专利名称：一种无线异构网络及其通信方法
技术领域：
本发明涉及一种无线异构网络及其通信方法，尤其涉及一种Zigbee-Ipv6-6LoffPAN无线异构网络及其通信方法。
背景技术：
IEEE802. 15. 4是一组低功耗低速率短距离无线传输协议，作为6LoWPAN与Zigbee协议的基础，描述了低速率无线个人局域网的物理层和媒体接入控制协议。Zigbee制订了短距离无线通信标准的网络层和应用层，并定义了各层之间数据接口以及管理接口，提供了丰富的应用层框架以及安全管理体系，针对不同的应用制订了相·应的应用规范。相对于常见的无线通信标准，Zigbee协议栈紧凑简单，具体实现要求很低。只要8位处理器再配上4 KB ROM和64 KB RAM等就可以满足其最低需要，从而大大降低了芯片成本。目前，Zigbee协议广泛应用于智能测绘、医疗、家居等物联网相关行业。但是Zigbee基本协议并不支持IP寻址。6LoffPAN (IPv6 over Low-power and Lossy Networks)协议主要实现了在IEEE802. 15.4网络中运行简化了的IPv6协议，通过在链路层与IP层间添加适配层实现首部压缩与数据包的分片重装。此外，6LoWPAN工作组还制定了一系列相关标准，包括支持Mesh Routing的方法,简化的IPv6 Neighbor Discovery协议,应用场景和路由需求等几个关键的技术规范。目前，该工作组已经形成的两个RFC :《在低功耗网络中运行IP6协议的假设、问题和目标》(RFC4919，Informational)；《在IEEE802. 15. 4上传输IPv6报文》(RFC4944, Proposed Standard)。此外，还出台了基于 6L0WPAN IPHC 首部压缩以及 6LoWPAN邻居发现协议等相关标准草稿。IEEE802. 15. 4定义的链路层地址有两种由设备制造商设定的全球唯一的EUI-64地址以及在PAN网络内动态分配的16位短地址。由于6LoWPAN与Zigbee均是基于IEEE802. 15. 4底层协议的，因此这两种地址在两种网络协议中同时存在，但是，两者的16位短地址是通过不同方式分配的(前者为重复地址检测机制，后者为CSkips算法)。要实现跨网数据传输，则只能由EUI-64生成IPv6地址的方式。目前有关Zigbee节点与6LoWPAN节点互通的方案较少，经总结主要包括双栈网关与双栈节点两种方案，如图I所示。两种方案的共通点是在Zigbee的应用层添加了 IPv6协议块，即将IP数据包作为应用层数据处理。这两种方案均未实现首部压缩与解压缩以及数据包的分片与重装。双栈网关只能实现在Zigbee与6LoWPAN节点之间不经过IP网络的互通，无法实现距离较远的节点，即Zigbee域与6LoWPAN域相距较远的交互。双栈节点对于功耗、资源限制的节点来说不适用。因此，这两种方案无法真正实现物联网异构传感网之间的融合以及资源无处不在、网络无处不在的泛在模式。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有6LoWPAN与Zigbee互通方案的不足，提供一种Zigbee-Ipv6_6LoWPAN无线异构网(即Zigbee网络和6LoWPAN网络通过Ipv6网络连通)及其通信方法，在保持6LoWPAN网络与Zigbee网络原有协议不变的情况下通过增加边界网关(6LoWPAN边界路由器以及Zigbee协调器)功能模块、设计节点交互机制来实现6LoWPAN节点与Zigbee节点之间的互相通信。本发明的无线异构网络，包括Zigbee网络和6LoWPAN网络，两者通过Ipv6网络连通，
所述Zigbee网络的协调器中设置有首部转换模块，用于将不同网络间通信的数据包的首部转换为相应的格式，具体按照以下方法对于Zigbee网络发送的数据包的首部，首先将其中EUI-64地址的高16位与0x0200异或，然后加入IPv6地址前缀，构成IPv6地址；对于Zigbee网络接收的数据包的首部，首先去除IPv6地址前缀，然后将后64位地址的高16位与0x0200异或，构成EUI-64地址；
