物联网网关虚拟ID_虚拟IP映射方法实现

2023年12月6日发(作者：)

882012，48（15）ComputerEngineeringandApplications计算机工程与应用物联网网关虚拟ID-虚拟IP映射方法实现24邵艳清1，，张伟军3，唐晖1，，曾晓宏224SHAOYanqing1，,ZHANGWeijun3，TANGHui1，,ZENGXiaohong21.重庆大学通信工程学院，重庆4000442.重庆电子工程职业学院通信工程系，重庆4013313.中国移动浙江公司温州分公司，浙江温州3252004.中国科学院声学研究所高性能网络实验室，北京eofCommunicationEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400044,icationEngineeringDepartment,ChongqingCollegeofElectronicEngineering,Chongqing401331,ngWenzhouBranch,ChinaMobileCommunicationCooperation,Wenzhou,Zhejiang325200,rformanceNetworkLab,InstituteofAcoustics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,ChinaSHAOYanqing,ZHANGWeijun，TANGHui,erEngineeringandApplications,2012,48（15）：ct：TheproblemofnouniformedaddressingstandardsofRFID,ZigbeeandWi-FidevicesinIoT（InternetofThings）,essingmechanismonac-cessinggatewayisproposedtogenerateandassignvirtualIDandvirtualIPfordifferentaccessingdevices,whichcanefficientlyimprds：InternetofThings（IoT）;virtualID;virtualIP;addressmapping摘要：由于当前物联网网络中RFID，Zigbee以及Wi-Fi等电子设备编址标准不统一，增加了网络统一管理和寻址的难度，基于此问题，提出了一种在物联网接入网关上为不同技术接入设备分配虚拟ID和虚拟IP的方法，实现了对物联网接入设备的实时通信和便捷管理。关键词：物联网；虚拟ID；虚拟IP；地址映射文章编号：1002-8331（2012）15-0088-05文献标识码：A中图分类号：TP393物联网[1]（InternetofThings，IoT）是一种通过各种接入技术将海量电子设备与Internet进行互联的大规模虚拟网络。包括RFID，传感器以及其他执行器的电子设备通过Internet互联互通，异构信息汇聚以后共同完成某项特定的任务。然而，作为物联网感知层技术，Zigbee[2]、RFID（RadioFrequencyIdentifi-cation）系统[3]以及Wi-Fi技术，其接入设备的物理层编址方案和标准各不相同，这为网络统一管理和寻址增加了难度。Zigbee接入设备采用64bitIEEE-Address，RFID系统采用EPCglobal[3]编码体系，Wi-Fi接入设备则采用48bitMAC地址作为物理层地址。标准[4]提出，泛在绿色社区采用各种异构无线网络对各类设施进行远程测控、能耗计量统计以及智能联动，并依托现有IP互联网实现数据传输。因此，要实现接入设备的远程管理和实时通信，还需统一为接入设备分配网络层地址。于是，本文提出一种基于基金项目：国家科技重大专项（No.2009ZX03004-001）；中国科学院“十一五”知识创新工程重大专项（1-YW-19）。作者简介：邵艳清（1982—），女，博士研究生，主研方向：移动通信，物联网应用技术；张伟军（1986—），通讯作者，硕士，主研方向：宽带无线移动多媒体通信；唐晖（1970—），男，博士，研究员，主研方向：传感器网络，下一代互联网；曾晓宏（1975—），女，副教授，主研方向：智能信息处理。收稿日期：2011-12-06修回日期：2012-02-08DOI：10.3778/.1002-8331.2012.15.019邵艳清，张伟军，唐晖，等：物联网网关虚拟ID-虚拟IP映射方法实现2012，48（15）89物联网接入网关的虚拟ID-虚拟IP映射方法，通过网关中的Wi-Fi管理模块、RFID管理模块、Zigbee管理模块与综合管理模块的相互配合，实现为接入设备分配ID和IP地址，使得内部接入设备的实时寻址和网络管理简易化。网络应用架构如图1所示。