专利名称：一种6LoWPAN网关装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于通信技术领域，具体涉及一种6LoWPAN网关装置。
背景技术：
6LoffPAN(IPv6over Low-Power Wireless Personal Area Networks)标准通过在IPv6的IP层之下MAC层之上增加了一个适配层，来实现无线网络节点上运行IPv6协议。这样IP协议中的很多工具和标准都可以稍加修改或者不用修改拿到无线网络中使用，避免了大部分的重复工作。在此基础上，方便实现RPL路由协议，COAP应用协议等，它是IETF组织对构建未来物联网的技术基石。完整的6LoWPAN协议栈包括IPv6协议族、6LoWPAN适配层、IEEE802. 15. 4的MAC层和物理层。 现有的物联网网关大都基于单CPU和符合某些网络协议标准的射频芯片组成，或者是双CPU但是功能上只能做到某一种物联网协议到IP协议的转换。6LoffPAN网关是6LoWPAN物联网网络与互联网进行信息交换的唯一通道，网关的性能对整个网络的性能有非常严重的影响。快速的转发6LoWPAN网络数据、快速对标准IPv6数据进行快速的压缩、解压缩和分片，是6LoWPAN网络需要特别关注的一个典型问题。同时，随着物联网的飞速发展，出现众多的无线网络协议，它们各有特色，但都需要能够方便的接入基于IP的互联网，因而迫切需要可融合异构无线网络的网关装置。
实用新型内容本实用新型针对6LoWPAN网关容易成为网络瓶颈的问题，以及异构无线网络不同协议不能在物联网中模块化融合的问题，提出了一种6LoWPAN网关装置。本实用新型的技术方案是一种6LoWPAN网关装置，包括第一处理单元和第二处理单元，所述第一处理单元和第二处理单元通过总线结构进行通信，所述第一处理单元用于实现IPv6协议栈和IP数据包的转发，所述第二处理单元用于实现无线网络的MAC层协议和转发来自6LoWPAN网络内部数据包。上述总线结构具体为USB、SPI或I2C总线。上述第二处理单元的数目为多个，所述第一处理单元与多个第二处理单元形成一个星形结构。本实用新型的有益效果本实用新型的6LoWPAN网关装置通过将6LoWPAN协议栈进行有机的拆分，将协议处理任务有序的分配给第一处理单元和第二处理单元共同完成，因而提高了网关的吞吐量及稳定性，降低了 6LoWPAN网络的数据转发延迟时间，同时，模块化的实现了异构无线网络的融合问题。
图I本实用新型的6LoWPAN网关装置的结构示意图。图2为本实用新型实施例一提供的装置结构示意图。[0012]图3为现有技术方案和本实用新型技术方案的主要差异对比示意图。图4为本实用新型实施例二提供的装置使用示意图。图5为本实用新型实施例三提供的装置使用示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本实用新型中的技术方案进行更为具体、清晰的描述。本实用新型的6LoWPAN网关装置的结构示意图如图I所示，包括第一处理单元和第二处理单元，所述第一处理单元和第二处理单元通过总线结构进行通信，所述第一处理单元用于实现IPv6协议栈和IP数据包的转发，所述第二处理单元用于实现无线网络的MAC层协议和转发来自6LoWPAN网络内部数据包。 这里的总线结构具体为USB、SPI或I2C总线。这里的第二处理单元的数目可以为多个，所述第一处理单元与多个第二处理单元形成一个星形结构。为了表述方便，下面以CPU_A代表第一处理单元，以CPU_B代表第二处理单元。本实用新型提出的6LoWPAN网关装置，CPU_A只能有一个，CPU_B可以有多个。CPU_A上运行IPv6协议栈和6LoWPAN适配层协议，主要负责IPv6数据包的压缩、解压缩，IPv6与MAC物理地址的转换，IPv6数据包通过以太网的转发等，同时完成作为网关的其它一般功能；CPU_B上实现标准的无线网络的MAC层协议(包括802. 