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一种新型无线通信物联网体系结构及其协议栈的设计

更新时间：2019-12-22 13:25:04 大小：3M 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：无线通信物联网 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）收藏评论(0) 举报

资料介绍

在分析现有3种无线通信国际标准的基础上,设计了一种新型无线通信物联网体系结构及其协议栈.该体系结构在保留各无线标准网络层和传输层的同时,定义了相同的应用层规范,并给出了该规范应用的详细描述.同时,在此体系结构的基础上,制定了相应的应用层协议栈.无线通信物联网体系结构在温室大棚控制系统中的成功应用,验证了该体系结构的可行性和正确性.

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第10期

王建平等．一种新型无线通信物联网体系结构及其协议栈的设计

一种新型无线通信物联网体系结构

及其协议栈的设计

王建平

黄

涛

李奇越孙伟

(合肥工业大学电气与自动化工程学院，合肥230009)

摘

要

在分析现有3种无线通信国际标准的基础上。设计了一种新型无线通信物联网体系结构及其

协议栈。该体系结构在保留各无线标准网络层和传输层的同时，定义了相同的应用层规范，并给出了该

规范应用的详细描述。同时，在此体系结构的基础上，制定了相应的应用层协议栈。无线通信物联网体

系结构在温室大棚控制系统中的成功应用，验证了该体系结构的可行性和正确性。

应用层协议栈无线通信TCP／1P协议以太网

关键词物联网体系结构

中图分类号TH865

文献标识码

文章编号1000—3932(2016)10· 1085-06

随着物联网的发展与应用，无线通信网络芯

数据流量较小的特点，采用蓝牙(Bluetooth)技术

中的RFCOMM协议建立无线虚拟串口，并在此基

础上设计实现了一种智能家居网关中的数据采集

处理系统。

片变得低廉而可靠，同时产生了大量基于无线通

信网络的开发工具和应用程序‘1。。在大多数实际

物联网应用系统中，信息层均有接入TCP／IP网络

的需求，如何将独立的无线通信网络技术融入以

TCP／IP协议为基础的以太网标准中，是物联网应

笔者在分析现有无线网络通信国际标准的基

础上，根据WiFi、ZigBee、Bluetooth3种无线网络标

准的特点和应用范围的差异，提出了一种支持

TCP／IP协议的新型无线通信物联网体系结构及

其应用层协议栈，并将它应用于温室大棚智能控

制系统中。

用领域中的热点研究课题。

目前，无线通信网络与以太网组合的异架构

网络主要有两个发展方向：一是按照OSI参考模

型在TCP／UDP基础上制定适用于无线通信网络

的协议标准，这样无线设备可直接应用于现有的

基于IPv6的以太网中∞’；二是开发专用设备，取

3种无线通信标准

IEEE 802．11

WLAN／WiFi是一个经历了多

代传统的网关设备，用来连接以太网和无线通信

网络，从而实现现场数据到管理和监控层的传输。

文献[3]提出了一种基于6LoWPAN的无线通信

次改进的系列标准。WiFi协议规定了网络的基

本结构，包括物理层(PHY层)、介质访问接人控

制层(MAC层)和逻辑链路控制层(LLC层)¨ o。

802．1

网络协议栈，其中每个节点都有各自的IPv6地

址，允许使用TCP、UDP、H1vrP、COAP、WebSocket

直接连接到互联网；同时，提供了Contiki．OS集成

IPv6／6LoWPAN堆栈的开源操作系统，所有工具

都是免费和开源的。文献[4]提到的Thread规格

是一个基于经过验证的标准式低功耗、安全、可扩

展的IP无线网状网络协议，Thread建立在IPv6

技术之上，以6LoWPAN为基础，可为250个以上

的节点提供自恢复式网状网络解决方案。文献

[5]在分析ZigBee协议栈和TCP／IP协议栈的基

础上，建立了一个地址转换网关模型，并通过改进

LWIP协议栈实现转换。文献[6]针对家庭环境

如IEEE

b中，PHY层工作在2．4GHz频

段，采用直接序列扩频技术，理论速率11Mbit／s。

WiFi标准为所有PHY层定义了一个公共的MAC

层，地址为48bit，当有添加新PHY层的需求时不

用再对MAC层进行改动，使无线和有线之间的桥

接非常方便。WiFi采用标准的TCP／IP协议，网

络层支持星形和对等的网络拓扑，提供TCP、UDP

两种通信方式。WiFi具有传输距离短、速率高、

可靠性高、网络结构弹性化好及组网灵活等特点。

收稿日期：2016-08-28(修改稿)

