WSN轻量级IP协议栈的设计和实现

发布时间：2017-10-13 18:12

  本文关键词：WSN轻量级IP协议栈的设计和实现

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【摘要】：科学技术不断发展的今天,通信与网络给人类生活带来了方便,提高了人类的生活质量。但人们并不满足于PC之间的通信,更希望生活中的所有物品都能随时与人类相连接,以方便查看和管理。这种网络便是当前最热门的话题“物联网”。目前,物联网协议大多是私有的,不像TCP/IP协议那样所有设备都可以互联互通。但是把标准的TCP/IP协议栈移植到嵌入式设备并不可行,因此本论文根据标准TCP/IP协议裁剪修改设计了一个轻量级IP协议栈(LIP),适用于大部分嵌入式设备,使得不同的物联网设备之间也可以互联互通。本文首先研究分析当前嵌入式TCP/IP协议栈的优点和不足。然后根据TCP/IP协议簇中的IPv4和IPv6协议标准,裁剪修改设计出适用于嵌入式设备的LIP协议栈。本协议去掉TCP/IP协议中不必要的功能模块(如ARP、组播机制等),简化UDP、IP协议模块,使LIP更容易移植到小微型设备中运行,如单片机、FPGA等。本论文选择WSN作为应用环境设计实现LIP协议栈,未来可以将本设计进行简单修改后放入其它场景下的嵌入式设备中使用。本论文详细阐述了LIP协议的设计思想、协议架构、编址寻址、端口设计等,根据基本通信的需求设计相关功能模块、报文格式及交付流程。为实现LIP与Internet互联互通设计了网内协议与IPv4、IPv6协议转换过程。具体实现选取TinyOS操作系统管理协议栈的物理层硬件。采用nesC语言编写LIP协议栈的具体实现代码,其主要内容包括:上下层服务访问点设计实现;各个模块功能的具体实现(LUDP模块、LIP模块、LICMP模块、分片重组模块、网关协议转换模块)。最后选择CC2430开发板做为硬件测试平台,完成LIP协议栈的通信测试。测试内容包括两个节点之间的通信测试、分片重组测试;三个节点之间的转发测试、组网测试;网关节点协议转换测试和协议稳定性测试等。通过测试证明本次设计的LIP协议栈可适用于资源有限的嵌入式设备环境。根据LIP协议栈编译和测试结果,总结出本协议栈与以往嵌入式网络协议栈的区别,及本协议栈的优势特点。
【关键词】：物联网 嵌入式 TCP/IP LIP协议栈 TinyOS
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP212.9;TN915.04
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-14
• 第一章 绪论14-20
• 1.1 课题背景14-15
• 1.2 国内外研究现状15-17
• 1.2.1 WSN协议的研究现状15
• 1.2.2 WSN与Internet互联研究现状15-16
• 1.2.3 单片机TCP/IP协议栈研究现状16-17
• 1.3 选题依据和研究意义17-18
• 1.4 本文主要工作与研究内容18
• 1.5 本论文的结构安排18-20
• 第二章 TCP/IP协议栈与无线传感器网络20-27
• 2.1 TCP/IP协议概述20-21
• 2.2 单片机TCP/IP协议栈分析21-22
• 2.2.1 u IP协议栈21-22
• 2.2.2 Lw IP协议栈22
• 2.2.3 ZLIP协议栈22
• 2.3 WSN协议栈的研究说明22-25
• 2.3.1 Zigbee协议栈22-23
• 2.3.2 6Lo WPAN协议栈23-25
• 2.4 IEEE802.15.4 网络的研究说明25
• 2.5 本章小节25-27
• 第三章 LIP协议设计27-42
• 3.1 设计分析27-30
• 3.1.1 TCP/IP移植到嵌入式设备存在的问题27
• 3.1.2 设计思想27-28
• 3.1.3 协议目标28-30
• 3.2 LIP协议架构30-35
• 3.2.1 协议功能模块30-31
• 3.2.2 编址设计31-34
• 3.2.3 端口设计34-35
• 3.3 功能模块设计35-41
• 3.3.1 LUDP模块设计35-36
• 3.3.2 LIP模块设计36-37
• 3.3.3 分片重组模块设计37-38
• 3.3.4 LICMP模块设计38-39
• 3.3.5 网关协议转换模块设计39-41
• 3.4 本章小节41-42
• 第四章 基于Tiny OS的LIP协议栈的实现42-65
• 4.1 LIP协议栈的实现方案42-45
• 4.1.1 Tiny OS操作系统42-44
• 4.1.2 系统开发语言nes C44-45
• 4.2 LIP协议栈软件框架45-52
• 4.2.1 软件接口设计46-48
• 4.2.2 数据收发流程48-50
• 4.2.3 收发函数调用关系50-52
• 4.3 协议缓存模块的实现52-54
• 4.4 LUDP模块的实现54-56
• 4.5 LIP模块的实现56-58
• 4.6 分片重组模块的实现58-60
• 4.7 LICMP模块的实现60-62
• 4.8 协议转换模块的实现62-64
• 4.8.1 内网转外网62-63
• 4.8.2 外网转内网63-64
• 4.9 本章小节64-65
• 第五章 LIP协议栈仿真与测试65-87
• 5.1 协议仿真与分析65-71
• 5.1.1 传感器网络内部通信65-67
• 5.1.2 传感器网络与IP网络的互联通信67-71
• 5.2 CC2430片上测试71-73
• 5.2.1 测试应用程序71-72
• 5.2.2 串口通信模块实现72
• 5.2.3 通信测试场景72-73
• 5.3 两个节点通信测试73-81
• 5.3.1 未分片报文测试73-78
• 5.3.2 分片报文测试78-81
• 5.4 三个节点通信测试81-83
• 5.5 网关协议转换测试83-85
• 5.5.1 与IPv4协议转换测试83-84
• 5.5.2 与IPv6协议转换测试84-85
• 5.6 通信稳定测试85
• 5.7 LIP协议栈特点和优势85-86
• 5.7.1 LIP协议栈特点85-86
• 5.7.2 对比优势86
• 5.8 本章小节86-87
• 第六章 总结与展望87-89
• 6.1 全文总结87-88
• 6.2 后续工作展望88-89
• 致谢89-90
• 参考文献90-93
• 攻读硕士学位期间取得的成果93-94

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 龙海南;梁朝博;;基于uC/OS+LwIP的网口转串口模块的实现[J];电力自动化设备;2007年08期

2 张章;;无线传感器网络的研究现状探讨[J];电源技术应用;2014年02期

3 王R，

本文编号：1026337