（通信与信息系统专业论文）基于tinyos的无线hart网络图表路由协议的研究.pdf

中文摘要 摘要：可寻址远程传感器高速通道协议( h a r t 协议) 是一项世界范围内通用的适 用于智能仪表和控制室设备之间的通信协议。随着无线通信技术的进步，无线 h a r t 协议被开发出来，但是，由于此协议公开不久，对此协议进行研究的个人和 机构比较少，国内外并没有建立对此协议进行研究的商业应用平台，因此对无线 h a r t 协议的关键技术如路由协议进行研究具有独创性的科研意义。 本文在对无线h a r t 通信协议进行仔细研究的基础上，主要做了以下三点工 作：一是对无线h a r t 网络中存在的源路由协议和图表路由协议进行了深入研究， 仔细分析了二者的定义、特点、流程、功能和应用范围，并举实例进行了说明。 二是运用仿真软件t i n y o s 和编程语言n e s c ，对图表路由协议进行了仿真，不仅 仿真了图表路由协议上行通信和下行通信两个过程，而且实现了更为复杂的多节 点通信。三是在成功仿真图表路由协议的基础上，本文对a o d v 协议也进行了仿 真，然后从吞吐量、包投递率、延迟三个方面对图表路由协议和a o d v 协议的性 能进行了比较评估。评估结果表明：在无线h a r t 网络中，图表路由协议与a o d v 协议相比，在吞吐量、包投递率、延迟三个方面均有一定的优越性，其中以延迟 最为明显。 本文第一部分引言介绍了无线h a r t 网络的产生背景、定义、特点以及发展 情况。第二部分介绍了无线h a r t 网络的关键技术、体系结构和应用。第三部分 分析了无线h a r t 网络中存在的两种路由协议：源路由和图表路由协议，为了便 于与本文研究的图表路由协议进行比较评估，本部分也介绍了适用于无线传感器 网络的反应式路由协议a o d v 。第四部分介绍了t i n y o s 的发展、使用方法以及利 用其对图表路由协议进行仿真的过程。第五部分介绍了利用仿真软件t i n y o s 对 a o d v 协议与图表路由协议进行性能比较的情况，包括吞吐量、包投递率、延迟 三个方面。第六部分对全文进行了总结和展望。 关键词：无线h a r t 网络；图表路由；a o d v ；t i n y o s 分类号：t n 9 2 9 5 2 j e 塞童道太堂亟堂僮诠塞 旦墨! b ! a b s t r a c t a b s t r a c t ：h a r t ( h i g h w a ya d d r e s s a b l e r e m o t ct r a n s d u c e r ) p r o t o c o li sa w o r l d w i d es t a n d a r da n di t sp r o d u c t sa r ew i d e l yu s e do ns m a r tf i e l dd e v i c e s w i t h w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y sp r o g r e s s ，w i r e l e s s h a r tt e c h n o l o g yi sd e s i g n e d b u tw i r e l e s s h a r tp r o t o c o li sj u s tr e l e a s e ds ol i t t l ei n d i v i d u a l sa n do r g a n i z a t i o n sa r e d o i n gt h er e s e a r c hi nt h i sa r e a ，t h ec o m m e r c i a lp l a t f o r mf o rr e s e a r c h i n g t h ep r o t o c o lh a s n o tb e e nb u i l tt o o ，s or e s e a r c h i n gw i r e l s s h a r tn e t w o r k s k e yt e c h n i q u e sh a sa n i n g e n i o u s s c i e n t i f i cm e a n i n g b a s e do nt h ec a r e f u lr e s e a r c ho fw i r e l e s s h a r tc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，w e m a i n l yw o r ko nt h r e ea s p e c t s ：f i r s t ，w eg od e e pi n t ot h es t u d yo f s o u r c er o u t i n ga n d g r a p hr o u t i n g w ed on o to n l ya n a t o m i z et h e i rd e f i n i t i o n ，f e a t u r e ，f l o wc h a r t ，f u n c t i o n a