基金项目：国家自然科学基金项目(51177034，51304058)

万方数据

1086

化工自动化及仪表

第43卷

IEEE于2002年在Bluetoothl．0的基础上，对

同协议的节点之间能够成功传送，不同协议的节

点间不能有效通信。而在现有的多种无线网络与

以太网融合的异架构组网方案中，多为研发专用

设备(起两种协议之间的转换作用)取代传统网

关。这种方法虽然被广泛使用，但是其缺点在于

对任意两种不同协议的网络，都需要研发相应的

网关设备，不仅增加成本，而且无通用性。为此，

笔者提出一种新型的物联网体系结构。

PHY层和数据链路层进行了标准化，制定了IEEE

802．15．1

Bluetooth标准¨ 。。由于Bluetooth包含

许多协议，层次结构与OSI模型不能严格对应，因

此，只能松散地对应到一只模型的各个层次中 1。

其中PHY层包含Bluetooth无线电协议和基带协

议，无线电协议确定了工作频率、跳频扩频技术和

GFKS调制模式；基带协议为数据分组提供了两

种物理连接方式，其中同步面向连接最大发送速

率为64kbit／s，异步非连接最大发送速率为

2．1

物联网体系结构模型

异架构物联网通信网络中各个节点间的有效

通信需要以下3个方面的协同：

721

kbit／s。MAC层有4个基本协议，其中数据逻

辑链路控制适应协议(L2CAP)的功能类似于802

标准的LLC层，负责完成数据拆装、服务质量控

制、协议服务和组提取，是其他上层协议实现的基

础，为上层屏蔽了传输细节。Bluetooth可根据应

用场合的不同采用不同的协议(RFCOMM、TCS及

SDP等)，网络层支持星形网络拓扑、PPP等多种

通信协议。Bluetooth适用于对数据传输速率要求

不高的移动设备中，具有规模小、成本低、距离短

及抗干扰能力强等特点。

a．各方可兼容的相互联通的网络架构；

b．各方可相互兼容的协议栈；

c．各方可共享的应用层方案。

为了保留WiFi传输速率高、应用范围广的特

点，Bluetooth抗干扰能力强的特点，以及ZigBee

功耗低、可自组网的特点，在新型通信架构中应保

留这3种无线通信标准的网络层和传输层，同时

顶层均采用相同的应用层规范，以实现数据在整

个系统架构中的高速、无缝流动，将不同网络协议

的异架构相互融合。

IEEE 802．15．4

ZigBee标准是一种主要针对

2．2物联网体系结构

低速无线个人区域网络的标准。在ZigBee协议

标准中，没有定义PHY层和MAC层，而是直接采

用IEEE 802．15．4的定义¨ 。其中PHY层定义

为了实现物联网环境下多种无线网络的异架

构融合，设计的无线通信物联网体系结构框图如

图1所示。

了2．4GHz和868／915GHz两个频段，通过采用直

接序列扩频技术和BPSK调制方法，能实现250、

40、20kbit／s3种传输速率。MAC层支持多种LLC

标准，具有信道接入(CSMA．CA和TDMA)、本地

网络建立维护和同步、安全可靠通信等功能。在

此基础上，ZigBee联盟对网络层、应用层和安全部

分进行了定义‘11】。ZigBee采用标准的ZigBee协

议栈，网络层支持星形、树形、网状3种网络拓扑，

支持AODV协议，具有单播、组播和广播3种通信

方式。ZigBee具有传输距离短、成本低、功耗低、

传输速率低和可靠性高的特点。

围圆

圈圈

圈圈_圆圈

根据对上述3种无线通信标准的描述与分析

可知，它们均参照IEEE的OSI标准定义了各自的

PHY层和数据链路层，且在网络层和传输层上存

在差异。

图1 无线通信物联网体系结构框图

