r f mf i | n c 的ni no r d e rt om c e tn e w 他q l l i r e m e n t i p v 6p r o t o c o l 蛐c c e s s e st o l v cm a n yp r o b l e 塔锄c h 船i pa d d r e s s a r c 吼 c o m l c c t i n gw s n 、 ，i t h 口v 6n e 阳唧r ki si n l p 0 叮t a me i m 盯t ol h ef 0 肋e r sd e v e l o p i n 肋t0 rt 0 c n l a r g 吨也el 蝴so p e l 埘o n s 恤s i si sb 船e d 血en a t i o i l a ld e v e l o p m e n ta n dr c f o 皿 c o m m i s s i c n g ir d i n d l i 矧a l i z a t i a n de x p e 血m 哟吐。咖l i 谢d 锄o n s 昀t i 删e c t “口v 6 谢他l e s ss e n s o r 北m o r k sn o d ”，舭m i n g 叩圮w s ng 砷e w a yb 船e do n 聃6 d c s i 印锄d 呻l e 删m t 1 b a s e d m e 他s e a r c h o f t h e f a c t o 嚣w h i c h 翻雠c o 加啦w s n 、】v i m 脚6 呲 t h eg 习舱w a yd e s i g ni d e ai n c l u d i n gv m a l 口_ v 6m 栅埘ke n e r g ys 州n g 纽ds 面t ya 佗p s 阳t e d b e s i d 船，t h ek e yi s s u e sa r ei n 们d l l c e d ，叫c h 丛舭s w e r i i l gs l i b s t i t i l ：t c ，q l i 盯y i n gi n o s c i | l 鲥帆，u s e r c e n i f i c a 6 0 na n ds oo n 2 w 陆t h e 卸i a l y s i so fm e 北e df o ra l l - i pi l i t e 】烈脚1 e c t i o nm e i h o d t h es 仃u c t 咐，s e r v i c e t y p ea n dd a l ap r o c s i n go fw s n i na l l - i pm o d ea r ep r c s 衄t e df i r s t l y 1 k = n c o m b i n c dn d w i 也w s n ，h o wt 0u n dp r o t o c 0 1i nw s n f 研a d d r e s sa l i c 0c 矗g l l m t i i s 砷d l ，c c d a f t e r p e 晌忸眦c ec o l p 撕no ft c pr c n oa n dt c ps a c ki nw s n ，i m p m v e 衄m tf o rt c ps a c k a l 耐t 1 】i 璐i sp r e s e n t s i m u k 晡s u l t si nn s 一2s h o w s t h a tt c ps a c k p e r f o r m sb e t i e rw i t ht h e i m m 髓r 脚t 3 f o rt h es a k eo fs a v i i l ga l e r g y ，n o r m a lf b 刑a r d i n gm o d e sa n de n e r g ：y - s a v i n gf 0 州删i i l g m o d ea 佗d e s i 印e db 笛eo nt h ec h a r a c t e 巧o fw s nc n e r g yc o n s u i l l j i n g t h eg a t e 啊a yf b r c o n n e c t i l l gw s n1 i 也口v 6n e t w 0 咄i sa l i m p l e m 胁t e dc o m p l e t e ly d e b u g g i r 培a n dt