n da p p l i c a t i o nb u ta l s ou s i n ge x a m p l e st oi l l u s t r a t e s e c o n di sw es i m u l a t eg r a p h r o u t i n gb yu s i n gt h es i m u l a t i o ns o f t w a r et i n y o sa n dc o d i n gl a n g u a g en e s c t h e s i m u l a t i o nw o r ki n c l u d i n gt h eu p s t r e a ma n dd o w n s t r e a mc o m m u n i c a t i o n ，t h ec o m p l e x m u l t i n o d e sc o m m u n i c a t i o ni sa l s oc o m p l e t e d f i n a l l y , b a s e do n t h es u c c e s s f u l s i m u l a t i o nw o r ko fg r a p hr o u t i n g ，w ea l s os i m u l a t ea o d vr o u t i n gp r o t o c 0 1 t h e nw e e v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo ft h et w or o u t i n gp r o t o c o l sf r o mt h r e ea s p e c t s ：t h r o u g h p u t ， p a c k e td e l i v e r yr a t ea n dl a t e n c y t h ee v a l u a t i o nr e s u l ts h o w st h a tg r a p hr o u t i n gh a s s o m ea d v a n t a g e st h a na o d vi nw i r e l e s s h a r tn e t w o r k sa n d1 a t e n c yi sm o s to b v i o u s t h ef i r s tc h a p t e ri n t r o d u c e st h eo v e r v i e wo fw i r e l e s s h a r tn e t w o r k s i nc h a p t e r t w o ，t h ek e yt e c h n i q u eo fw i r e l e s s h a r ti sa n a l y s e d ，t h ea r c h i t e c t u r ea n da p p l i c a t i o ni s a l s op r e s e n t e d c h a p t e rt h r e er e s e a r c h e so ns o u r c er o u t i n ga n dg r a p hr o u t i n gp r o t o c o l ， i no r d e rt om a k et h ee v a l u a t i o nw i t hg r a p hr o u t i n gc o n v e n i e n t l y , t h er e a c t i v er o u t i n g p r o t o c o la o d v i sa l s oi n t r o d u c e dh e r e i nc h a p t e rf o u rw ew o r k e do nt h et i n y o s s o f t w a r e t h ed e v e l o p i n ga n du s i n go ft i n y o si nw i r e l e s s h a r tn e t w o r k si s i n t r o d u c e dp a r t i c u l a r l y t h ep r o c e s so fs i m u l a t i n gg r a p hr o u t i n gi nt i n y o si sp r e s e n t e d i nt h i sp a r t i nc h a p t e rf i v et h es i m u l a t i o nr e s u l ti ss h o w n t h ee v a l u a t i o nr e s u l ts u c ha s t h r o u g h p u t ，p a c k e td e l i v e r yr a t ea n dl a t e n c yi sa l s op r e s e n t e dv i v i d l y i nt h el a s tc h a p t e r , t h ep a p e rg i v e saw h o l es u m m a r ya n df u t u r ev i e w k e y w o r d s ：w i r e l e s s h a r tn e t w o r k s ；g r a p hr o u t i n g ；a o d v ；t i n y o s c l a s s n o ：t n 9 2 9 5 2 致谢 本论文的工作是在我的导师孙强教授的悉- 1 5 、 指导下完成的，孙强教授科学的 工作方法和严谨的治学态度给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来孙老 师对我的关心和指导。 