无线通信物联网体系结构与协议栈的各层定

义如下：

2新型物联网体系结构

802．1

a．PHY层分别为基于IEEE

1的

由多种无线通信协议组成的物联网通信网

络，虽然各无线协议的网络层和传输层能够为网

络连接提供一系列的服务，但只能保证网络上相

802．

WLAN、IEEE 802．15．1的Bluetooth和IEEE

15．4的ZigBee。这样不仅保证了现行无线设备

万方数据

第lO期

王建平等．一种新型无线通信物联网体系结构及其协议栈的设计

之间的互联，而且实现了无线异架构网络数据从

现场采集到管理、监控的无障碍传输。

应用层需要根据数据报文对传输质量要求的差异

性，加以分类并进行不同的处理。

3．1

b．网络层和传输层包括IP协议、TCP／UDP

协议、动态主机配置协议DHCP、基于6LoWPAN

协议栈的工作方式

3．1．1

报文的分类

应用层协议根据3种网络的差异和应用场合

的不同，将应用层报文分为显式报文和隐式报文。

显式报文用于传输对时间没有苛求的数据，比如

程序的上载或下载、系统维护、故障诊断及设备配

置等；隐式报文用于传输对时间有苛求的数据，比

如I／O、实时互锁等。

的ZigBee协议和逻辑链路控制适应协议L2CAP。

采用这些标准协议可以在协议栈实现的过程中减

少错误和工作量，同时已有的各种网络设备也可

以直接应用于该网络架构中，从而加快协议栈的

开发进度并降低开发难度和开发成本。

c．应用层协议作为无线通信架构的核心，分

为核心服务接口和非核心服务接口。核心服务接

口包括协议栈套接字映射接口、协议栈管理服务

和协议栈应用层服务。非核心服务接口包括HT-

TP协议、FTP协议和其他标准协议。所有的实时

应用服务都通过核心协议与UDP服务和端口进

行通信，而非实时应用服务则通过非核心协议与

TCP服务和端口进行通信，具体工作方式在下文

详述。

应用层协议是面向高层的协议，不能通过协

议栈直接为不同类型的报文提供不同质量的服

务。在网络底层协议的支持下，协议栈用不同的

方式传输不同类型的报文，以满足它们对传输质

量的不同要求。WiFi网络中，用TCP来发送显式

报文，用UDP来发送隐式报文。Bluetooth网络

中，异步无连接链路用于发送点到点的隐式报文，

同步定向链接链路用于发送显式报文。

3．1．2报文的处理

3协议栈的设计

无线通信物联网体系结构的核心在于应用层

协议的设计，具体包括报文的分类、报文的处理、

网络模型定义、网络连接方式和通信模式。

由多种无线协议组成的物联网体系结构中，

需要传输的数据类型有I／O、互锁、故障报警及程

序更新等，这些数据在控制系统中的作用不同，对

传输的确定性和实时性的要求也不同。这就要求

每个无线网络设备中的套接字映射接口负责

监听固定的通信端口，并将接收到的报文进行相

应处理。套接字映射接口根据报文中的端口号将

报文分为协议栈管理功能块消息、协议栈应用层

服务消息和其他端口消息，并将分类后的报文交

给相应的功能模块处理，具体程序流程如图2所

示。

图2报文处理程序流程

3．1．3网络模型定义

环冗余校验码。

传统的源／目的网络模型包括源地址和目的

地址，数据通信采用应答方式，数据发送者和接收

者一一对应。本协议栈采用生产者／消费者网络

模型，典型的模型数据结构包括标识符、数据和循

生产者／消费者网络模型在兼容传统源／目的

网络模型的同时，还可根据信息内容来标识数据，

如果一个节点要接收一个数据，仅需要识别与此

信息相连的特定标识符，而且数据源只需将数据

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