所述Zigbee网络的协调器以及6LoWPAN网络的边界路由器中均设置有一个16位短地址与EUI-64地址的地址映射表，此地址映射表不仅包含域内节点的16位短地址与EUI-64地址的映射关系，还包含域外节点的地址映射关系。由于6LoWPAN网络与Zigbee网络的自组织性，许多功能的实现都需要组播支持，而由于IEEE802. 15. 4网络的带宽局限性，当两种网络节点通过IP网络进行通信时，有必要解决广播风暴的问题。为此，本发明进一步采用以下技术方案
所述无线异构网络中的每个6LoWPAN域或Zigbee域设置为一个IPv6组播组，当6LoffPAN域与Zigbee域之间进行通信时，两者共享一个group ID,停止通信时则取消共享。一种如上所述无线异构网络的通信方法，包括以下步骤
步骤UZigbee网络和6LOWPAN网络分别进行域内自组网；
步骤2、6LoWPAN边界路由器与Zigbee协调器之间进行地址同步与组播同步；所述地址同步是指6LoWPAN边界路由器与Zigbee协调器在IPv6网络中为彼此分配16位短地址；所述组播同步是指两个需要通信的6LoWPAN域与Zigbee域共享同一组播组标识；
步骤3、Zigbee网络/6LoWPAN网络中的源节点发送数据包；Zigbee协调器/6LoWPAN边界路由器将数据包转换为IPv6数据包，并通过IPv6网络转发；6LoWPAN边界路由器/Zigbee协调器将接收的数据包转换为6LoWPAN网络/ Zigbee网络数据包，并转发至6LoffPAN网络/ Zigbee网络中的目标节点。相比现有技术，本发明具有以下有益效果
一、在6LOWPAN和Zigbee网络内均采用16位短地址标识源地址与目的地址，通过各自的边界网关实现地址映射与转换，使异构节点通信变得简单有效，同时短地址的使用降低了数据开销，更适用于低功耗低速率的无线传感网络；
二、异构域通信时共享groupID,停止通信时独享group ID,可有效防止广播风暴。
图I为现有Zigbee节点与6LoWPAN节点互通的方案；
图2为本发明中6LoWPAN与Zigbee网络的通信模式；
图3为EUI-64地址与IPv6地址的转换示意 图4为本发明的无线异构网络各网关中的协议转发模式图；图5为本发明的无线异构网络中，由6LoWPAN节点发起Zigbee加入请求的情况下,域间节点的信息交互流程图，图中，各符号含义如下
RS :路由请求；RA :路由公告；NS :邻居请求；NA :邻居公告；
ZB-join req Zigbee 加入请求;ZB_join res Zigbee 加入回复 L16 6LoffPAN16的16位短地址；Z16 =Zigbee的16位短地址 E64 EUI-64地址；IP6 Ipv6地址；Scr :源地址；Des 目的地址 ND-req :网络发现请求；ND_cfm :网络发现确认 Join-req :网络加入请求；Join_cfm :网络加入确认 Data-req :数据请求；Data_cfm :数据确认。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明
本发明的目的是在保持6LoWPAN网络与Zigbee网络原有协议不变的情况下通过增加边界网关(6LoWPAN边界路由器以及Zigbee协调器)功能模块、设计节点交互机制来实现6LoffPAN节点与Zigbee节点之间的互相通信，主要需要解决寻址、异构协议转换以及组播的问题。本发明的应用环境如图2所示，该无线异构网络包括Zigbee网络和6LoWPAN网络，两者通过IPv6网络连通。在该网络中，要实现6LoWPAN节点与Zigbee节点之间的互相通信，需要解决以下几个问题
一、寻址
异构网络设备交互的首要问题就是寻址问题，由于6LoWPAN协议采用的网络地址为IPv6地址，而Zigbee节点间通信则直接采用16位短地址或全球唯一的EUI-64地址。因此本发明在网关中主要解决Zigbee与6LoWPAN的网络地址统一与短地址转换问题。二、首部转换与数据包压缩