孙强教授不仅悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上也 都给予了我很大的关心和帮助，在此向孙老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，张健跃、张聪、王晓斌、王婷、李尚攀以及 楚翠英同学在协议理解和仿真编程方面给了我很多有益的意见，对我论文中的研 究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 我的父母在我求学期间给予了我极大的理解与支持，使我能够专心的完成学 业，在此向他们表示深深的感谢。 序 采用h a r t 通信协议的智能仪表设备在全球范围内普遍应用，随着无线通信 技术的发展，能兼容h a r t 协议的无线h a r t 网络技术被开发出来，无线h a r t 技术拥有更加广阔的市场前景。但是，由于无线h a r t 协议解析不久，对此协议 的研究处于起步阶段，尚未有研究结构开发出对此协议进行研究的商业应用平台， 因此对无线h a r t 网络的关键技术进行研究是非常必要的。 本文研究了无线h a r t 通信协议，主要目的是对无线h a r t 网络的图表路由 协议进行分析研究，在理论方面将图表路由协议的定义、特点、功能与流程分析 清楚，并举出应用图表路由协议进行路由的实例；在仿真方面，运用仿真软件 t i n y o s 实现图表路由协议的过程，对无线网络最重要的几个性能指标如吞吐量、 包投递率、延迟进行评估，并选择反应式路由协议a o d v 进行比较，验证图表路 由协议在无线h a r t 网络中是否具有优越性。 1 1 概述 第1 章绪论 1 1 1 无线h a r t 网络的产生背景 h i g h w a y a d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ( h a r t ) 协议，可寻址远程传感器高速 通道的开放通信协议，是美国r o s e m o u n t 公司于1 9 8 5 年推出的一种用于现场 智能仪表和控制室设备之间的通信协议。通信时相对低的带宽，适度的响应时间 是h a r t 装置的特点，经过二十多年的发展，h a r t 技术在国外已经十分成熟， 并己成为全球智能仪表的工业标准。如今，每年全球安装的现场智能设备中，有 超过三千万的设备使用了h a r t 通信协议【l 】。 虽然有超过千万的h a r t 设备安装在世界各地，智能仪表能够提供的有效信 息在大多数情况下并不能得到充分的利用。据估计，超过8 5 的h a r t 设备被配 置为仅仅利用4 2 0 m a 的模拟信号来传输过程数据，而智能设备特有的故障诊断信 息没有得到使用。而无线通讯技术可以使用户有效的获取和使用被忽视的大量关 于设备状态的有用信息。同时，无线通讯技术使得新设备和控制方案的部署更加 节省，简单和可靠【2 】。在这种情况下，就需要无线技术来丰富h a r t 技术的应用， 无线h a r t 技术就是在这样的背景下被研究和开发，并且逐步投入使用。 无线h a r t 协议是在经过验证的h a r t 通信协议的基础上发展而来，无线 h a r t 技术可以与现有的h a r t 设备向后兼容，能为现存或新部署的过程监控带 来额外的增益，它是对h a r t 协议的一个强化和补充。无线h a r t 协议被称为首 个简单可靠并且安全的应用于过程检测和控制的无线标准【3 1 。 1 1 2 无线h a r t 网络的定义及组成 无线h a r t 网络是一种基于传感器的网状通信网络，是一种能简化网络和设 备的安装并且允许终端用户裁减拓扑和设备从而满足特定应用需求的网络。它采 用无线h a r t 工业标准和i e e e8 0 2 15 4 2 0 0 6 2 5 0 k b p s 无线通信标准，工作在 2 4 g h z ，设备间的传输距离最大为2 5 0 m ，可以选择电池供电或者电线供叫4 1 。如 图1 1 所示，基本的无线h a r t 网络由网络管理员、网关和现场设备组成。 i 图1 1 无线h a r t 网络 f i g u r el 一1 h e l e s s h a r tn e t w o r k s 网络管理员是管理无线h a r t 网络及其设备的一个应用，它组成了无线h a r t 网络，连接、配置新的设备并且监测整个网络的状况。网络管理员含有所有网络 设备的列表，保证每一个设备都能分配到一个唯一的1 6 比特的“昵称地址”。