IEEE 802.15.4[1] 是一組低功耗、低速率短距離無線傳輸協(xié)議，作為Zigbee WirelessHART、6LoWPAN 與MiWi 等協(xié)議的基礎(chǔ)，描述了低速率無線個人局域網(wǎng)的物理層和媒體接入控制協(xié)議。其低功耗、低成本的優(yōu)點使其在無線傳感領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用，特別是基于Zigbee 協(xié)議[2]的應(yīng)用已經(jīng)遍布于工業(yè)控制、智能測繪、醫(yī)療、家居等各行各業(yè)。

Zigbee 協(xié)議棧緊湊簡單，制訂了完整的網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層協(xié)議，并提供豐富的接口與安全管理體系。相對于常見的無線通信標準，Zigbee 具體實現(xiàn)要求很低，只要8 位處理器再配上4 kB ROM 和64 kB RAM 等就可以滿足其最低需要，從而大大降低了芯片成本。但是Zigbee 基本協(xié)議及其終端只能實現(xiàn)與Zigbee 終端的交互，無法實現(xiàn)IP 尋址。雖然Zigbee 聯(lián)盟最近提出了Zigbee-IP 的概念，但Zigbee 協(xié)議棧的獨立性與非開源性質(zhì)增加了其與傳統(tǒng)IP 網(wǎng)絡(luò)及其節(jié)點的交互的難度。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)向IPv6 網(wǎng)絡(luò)的融合逐漸提上日程，基于IPv6 的低功耗無線個域網(wǎng)(6LoWPAN) [3] 由此應(yīng)運而生。6LoWPAN 協(xié)議主要在IEEE 802.15.4鏈路層之上實現(xiàn)了精簡的IPv6 協(xié)議，通過在鏈路層與IP 層間添加適配層實現(xiàn)首部壓縮與數(shù)據(jù)包的分片重裝，很好地實現(xiàn)了IPv6 網(wǎng)絡(luò)與低功耗無線網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議適配。目前，IETF 6LoWPAN 工作組已經(jīng)形成的3個標準文檔，提出了低功耗網(wǎng)絡(luò)中運行IP6 協(xié)議的假設(shè)、問題和目標[4]，制訂了6LoWPAN 的功能及報文格式[5]，以及基于上下文(Context)的IP 報文頭壓縮(IPHC) 方法[6]。此外，還出臺了6LoWPAN 鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議、低功耗有損網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議(RPL) 等相關(guān)標準草稿。基于該標準體系的系統(tǒng)開發(fā)已經(jīng)成功應(yīng)用于相關(guān)產(chǎn)品中，如Sensinode 公司的基于NanoStack 的NanoRouter 產(chǎn)品和NanoService 產(chǎn)品、TI 公司生產(chǎn)的基于CC-6LoWPAN 的Sub-GHz 6LoWPAN Network Processor產(chǎn)品等。

IETF 核心工作組專為資源能量帶寬受限的網(wǎng)絡(luò)( 如6LoWPAN) 設(shè)計了輕量級的應(yīng)用層協(xié)議(CoAP)[7]，處于數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP) 之上，為應(yīng)用終端之間提供了一種方法/響應(yīng)交互模式，支持內(nèi)置的資源發(fā)現(xiàn)(RD)機制以及組播機制，同時包含幾個關(guān)鍵Web概念如統(tǒng)一資源標識符(URI) 和內(nèi)容類型。CoAP 是對超文本傳輸協(xié)議(HTTP)的一種簡化，滿足輕量級的同時還便于與HTTP 進行轉(zhuǎn)化。

綜上所述，無論從物聯(lián)網(wǎng)還是WSN 的發(fā)展趨勢來看，6LoWPAN 作為一種新興的基于IPv6 的無線傳感網(wǎng)協(xié)議，具備更高的應(yīng)用價值與發(fā)展?jié)摿Α５珡哪壳暗男袠I(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀分析，未來很長一段時間內(nèi)，Zigbee 仍然會承擔(dān)一個很重要的角色。6LoWPAN 的逐步推廣使得兩種網(wǎng)絡(luò)及其節(jié)點的互通成為必然。本文在原有6LoWPAN 以及Zigbee 標準不變的基礎(chǔ)上，首先分析了異構(gòu)節(jié)點互通問題，并設(shè)計了協(xié)議轉(zhuǎn)換、網(wǎng)關(guān)功能以及節(jié)點交互流程；然后分析了現(xiàn)有的異構(gòu)節(jié)點互通方案，給出了本文設(shè)計的異構(gòu)節(jié)點互通場景、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、協(xié)議轉(zhuǎn)換模式以及網(wǎng)關(guān)功能；最后對尋址、服務(wù)發(fā)現(xiàn)等互聯(lián)互通關(guān)鍵技術(shù)進行了分析，并基于此設(shè)計了異構(gòu)節(jié)點交互流程。