主要在Zigbee协调器中解决Zigbee网络层帧头与IPv6首部之间的转换，APS帧头与传输层首部之间的转换。Zigbee协议帧中MAC帧头之后包含8字节NWK帧头以及2_10字节的APS帧头，这两种帧头中除了基本的源、目的地址与端口信息外，还包含路由、安全等信息。因此在Zigbee与IPv6首部转换模块中，除了对地址进行转换外，还需进行路由与安全方面的考虑。对于数据包的压缩问题6LoWPAN协议本身已经从两方面进行解决，除了首部的压缩与解压缩，还有数据载荷的分片与重装。而Zigbee协议栈不支持分片重装机制，即使在网关中设置分片重装模块，也难以在每个Zigbee节点中实现数据包的分片与重装机制。因此本发明需要在数据包尽量小的前提下实现。另外，由于6LoWPAN网络与Zigbee网络的自组织性，许多功能的实现都需要组播支持，而由于IEEE802. 15. 4网络的带宽局限性，当两种网络节点通过IP网络进行通信时，有必要解决广播风暴的问题。为解决网络层协议转换的问题，本发明在Zigbee协调器中设置一首部转换模块，首先进行Zigbee地址与IPv6地址的转换，再将Zigbee NWK首部转换为IPv6首部格式。地址转换采用与6LoWPAN类似的方式实现EUI-64与IPv6地址的转换(如图3所示)，且具备IPv6地址前缀配置功能。Zigbee地址转换成IPv6地址的过程将EUI-64的高16位与0x0200异或，再结合IPv6地址前缀构成IPv6地址；IPv6地址转换为Zigbee地址即上述相反过程,具体为首先去除IPv6地址前缀,然后将后64位地址的高16位与0x0200异或，构成EUI-64地址。为解决寻址问题，本发明在Zigbee协调器与6LoWPAN边界路由器中都设置一个16位短地址与EUI-64地址的地址映射表。此地址映射表不仅包含域内节点的16位短地址与EUI-64地址的映射关系，还包含域外节点的地址映射关系。例如，当Zigbee节点向6LoWPAN节点首次发起通信时，将数据包的目的地址设为6LoWPAN节点的EUI-64地址，当数据包经过Zigbee协调器时，Zigbee协调器在进行路由查找的同时通过CSkips算法为该6LoWPAN节点分配一个16位短地址，并在地址映射表中添加此条目。当该数据包经过IPv6网络路由到达6LoWPAN边界路由器时，边界路由器会将发起节点的ΕΠ64地址通过DAD机制分配一个16位短地址，并在映射表中添加相应条目。通过上述配置，Zigbee节点可作为一个伪IP节点通过协调器与域外其他节点(6LoWPAN节点 或IPv6节点)进行通信。为了防止广播风暴，本发明将每个6LoWPAN域或Zigbee域设置为一个IPv6组播组，即为每个PAN ID设置一个group ID，而Zigbee协调器或6L0WPAN边界路由则作为组汇聚点。当异构网络进行通信时，两者共享一个group ID，停止通信时则取消共享，以防广播风暴。所共享的group ID视情况而定,若由6LoWPAN节点发起Zigbee网络加入请求并通信时，共享的group ID设置为被请求的Zigbee网络组标识,此时Zigbee协调器作为组汇聚点。相反，由Zigbee节点发起请求时,则将group ID设置为6LoWPAN网络组标识,组汇聚点为该6LoWPAN网络边界路由。本发明在6LoWPAN — IPv6 — Zigbee通信模式下，各网关的协议转发模式如图4所示，6LoWPAN边界路由以及Zigbee协调器进行数据包转发时都采用网络层转发的模式。由于6LoWPAN协议与IPv6协议具有很好的兼容性，也就是在适配层已经完成了压缩分片地址转换等功能，因此6LoWPAN边界路由器相对于Zigbee协调器功能模块更简单些。本发明中边界网关的主要功能如下
Zigbee协调器
基本协议解析功能，包括Zigbee协议栈以及IPv6协议栈。·网络层协议转换，主要提供首部转换模块，即将Zigbee协议的NWK首部与IP首部进行格式转换，必要时将Zigbee的APS层首部与传输层协议进行转换。·地址转换功能以及地址前缀配置功能，在网络层协议转换时需将Zigbee地址与IPv6地址进行转换。 地址映射表设置16位短地址——EUI-64，EUI_64——IPv6，表中可能同时包含Zigbee, IPv6以及6LoWPAN三种节点的条目。边界路由