网 络管理员主要负责网络的配置、调度无线h a r t 网络、管理路由表以及监测和报 告整个网络运行的健康状况。网络管理员的部分职责还包括搜集网络的表现和诊 断信息。这些信息来自设备的运行期间，因此通过这样的办法可以观测和分析整 个网络的性能。如果检测到出了问题，网络在运行的同时将会重新配置【2 】。 在无线h a r t 网络中，可以有多余的网络管理员，但是只能有一个处于激活 状态，而且这个网络管理员必须有一个固定的地址。网络管理员是一个应用程序 而不是设备，因此网络管理员必须有到网关的安全通信信道。 现场设备是整个无线h a r t 网络设备中最常见的，负责无线通信与传统的 h a r t 设备的融合。现场设备可以是线状或者回路状，可以由电池供电或者其他形 式供电。它们可以选择支持传统的电流环路信号或者不支持。所有的现场设备都 能发送和接收数据包并且代表网络中的其他设备进行路由转发【2 1 。 网关可以使无线h a r t 网络中的主机应用程序与现场设备进行正常的通信。 每一个无线h a r t 网络都包含一个网关，这个网关可能含有一个或多个接入点。 网关连接了无线h a r t 网络和自动化装置网络，使这两个网络之间能进行正常的 2 数据流动。网关收集的网络设备的数据可以通过一定的协议与接口跟自动化装置 网络进行通信。这一通信过程包括周期性的常规进程的数据通信和不定时发生的 由于状态的改变而产生的数据通信。换言之，网关提供了主应用程序与网络设备 的入口。网关可以用来变换通信协议或者变换命令和数据的格式【2 】。 一个无线h a r t 网络只能有一个网关，在很多情况下网关被虚拟化，能支持 很多接入点。这些接入点都有自己的物理地址，能改变网络的吞吐量和可靠性。 网关使网络可以支持多数据包的收发并且能对由单接入点引起的故障具有抵御能 力。为了简化冗余的接入点，每一个网关都有一个固定的地址。因此，网关存在 于图表路由的根部使得数据包能被路由到最方便接收的接入点。网关是无线h a r t 网络的时钟源，接入点可以把时钟传送给网络。如果有多个接入点传送时钟，网 关需要保证这些时钟的同步。在任何情况下，必须至少有一个接入点为网络提供 时钟。 1 1 3 无线h a r t 网络的特点 ( 1 ) 简单 。 无线h a r t 网络能兼容现有的h a r t 设备，是一个具有鲁棒性而且容易使用 的网络技术。它易于安装和调试，便于与有线的h a r t 设备兼容，可以提供多种 供电方式，支持网状和星形的拓扑结构，能够快速添加新的设备并且易于跟其他 无线网络共存【4 】。 无线h a r t 网络是一个自适应网络，它具有自组织的特性和网络自愈能力。 当有新仪表添加进来或者工厂的结构发生变化时，可以自动进行网络的调节。 ( 2 ) 可靠 在工业现场中，一般基础设施的分布都比较密集，现场会经常发生变化，而 且多种设备存在时产生的电磁干扰会比较严重，这些都对网络的可靠性形成了挑 战。无线h a r t 网络采用了多种技术来保证通信的可靠性。一是采用能避免干扰 的跳频技术，二是采用了自愈网络，能监控网络的路径信息并且进行维护，当网 络发生堵塞时会自动进行替代路径的寻找。三是通过优化带宽、同步实时数据和 防止重复尝试的黑名单技术来保证与其他网络的共存 5 1 。 ( 3 ) 安全 无线h a r t 网络利用鲁棒性的网络安全技术来保证网络和数据的安全。为了 保护有用的信息，它采用了永远在线的多层次安全措施并且对每条信息提供单独 的加密码。为了保护无线网络，它不仅使用了调频技术，而且使传输功率保持在 3 一个可调的范围，保证网络能提供接入失败信息、数据整合失败报告以及授权失 败报告。 1 2 本文的研究意义 h a r t 协议是应用于智能仪表及控制的通信协议，采用h a r t 协议的设备和 终端在世界范围内有着广泛的应用，为工业生产和人民生活带来了极大的便利。 虽然有超过三千万的h a r t 设备在世界各地使用，智能仪表能够提供的有效信息 在大多数情况下并不能得到最充分的应用。随着科技的进步和发展，无线技术逐 步成为科技热点，无线技术可以使用户获取和使用被忽视的关于设备状态的有用 信息，无线h a r t 正是在此需求上发展而来。 无线h a r t 技术以h a r t 协议为基础，使得新设备的安装和控制更加简单， 节省和可靠，无线h a r t 技术具有更加广阔的发展空间和巨大的经济价值。由于 无线h a r t 协议公开的时间不长，对此协议进行研究的机构并不多，因此无线 h a r t 协议的研究工作尚处于起步阶段，对此课题进行研究具有开拓性意义。无线 h a r t 网络中的一个核心问题就是网络的路由选择问题，在网络层协议中，源路由 和图表路由被提及，源路由只用于路由错误检测，图表路由是常规路由协议，负 责网关与现场设备之间正常的上行通信和下行通信。但是，网络层协议只是提及 了图表路由的定义和特点，并未对图表路由协议进行仿真以及评估，并未对图表 路由的优点进行性能分析。基于此，本论文首先在理论方面对图表路由协议进行 了仔细研究，阐述了图表路由协议的定义、特点、流程、功能和应用范围，使以 后的研究者对图表路由协议会有更加清晰和直观的认识。