e s t i n g s h o wt h a t 诵t ht w of o n 】憎f d i n gm o d ea ：b o v e ，也eg 舢e w a yw i 【s 、v e ua 丑de 伍c i e n t l y yw o r d s ：啪r e l e s ss 咄o rn 咖o r k s ，m v 6 ，g a t e l ，a y ，a l l - 毋e 雎r g y s a v i n gf 蝴r d 第页 信息【程大学硕，f 二学位论文 表lr e n o 与s a c k 性能对比 表目录 表2m s a c k 与s a c k 性能对比 表3 派生类c j u d g e 主要成员函数 表4 派生类c d a t a p r o c 主要成员函数“ 表5 派生类c o u t p u t 的主要成员函数 表6 代忤应答和l f i 常转发性能对比一 第1 v 页 3 1 3 2 4 6 4 6 4 7 5 l 图目录 图1 传感器网络体系结构5 图2 虚拟脚6 网络示意图8 图3 虚拟v 6 网络互联中节点协议栈示意图9 图4 网关协议栈及数据走向图l l 图5 网关各层次功能模块示意图1 2 图6 网关状态机1 3 图7 通过映射法则进行地址转换1 4 图8 代替应答示意图1 5 图9 查询融合示意图1 6 图1 0 查询单个休眠节点示意图1 7 图l l 查询多个节点示意图1 8 图1 2 周期发送策略“1 9 图1 3 流量控制机制“1 9 图1 4 用户认证示意图“1 9 图1 5 各个类的继承关系”2 0 图1 6 全口方式网络结构一- 2 2 图1 7 全i p 方式网络结构二2 2 图1 8 三类节点的协议栈结构2 3 图1 9 经过聚合处理的业务数据在网内的处理流程“2 4 图2 0 不需要经过聚合处理的业务数据在网内的处理流程2 5 图2 1 目标对象为所有传感器节点的查询，命令消息处理流程一2 5 图2 2 目标对象为特定传感器节点的查询，命令消息处理流程”2 6 图2 3 路由、l l c 、m a c 等协议的控制消息处理流程2 6 图2 4w s n 地址自动配置示意图”2 9 图2 5 网络仿真拓扑结构图“3 1 图2 6r e n o 和s a c k 吞吐量对比图，p = 0 0 5 ：3 l 图2 7r e 和s a c k 发送分组对比图，p = o 0 5 3 l 图2 8s a c k 和m s a c k 的c w n d 对比图，p = 0 0 5 3 2 图2 9s a c k 和m s a c k 的吞吐量对比图，p = o 0 5 3 2 图3 0 啪n d o w s ，中的肌6 双栈结构3 4 图3l 课题采用的6 t 0 4 隧道机制3 5 图3 2 安装脚6 协议栈后的口地址信息3 5 图3 3 网关配置多个i p 、r 6 地址3 5 图3 4 网关软件主面板3 6 第v 页 信息工程大学硕士学位论文 图3 5 网络信息面板”3 6 图3 6 程序配置面板3 6 图3 7 帮助信息3 6 图3 8 节点信息列表数据结构”3 8 图3 9 查询分组处理流程“3 9 图4 0 数据分组处理流程”3 9 图4 1p d c 分组格式4 2 图4 2e d c 分组格式“4 2 图4 3d 1 分组格式“4 2 图“s 1 分组格式4 2 图4 5 节点信息列表存储格式一4 3 图4 6 数据片断1 ，摘录自节点信息列表4 4 图4 7 数据片断2 ，摘录自节点信息列表4 4 图4 8 测试环境4 9 图4 9 测试网络拓扑结构”4 9 图5 0 黄河监测网络拓扑结构图“4 9 图5 l 基本转发模式下的全网查询：5 0 图5 2 基本转发模式下的多个节点查询”5 0 图5 3 基本转发模式下的单个节点查询”5 0 图5 4 节能转发测试环境“5 0 图5 5 代替应答机制的节点信息列表“5 l 图5 6 代替应答机制的网关显示”5 l 图5 7 代替应答机制的节点显示一5 1 图5 8 代替应答机制的服务器显示一5 1 图5 9 查询融合机制的网关显示“5 2 图6 0 查询融合机制的节点显示5 2 图6 1 查询融合机制的服务器显示”5 2 图6 2 节点休眠处理的网关显示”5 2 图6 3 节点休眠处理的节点显示”5 2 第页 原创性说明 本人声明所提交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写 