基于IPv6网与ZigBee无线传感网的协议转换网关研究

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摘要 本文通过对无线传感网,ZigBee协议,IPV6技术的研究和分析,针对传感网处理速度慢,存储容量小等特点,对常用TCP/IPV6、ZigBee协议和协议栈进行了改变和简化,实现IPv6网与基于ZigBee协议的无线传感网的互联,课题的主要思路是如下3个方面:1)把无线传感网虚拟成一个ipv6网,实现传感节点与IPv6网逻辑上的互联;2)网关的协议转换模型设计,实现zigbee分组与IPv6分组的转换和传送;3)面向安全思想的设计,解决无线传感网常规安全问题。测试结果表明所设计的转换协议栈适合于各种嵌入式设备,是一种解决ZigBee无线传感网接入IPV6网络的可行方案。

关键词 IPV6;ZigBee;无线传感网;虚拟IPv6网

中图分类号TP311文献标识码 A文章编号 1674-6708(2010)20-0115-03

The Study of Protocol Conversion Gateway Based on IPv6 Network and ZigBee Wireless Sensor Network

CHENG Jizhong 1 ,PENG Zhen 2

1.Hunan University of Humanities, Science andTechnolog,Loudi417000

2.Quality-detection center of LianYuan steel group company,Loudi 417000

Abstrcat Via the research and analyse for wireless sensor network,ZigBee protocol, the IPV6 technique in this article,In allusion to slow process speed ,low memory feature of wireless sensor network,we chang and simplify IPv6,ZigBee stack. Realize the interconnect of IPv6 network and wireless sensor network. In this article we mainly designed for three points: firstvitual wireless sensor network to IPv6 network, realize the logical interconnect of IPv6 network and wireless sensor network; second model desingn of protocol-change,realize change and sendbetween ZigBee segment and IPv6 segment; therd security design,reslove usually security problem in wireless sensor network; Tests indicated that this channe protocol stack was suit for embeded devices,It is also the feasible scheme for interconnect of IPv6 network and wireless sensor network.

KeywordsIPv6;ZigBee;WSN;vitual IPv6 network

0 引言

无线传感器网(wireless sensor network WSN)是微电子机械系统、计算机、通信、自动控制和人工智能的交叉发展的结果,它由:传感器节点(Sensornode)、汇聚节点(sinknode)和管理器节点3部分组成,用于对无人值守的监控区域的测控。传感节点监测数据并以多跳的方式通过路由节点把这些数据传送给汇聚节点。汇聚节点通过Internet或通信卫星与任务管理器节点(如手机、计算机等)进行通信[1]。

ZigBee协议是由ZigBee联盟制定的近几年发展起来的一种近距离无线通信技术,它功率低、成本低,以2.4GHz为主要频段,广泛应用于无线传感网[2]。

IPv6是IPv4的升级版本,是下一代互联网络的核心,它把IP地址长度由32位增加到128位,彻底解决了IPv4的地址短缺问题,同时它还具有地址自动配置,服务质量控制等多方面的优点[3]。

本文旨在设计一个基于ZigBee技术的无线传感网与IPv6网的嵌入式协议转换网关,进行ZigBee与IPv6的协议转换,使传感器将传感数据能在这两种不同的网络中进行传输。具体模型为:当有传感数据时,传感节点通过ZigBee协议把传感数据封装成的ZigBee分组格式,通过传感路由算法到达该传感网的协议转换网关,协议转换网关在接到ZigBee分组后,把传感数据提取出来,交给IPv6协议栈,IPv6协议栈再通过以太网发给IPv6网络。反之,IPv6网络通过相反的方向将控制和配置数据发送给传感节点。在这个过程中主要解决的问题有:1)把无线传感网虚拟成IPv6网,使外部网络能通过IPv6协议对传感接点进行配置和数据传送;2)协议转换模型的设计,传感数据的在ZigBee协议和IPv6协议中如何实现转换;3)安全思想设计,无线传感网部署在无人监守区域,而且有广播特性,容易遭受攻击,需要可靠的安全设计。

1 无线传感网虚拟IPv6网

无线传感网的传感节点不具有IP地址,只有一个节点ID,要将无线传感网与IPv6网通信,我们必须将无线传感网中的传感节点与一个IPv6地址对应,外部网络使用这个IPv6地址与该传感节点通信,因此在外部来看,我们把传感节点虚拟成一个IPv6节点,如果我们把一个无线传感网的中的每个节点都进行虚拟,就可以把传感网虚拟成一个虚拟的IPv6网,在这个虚拟的IPv6网中,每个节点都有一个IPv6地址与外部IPv6网通信,但是在实际网络中还是使用节点ID进行分组传送。因此,在无线传感网与IPv6网之间的网关要进行一个虚拟,在转换网关内部,维持一个传感节点IPv6地址与传感节点内部节点ID的转换表,当收到IPv6网发给内部节点对应的虚拟IPv6节点时,在转换网关内部需要找到和虚拟IPv6地址对应的内部节点ID,并用这个ID进行传感网数据传送[4]。

如图1所示A是IPv6通信节点,对传感网发送配置和控制数据分组,实现对传感网的控制,B为IPv6网与传感网的转换网关,主要进行IPv6地址与传感节点内部ID转换,分组格式转换等,C为与A进行通信的传感节点,它用节点ID和其他传感节点进行通信,在网关里,它被虚拟分配一个IPv6地址,D为与C对应的虚拟节点,在网关里,C节点被虚拟成D这个IPv6节点,D的IPv6地址和C的传感节点ID是唯一对应的。当A发送配置或控制数据到传感节点C,转换网关B提取出目标IPv6地址,发现是D,然后在地址转换表里找到D的IPv6地址对应的节点ID,利用这个节点ID重新组合成新的传感网报文分组,并发给C,C在收到报文分组后进行相应的动作。