然后运用仿真软件 t i n y o s 和编程语言n e s c 对图表路由协议在无线h a r t 网络中的功能进行了仿真， 仿真包括网关与任意节点之间的上行通信、下行通信以及多节点之间的通信，实 现了图表路由协议的路由功能。最后与a o d v 路由协议在吞吐量、延迟、包投递 率三个方面进行了评估比较，验证了图表路由协议在无线h a r t 网络中的优越性。 1 3 本文的主要工作 本课题主要研究无线h a r t 网络中的图表路由协议，在理论方面，本文首先 对无线h a r t 网络和图表路由协议进行了详细研究，包括无线h a r t 网络的体系 结构、关键技术和应用以及图表路由的特点、功能和详细流程图等。在此基础上， 本文运用仿真软件t i n y 0 s 和编程语言n e s c 设计并实现了图表路由协议在无线 h a r t 网络中的路由功能，不仅包括网关与任意节点间的上行通信和下行通信过程， 4 而且实现了更为复杂的多节点通信。最后本文对a o d v 协议也进行了研究与仿真， 从吞吐量、延迟、包投递率三个方面对图表路由协议和a o d v 协议进行了评估比 较，检验了图表路由协议的性能，验证了图表路由协议比a o d v 协议更加适用于 无线h a r t 网络。论文的结构安排如下： 第二章介绍无线h a r t 网络的关键技术、体系结构和应用。 第三章分析无线h a r t 网络中存在的两种路由协议：源路由和图表路由协议， 为了便于评估，反应式路由协议a o d v 也在此章进行介绍。 第四章介绍t i n y o s 的发展、使用以及如何利用其对图表路由协议进行仿真， 包括仿真的过程、方法等。 第五章详细展示仿真结果，从吞吐量、延迟、包投递率三个方面对图表路由 协议和a o d v 协议进行评估和比较，并对结果做出简要分析。 第六章对论文的工作进行了总结和展望。 5 第2 章无线h a r t 网络的关键技术 2 1 无线h a r t 网络的体系结构 根据无线h a r t 网络的特征，参照o s i 的经典7 层协议模型和t c p i p 的体系 结构，无线h a r t 网络可以划分为5 层，如图2 1 。各层的功能和研究情况介绍如 下。 。 应用层蕊向命令，预定义数据类型和应用程序 。 佟输层大数据集自动分段传输，可靠流传输 网络层 功率最优化冗余路径，白愈网状网络 。 数据链路层 安全呵靠。时闯同步l 。d m a c s m a 频率跣变 无线信道2 a g h z 8 0 2 1 5 4 标准，发送功率l o 物理屡 d b m 图2 1无线h a r t 网络的五层模型 f i g u r e2 - 15 - l a y e rm o d e lo fw i r e l e s s h a r tn e t w o r k s 2 1 1 物理层 o s l 7 层模型中最底层就是物理层。物理层主要负责发送和接收数据，它并不 规定网络媒体中发送和接收的是什么样的数据以及如何保证数据的安全。无线 h a r t 网络的物理层也负责保证网络的有效连接。它与网络结构的任意部分相连接 但不处理具体的信息。 无线h a r t 物理层建立在i e e e8 0 2 1 5 4 标准。收发器采用直接序列扩频技术， 工作在2 4 0 0 2 4 8 3 5 m h z 频段，支持的信道为1 1 2 6 。它采用了偏移四相相移键控 信号( o 。q p s k ) 调制技术，比特率为2 5 0 k b s t 4 。 6 2 1 2 数据链路层 数据链路层是o s i 模型中的第二层，主要负责发送用帧作为单位的数据，每 一帧都包含相应的数据信息和控制信息。在无线h a r t 网络中，网络设备之间通 信的安全性、可靠性、无误性是由数据链路层来保证的。 无线h a r t 网络使用时分复用技术( t d m a ) 和频道跳变技术来控制网络间 的通路。t d m a 是一种广泛应用的媒体接入控制技术( m a c ) ，可以提供无冲突 决定性的通信。t d m a 使用时隙来通信，一系列的时隙组成了t d m a 超帧，所有 的设备必须支持多重超帧。为了保证可靠性，无线h a r t 使用频道跳变技术与 t d m a 技术结合。频道跳变提供了频率的多样性，这样可以避免干扰和降低多径 衰落效应。 l i e l 规定数据链燃燃岔型、优先级别， 姒c l 保障设蔷通信的有效顺序 图2 2 数据链路层的两层结构 f i g u r e2 - 2t w ol a y e r ss t r u c t u r eo f d a t a l i n kl a y e r 数据链路层可以分为两个子层，如图2 2 ，从下往上为媒体接入控制层( m a c ) 和逻辑链路层( l l c ) 。一个设备何时可以发送数据包是由m a c 层规定，m a c 层用 来保证网络设备间通信的有效顺序。逻辑链路层是数据链路层的较高子层，它负 责处理错误控制、流量控制、网络设备地址的结构，同时规定了数据链路层包的 格式、类型以及优先级别【5 】o 2 1 3网络层 网络层提供路由，端到端安全以及传输服务。它为通信装置提供端到端的通 信。如下图2 3 所示，无线h a r t 网络层的协议数据单元由三个明显的功能组成。 