过的研究成果，也不包含为获得信息工程大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文题目：堑型鱼垒生蕉壁：墨旦鲎旦墨鱼型堡亟 学位论文作者签名：盐艇同期：五彩年月一r 1 作者指导教师签名：2 垂匿蔓r 期：巩岬年f 月o f 1 学位论文版权使用授权书 本人完伞了解信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权信息工程大学 町以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借 阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书 学位论文题h ：基重堕! 螋盛墨塑壅旦塑盟苎圣墨 学位论文作者签名：丕i 丝f 1 期：孔司年月p i 二1 作者指导教师签名：主妻二 些 一 f 1 期：a 如7 年 占月，。f 信息工程大学硕士学位论文 第一章绪论 无线传感器网( w h l e s ss e 邮o r n e t 、】岫r k ，以下简称w s n ) 具有监测精度高、布网及使 用灵活、可靠性高、经济性好等特点，在军事侦察、医疗监护、工业控制和环境监测等方 面发展前景广阔，正日益受到人们的关注【j j 。一方面，w s n 一般并不以孤立网络的形式而 存在，而是需要通过定的方式与互联网相连，以便通过互联网上的设备方便地对其进行 管理、控制与访问，或借助其网络设施实现w s n 的大规模组网；另一方面，由于v 4 存在 地址空间的局限性、性能和安全性等问题，6 最终会将其取代并已成为下一代互联网的 协议标准。因此，如何实现互联网( 特别是m v 6 网络) 与w s n 的互联，己成为当前的热点 研究方向之一。本文的内容就是关于基于，、r 6 网络的w s n 网关的研究与实现。 1 1 课题背景 矾6 协议具有地址空间巨大、移动性支持灵活、内置的安全特性、增强的o o s 保证、 自动地址配置等一系列优势。d v 6 作为下一代互联网乃至下一代电信网的核心标准，已得 到业界的广泛认同1 2 j 。i p v 6 的产业化与应用系统是目前国内i p 、r 6 研究方面关注的焦点，成 熟有特色的业务是脚6 能否成功的关键之一，也是目前i p v 6 两络遇到的最大挑战之一。 w s n 以其获取信息精度高、部署灵活性强、可靠性高、经济性好等特点，引起了世界 上许多国家的政府和军事部门、工业界和学术界的极大关注。可以预计，w s n 的发展和广 泛应用，将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动。 i p v 6 为w s n 的发展提供了良好的基础支撑，w s n 的发展也将有助于丰富v 6 网络的特 色应用。首先，口v 6 巨大的地址空间可以充分满足未来数以千万计的无线传感器节点的地 址要求；其次，当w s n 的覆盖范围从一个局部区域扩展到非常广阔的地域的时候，当其服 务对象从一些专有用户拓展到更为普通的公众人群的时候，未来的口v 6 网络将为w s n 的接 入、广域互联以及信息资源的共享提供极大方便；再次，m v 6 作为规范的协议标准，有助 于推动w s n 技术的标准化，进而推动相关应用的产业化进程；最后，w s n 未来“无处不在一 的适用场合也必将为i p 、，6 网络提供大量的特色应用业务。 尽管如此，、，6 毕竟不是专门面向w s n 而设计的通信协议，其自身的一些特点与w s n 的要求不太吻合，在w s n 上直接运行标准的i p v 6 协议也存在一些特殊问题。例如：采用口v 6 包格式封装长度较短的w s n 数据报文，包头所占开销过大，不利于提高数据传输效率和延 长网络寿命例；在普通传感器节点上运行相对复杂的矾6 协议，对传感器节点的软、硬件 要求较高，不利于降低节点复杂度和制造成本【4 】；邛v 6 采用以地址为中心的路由机制，中 间节点不解析分组中的数据段内容，而许多w s n 应用要求进行网内数据处理( 融合或聚合) 并采用以数据为中心的路由机制等等。因此，如何消除帆6 协议与w s n 需求之间的矛盾， 实现二者的完美结合，是非常值得深入研究的问题。 第1 页 信息工程大学硕士学位论文 1 2 研究现状 当前，在i p v 6 网络与w s n 的互联方面，主要存在p e e rt op c 髓方式、0 l v c r l a y 方式以及全 口方式等几种【5 1 。 