基本协议解析功能，包括轻量级IPv6协议栈，即携带6LoWPAN功能的标准IPv6协议
栈
地址映射表设置网络层协议转换以及地址转换功能均已在6LoWPAN适配层实现，因此这两个功能模块均可省略，也无需存储EUI-64与IPv6地址映射表。需要注意的是6LoWPAN边界路由中存储的16位短地址一EUI-64地址映射表，应当包含与其通信的域外Zigbee节点的条目。下面以一个具体实例来说明本发明中6LoWPAN节点与Zigbee节点之间的通信交互过程。该实例中，由6LoWPAN节点发起Zigbee加入请求，6LoWPAN节点(6N) — 6LoffPAN边界路由(6B) -Zigbee协调器(ZC) — Zigbee节点(ZN)之间的交互过程如图5所示，主要分为两个阶段网络初始化阶段、以及数据通信阶段，具体包括
I.网络初始化
网络初始化主要分两个步骤首先是6LoWPAN和Zigbee进行域内自组网，即各自进行地址注册等基本过程；自组网结束后进行异构网络之间的同步，这里主要是6LoWPAN边界路由与Zigbee协调器之间的地址同步与组播同步，为接下来6LoWPAN节点或者Zigbee节点发起异构通信请求建立基础。(I)自组网阶段· a)61owpan网络初始化6LoWPAN网络内的节点组网通过邻居发现协议进行，基本过程类似标准IPv6邻居发现协议。·节点通过RS/RA消息对实现路由器发现以及地址前缀获取；
节点通过获取的前缀自动配置自己的全局地址，并通过携带地址注册选项的NS消息向边界路由注册；
边界路由通过重复地址检测机制(DAD)为节点分配16位地址，形成如图中所示的64位地址与16位地址的映射表。b) Zigbee网络的网络初始化包括网络发现，服务与设备发现等过程，设备地址的配置由协调器通过CSkips算法完成。(2)同步
a)地址同步6LoWPAN边界路由与Zigbee协调器在IPv6网络中为彼此分配16位短地址。· 6LoffPAN边界路由通过DAD机制为Zigbee分配一个6LoWPAN16位短地址(图中的L16 (C))存于地址映射表中；
Zigbee协调器通过CSkips算法为边界路由配置一个Zigbee 16位短地址(图5中的Z16 (B))存于地址映射表中。b)组播同步B与C进行组播同步，即两个需要通信的异构域共享同一组播组标识。2.数据通信
(I)初次通信请求
a) 6L0WPAN节点A发起通信请求数据包data-req,目的地址设为Zigbee节点D的全局地址即 prefix (D) +E64 (D)，源地址设为 A 的 6LoWPAN 16 位短地址 prefix (A) +L16 (A)。b)边界路由器B转发A发来的数据包
将data-req数据包转换为标准IPv6数据包，包括地址的转换，即将源地址转换为用于全局通信的prefix (A)+E64 (A)；
在查询邻居缓存表的时候发现目的地址不存在于已有列表中，此时通过DAD机制为目的节点D分配一个6LoWPAN短地址L16 (D)，并添加到地址映射表中用于后续通信；
将转换好的data-req包发送出去。
c) Data-req包在IPv6网络中通过路由转发至Zigbee网络中的协调器C
C将IPv6数据包转换为Zigbee格式数据包，其中IPv6地址转换为EUI-64地址按照以下方法首先去除IPv6地址前缀，然后将后64位地址的高16位与0x0200异或；
C通过CSkips算法将A的EUI-64地址转换为Zigbeel6位短地址Z16 (A)，并存入地址映射表中用于后续通信。d) C将转换好的Zigbee数据包发至节点D，此时源地址与目的地址均转换为了Zigbee短地址。(2)初次通信回复
a)Zigbee节点D发送通信确认数据包data_ack,此时，目的地址与源地址均采用Zigbeel6位短地址标识。
b) C 转发 data-ack 数据包
将Zigbee数据包转换为IPv6数据包；