首先网络层包含那些需要把网络层数据单元路由至目的节点的功能，在此之上是 保证安全无干扰通信的安全层，最后网络层协议数据的有效负荷被加密，包含有 网络交换时的信息。 n e t w o r kl a y er 图2 3 无线h a r t 网络层协议数据单元结构 f i g u r e2 - 3 n p d us t r u c t u r eo f 、m r e l e s s h a r t 由图2 3 可知，完整的网络层协议数据单元是由网络层字段加上带有加密有效 载荷的安全层组成，网络层片段是由以下字段组成：1 字节的控制字段，l 字节的 生存时间( t t l ) 跳数，绝对时隙号( a s n ) 最不重要的2 字节，2 字节的图表i d ， 目的地址和源地址以及可选路由字段【2 1 。 ( 1 ) 控制字段 网络层协议数据单元的第一字节就是控制字节。如图2 4 所示，前两比特指示 源地址和目的地址是长的8 字节地址或是短的2 字节的“绰号”。接下来的三个比 特被保留，最后的三个比特指示，当设置时，可选路由字段是存在的，否则不存 在。当设置时，代理路由是2 字节，每一源路由长是8 字节。因此，最后的三个 比特可以决定头部长度是否扩展0 ，2 ，1 0 或者1 8 字节。当网络层收到的数据包 经过检测后发现其目的地址与装置相匹配，网络层协议数据单元将被验证然后解 密。 8 d e d i n a t 1 = e s o u r 1 = el j i 6 4a d dr e o s er o u t e r o t r t e 图2 4 网络控制字节 f i g u r e2 - 4 n e t w o r kc o n t r o lb y t e ( 2 ) 生存时间 如果接收到的数据包的目的地址与设备地址不匹配，生存时间跳数将被评估 从而决定网络层是转发还是丢弃这个数据包。生存时间跳数控制着包的生存时间， 数据包每一次被转发时，它的数值将相应减小。当生存时间为0 时数据包不可以 被发送至其他设备。如果网络层接收到的数据包的生存时间设置为0 x f f ，则说明 此生存时间不减小，这个包可以一直被发送。 ( 3 ) 绝对时隙号片段 绝对时隙号片段是绝对时隙号最不重要的1 6 位。这一片段提供不精确的但十 分关键的网络的实时性能标准和诊断信息，当全部的绝对时隙号重新建立时，它 可以提供包的年龄信息。 ( 4 )图表i d 图表i d 用来把数据包路由到目的节点。图表i d 可以识别一系列的节点列表， 这些节点可以用来发送数据包至其目的节点。 ( 5 ) 源地址目的节点地址 源地址或者目的地址为2 字节或者8 字节，在数据单元的传输过程中，源地址 或者目的地址不可以修改。 ( 6 ) 特殊路由 当最后的三个比特被任意设置时，特殊路由可以变为代理路由或者源路由。代 理路由是还没有被网络管理员完全接纳入网络的设备之间的通信方式。这包括正 在隔离的设备以及正在加入的设备。如果源路由的字段被填满，它包含的地址是 用来将数据包发送至目的节点。源路由只用来检测或诊断网络路径的故障问题。 9 e 一 一 m 吼 删 沁 鲥m ”d 佃 坩 刮匕= ，l ( 7 ) 安全子层 网络层协议数据单元的安全子层的作用有：保证安全私密的无干扰的通信过程， 提供将来无线h a r t 安全性可能增强的功能。为了达到这一目的，安全子层含有 安全控制字节。同时，四字节的报文完整性代码用来对网络层数据单元进行认证 和对网络层有效载荷进行解密。所有不可解密的数据包将被丢弃。有效载荷的加 密是为了保证通信的私密性和安全性。 2 1 4 传输层 数据链路层可以保证数据包成功的从一个设备发送到另一个设备。传输层可以 用来保证端到端的通信是成功的。换言之，传输层可以保证数据包经过多跳后能 成功到达目的节点。传输层支持己经确认的和没有确认的服务。 未确认的服务允许设备在没有取得所要求的端到端的确认的情况下发送数据 包。相反，确认的服务用来建立网络设备之间同步的传输管道，这些传输管道允 许设备发送数据包和确认它们的交付。传输层可以命令数据包在设备之间传送， 还可以追踪它们的传输过程。这一方法最适用于请求响应的传输模式，此时网络 必须是同步的。使用确认的服务允许客户端在网络延迟严重时进行自动重传。 2 1 5 应用层 无线h a r t 应用层指定的不是单一类型的业务，在实际的应用过程中，可以与 各种形式的应用层协议和标准进行接轨。应用层的特点为面向命令，预定义数据 类型和应用程序。由于无线h a r t 通信协议主要应用于智能仪表领域，因此无线 h a r t 网络需要根据其自身特点，结合实际工业应用情况来综合性考虑问题。 2 2无线h a i 汀网络的关键技术 2 2 1t d m a 无线h a r t 使用t d m a ( 时分复用多径访问) 和频道跳变来控制网络通路。 t d m a 是一种广泛使用的媒体存取控制技术，它可以避免冲突，进行确定性的通 信。t m d a 使用时隙来保证通信的进行。一系列的时隙组成了超帧。所有的网络 1 0 设备必须支持从0 开始的多个超帧。至少一个超帧是始终有效的，其他的额外超 帧可以有效或者无效。时隙的大小和超帧的长度是确定的，超帧被不断的重复。 超帧在激活状态的长度是固定的，但是在非激活状态可以改变【6 】。 为了保证有效的t d m a 通信，网络设备之间的时钟同步是非常关键的。