不足之处主要包括:WSN的大规模组网需要多个网关的参与,网关的存在使得WSN对移动性的支持不足等。

2 协议转换模型

网关要进行ZigBee协议和IPv6协议的转换,必须分成两部分,一个是用于与IPv6网进行通信的IPv6协议栈,另一个是用于与传感网进行通信的ZigBee传感网协议栈,如图2所示,与传感网通信的协议栈由物理层(PHY),安全层(SL),数据处理层(DPL),数据封装层(DEL)组成。各层功能如下:数据封装层的交互对象是IPv6协议栈的应用进程,完成的功能是IPv6协议栈与ZigBee无线传感协议栈的应用层的数据接受、应答,以及由下层协议和上层应用程序发送过来的查询数据和应用数据的封装;数据处理层(DPL)是最复杂的层,它要完成传感网内部数据的融合,根据传感信息数据进行信息的更新、转换,然后再根据自己的转发策略进行转发,在这一层主要的数据结构是节点信息列表和地址转换信息表,节点信息列表记录了当前传感网络个节点的信息状态和路由信息,给传感数据的转发提供基本参考数据,地址列表记录了每个传感节点的节点ID和虚拟IPv6地址的对应信息,发往虚拟IPv6地址的报文都要在地址列表中找到对应节点ID才能在无线传感网中传输;安全层(SL)主要是解决网络层的汇聚节点攻击、链路层的碰撞攻击、物理层的拥塞攻击、以及传输层的洪泛攻击等常用网络攻击手段,在安全层,对接入的用户要进行认证,认证通过后才能收发数据,如果重复大量发数据则会被限制。当数据通过安全层的合法认证后才能交给上层协议进行处理。在图2中传感节点产生传感数据,形成WSN分组,发给转换网关,在协议转换网关,WSN数据经过安全层的人证,然后在数据处理层经过信息分析后交给数据封装层,封装层对数据进行封装处理后交给IPv6协议栈的应用层,应用层把数据封装成TCP数据段后交给网络层,网络层把数据段封装上IPv6头,形成IPv6报文并叫给链路层封装,链路层再交给物理层进行具体发送,发送给外部IPv6网络[5]。在另外一个方向上,协议转换网关收到外部IPv6网络的IP数据包后,交给传输层,传输层交给应用层,应用层交ZigBee协议栈,在ZigBee协议栈里,首先提取出数据,然后交数据处理层,在数据处理层里找到虚拟IPv6地址对应的节点ID,选择好转发策略,最后交给安全层,安全层通过安全认证后交物理层发送。最终将数据传给传感节点。

3 面向安全的设计思想

无线传感网部署的时候都是部署在一些人不能到达的特殊地方,容易被人破坏,而且传感节点是使用无线传输容易被别人截获,容易被别人截获信号,并进行数据篡改和恶意攻击,使整个网络瘫痪或者能量耗尽。因此,无线传感协议的安全设计非常重要,本课题中对几种常见的攻击手法给出了应对措施,WSN拒绝服务攻击,有些攻击者只要掌握了查询分组的格式就可向传感网发送大量匿名查询分组,使节点忙于应付查询,从而达到耗尽网络带宽和传感器能量的目的,对这样的攻击,在协议转换网关的安全层加入认证机制,只允许认证用户建立对等连接,不允许外部的匿名连接。如果采用匿名连接可以考虑查询分组流量控制策略,对于频繁请求的匿名连接不进行处理,对同一个地址发送的多次查询请求也不进行处理。

4 结论

IPv6技术和ZigBee技术是这几年发展起来的,给互联网和传感网带来革命性的变化,将两者结合进行协议转换是本课题的创新点。在测试中我们使用10个压力传感节点来构建一个无线传感网,网关无线通信模块采用射频芯片CC2430。处理器模块采用8051单片机,进行系统的整体控制与协议转换。与计算机的接口采用以太网(802.3) 。软件方面移植一个嵌入式操作系统uC/OS-II,用于系统任务调度和进程通信等操作系统功能。在测试中,我们通过PC机通过IPv6网向网关发送组网命令后,10个节点都能加入传感网,并能进行相互通信。系统运行后能准确获取来自10节点的压力传感数据。由此证明本文所提设计思想可以在实际生产中进行应用,并具有良好的市场前景。

参考文献

[1]K.Akkaya and M.Younis.A Survey of Routing Protocolsin Wireless Sensor Networks[J].Elsevier Ad Hoc Network Joumal,2005,3(3):325-349.

[2]W.Heinzelman,j.Kulik,and H,Balakrishnan.Adaptive Protocols for Information Dissemination in Wireless Sensor Networks.Proceedings of ACM International Conference of Mobile Computing and Networking.1999::174- 185.

[3]C.Intanagonwiwat,R.Govindan,and D.Estrin.Directed difusion:A Scalable and Robust Communication Paradgm for Sensor Networks.Proceedings of ACM International Conference of Mobile Computing and Networking,2000:56-67.

[4]C.-C.Han,R,Kumar,R,Shea,E.kohler,and M.Srivastava.A Dynamic Operating System for Sensor Nodes. Proceddings of the 3rd Ineternational Conference on Mobile Systems.Applications and Services,2005:163-176.

[5]S.Park,A.Savvides,and M.Srivastava,SensorSim:A Simulation Framework for Sensor Networks.Proceedings of the ACM international Workshop on Modeling,Analysis and simulaton of Wireless and Mobile Systems,2000:104-111.