1、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議融合互通的相關(guān)研究

6LoWPAN 作為一個將低功耗網(wǎng)絡(luò)融合到傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議，與Zigbee協(xié)議的互通問題同樣與IPv6 協(xié)議密不可分。實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的融合互通一般采用在網(wǎng)絡(luò)層進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，因此Zigbee 協(xié)議與IPv6 協(xié)議的轉(zhuǎn)換過程必不可少。目前Zigbee 與IPv6融合的技術(shù)相對比Zigbee 與6LoWPAN 融合的技術(shù)更全面些。

1.1 Zigbee-6LoWPAN

現(xiàn)有Zigbee 與6LoWAN 互通方案如圖1 所示。目前有關(guān)Zigbee 節(jié)點與6LoWPAN 節(jié)點互通的方案較少，總結(jié)起來主要包括雙棧網(wǎng)關(guān)與雙棧節(jié)點兩種方案。兩種方案的共通點是在Zigbee 的應(yīng)用層添加了IPv6 協(xié)議塊，即將IP 數(shù)據(jù)包作為應(yīng)用層數(shù)據(jù)處理。雙棧節(jié)點可實現(xiàn)Zigbee 與6LoWPAN 的功能，但不能同時實現(xiàn)，且對于功耗、資源限制的節(jié)點來說不適用。雙棧網(wǎng)關(guān)很好地減少了域內(nèi)節(jié)點的資源能源消耗。這兩種方案仍停留在框架層面，均未實現(xiàn)首部壓縮與解壓縮以及數(shù)據(jù)包的分片與重裝，也未解決關(guān)鍵的尋址問題與服務(wù)發(fā)現(xiàn)問題。由于6LoWPAN 與IPv6 密不可分的關(guān)系，上述部分問題可在Zigbee 與IPv6 網(wǎng)絡(luò)融合方案中找到相近的解決方案。

圖1 現(xiàn)有Zigbee 與6LoWAN 互通方案

1.2 Zigbee-IPv6

Zigbee 與IPv6 網(wǎng)絡(luò)互通的最直接的方式就是在Zigbee 網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層之間添加IPv6/UDP 層，此時所有的Zigbee 節(jié)點均被分配了一個IPv6 地址。當網(wǎng)關(guān)(Zigbee 協(xié)調(diào)器) 處收到IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包時，將其封裝成Zigbee 網(wǎng)絡(luò)層并轉(zhuǎn)發(fā)至Zigbee 網(wǎng)絡(luò)中。當網(wǎng)關(guān)收到Zigbee 數(shù)據(jù)包時，則將其解封裝并利用IPv6 載荷繼續(xù)傳輸。由于Zigbee/ 802.15.4 中的數(shù)據(jù)為異步通信方式，所以一般采用UDP 協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。這種方式最大的問題在于數(shù)據(jù)包大小，也就是首部壓縮與數(shù)據(jù)分片的問題。

Sakane S 等人設(shè)計了一種基于地址轉(zhuǎn)換的Zigbee 節(jié)點與IPv6 節(jié)點的交互機制[8]。通過雙棧網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)地址轉(zhuǎn)換。這種方式解決了Zigbee 節(jié)點與IPv6 節(jié)點的地址統(tǒng)一問題，但是打破了Zigbee 端到端的信息安全等特征，且沒有解決Zigbee 網(wǎng)絡(luò)中最重要的服務(wù)發(fā)現(xiàn)功能。

Reen-Cheng Wang 等人對上述基于NAT 的交互方式進行了改進，提出了一套完整的Zigbee 節(jié)點與IPv6 節(jié)點交互機制。IPv6 over Zigbee 交互機制[9]如圖2 所示。雙棧網(wǎng)關(guān)不僅實現(xiàn)了Zigbee 地址與IPv6 地址之間的轉(zhuǎn)換，也實現(xiàn)了Zigbee 服務(wù)發(fā)現(xiàn)功能與IP 網(wǎng)絡(luò)的簡單服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議(SSDP)的轉(zhuǎn)換。Zigbee-IPv6 協(xié)議棧如圖3 所示。協(xié)議轉(zhuǎn)換是在雙棧網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)層進行的，保證了應(yīng)用層數(shù)據(jù)傳輸?shù)募用軝C制。為了防止廣播風(fēng)暴，該機制對每個Zigbee 域設(shè)定為一個多播組，更好地支持了低功耗網(wǎng)絡(luò)與IP 網(wǎng)絡(luò)的融合。但此方案依然沒有解決數(shù)據(jù)包分片的問題。上述關(guān)于Zigbee與IPv6 的融合方案，網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換、服務(wù)發(fā)現(xiàn)功能轉(zhuǎn)換等機制對6LoWPAN 與IP 網(wǎng)絡(luò)以及Zigbee 網(wǎng)絡(luò)的融合有很好的借鑒作用。