因此， 时钟同步机制十分必要，它可以让网络设备知道时隙的发生时间。为了加强可靠 性，t d m a 与频率跳变相结合。频率跳变可以保证频率的多样性，这样可以避免 干扰以及降低多径衰退效应。通信设备之间时隙和频率的同步可以保证它们在确 定的时间和频道集合，因此t d m a 可以保证有效的、低功率的、可靠的频率跳变 通信。 2 2 2网状网络 无线h a r t 是网状通信协议，可以简化无线网络设备的安装过程，允许终端 用户根据应用层的需要适当的裁减安装过程【7 1 。无线h a r t 兼容设备可以以星形 拓扑的形式来部署，从而支持高标准的应用，也可以用多跳连接的网状拓扑来支 持低需求的应用，l i - & 口监控。实际上，无线h a r t 技术是非常灵活的，因此各种 各样的应用都可以在同一个网络中进行操作。 网络中所有的网络设备都可以接收和发送数据包，也可以代表网络中的其他 设备进行路由。每一个设备都有一个连接列表，设备按时隙顺序在连接列表中循 环。当收到数据包后它被发送至网络层，如果这个设备是数据包的最终地址，它 将被消耗掉，否则网络层将为下一跳更新路由信剧引。 2 - 2 3 网络维护 时间和频道是无线h a r t 网络的前二维，第三维是空间。无线h a r t 设备在 工厂的各种位置被安装，因此在通信距离内一个设备可以有一系列的邻居设备。 由于射频环境经常改变，网络设备必须维护它的邻居列表。维护的行为包括发现 潜在的邻居，取得到每一个邻居的通信信道的统计信息，维护与邻居间的时间同 步。两个特别的数据链路层单元，广播单元和维生单元在建立和维护邻居列表方 面有着很大的帮助。网络管理员可以安排广播单元的传输，这些广播单元包含足 够的可以使新邻居被发现以及允许新安装的设备请求进入网络的信息。如果被接 受，新设备可以成为广播设备的邻居。维生单元用来检测静止的连接和支持时间 同步。 2 3 无线h a r t 网络的应用 无线h a r t 技术为各种不同的应用提供了机会，如工厂范围内的财产或者人 员的追踪，安全，工人的生产力。然而，并不是每一种技术都适用于任何的应用。 无线h a r t 网络技术主要聚焦于核心自动化制造功能，在这一领域并没有其他的 合适的无线标准存在。 正如h a r t 技术一样，无线h a r t 技术支持全范围内的工程监视和控制的应 用，如设备和程序控制，环境监测，能源消耗监控，资产管理，预见性维护，提 前诊断和适当的闭环控制。 无线h a r t 技术将作为有线仪表装置的补充而不是完全替代，工厂一般进行 并排式的操作。无线h a r t 技术对有线指令结构和设备描述语言的向后兼容性， 使得使用同样的工具去支持有线和无线设备的过程并不复杂。 2 4 小结 本节主要分析了无线h a r t 网络的体系结构、研究中的关键技术、以及其应 用的范围，便于进一步对无线h a r t 网络进行更深刻的分析和研究。无线h a r t 网络技术是一项涵盖范围非常广的技术，对它的研究不是短期内就能结束的，由 于时间限制本文主要研究的是其中的路由协议问题。 1 2 第3 章无线h a r t 网络的路由协议 路由是无线h a r t 网络研究的重要问题。在无线h a r t 网络中节点通过多跳 转发数据进行通信，网状网络需要有一个安全可靠的且性能优良的路由协议。在 无线h a r t 网络层协议中，源路由和图表路由被提及为两种路由协议，其中源路 由的不冗余性使之仅仅用于错误链路的检测，图表路由的冗余性和可靠性使之成 为无线h a r t 网络的常规路由协议。 在a d h o c 网络中，按照路由发现过程中的驱动模式的不同来划分，可分为表 驱动路由协议和按需路由协议，a o d v 是其中最为典型的、应用最为广泛的按需 路由协议。按照此模式划分，图表路由可以被定义为表驱动路由协议，在无线h a r t 网络中对图表路由和a o d v 进行比较评估会是验证图表路由算法性能的重要手段， 因此本文在3 1 、3 2 、3 3 小节分别详细介绍了源路由协议、图表路由协议和a o d v 路由协议，这对于研究图表路由协议具有一定的指导意义。 3 1 源路由协议 源路由是源节点和目的节点之间单一方向的路由，是由数据包本身静态规定 的。当前的网络状态可以破坏数据包指定的路由从而导致包丢失。数据包含有整 个路由的信息因此使用源路由时中间节点不需要提前知道路由信剧9 1 。数据包的在 路由过程中，每一个中间节点只需要按照数据包里面的路由列表将数据包转发给 下一个节点即可。源路由是不冗余的，在任何时刻都可能失败，因此源路由协议 仅仅用于测试路由，检修网络路径的故障。 由于只有网络管理员知道整个网络的拓扑和路由信息，所以网络设备只有在 配置了源路由列表后才能使用源路由协议【l0 1 。源路由规定的是单一路径所以只要 有一个中间节点发送错误，数据包将被丢失，因此源路由是十分不可靠的。当错 误发生时，发送错误的节点设备必须通知网络管理员，网络管理员负责进行纠正 措施。源路由的流程图如图3 1 所示。 图3 1 源路由流程图 f i g u r e3 一l f l o wc h a r to fs o u r c er o u t i n g 图3 。2 为一个简单的源路由的例子。在图3 - 2 中，假设节点2 0 想发送数据包 到节点2 4 。