15.4,802. 15. 1,802. 11等，但不限于此)或某标准的RFID阅读器(IS018000-4，IS018000-6, IS018000-7等，但不限于此)，在MAC层负责网络的管理和数据的转发并与CPU_A进行通信；通过多CPU_B的并行处理方式，增加6LoWPAN网关的网络吞吐量及稳定性，同时方便异构无线网络的模块化融合。CPU_A作为6LoWPAN网关装置中运算能力最强的一部分，负责IP数据包的转发任务，具体实现如下功能，包括I.作为一个普通网关需要转发的不属于6LoWPAN物联网的IP数据包；2.来自互联网，要进入6LoWPAN网络内部的IP数据包的压缩、分片、转发；3.来自6LoWPAN网络内部，要经过网关进入互联网的IP数据包的解压缩、转发；4. IPv6地址与MAC物理地址或ID的转换。CPU_B其实是标准的IEEE802. 15. 4之类的节点，负责转发来自6LoWPAN网络内部数据包，这些数据包根据目的地址的不同可以分为两种情况I.要经过网关进入互联网的数据包，CPU_B要负责把该数据包转交给CPU_A ；2.要转交给6LoWPAN网络内部另一个6LoWPAN节点的数据包，直接转发该数据包；CPU_B还负责从CPU_A发送过来的数据帧，把该数据帧转发给6LoWPAN网络的目的6LoffPAN 节点。CPU_A要求性能比较高，其软件方面实现IPv6协议栈，实现6LoWPAN适配层协议，其主要工作包括IPv6数据包的压缩、解压缩，IPv6与MAC物理地址或ID的转换，IPv6数据包通过以太网口的转发，同时完成作为网关的其他一般功能，比如多种internet的接入(ΡΡΡ0Ε拨号上网，3G无线上网等)，防火墙功能，互联网访问控制，网络状态监控等。CPU_B要求性能不高，其上实现标准的无线网络的MAC层协议(包括802. 15. 4，802. 15. 1,802. 11等，但不限于此)或某标准的阅读器功能(IS018000-4, IS018000-6,IS018000-7等，但不限于此)，同时与CPU_A以总线的方式通讯，其主要工作包括处理来自6LoffPAN网络的数据包，如果目的地址是6LoWPAN网络内部地址，则直接转发，如果目的地址不是6LoWPAN网络内部的地址，则递交给CPU_A ;直接阅读ID数据并上传；接收来自CPU_A中6LoWPAN适配层的数据包并转发。所述可扩展性是指在一个网关装置中，CPU_B的数量可以根据异构网络的协议情况，网络负载的情况动态调整，以达到网关成本和性能的平衡。网关的硬件部分，CPU_A通过某种主从总线(例如USB、SPI、I2C等)和一个或者多个CPU_B连接，形成一个星形结构，充分发挥该种总线的高速性能，使系统中每个CPU_B 都能实时的跟CPU_A通信。网关的软件部分，CPU_A运行6LoWPAN适配层及其上的IPv6相关协议，每个CPU_B都运行某标准的MAC层协议，从而形成一个逻辑上完整，物理上分为两部分的6LoWPAN协议栈，并且系统通过扩展多个CPU_B来突破异构无线网络的低带宽特性给网关带来的数据传输瓶颈问题。从6LoWPAN网络内部来说，网关也是一个6LoWPAN节点，它也要参与网络内部数据帧的转发，而传统单架构的网关，当处理器的负载达到一定程度的时候，网关会影响6LoffPAN网络内部经过网关的数据帧的转发延迟时间。本架构通过扩展的CPU_B来专门负责该任务，从而从根本上解决了这个问题。实施例一实施例一 6LoWPAN网关装置，如图2示从硬件层面上来说，整个装置由一个CPU_A和至少一个CPU_B，通过某种主从总线构成一个有机系统，通过多个CPU_B并行处理的方法来从物理上提供更高的IEEE802. 15. 4数据通道带宽；从软件层面上来说，包括6LoWPAN适配层的完整通信协议栈从下到上分为IEEE802. 