圖2 IPv6 over Zigbee 交互機制

圖3 Zigbee-IPv6 協(xié)議棧

2、6LoWPAN-IPv6-Zigbee系統(tǒng)架構(gòu)

圖4 所示為本文所實現(xiàn)的6LoWPAN-IPv6-Zigbee 架構(gòu)中異構(gòu)節(jié)點互通的場景。6LoWPAN 節(jié)點與Zigbee 節(jié)點處于同一混合域中，通過同一個功能復(fù)雜的邊界網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)域內(nèi)異構(gòu)節(jié)點間的互通，并可接入IP 網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與其他節(jié)點互通。

圖4 異構(gòu)節(jié)點通信應(yīng)用場景

2.1 協(xié)議轉(zhuǎn)換模式

圖5 所示為在圖4 所示的應(yīng)用場景下網(wǎng)關(guān)中的協(xié)議轉(zhuǎn)換圖。同一域內(nèi)的Zigbee 節(jié)點與6LoWPAN 節(jié)點之間的交互主要通過網(wǎng)關(guān)中Zigbee 協(xié)議棧與6LoWPAN 協(xié)議棧之間的轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)。此外，在邊界網(wǎng)關(guān)中同樣設(shè)置IPv6 協(xié)議棧，以便域內(nèi)節(jié)點與域外的IPv6 節(jié)點或者其他域節(jié)點進行通信。在處理服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議的組播消息時網(wǎng)關(guān)也需要進行上層協(xié)議解析并且可以在不同的服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議間進行轉(zhuǎn)換。

圖5 協(xié)議轉(zhuǎn)換模式

2.2 網(wǎng)關(guān)功能描述

邊界網(wǎng)關(guān)是Zigbee 協(xié)調(diào)器與6LoWPAN 邊界路由器功能的結(jié)合，同時還需完成Zigbee 協(xié)調(diào)器與6LoWPAN 邊界路由的交互功能。

網(wǎng)關(guān)功能主要有：

(1) 基本協(xié)議解析功能，包括Zigbee 協(xié)議、6LoWPAN協(xié)議以及IPv6 協(xié)議棧。

(2) 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議轉(zhuǎn)換，主要提供首部轉(zhuǎn)換模塊，即將Zigbee 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層首部與IP 首部進行轉(zhuǎn)換，必要時可以將Zigbee 的應(yīng)用支持子層(APS) 首部與傳輸層協(xié)議進行轉(zhuǎn)換。

(3) 地址轉(zhuǎn)換功能。由于是網(wǎng)絡(luò)層轉(zhuǎn)發(fā)，Zigbee 地址需先轉(zhuǎn)換為IPv6 地址，然后通過6LoWPAN 進行地址壓縮。由于邊界網(wǎng)關(guān)同時包含Zigbee協(xié)議與6LoWPAN 協(xié)議，且兩種協(xié)議使用不同的方法分配16 位短地址，因此在邊界網(wǎng)關(guān)中地址映射表存在3種鏈路層地址：EUI-64、6LoWPAN16位短地址、Zigbee16 位短地址。

(4)服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換，主要在應(yīng)用層通過Zigbee 的應(yīng)用層數(shù)據(jù)格式與CoAP-HTTP 格式轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)Zigbee 設(shè)備對象- 服務(wù)發(fā)現(xiàn)(ZDO-SD)協(xié)議與輕量級的應(yīng)用層- 資源發(fā)現(xiàn)(CoAP-RD)協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

3、關(guān)鍵技術(shù)

3.1 網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議互通的首要問題是尋址。每個Zigbee 節(jié)點需要一個IPv6 地址來與6LoWPAN 節(jié)點通信。6LoWPAN-IPv6-Zigbee 地址的轉(zhuǎn)換過程通常在邊界網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)。