转换首部的同时通过查询地址映射表将A与D的Zigbee短地址转换为IPv6地址。c)B转发IPv6数据包给A :进行首部压缩的同时通过查询地址映射表将IPv6地址转换成对应的6LoWPAN短地址。d) A收到data-ack包,准备进行后续基础通信。(3)后续通信
后续通信的过程数据包经过IPv6网络“隧道”在6LoWPAN边界路由和Zigbee协调器时进行首部转换并完成地址转换，其在6LoWPAN和Zigbee域内通信时均采用各自的16位短地址标识源地址与目的地址。也就是A对于D来说可看做一个Zigbee节点，而D对于A来说可看做一个6LoWPAN节点通信。
权利要求
1.一种无线异构网络，包括Zigbee网络和6L0WPAN网络，两者通过Ipv6网络连通，其特征在于 所述Zigbee网络的协调器中设置有首部转换模块，用于将不同网络间通信的数据包的首部转换为相应的格式，具体按照以下方法对于Zigbee网络发送的数据包的首部，首先将其中EUI-64地址的高16位与0x0200异或，然后加入IPv6地址前缀，构成IPv6地址；对于Zigbee网络接收的数据包的首部，首先去除IPv6地址前缀，然后将后64位地址的高16位与0x0200异或，构成EUI-64地址； 所述Zigbee网络的协调器以及6LoWPAN网络的边界路由器中均设置有一个16位短地址与EUI-64地址的地址映射表，此地址映射表不仅包含域内节点的16位短地址与EUI-64地址的映射关系，还包含域外节点的地址映射关系。
2.如权利要求I所述无线异构网络，其特征在于，所述无线异构网络中的每个6LoWPAN域或Zigbee域设置为一个IPv6组播组，当6LoWPAN域与Zigbee域之间进行通信时，两者共享一个group ID，停止通信时则取消共享。·
3.如权利要求2所述无线异构网络，其特征在于，若由6LoWPAN节点发起Zigbee网络加入请求并通信时，共享的group ID设置为被请求的Zigbee网络组标识，此时Zigbee协调器作为组汇聚点；相反，由Zigbee节点发起请求时，则将group ID设置为6LoWPAN网络组标识，组汇聚点为该6LoWPAN网络边界路由器。
4.如权利要求I所述无线异构网络的通信方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤UZigbee网络和6LoWPAN网络分别进行域内自组网； 步骤2、6LoWPAN边界路由器与Zigbee协调器之间进行地址同步与组播同步；所述地址同步是指6LoWPAN边界路由器与Zigbee协调器在IPv6网络中为彼此分配16位短地址；所述组播同步是指两个需要通信的6LoWPAN域与Zigbee域共享同一组播组标识； 步骤3、Zigbee网络/6LoWPAN网络中的源节点发送数据包；Zigbee协调器/6LoWPAN边界路由器将数据包转换为IPv6数据包，并通过IPv6网络转发；6LoWPAN边界路由器/Zigbee协调器将接收的数据包转换为6LoWPAN网络/ Zigbee网络数据包，并转发至6LoffPAN网络/ Zigbee网络中的目标节点。
全文摘要
本发明涉及一种无线异构网络及其通信方法。本发明在Zigbee网络的协调器中设置有首部转换模块，用于将不同网络间通信的数据包的首部转换为相应的格式；并在Zigbee网络的协调器中与6LowPAN网络的边界路由器中分别设置一个16位短地址与EUI-64地址的地址映射表，此地址映射表不仅包含域内节点的16位短地址与EUI-64地址的映射关系，还包含域外节点的地址映射关系。为进一步防止广播风暴，本发明还将每个6LoWPAN域或Zigbee域设置为一个IPv6组播组，当6LoWPAN域与Zigbee域之间进行通信时，两者共享一个groupID，停止通信时则取消共享。本发明在保持6LoWPAN网络与Zigbee网络原有协议不变的情况下，能够有效实现6LoWPAN节点与Zigbee节点之间的互相通信，且能够防止广播风暴的发生。
文档编号H04L29/12GK102892215SQ20121033066
公开日2013年1月23日 申请日期2012年9月10日 优先权日2012年9月10日
发明者孙知信, 唐苏宁 申请人:南京邮电大学