节点2 0 中的路由表显示到达节点2 4 的路径为 ，在这种 情况下，节点2 0 将产生一个数据包，这个数据包的头部包含有 列表， 然后将此数据包发送给节点2 1 。节点2 1 收到此数据包后，查找数据包的头部然后 将数据包发送给节点2 3 ，节点2 3 重复此过程将数据包发送给节点2 5 ，最后节点 2 5 将此数据包发送给节点2 4 ( 目的节点) 。另一种办法是，节点2 0 到节点2 4 的 1 4 路由为 ，在此种情况下，节点2 0 将产生一个数据包，数据包的头部包含 列表 ，节点2 0 发送此包到节点2 2 ，然后到达节点2 5 ，最后到达节点2 4 ( 目的节点) 。 3 2 图表路由协议 图3 2 源路由 f i g u r e3 - 2 s o u r c er o u t i n g 网络拓扑可以用网络中的所有设备和设备之间的有向链接组成。图表路由是 所有为源节点和目的节点提供冗余通信路由的有向链接和设备的子集。当从源节 点到目的节点发送数据包时，图表路由是建立在实际的网络条件下。 使用图表路由进行数据包的传输时，数据包中只包含图表路由的i d ，因此所 有的设备应该首先由网络管理员进行配置。网络管理员会给每一个中间的网络设 备分配整个图表路由信息的片段，这个片段与它要进行的图表路由相关。这些中 间设备都必须含有进行图表路由所需要的链接列表，通过这个列表它们可以转发 数据包。图表路由是十分可靠的，冗余的，因此应用于正常的常规的通信过程， 包括上行通信和下行通信。 基本的图表路由协议流程如图3 3 所示。 1 5 图3 3图表路由流程图 f i g u r e3 - 3 f l o wc h a r to fg r a p hr o u t i n g 一个网络也许会含有很多图表，其中一些是重叠的。每一个网络设备也许都 有很多图表从它经过，甚至其中一些是到达同样的邻居节点。图表路由是单方向 的。网络中的每一个图表都对应一个唯一的图表i d ，当使用图表路由时，这个图 1 6 表i d 将被放在数据包的头部，中间设备收到这个数据包后会按照此图表i d 对应 的路径将数据包发送给目的节点。网络中的每一个图表d 都有很多相联系的邻居。 在一个合理配置的无线h a r t 网络中，使用图表路由的所有设备都含有至少两个 可以发送数据包的邻居设备，这样可以增强冗余性和可靠性。任何设备在查找数 据包的图表i d 后将此数据包转发给图表路由列表中的每一个邻居设备，图表路由 的简化模型如图3 4 所示。 g 阳 g r a p h2 - - 图3 4 图表路由 f i g u r e3 - 4g r a p hr o u t i n g 在图3 - 4 中，节点2 0 用图表l 与节点2 5 进行通信。如果沿着图表1 进行路由， 节点2 0 可以把数据包发送给节点2 l 或者2 2 ，然后2 l 或者2 2 将数据包继续发送 给自己的邻居，以此继续，无论哪种办法都可以到达目的节点2 5 。同样，节点2 0 欲发送数据包给节点2 4 ，它可以用图表2 ，将数据包发送给节点2 1 或2 2 ，然后 2 1 ，2 2 又发送此数据包到达节点2 4 。 1 7 3 3a o d v 路由协议 根据不同的路由发现驱动模式，无线传感器网络的路由协议可以分为表驱动 路由协议和按需路由协议，典型的表驱动路由协议有d s d v 、w r p ，典型的按需 路由协议有d s r 、l m r 、a b r 、a o d v 等，其中a o d v 是应用最为广泛的按需 路由协议【l 。 a o d v 是以目的地序列距离矢量路由协议d s d v 为基础，结合了动态源路由 协议d s r 的按需机制发展而来【1 2 】。a o d v 使用包括广播寻找和单播回复的路由发 现机制。对于路由来说，必须尽量避免环路的发生，a o d v 借助每一个节点的序 列号来保障此机制。每一个a o d v 节点都有相应的路由列表，存储了从下一跳到 目的节点的信息，路由列表都有一定的生存时间，若在生存时间到期时路由未被 利用，则此路由将被设为无效路由，若在生存时间内该路由被使用，生存时间将 自动更新从而保证该路由的有效性【l 引。 当a o d v 欲建立路由，源节点首先广播一个r r e q ( r o u t er e q u e s t ) 数据包， 该包中含有目的节点地址、目的节点序列号、源节点地址、源节点序列号、广播 序列号、上一跳和跳数。当中间节点接收到r r e q 数据包，它将首先建立到上一 跳节点的反向路径，然后查找自己的路由表，看是否有到目的节点的有效路由。 如果中间节点有到目的节点的有效路由，它将沿着反向路径发送r r e p ( r o u t e r e p l y ) 数据包给源节点，r r e p 数据包含有源节点地址、目的节点地址、目的节点 序列号、生存时间和跳数。如果中间节点没有到目的节点的有效路由，它将继续 向自己的邻居节点广播r r e q 包，此过程一直持续直到r r e q 包到达目的节点。 此时目的节点将沿着建立好的反向路径发送r r e p 包。如果一个r r e q 有不同的 r r e p ，源节点将选择具有最大序列号的路由，或者当目的节点的序列号相同时， 将选择最小跳数的路由【1 4 】。