p e e r t 0p c e r 方式通过设置特定的网关节点，在相同协议层次之间进行协议转换，实现 i p 、，6 网络与w s n 的互联。按照网关节点所工作协议层次的不同，可进一步细分为n a t ( n e 咖r k a d d r e s s t 姗蜥。皿n a t ) 网关和应用网关两种方式。n a t 网关工作在网络层。 当w s n 采用以地址为中心的私有网络层协议时，网关在网络层进行w s n 私有地址与标准口 地址的转换。在该方式下，t c p ，口协议族的许多现有协议( 如u d p 协议、f 1 p 协议等) 在 w s n 中可以得到有效继承。应用网关工作在应用层，是实现w s n 与互联网互联最简单的方 式。在该方式下，由于w s n 与互联网在所有协议层次上都可以完全不同，w s n 可以根据其 特点与要求设计相应的通信协议，不同层次可以根据需要独立设计或者跨层设计。 o v e d a y 方式在6 网络与w s n 采用不同协议栈的情况下，通过协议承载而不是协议转 换实现彼此之间的互联。按照协议的主体不同，帆r l a y 方式也可以细分为两种：w s no 、惯 l v 6 和i p v 6o 、惯w s n 。采用前者的互联方式，每个传感器节点都运行适应w s n 特点的私 有协议，节点之间的通信基于私有协议进行。w s n 私有协议的网络层被作为应用承载在 t c p 仰之上，t c p ，口以隧道的形式实现，v 6 用户与节点之间的数据传输功能。采用后者的 方式主要是考虑到v 6 用户可能对w s n 内部的某些特殊节点，如具有执行能力的节点 ( ac t i 珀t o r ) 、担负某些重要职能的群首( s i n l 【) 节点等直接进行访问或控制，因而这些特殊 节点往往也需要支持m v 6 协议。在该方式下，w s n 的主体部分仍采用私有通信协议，m v 6 协议只被延伸到一些特殊节点。 全口互联方式是当前学术界讨论的一个焦点问题。该方式要求每个普通的传感器节点 都支持i p v 6 协议，v 6 网络与w s n 通过采用统一的网络层协议( 即p v 6 ) 实现互联，是一 种无缝结合方式【6 】。全i p 方式是实现m v 6 网络与w s n 互联最简单、最快捷的方式，通过采 用以太网电缆或类似于o p r s 的无线链路将一个或多个传感器节点直连到某6 网络，即可 实现外部6 网络与w s n 的互联【7 】。全球方式的优势在于：许多基于m 的技术已经存在； 口网络无处不在的特性将为w s n 利用已有网络设施提供极大方便；从知识产权的角度 来看，组网技术相对其它专用或新型组网技术更容易被人们理解与接受。从宏观上讲， 全i p 互联方式具有非常多的潜在优势，但从微观上讲，它也存在许多具体技术问题有待进 一步解决。 1 3 研究内容 本课题来源于下一代互联网示范工程“c n g p v 6 无线传感器网络节点”。项目的研究 目标为设计并自主开发无线传感器网络节点的硬件平台；设计并自主开发i p v 6 无线传感器 节点的网络层协议，并提出相应的标准化建议；设计并自主开发脚6 无线传感器节点的 m a c 层协议，并提出相应的标准化建议；设计并自主开发适应皿v 6 特点的数据汇聚技术， 第2 页 准化建议：设计与开发无线传感器网络与c n g i 互联的网关节点：设计与开发数据处理与监 视控制子系统；构建由无线传感器节点、s i n l 【节点与数据处理与监视控制子系统组成的面 向特定应用的示范演示系统。本文所研究的是i p v 6 无线传感器网络节点的子课题：无线传 感器网络与c n g i 互联的网关节点的设计与实现。本人独立完成了网关的设计、开发、调试 和性能测试，实现了全部预期功能，并针对传感器网络的特点开发了新的功能。 本人在课题中完成的主要工作是： 在网关节点的设计阶段，深入分析了w s n 与m v 6 网络互联对网关的需求，确定了网关 的功能。根据传感器网络的特点并结合课题实际情况，设计了两种转发模式。 在网关节点的实现阶段，独立完成了网关软件的开发、调试和性能测试。该软件实现 了互联i p v 6 网络与w s n 的网关所需功能。通过面向对象的软件设计方法，实现了基本转发 和节能转发两种模式，分担了传感器节点的部分业务，从而起到了节省能耗的作用。 针对当前的研究热点全口的互联方式，深入研究和分析了全口方式下w s n 的网络 结构、业务类型、数据处理流程以及其中的关键性问题。