試析物聯(lián)網(wǎng)中輕量級TCP/IP協(xié)議棧的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：隨著社會(huì)的進(jìn)步以及經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用在不同的領(lǐng)域當(dāng)中，物聯(lián)網(wǎng)的概念出現(xiàn)在人們的視野當(dāng)中，并且受到廣泛的歡迎和關(guān)注。通過應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)能夠改變工作效率和工作質(zhì)量，并且對人們的生活方式產(chǎn)生積極的影響作用。由此看來，必須不斷地完善物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，做好相互之間的兼容。本人提出了一種全新的體系結(jié)構(gòu)，這種物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)具有一定的兼容性和高效性。并且圍繞物聯(lián)網(wǎng)當(dāng)中輕量級TCP/IP協(xié)議棧展開深入的分析和研究。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；TCP/IP；輕量級；設(shè)計(jì)工作；具體實(shí)現(xiàn)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.119

物聯(lián)網(wǎng)在國內(nèi)和國外都掀起了熱潮，不同國家和地區(qū)投入了巨大的經(jīng)濟(jì)資本研究物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)?；ヂ?lián)網(wǎng)主要指的就是紅外感應(yīng)器以及激光掃描器、全球定位系統(tǒng)以及射頻識(shí)別等設(shè)備，將物品和互聯(lián)網(wǎng)之間建立起關(guān)系。這樣形成了一種全新的交流方式。物聯(lián)網(wǎng)在不同行業(yè)當(dāng)中有著積極促進(jìn)作用。在互聯(lián)網(wǎng)當(dāng)中引入IP技術(shù)有著非常深遠(yuǎn)的意義，并且進(jìn)行擴(kuò)展性的協(xié)議，不斷發(fā)展互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

1 輕量級協(xié)議的分析工作以及設(shè)計(jì)工作

1.1 6LoWPAN

成立6LoWPAN工作組，并且制定域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，通過底層標(biāo)準(zhǔn)的無線個(gè)域網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)最終目的。完善并且支持IP通信的連接工作，成為真正開放標(biāo)準(zhǔn)。制定關(guān)于協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)草案，并且進(jìn)行不斷的探討。低功耗松散網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，涉及到較少的硬件資源，要求也是比較低的。由此看來在設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的過程當(dāng)中，必須考慮在不同層次形成目標(biāo)，其中包括應(yīng)用程、傳輸層、IPV6層、適配層、MAC層以及物理層。支持樹狀以及網(wǎng)狀的多跳拓?fù)?，提供網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建以及地址分配的服務(wù)。在整個(gè)程序進(jìn)行過程當(dāng)中，中間的節(jié)點(diǎn)發(fā)揮著關(guān)鍵作用，能夠進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)文。適配層的路由協(xié)議開銷較小，并且根據(jù)所需要的實(shí)際內(nèi)存進(jìn)行計(jì)算和分析，從而適用稀缺的無線設(shè)備。在具體進(jìn)行路由算法過程當(dāng)中采用相關(guān)專業(yè)的協(xié)議。在適配層實(shí)現(xiàn)多條傳輸，使用鏈路層長地址以及短地址，充分發(fā)揮維護(hù)功能。

1.2 RPL協(xié)議分析

想要確保網(wǎng)絡(luò)環(huán)境具有較高的計(jì)算能力，并且降低功耗，滿足不同方面的組織需求，就應(yīng)該不斷地改變路由機(jī)制。形成專門的工作組，通過努力完成公共的可操作性的基本鏈路層協(xié)議和物理媒體。按照鏈接格式這樣相應(yīng)要求，并且修正路由協(xié)議，不斷地進(jìn)行完善和處理，有效解決低功率設(shè)備的不同問題現(xiàn)象。對城市、工業(yè)以及家居自動(dòng)化的路由進(jìn)行特殊處理，并且完成協(xié)議。在此基礎(chǔ)之上，工作組研究并且制定RPL協(xié)議。這種協(xié)議是一個(gè)距離向量路由協(xié)議，節(jié)點(diǎn)通過交換距離不斷地形成無環(huán)圖，有效防止路由環(huán)路問題的發(fā)生，并且根據(jù)限制條件過濾網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的不良節(jié)點(diǎn)，選擇最優(yōu)的路徑。根據(jù)路由需求以及定量指標(biāo)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)發(fā)，并且做好分離工作，盡量減少能源，并且滿足約束。