接入网关支持Zigbee设备、Wi-Fi设备以及RFID设备的接入，同时负责网络感知层采集数据的传输和管理。终端用户应用系统业务管理历史数据记录支撑系统应用数据库服务器应用服务器现场数据实时数据流控制指令、配置操作等接入网关安全门禁自动开关ZigbeeWi-FiRFIDHVAC网络感知层照明系统摄像头监视器图1物联网应用结构图本文主要研究工作：（1）通过提取接入设备的设备ID和设备上承载的子器件ID以及接入设备的接入技术类型，为每个接入设备分配虚拟ID。（2）根据虚拟ID为每个接入设备分配虚拟IPv6地址。1相关工作物联网中每个物品需要配备全球惟一的身份标识（UniqueIdentity，UID），EPC系统编码技术、Zig-bee物品编码技术以及互联网主机的MAC地址等都具有全球惟一性的特征，但目前却没有统一的编码方案。物联网的接入节点数量巨大、更新频繁等特点，现有的DNS系统完全不能满足海量节点接入，而分布式哈希表（DistributedHashTable，DHT）路由算法去中心化的扁平结构能够提供高效的资源解析，很好地解决了未来物联网规模迅速扩张带来的问题。在运用DHT技术的解析系统中，UID作为文件索引，运用一致性哈希算法，生成惟一的哈希值，或称资源标识符Key，然后将物品标识（UID）与关键值Key绑定并存储。当需要查找该资源时，采用相同的方法定位为存储该资源的节点，然后提取该资源标识符Key相对应的绑定信息（如IP地址等）。利用DHT算可以减少查询时延，提高查询系统性能。1.1RFID系统编址方案RFID系统中物品编址方案采用EPC（ElectronicProductCode）编址体系，EPC规划64bit、96bit和256bit三种标准标识一件物品。在RFID系统与因特网互联的研究中，文献[4]采用EPC64bit编码标准标识物品ID，将该ID作为IPv6[5]地址的接口标识部分，结合网络前缀生成全局惟一的单播地址，但该方案仅限于EPC64bit编码标准，未能适用于其他两种长度的编址标准。1.2Zigbee编址方案Zigbee网络设备编址方案采用IEEE802.15.4标准规定的64bitIEEE-Address。在传感器网络与因特网的互联通信研究中，鉴于传感器自身特点，编址方案主要有非IP编址方案和IP编址方案。其中，非IP编址方案主要是在传感器网络和互联网之间设置具有协议转换功能的网关[6-8]，实现不同协议数据包的转换，但是传感器网络设备对外界提供的是设备物理地址，不能用于互联网的路由寻址。IP编址方案主要有重叠方式和全IP方式。其中，重叠方式主要是通过将IP协议栈和传感器网络的协议栈进行接入，实现方法包括在传感器网络协议栈的基础上实现一个IP协议栈的重叠层[9-10]，或在IP协议栈之上实现WSN的数据包传输[11]。两种重叠方法都为传感节点分配一个虚拟IP地址，存储在接入网关上，以实现外部网络的实时寻址，但均未深入分析分配机制。全IP方式[12]为每个传感器节点分配一个IPv6地址，在传感器节点上运行裁剪TCP/IP协议栈，但该方法对节点硬件设备性能要求较高。1.3Wi-Fi编址方案由于Wi-Fi设备的硬件性能相对优越，因而设备上运行TCP/IP协议栈，其物理层地址采用48bitMAC地址，并采用IPv4或IPv6地址用于网络寻址。上述研究方案均未涉及多种网络接入的编址方案。然而，多种接入技术并存是物联网应用的必要前提，因此，本文着重研究Zigbee、Wi-Fi和RFID并存的异构网络，为各种技术接入设备统一分配物理层地址和网络层地址。902012，48（15）ComputerEngineeringandApplications计算机工程与应用为了阐述内容的准确性，定义以下术语：定义1虚拟IP：接入网关为每个接入设备分配一个网络层地址（IPv6地址），但存储在接入网关上。定义2虚拟ID：接入网关为每个接入设备分配一个物理层地址（设备ID），但存储在接入网关上。定义3子设备ID：接入设备上承载的多个子器件标识。定义4虚拟子设备ID：接入网关根据设备子设备ID运用哈希算法生成的哈希值，记为虚拟子设备ID，并存储在网关上。定义5虚拟主设备ID：接入网关根据设备物理地址运用哈希算法生成的哈希值，记为虚拟主设备ID，并存储在网关上。定义6虚拟协议ID；接入网关根据设备接入技术类型运用哈希算法生成的哈希值，记为虚拟协议ID，并存储在网关上。的正常通信并提取RFID设备的设备ID和子器件ID。Zigbee管理模块用于实现Zigbee接入设备的正常通信并提取Zigbee设备的设备ID和子器件ID。上行数据模块用于实现内部接入网络数据封装和TCP/IP网络数据封装的转换。综合管理模块包括：虚拟ID生成子模块、虚拟IP生成子模块和设备信息数据库子模块。虚拟ID生成子模块，用于接收Wi-Fi管理模块、RFID管理模块或Zigbee管理模块发来的接入设备ID、子器件ID和接入技术类型，生成虚拟MAC地址、虚拟子设备ID、虚拟协议ID和虚拟ID，其中接入技术类型即为接入设备的协议ID。