将i p v 6 中的n d 协议引入w s n ， 利用n d 协议进行w s n 的地址自动配置。研究了适用于w s n 的无线t c p 机制，对现有的研 究成果进行了总结和改进。 1 4 论文的组织 本文主要有以下几章组成： 第一章：简要介绍了课题的背景、研究现状、研究内容和论文的组织。 第二章：通过与口v 4 的局限进行对比，介绍了v 6 的特性；介绍了w s n 的体系结构、 特性和关键技术；结合w s n 分析了二者的契合点并提出了在w s n 中应用i p v 6 的几种可能的 场景。 第三章：重点介绍了基于v 6 网络的w s n 网关的设计思想和设计方案，并且给出了其 中的关键技术。 第四章：介绍了全坤方式下实现叶6 网络与w s n 互联的思想，分析其中的关键技术； 介绍了如何在w s n 中利用n d 协议实现地址的自动配置；总结和改进了适用于传感器网络 的无线t c p 机制，进行了性能分析并在n s 一2 下进行了仿真。 第五章：介绍了网关节点的具体实现，包括开发工具、开发环境的简介，网关软件的 界面和使用以及软件的调试和测试等内容。 第3 页 信息工程大学硕士学位论文 第二章口v 6 与无线传感器网络 本章首先在分析m v 4 局限性的基础上，介绍了m v 6 协议特点，然后介绍了无线传感器 网络的体系结构、特征及其关键技术，最后分析了v 6 与w s n 结合的优势和必要性。 2 1i p 、，6 简介 为彻底解决口v 4 存在的种种问题，互联网工程任务组织( 以下简称i e 邗) 从1 9 9 5 年开 始着手研究开发口v 6 。i p v 6 是i i l t e m e t 协议的一个新版本，它保留了口v 4 中运行良好的功能， 而在i p v 4 中不能工作或很少使用的功能则被去掉或作为选项。为了更好的理解口v 6 ，我们 有必要先对m v 4 进行一下简单介绍。 2 1 1 口v 4 的局限 自从r f c 7 9 1 于1 9 8 1 年发布以后，当前版本的i p 协议( 即m v 4 ) 就没有发生实质性的变 化。实践证明，v 4 是健壮的，易于实现的，并且具有很好的互操作性。它本身也经受住 了互联网络从小型发展到今天这种全球规模的考验。 然而，随着i n t e m e t 的发展以及网络用户成指数倍增长，m v 4 也出现了一些不尽如人意 的方面，主要体现在迫在眉睫的口地址空间耗尽问题。尽管n a t 协议支持对内部口地址的 重用，但也造成了性能和应用的瓶颈。接入i n t e r n e t 的设备和应用程序的数目日益增加，必 然导致口v 4 地址空间的最终耗尽。 另外，在路由表的维护、地址的自动配置、m 协议的安全以及q o s 等方面，口v 4 协议 也有诸多不足之处。 2 1 2i p v 6 的特性 为了解决上述问题，m t f 开发了一套新的协议和标准，即m v 6 。这个新版本采纳了很 多新思想用于更新i p v 4 协议。 _ 简化的报头格式 m v 6 采用固定长度的报头，将不常用的字段作为可选项，加快了路由速度；扩展报头 能够对多种应用提供强力支持，也有利于功能扩展。 巨大的地址空间： i p v 6 采用】2 8 位地址，具备为所有的网络设备提供一个全球唯一地址的能力。其充足的 地址空间，将极大地满足伴随着网络智能设备的出现而对地址增长的需求。 可靠的安全保障： 聃6 中i p s e c 协议的使用，解决了网络层端到端数据传输的安全问题。与m v 4 中不同的 是：m s e c 在i p v 6 协议中必须加以实现。其安全性体现在口s 安全参数的协商与获取可以 通过手工方式进行，也可以采用密钥交换协议自动实现f 8 】。 第4 页 信息工程大学硕士学位论文 提供更高的服务质量保证： 口v 6 能够提供不同水平的服务。在分组转发过程中，中间节点根据报头中新增加的“业 务级别”和“流标记”两个字段识别和分开处理任何口地址流。 一支持真正的移动性： i p v 6 充足的地址空间可以为互联网上每一个移动终端分配一个全球唯一的i p 地址。移 动脚6 能够通过简单的扩展，满足大规模移动用户的需求，在全球范围内解决有关网络和 访问技术之间的移动性问题。 2 2 无线传感器网络概述 无线传感器网络是由部署在监测区域内的大量微型传感器组成，通过无线通信方式形 成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感 知对象的信息，并发送给观察者【9 】。