1.3 CoAP協(xié)議分析

成立工作組研究資源受限物體的應(yīng)用程序協(xié)議，根據(jù)所提供的IP網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行整體框架的設(shè)計(jì)工作，明確受限的IP網(wǎng)絡(luò)所擁有的限制包大小，并且根據(jù)一定數(shù)目的設(shè)備進(jìn)行關(guān)機(jī)或者啟動(dòng)。在此基礎(chǔ)之上，形成操作簡單的應(yīng)用程序。網(wǎng)絡(luò)有不同的節(jié)點(diǎn)組成，做好相關(guān)的操作工作，負(fù)責(zé)操作資源。這種CoAP協(xié)議適用于相同受限網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備之間，除此之外，在相同網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備和普通節(jié)點(diǎn)之間也可以應(yīng)用CoAP協(xié)議。聯(lián)網(wǎng)的不同受限網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，不同設(shè)備之間也可以應(yīng)用CoAP協(xié)議。

1.4 關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)中輕量級TCP/IP協(xié)議棧的設(shè)計(jì)

在若干工作組現(xiàn)有的基礎(chǔ)之上，提出了TCP/IP協(xié)議站設(shè)計(jì)，這種結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的兼容性以及高效性。除此之外，這種結(jié)構(gòu)也存在智能性和簡單性。與原有結(jié)構(gòu)具有一定的相似程度，也包括物理層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層、鏈路層以及傳輸層。但是，在不同層次方面有做出改變和完善，保證每個(gè)互聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)擁有IP地址，并且針對互聯(lián)網(wǎng)的場景進(jìn)行協(xié)議。改進(jìn)協(xié)議工作滿足系統(tǒng)實(shí)際需求，并且進(jìn)行報(bào)頭壓縮和分片壓縮工作。滿足互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)奶厥庖?，與原有結(jié)構(gòu)相比更加簡潔并且效率較高。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)接入互聯(lián)網(wǎng)，并且采用標(biāo)準(zhǔn)使用工作組提出的路由問題協(xié)議，形成可選功能。根據(jù)不同情況選擇適配層，完成簡化的傳輸層協(xié)議工作非常重要。提出用于解決資源受限環(huán)境當(dāng)中的程序問題協(xié)議，形成完美的統(tǒng)一。

2 6LoWPAN星型網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方案以及編程實(shí)現(xiàn)

這種6LoWPAN星型網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)工作，必須參考相關(guān)的協(xié)議所提出的草案，并且明確項(xiàng)目的具體開發(fā)目的以及集成度，只有這樣才能夠設(shè)計(jì)出具有高性能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)新型網(wǎng)絡(luò)的核心部分，并且自動(dòng)配置地址。另外，組播以及安全的運(yùn)行機(jī)制所涉及到的內(nèi)容結(jié)構(gòu)是非常復(fù)雜的，并且在進(jìn)行編程測試的過程當(dāng)中需要大量的工作人員以及較長的時(shí)間，因此占有較多內(nèi)存，所以在最初階段并沒有完全實(shí)現(xiàn)。支持路由也要考慮實(shí)現(xiàn)RPL協(xié)議，所以采用最簡單的星型結(jié)構(gòu)是非常合理的。在無線傳感器操作系統(tǒng)運(yùn)行過程需要選擇，涉及到開發(fā)軟件，但是并沒有提供精確的源碼，僅僅提供庫文件，所以不能夠開發(fā)較多的資源。也有一些地區(qū)推出了其他系統(tǒng)的無線傳感器，有著豐富的開發(fā)資源，并且可以采取開源策略，所以受到了廣泛的歡迎和應(yīng)用。應(yīng)用專業(yè)技術(shù)，并且考慮用戶的實(shí)際需求做好底層處理工作，對于開發(fā)上層協(xié)議棧而言，在很大程度上降低了開發(fā)的難度。系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)協(xié)議的主要功能，采用新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且通過節(jié)點(diǎn)完成通信工作，在整個(gè)運(yùn)行過程當(dāng)中可以進(jìn)行正常的UDP交換。