虚拟IP生成子模块，用于接收已校验的虚拟ID，为每一接入设备分配虚拟IPv6地址，并发于设备信息数据库。虚拟ID和虚拟IP结构图如图3所示。虚拟ID由虚拟MAC地址、虚拟子设备ID和虚拟协议ID三者共同组成。虚拟IPv6地址由网络前缀和接口标识组成，网络前缀为接入网关IP地址的网络前缀，接口标识为虚拟ID号，由两者组合而成一个全局惟一的IPv6单播地址。设备信息数据库子模块，用于校验接收到的虚拟ID的惟一性，同时维护设备信息绑定表，其中包括接入设备ID、子器件ID、接入技术类型、虚拟MAC地址、虚拟子设备ID、虚拟协议ID、虚拟ID和虚拟IPv6地址。2虚拟ID-虚拟IP映射机制虚拟ID-虚拟IP映射机制依托于物联网接入网关。通过网关上Wi-Fi管理模块、RFID管理模块或Zigbee管理模块与综合管理模块的相互配合，统一为接入设备分配虚拟ID和IP地址，接入网关功能结构图如图2所示。其中，Wi-Fi管理模块用于实现Wi-Fi接入设备的正常通信并提取Wi-Fi设备的设备ID和子器件ID。RFID管理模块用于实现RFID接入设备3上行数据模块综合管理模块设备信息数据库RFID管理模块虚拟ID生成模块Wi-Fi管理模块虚拟IP生成模块Zigbee管理模块接入网关具体方案分配机制流程接入网关分配虚拟ID和虚拟IP的时序流程如3.1图4所示，具体步骤包括：（1）Wi-Fi接入设备、RFID接入设备和Zigbee接入设备成功入网后，Wi-Fi管理模块、RFID管理模块和Zigbee管理模块提取接入设备的设备ID、子设备ID和设备协议ID，发往虚拟ID生成子模块。（2）虚拟ID生成子模块分别对接收到的三种ID2001：0284：8f89：0003：NetworkAddressProfix（64bit）VirtualID（64bit）f0f056：45f2：3e45：e431InterfaceID（64bit）f056：45f2：3e45：e43156：45f2：3e45：e431图2接入网关功能结构图VirtualIP（128bit）VirtualProtocolID（8bit）VirtualMACAddress（48bit）VirtualSubdeviceID（8bit）图3虚拟ID和虚拟IP结构示意图邵艳清，张伟军，唐晖，等：物联网网关虚拟ID-虚拟IP映射方法实现无线连接2012，48（15）91RFID/Zigbee/Wi-Fi接入设备RFID/Zigbee/Wi-Fi管理模块HGW虚拟ID生成模块虚拟IP生成模块设备信息数据库模块RFID、ZigbeeOr发送RFID标签ID、ZigbeeWi-Fi设备入网认证ID或Wi-FiMAC地址、子器件ID和接入技术类型根据RFID标签ID、ZigbeeID或Wi-FiMAC地址，生成虚拟MAC地址、虚拟子设备ID、虚拟协议ID和虚拟ID发送虚拟MAC地址、虚拟子设备ID、虚拟协议ID和虚拟ID检验虚拟ID惟一性否是否惟一？是发送虚拟ID分配虚拟IP地址发送IP地址存储并绑定IP地址、设备ID、子器件ID、设备协议类型、虚拟MAC地址、虚拟子设备ID和虚拟协议ID图4接入网关分配虚拟ID和虚拟IP的时序流程图运用一致性哈希算法，生成长度分别为：48bit、8bit和8bit的虚拟MAC地址、虚拟子设备ID和虚拟协议ID，并排列组合生成长度为64bit的虚拟ID，发往设备信息数据库子模块；若是收到设备信息数据库子模块的虚拟ID冲突的消息，则重复步骤（2），重新组合生成虚拟ID，并回复。（3）设备信息数据库子模块提取接收的虚拟ID，在数据库中查验虚拟ID的惟一性。具体步骤为：①提取虚拟ID，遍历设备信息绑定表中的虚拟ID项目。遍历完毕，若不存在相同ID，发送该ID至虚拟IP生成模块；若存在相同ID，则将{虚拟主设备ID，虚拟子设备ID，虚拟协议ID}三元组随机排列组合，生成64bit虚拟ID。②若该ID惟一，存储{设备ID，子设备ID，设备接入技术类型，虚拟主设备ID，虚拟子设备ID，虚拟协议ID，虚拟ID}七元组于设备信息绑定表中，同时标记该条目为未完善条目。（4）虚拟IP生成子模块根据本网关网络地址前缀和虚拟ID生成虚拟IP地址，发往设备信息数据库子模块。（5）设备信息数据库子模块绑定并存储设备ID、子器件ID、设备协议ID、虚拟MAC地址、虚拟子设备ID、虚拟协议ID、虚拟ID和虚拟IPv6地址。3.2通信实例接入网关为每一接入设备成功分配虚拟ID和虚拟IP后，将接入设备具有全球惟一性的身份标识UID和分配到的IPv6地址绑定发送给资源解析系统数据库。网关内部网络初始化后形成虚拟IP网络，外部网络可以通过IP地址对内部网络任一节点发起实时通信。数据包经TCP/IP网络路由至接入网关进行验证，从而转交给Zigbee管理模块、RFID管理模块或Wi-Fi管理模块，相应的管理模块根据虚拟IP映射内部设备ID，再结合自身协议类型和内部设备ID重新封装内部网络数据包，发送至目标节点。