如无特别声明，以下的传感器网络均指无线传感器网 络。 2 2 1 传感器网络体系结构 传感器网络结构如图1 所示，通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。大量传感 器节点随机分布在监测区域内部或附近，通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数 据沿着其它传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经 过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传 感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据【l 川。 图l 传感器网络体系结构 传感器节点是一个微型的嵌入式系统。它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱， 通过携带能量有限的电池供电。传感器节点既能接收数据，又能转发数据，兼顾传统网络 节点的终端和路由器双重功能。除了进行本地信息采集和数据处理外，还要对其它节点转 发来的数据进行存储、管理和融合等操作，同时与其它节点协作完成一些特定任务。汇聚 节点又称网关，负责连接w s n 与其它外部网络，将来自外部网络的查询命令分发的w s n ， 并且将w s n 汇总的监测数据回传至查询用户。与普通传感器节点相比，它具有较强的处理 第5 页 2 2 2 传感器网络的特征 。 传感器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数据庞大，节点分布 密集，具有大规模性、自组织性、动态性、可靠性、应用相关性以及以数据为中心等特点a 另外，传感器节点的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限。传统无线网络 的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用，其次才考虑节约能源；而传感器网络 的首要设计目标是能源的高效使用，这也是传感器网络和传统网络最重要的区别之一i l “。 2 2 3 传感器网络的关键技术 无线传感器网络作为当今信息领域新的研究热点，涉及多学科交叉的研究领域，有非 常多的关键技术有待发现和研究。下面仅列出与本课题相关的关键技术并加以讨论。 第一，网络协议的设计。由于传感器节点的计算能力、存储能力、通信能力以及携带 的能量都十分有限，所以节点运行的网络协议也不能太复杂，必须在性能和所占资源两方 面达到最佳的均衡。另外，由于传感器网络是应用相关的网络，应用需求不同时，网络协 议往往需要根据应用类型或应用目标环境特征定制，没有任何一个协议能够高效的适应所 有不同的应用i l “。 第二，网络安全的考虑。w s n 作为任务型的网络，不仅要进行数据的传输，而且要进 行数据采集和融合、任务的协同控制等。w s n 部署的开放性以及无线网络系统的广播特性 对w s n 的安全提出了更高的要求。如何保证任务执行的机密性、数据产生的可靠性、数据 融合的高效性以及数据传输的安全性，就成为无线传感器网络安全问题需要全面考虑的内 容。 第三，数据融合。在各个传感器节点采集数据并回传的同时，可以对接收到的数据进 行转发之前做必要的融合处理。这样做既可以减少网络中分组的数量以降低能耗，又可以 对多个信息进行综合处理，提高信息的精确度。w s n 进行数据融合，必须注意融合的范围、 深度等参数与能量消耗之间的关系。 第四，数据存储。从数据存储的角度来看，传感器网络可被视为一种分布式数据斟u 】。 以数据库的方法在传感器网络中进行数据管理，可以将存储在网络中的数据逻辑视图与网 络中的实现进行分离，使得传感器网络用户只需关心数据查询的逻辑结构，无需关心实现 细节。 第五，网络低功耗设计。传感器网络需要低功耗短距离的无线通信技术。i e e e8 0 2 1 5 4 标准是针对低速无线个人域网络的无线通信标准，把低功耗和低成本作为设计的主要目 标，旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间低速联网提供统一标准1 1 4 1 。由于e e 8 0 2 1 5 4 标准的网络特性与无线传感器网络存在很多相似之处，故很多研究机构都把它作 为无线传感器网络的无线通信平台。 