15.4的MAC层、6LoWPAN适配层、IPv6协议，在本实用新型网关中，将协议栈进行拆分，分别在两种处理单元中运行。CPU_A运行6LoffPAN适配层以及上层的IPv6协议，CPU_B运行IEEE802. 15. 4的MAC层协议。图3现有技术方案与本实用新型技术方案中主要差异的对比图，左边半边是现有的网关的结构，右边半边是本实用新型的网关结构。这里以IEEE802. 15. 4标准为例进行说明。IEEE802. 15. 4标准为了贯彻低功耗的思想，它牺牲了传输速度，最高速度不过250kbps，这样的速度往往使其网关成为系统的瓶颈，从图3以明显看出，本实用新型的技术方案在系统的底层多了一些MAC层，而这些MAC层都是IEEE802. 15. 4的MAC层，这样的架构有效利用了并行处理的思想来提高IEEE802. 15. 4网络的带宽，使得IEEE802. 15. 4的网关瓶颈得到彻底的消除。现有的网关的使得CPU既要负责作为普通网关数据包的转发，又要作为6LoWPAN网络内的一个节点来转发来自6LoWPAN的网络数据包，当网关负载增大的时候，其转发延迟直接影响到了 6LoWPAN网络的响应时间，而本实用新型的架构把处理6LoWPAN网络内部数据包的任务给剥离出来，交给单独的CPU_B，这也根本上消除了传统由于网关负载变化给6LoffPAN网络带来的高转发延迟的问题。实施例二图4给出了在小规模网络中本实用新型的装置使用示意图，例如家庭6LoWPAN智能网络中，本实用新型装置的结构组成及其在智能网络中的位置，在小规模网络中，网关缩小为一个CPU_A和一个CPU_B组成，实现数据报文的转发。实施例三图5给出了在大规模网络中本实用新型的装置使用示意图，单个的CPU_B节点已经不能满足应用需要的情况下，本实用新型装置的结构组成及其在智能网络中的位置，在大规模智能网络中，通过扩展多个CPU_B节点的方 法，可以有效增加网关的吞吐量，降低6LoffPAN网络的数据转发延迟时间，同时，实现异构无线网络的融合，真正实现物联网所说的物物相连的互联网。本实用新型的6LoWPAN网关把各种物联网协议处理的工作和物联网协议处理的工作分离到多个CPU中，使各种网络之间的相互影响降到最小，并且可以通过动态插接的方式实现对新的协议的支持，扩展性非常强。本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。
权利要求1.一种6L0WPAN网关装置，其特征在于，包括第一处理单元和第二处理单元，所述第一处理单元和第二处理单元通过总线结构进行通信，所述第一处理单元用于实现IPv6协议栈和IP数据包的转发，所述第二处理单元用于实现无线网络的MAC层协议和转发来自6LoffPAN网络内部数据包。
2.根据权利要求I所述的6LoWPAN网关装置，其特征在于，所述的总线结构具体为USB、SPI 或 I2C 总线。
3.根据权利要求I或2所述的6LoWPAN网关装置，其特征在于，所述第二处理单元的数目为多个，所述第一处理单元与多个第二处理单元形成一个星形结构。
专利摘要本实用新型公开了一种6LoWPAN网关装置，包括第一处理单元和第二处理单元，所述第一处理单元和第二处理单元通过总线结构进行通信，所述第一处理单元用于实现IPv6协议栈和IP数据包的转发，所述第二处理单元用于实现无线网络的MAC层协议和转发来自6LoWPAN网络内部数据包。本实用新型的6LoWPAN网关装置通过将6LoWPAN协议栈进行有机的拆分，将协议处理任务有序的分配给第一处理单元和第二处理单元共同完成，因而提高了网关的吞吐量及稳定性，降低了6LoWPAN网络的数据转发延迟时间，同时，模块化的实现了异构无线网络的融合问题。
文档编号H04W88/16GK202535552SQ201220140309
公开日2012年11月14日 申请日期2012年4月5日 优先权日2012年4月5日
发明者刘丹, 唐道平, 徐展, 薛世帅 申请人:电子科技大学