在進(jìn)行星型網(wǎng)絡(luò)的編程實(shí)現(xiàn)過程當(dāng)中，首先要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模塊以及接口。根據(jù)操作系統(tǒng)的具體特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)組件問題，其中包括blibP module和blibC configuration兩個(gè)組件。連接到必要的組件當(dāng)中，并且做好接口工作，其中涉及到內(nèi)存池以及緩沖池等內(nèi)容。除此之外，也包括收發(fā)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)。處理好不同的函數(shù)工作非常重要，并且明確組建的具體構(gòu)成，將模塊當(dāng)中使用的接口和相應(yīng)的系統(tǒng)進(jìn)行有效連接，完成UDP報(bào)文處理工作。使用命令將遠(yuǎn)程終端連接到相關(guān)端口，然后發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)，完成發(fā)送工作之后，應(yīng)用層會(huì)提供負(fù)載緩沖區(qū)，在發(fā)送數(shù)據(jù)的過程當(dāng)中應(yīng)用程序必須確保所提供的緩沖區(qū)，能夠被接受和使用，并且會(huì)被應(yīng)用所改變，一直到事件信號(hào)完全發(fā)出以后。除此之外，提供遠(yuǎn)程終端節(jié)點(diǎn)的IP地址和指向包含負(fù)載的數(shù)據(jù)必須有效傳送給接收者。應(yīng)用程序做好支配工作，并且處理好函數(shù)的返回，IP協(xié)議棧會(huì)再次的使用。地址會(huì)自動(dòng)的進(jìn)行配置，根據(jù)相應(yīng)的原理，在實(shí)現(xiàn)過程當(dāng)中，使用編碼作為地址的前綴，并且協(xié)議棧初始化的廣播地址也能夠有效實(shí)現(xiàn)。生產(chǎn)不同的地址接口，按照節(jié)點(diǎn)利用本地鏈路地址生成全新的地址。實(shí)現(xiàn)適配層也是非常重要的，根據(jù)小組標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中的格式進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且實(shí)現(xiàn)報(bào)頭壓縮算法，了解基本功能。設(shè)計(jì)收發(fā)數(shù)據(jù)，考慮不同的要求和標(biāo)準(zhǔn)，在處理接收數(shù)據(jù)的過程當(dāng)中，不同層次的數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的協(xié)議都有著相對的函數(shù)進(jìn)行單獨(dú)的處理。發(fā)出事件信號(hào)之后，根據(jù)規(guī)定的數(shù)據(jù)確定報(bào)頭的類型，并且選擇合適的報(bào)頭也可以用相應(yīng)的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)分片的重組功能。在成功重組一個(gè)分片之后，其余的部分做好傳遞，也要通過函數(shù)進(jìn)行處理。檢查報(bào)頭之前的分發(fā)值字段，并且使用壓縮方式，傳遞到相應(yīng)位置進(jìn)行函數(shù)處理。

3 系統(tǒng)測試

在進(jìn)行系統(tǒng)測試工作的時(shí)候，首先要搭建好測試環(huán)境，使用IRIS系列產(chǎn)品，并且處理器有著較低的功耗節(jié)點(diǎn)，處理器當(dāng)中的射頻芯片能夠支持測試，并且作為無線傳感器，網(wǎng)絡(luò)基站對于USB編程也是比較適應(yīng)的。進(jìn)行測驗(yàn)的過程當(dāng)中需要測試驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)能否和網(wǎng)絡(luò)之間形成正常的通信連接，并且做好UDP的交換工作。將節(jié)點(diǎn)通過串口連接到底版，并且與PC連接，在節(jié)點(diǎn)之上啟動(dòng)基站程序，通過串口和節(jié)點(diǎn)能夠完成交互通信工作。除此之外，單獨(dú)的節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)協(xié)議站的過程當(dāng)中能夠作為終端節(jié)點(diǎn)，形成良好的測試環(huán)境。

將節(jié)點(diǎn)連上網(wǎng)關(guān)插入電腦的USB口，作為路由。將相應(yīng)的程序安裝到節(jié)點(diǎn)當(dāng)中，不同的網(wǎng)關(guān)有著不同的設(shè)備號(hào)，啟動(dòng)相關(guān)程序來進(jìn)行交互。如果在程序測試的過程當(dāng)中黃燈亮起來，那么說明測試成功。如果看到紅燈亮了，那么表示無線傳感器路由配置成功。經(jīng)過一系列的操作，在紅燈亮起之后的1秒到2秒，顯示節(jié)點(diǎn)地址。如果數(shù)據(jù)報(bào)傳輸正常，那么便可以進(jìn)行正常的通信。

4 結(jié)語

上文已經(jīng)詳細(xì)的分析輕量級協(xié)議的設(shè)計(jì)，其中包括幾種不同的協(xié)議，并且明確物聯(lián)網(wǎng)當(dāng)中TCP/IP協(xié)議棧的具體設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，希望能為相關(guān)工作人員提供有效的參考意見。

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作者簡介：陳海紅（1982-），女，湖南東安人，碩士，講師，研究方向：現(xiàn)代教育技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)安全。