IEEE 802.15.4 定義的鏈路層地址有兩種：由設(shè)備制造商設(shè)定的全球唯一的EUI-64 地址以及在個域網(wǎng)(PAN)內(nèi)動態(tài)分配的16 位短地址。由于Zigbee 與6LoWPAN 均是基于IEEE802.15.4 底層協(xié)議的，因此這兩種地址在兩種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中同時存在，但要實現(xiàn)跨協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸，則只能采用由EUI-64 生成IPv6 地址的方式。

6LoWPAN 網(wǎng)絡(luò)與Zigbee 網(wǎng)絡(luò)各自進行域內(nèi)通信時通常使用16 位短地址，但兩者的生成方式不同。6LoWPAN 邊界路由采用重復(fù)地址檢測機制(DAD) 為節(jié)點分配短地址，而Zigbee 協(xié)調(diào)器則采用CSkips 算法為節(jié)點分配短地址。因此邊界網(wǎng)關(guān)應(yīng)為需要進行異構(gòu)通信的節(jié)點分配兩種短地址，即每一個EUI-64 地址對應(yīng)一個6LoWPAN 短地址和一個Zigbee短地址。

由于Zigbee 協(xié)議不存在適配層，因此需在其中添加Zigbee 地址與IPv6地址轉(zhuǎn)換模塊。此外，在邊界網(wǎng)關(guān)中需設(shè)置一個16 位Zigbee 短地址和16位6LoWPAN 短地址與EUI-64 地址的映射表。邊界網(wǎng)關(guān)中的地址映射表如表1 所示。此映射表不僅包含本域內(nèi)節(jié)點的16 位短地址與EUI-64 地址的映射關(guān)系，還可能包含域外節(jié)點的地址映射表項。例如，Zigbee 協(xié)調(diào)器需為某個與此域內(nèi)Zigbee 節(jié)點通信的6LoWPAN 節(jié)點分配一個16 位短地址，并在映射表中添加此條目，此時6LoWPAN 節(jié)點被Zigbee 節(jié)點當作同種節(jié)點進行通信。

表1 邊界網(wǎng)關(guān)中的地址映射表

3.2 報文轉(zhuǎn)換

由于Zigbee 地址與IPv6 地址轉(zhuǎn)換的可行，Zigbee 首部與IPv6 首部轉(zhuǎn)換也可實現(xiàn)，即在Zigbee 協(xié)調(diào)器或者邊界網(wǎng)關(guān)中實現(xiàn)Zigbee 網(wǎng)絡(luò)層幀頭與IPv6 首部之間的轉(zhuǎn)換模塊。上述地址的轉(zhuǎn)換過程也包含在此報文轉(zhuǎn)換模塊中。

Zigbee 協(xié)議幀中媒體訪問控制(MAC) 幀頭之后包含8 字節(jié)網(wǎng)絡(luò)層幀頭以及2～10 字節(jié)的APS 幀頭，因此不需要像6LoWPAN 協(xié)議一樣進行首部的壓縮與解壓縮。這兩種幀頭中除了基本的源、目的地址與端口信息外，還包含路由、安全等信息。因此在Zigbee 與IPv6 首部轉(zhuǎn)換模塊中，除了對地址進行轉(zhuǎn)換外，還需進行路由與安全方面的考慮。

6LoWPAN 數(shù)據(jù)包與Zigbee 數(shù)據(jù)包均在鏈路層最大傳送單元(MTU)之內(nèi)，因此兩種節(jié)點的通信則不考慮數(shù)據(jù)包的分片與重組，但6LoWPAN 層實現(xiàn)的首部壓縮與解壓縮必不可少。

3.3 服務(wù)發(fā)現(xiàn)

在網(wǎng)絡(luò)初始化之后，節(jié)點通信之前的一個重要過程即服務(wù)發(fā)現(xiàn)與設(shè)備發(fā)現(xiàn)。節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)上搜索自己感興趣的服務(wù)及其設(shè)備與之通信，同時需要向網(wǎng)絡(luò)廣播自己的設(shè)備信息以及服務(wù)功能信息供其他節(jié)點查詢。

Zigbee 聯(lián)盟在Zigbee應(yīng)用層中自己設(shè)計了一套服務(wù)發(fā)現(xiàn)與設(shè)備發(fā)現(xiàn)機制—— 在ZDO 中定義的服務(wù)發(fā)現(xiàn)(SD)機制。本文在IP 網(wǎng)絡(luò)中采用通用即插即用(UPnP)架構(gòu)及其SSDP 協(xié)議。由于UPnP 建立在UDP 協(xié)議以及HTTP之上，而6LoWPAN 支持UDP 協(xié)議以及簡化的HTTP 協(xié)議( 核心工作組的CoAP 協(xié)議)，因此本文在6LoWPAN 協(xié)議應(yīng)用層上也采用UPnP 架構(gòu)，服務(wù)發(fā)現(xiàn)采用CoAP 協(xié)議及其RD 機制，實現(xiàn)6LoWPAN 與IPv6 節(jié)點及Zigbee 節(jié)點的服務(wù)與設(shè)備發(fā)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換。