第六，应用层研究。传感器网络应用层由各种面向应用的软件系统组成，部署的传感 第6 页 信息工程大学硕士学位论文 器网络往往执行多种任务。应用层的研究主要是各种传感器网络应用系统的开发和多任务 之间的协调。 2 3i p 、r 6 与无线传感器相结合 i p v 6 的各种新特性不仅使其取代口v 4 成为新一代互联网络的协议标准，而且为其在 w s n 领域的应用提供了良好的支持，具体说来，有以下几个方面： ( 1 ) 地址空间对w s n 的支持：坤v 6 提供的巨大地址空间对于诸如智能家居等w s n 应 用是非常有吸引力的。对于一个有几百万人口的城市，如果将来全部实现家居智能化，至 少需要几十万的地址来区分不同的家庭，才能在家庭网络发出安全警报( 如火灾) 的情况 下提高应急能力。6 为此类应用提供了可行性。 ( 2 ) 移动性对w s n 的支持：无论设备以何种方式连接到网络，无论设备移动到何处， 如果其它设备都能够通过同一个m 地址来访问该设备，那么这种功能将给使用者带来很大 的便利。并且在某些应用场合下，w s n 必须具备这种能力，例如医疗监控，健康监控等。 某些类型的病人( 如心脏病) 在没有病发的时候其活动范围是很大的，可能是整个城市， 也可能会到其它的城市。如果能够通过移动口技术使之保持一个唯一的口地址，在危机时 刻( 如心脏病突发) ，警报信息能够与m 绑定在一起发出，就有助于及时地为医生提供该病 人的信剧”j 。 ( 3 ) 网络安全对w s n 的支持：安全性在军事方面的w s n 应用中非常重要。工业控制 中也有可能从商业机密保护的角度而要求网络具有一定的安全性。v 6 所提供的网络层安 全保证，能够最大程度地保护w s n 的通信安全。 ( 4 ) 邻节点发现机制对w s n 的支持：v 6 的邻节点发现机制，对、s n 的某些需求提 供了很好的支持。此外，在某些具体的w s n 应用中，也可以根据需要对i c m p v 6 报文做适 当的修改，比如利用路由器通告报文通告w s n 的敏感信息，如能量可用性( 电池的剩余时 间) 等。 ( 5 ) 无状态自动配置对w s n 的支持：在通常的w s n 应用中，其无线网络部分的规模 较小，所以无状态自动配置更加适合于w s n 应用。6 的无状态地址自动配置可以为无线 传感器网络的应用提供良好的支持。 第7 页 信息工程大学硕士学位论文 第三章基于i p v 6 的无线传感器网络网关的总体设计 本章根据无线传感器网络的特性及其与i p v 6 相结合的特点，从虚拟i p v 6 网络、能量有 效和安全性三个方面详细介绍了基于玎p v 6 的无线传感器网络网关的设计思想并且列举了网 关设计中涉及的关键技术。 3 1 网关的设计思想 基于脚6 的无线传感器网络网关设计，首先要考虑如何将i p 、，6 与w s n 进行有效的互 联。在此基础上，要重点考虑无线传感器网的特性，特别是w s n 能量有限这一关键性问题。 最后，安全性也是必不可少的因素。下面就从这三个方面介绍网关的设计思想。 3 1 1 虚拟口v 6 网络的设计思想 虚拟m v 6 的设计思想，是利用网关将w s n 虚拟成为一个v 6 子网。所有w s n 节点( 包 括s i i l i 【节点) 都可以看作是i p v 6 虚节点，全部节点组成的网络可以看作是脚6 的虚网络，虚 网络被看作是实网络( 即6 网络) 的延伸。每个传感器节点都拥有一个i d ，在w s n 内部 依靠此i d 进行分组的交换。每个i d 都对应一个唯一的p v 6 地址。i p v 6 用户通过该地址与需 要访问的传感器节点建立连接。 图2 虚拟脚6 网络示意图 虚拟i p v 6 设计思想的优势在于：节点具有唯一的i p v 6 地址，能够使w s n 与6 网络 有机的相结合，便于i p v 6 用户对传感器网络进行访问和管理；w s n 内部利用节点编号 寻址、采用更加适合自身特点的通信协议以追求能量有效性、简单性、可扩展性等设计目 标；网关负责地址的映射和协议的转换，充分发挥其计算能力强、存储空间大的优势， 有效屏蔽w s n 与口v 6 网络各方面的差异，实现传感器节点与口v 6 用户之间的端到端透明通 信。不足之处主要包括：w s n 的大规模组网需要多个网关的参与，网关的存在使得w s n 对移动性的支持不足等。 如图2 所示，a 点代表一个m v 6 节点，b 为网关，c 为一个传感器节点，d 为该传感器节 点对应的虚拟肌6 节点。