上行链路数据流程中，接入网络从内部异构网络接收到以内部设备ID为包头的数据响应包，根据设备ID遍历设备信息数据库，查找对应IP地址。上行链路模块根据IP地址重新封装数据包，发送至远端TCP/IP网络用户。具体流程如图5所示。4结论通过统一为接入设备分配虚拟ID地址，实现了家庭网络内多种接入技术设备对上层网络的统一性，使得家庭内部异构网络能够接入成一个虚拟网922012，48（15）ComputerEngineeringandApplications计算机工程与应用TCP/IPNetworksUserIPSensorIP/GatewayIPSimpleDataRequest/OperationCommandSimpleDataRequest/OperationCommandCreateTCP/IPPacketUpLinkDataIPAddressDeviceIDIEEEID/LocalIDTagIDMACAbstractDeviceID（MAC）SubDeviceIDandProtocolAHN->TCP/IPTranslationSensorIP/GatewayIPTCP/IP->AHNTranslationUserIPAbstractDeviceID（MAC）SubDeviceIDandProtocolWSNRFIDWi-FiGatewayIDNodeIDNodeIDQueryCommand/OperationCommandGatewayIDResponseData/AcknowledgementAreaHeterogeneousNetworks图5消息封装与转换图[6]-tolerantnetworkarchitectureforchallengedInternets[C]//ProcACMSIGCOMM，Karlsruhe，Germany，2003：27-34.[7]DunkelsA，AlonsoJ，VoigtT，tingwirelesssensornetswithTCP/IPnetworks[C]//ProcWWIC2004，2004.[8]ChenY，ChuangC，ChangR，atedwirelessac-cesspointarchitectureforwirelesssensornetworks[C]//ICACT2009，2009.[9]ZhangM，PackS，ChoK，nsibleInterwork-ingArchitecture（EIA）forwirelesssensornetworksandInternet[C]//ProcAPNOMS2006PosterSessions，Busan，Korea，2006.[10]BaiJ，ZangC，WangT，eagents-basedre-al-timemechanismforwirelesssensornetworkaccessontheInternet[C]//IEEEICIA2007，2006：311-315.[11]DaiH，ngmicrosensornetworkswiththeInternetviaoverlaynetworking[C]//ProcIEEEEmnets-I，2004.[12]IETFdraft6LoWPAN：overview，assumptions，problemstatementandgoals[S].2005.[13]IETFdrafttransmissionofIPv6packetsoverIEEE802.15.4network[S].2005.络，而不需要修改已有的网络协议。统一为接入设备分配虚拟IP地址，外部网络终端能够对家庭网络的接入节点实时寻址，且不影响家庭异构网络灵活选择合适自身的网内路由协议，实现了接入设备对外部网络的透明性。建立存有接入设备虚拟ID和虚拟IP地址的设备信息绑定表，实现了接入设备的统一性，解决了家庭网络中多种无线接入技术难以接入互通的问题，实现了家庭异构网络管理的简易化。参考文献：[1]etofthingsstrategicresearchroadmap[M].[S.l.]：EPoSS，2009.[2]IEEEStd802.15.4TM-2006（RevisionofIEEEStd802.15.4-2003）[S].2006-09.[3]globalarchitectureframeworkversion1.2[S].EPCglobal，USA，2007.[4]LeeSang-Do，ShinMyung-Ki，Pv6mappingmechanism[C]//ICACT2007，Korea，2007：1243-1245.[5]DeeringS，1883：InternetProtocolversion6（IPv6）specification[S].1995.