圖6 為6LoWPAN、IPv6 及Zigbee節(jié)點基于服務(wù)發(fā)現(xiàn)機制的協(xié)議對比。

圖6 服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議對比圖

綜上所述，在服務(wù)發(fā)現(xiàn)機制上，6LoWPAN-IPv6-Zigbee 系統(tǒng)架構(gòu)主要在邊界網(wǎng)關(guān)上實現(xiàn)基于Zigbee 的ZDO-SD 協(xié)議、基于IP 的HTTPU-SSDP 協(xié)議以及基于6LoWPAN的CoAP-RD 協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。

3.4 節(jié)點交互流程

節(jié)點交互過程主要分為3 個階段：網(wǎng)絡(luò)初始化階段、服務(wù)發(fā)現(xiàn)階段以及數(shù)據(jù)傳輸階段。域內(nèi)模式節(jié)點交互流程如圖7 所示。圖7 主要描述3 個階段中由6LoWPAN 節(jié)點發(fā)起Zigbee 加入請求情況時6LoWPAN 節(jié)點(A)、邊界網(wǎng)關(guān)(B)、Zigbee 節(jié)點(C) 之間的主要交互流程。

圖7 域內(nèi)模式節(jié)點交互流程

(1)網(wǎng)絡(luò)初始化

6LoWPAN 節(jié)點與Zigbee 節(jié)點共享邊界網(wǎng)關(guān)的地址前綴信息以及組播組標識，分別通過6LoWPAN 鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議以及Zigbee 網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)協(xié)議向邊界網(wǎng)關(guān)進行地址注冊，邊界網(wǎng)關(guān)分別通過重復(fù)地址檢測機制以及CSkips 算法為節(jié)點分配16 位6LoWAN短地址與Zigbee 短地址。

(2)服務(wù)發(fā)現(xiàn)

節(jié)點A 向網(wǎng)關(guān)B 發(fā)起服務(wù)發(fā)現(xiàn)請求，B 實現(xiàn)RD 協(xié)議向SD 協(xié)議的轉(zhuǎn)換，并通過組播消息轉(zhuǎn)發(fā)此請求給Zigbee 節(jié)點，提供相應(yīng)服務(wù)的節(jié)點C收到請求后向B 回復(fù)單播服務(wù)確認信息。B 將回復(fù)信息經(jīng)過服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換以及地址轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點A。

(3)數(shù)據(jù)傳輸

通過網(wǎng)絡(luò)初始化以及服務(wù)發(fā)現(xiàn)階段的交互，需要通信的兩個節(jié)點A與C 完成了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)地址注冊和設(shè)備服務(wù)信息互通，A 與C 即可順利進行通信。通信時源地址與目的地址的設(shè)置如圖7 所示，B 通過地址映射表可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)等功能。

4、結(jié)束語

本文根據(jù)對已有關(guān)于6LoWPAN與Zigbee 結(jié)合方案的分析，在6LoWPAN 基本協(xié)議及其應(yīng)用層協(xié)議CoAP 的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)方案的網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換機制以及服務(wù)發(fā)現(xiàn)功能轉(zhuǎn)換機制，實現(xiàn)6LoWPAN 網(wǎng)絡(luò)與Zigbee 的互聯(lián)互通，以解決6LoWPAN與Zigbee 通信所面臨的問題。通過總體協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊圖、節(jié)點交互流程圖以及對網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換功能的設(shè)計，本文實現(xiàn)了6LoWPAN-IPv6-Zigbee 總體框架。

本文充分考慮了6LoWPAN 協(xié)議與Zigbee 協(xié)議特征，在保留原有協(xié)議基本不變的基礎(chǔ)上，通過在網(wǎng)關(guān)中添加部分轉(zhuǎn)換模塊來實現(xiàn)6LoWPAN 與Zigbee 協(xié)議的互通，提出了新的通信模式以及功能框架，具有一定的創(chuàng)新性與普適性，為更深入地研究6LoWPAN 網(wǎng)絡(luò)與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合奠定了基礎(chǔ)。

6LoWPAN-IPv6-Zigbee 提出了一些框架性的功能模塊以及節(jié)點交互流程，但是未對其進行細化，因此在遇到具體應(yīng)用時還需進一步拓展。

5、參考文獻

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