整个传感器网络被虚拟成为一个i p v 6 子网，每个传感器节点都与 第8 页 信息工程大学硕士学位论文 冥覆预菇磊币丙二二雨面丽器网络对于口v 6 网络来说是透明的，也就是说，a 只能看 到b 和d ，而看不到c 。当a 对c 发起查询时，查询分组由b 转发至c 。而c 被b 虚拟为d ，所 以上述过程可以看做a 与d 之间的端到端通信。同样，当c 向a 回传数据时，也可以看做是 d 与a 之间的通信。 虚拟v 6 网络互联方式下，传感器节点的协议栈可以看做由两部分构成：第一部分是 实际的、采用自主化设计的私有协议栈；第二部分是经过网关虚拟后的玎p v 6 协议栈。各层 之间相互对应，如图3 所示。 口神点传薯节直( 盘细 节点) p p 4，? m + m m t c d p t c d 口-+ 1 r 能 n 霉- w ， l l 、幛船m ， u l + u m m c 4m i y i， ，哆哆。，2 li 口洲- 眦 囫台室翻的嘲瞒触 图3 虚拟矾6 网络互联中节点协议栈示意图 3 1 2 能量有效的设计思想 依靠电池供电的传感器网络常常运行在火山地带、战区等人员无法接近的恶劣、甚至 危险的远程环境之中，节点的电池更换或再充电等工作常常无法进行。而广泛分布于监测 环境的传感器节点既要负责收集敏感数据，又要完成数据传输以及路由等功能。此外，攻 击者还可能会利用侵占节点向网络中注人大量的虚假数据包，致使节点在传输这些数据包 时耗尽能量而失去效用。因此，节点电池的无法替换性使能量消耗问题相对于传感器网络 的其他关键技术而言尤为重要【阐。在不影响性能的前提下，设计有效的能量消耗控制策略， 在能量有限的情况下延长网络寿命，成为传感器网络软硬件设计中的核心问题。 按照所产生的区域不同，可以将传感器网络的能量消耗分为两类。一类来源于w s n 内 部，主要包括传感器节点用以采集数据、传输和路由分组、对信道的监听以及状态的切换 等所消耗的能量。降低此类能耗可以从网络级和节点级两方面考虑。网络级的节能策略主 要有：网络拓扑控制、能量有效路由和数据聚合处理等机制，其目的在于使网络的整体能 耗最小化并达到有效均衡，从而延长网络寿命。节点级的做法主要通过采用动态功率管理 ( d ”锄i cp o w 盯m 锄g e m e n t ，d p m ) 、动态电压控制( d y n a m i cv o l _ t a g es c a l i n g ，d v s ) 、 能量感知软件等方式，降低单一节点在空闲时无谓的能量消耗以及在数据处理和传输的质 量与节点能耗之间进行折衷，延长其工作时间【1 7 l 。 另一类能耗则是来源于w s n 外部，主要包括过于频繁、冗余或无效查询的转发等等。 第9 页 正在休眠和已经失效节点的查询。降低此类能耗主要依靠网关在转发查询分组之前的预处 理，通过采用代替应答、查询融合以及休眠处理等能量有效性机制，减少w s n 的分组个数， 从而达到降低能耗，延长网络寿命的目的。由于网关对查询的预处理从提高w s n 整体性能 入手，面向所有转发路径上的节点，因而属于网络级的节能机制。 3 1 3 面向安全的设计思想 传感器网络中的安全隐患在于网络部署区域的开放特性以及无线电网络的广播特性。 网络部署区域的开放特性是指传感器网络一般部署在应用者无法监控的区域，所以在存在 受到无关人员或者敌方人员破坏的可能性。无线电网络的广播特性是指通信信号在物理空 间上是暴露的，任何设备，只要其无线特性和发送信号匹配，就能获得完整的通信信号。 w s n 在网络协议栈的各个层次中可能受到的攻击方法通常包括：物理层的拥塞攻击、 链路层的碰撞攻击、网络层的汇聚节点攻击以及传输层的洪泛攻击等【i s 】。针对本课题的具 体情况，下面提出一种应用层的攻击手段，并给出相应的防御方法。 w s n 拒绝服务攻击类似于耗尽攻击。攻击者以消耗网络带宽和传感器能量为目的，通 过向w s n 发送大量匿名的查询分组，造成网络不堪重负，致使w s n 瘫痪而无法提供正常的 数据采集服务。只要攻击者掌握了查询分组格式，就可以发布匿名查询分组。由于无沣将 该攻击的查询与正常查询区别开来，因此w s n 在这种攻击面前十分脆弱。只要攻击者连续 不断的发送查询命令，传感器节点就会在处理和转发这些分组时消耗大量的电池能量，并 造成网络带宽的巨大浪费。 网关节点作为进入w s n 的第一道屏障，可以加入安全性方面的设计。方法一，采用查 询用户的注册和认证机制，只允许认证用户建立对等