CN1777123A

CN1777123A - 一种基于SNMP的IPv6传感器网络节点管理方法

Info

Publication number: CN1777123A
Application number: CN 200510134578
Authority: CN
Inventors: 张宏科; 郜帅; 刘小刚; 秦雅娟; 周华春; 张思东; 牛延超; 张莹; 王利国; 黄琼
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: China High Speed Railway Technology Co ltd
Priority date: 2005-12-19
Filing date: 2005-12-19
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2025-12-19
Also published as: CN100366000C

Abstract

一种基于SNMP的IPv6传感器网络节点管理方法，定义了IEEE 802.15.4标准物理层和链路层的管理信息库。采用SNMP PDU从后往前的顺序进行编码，先后顺序为：变量绑定列表字段、错误指针字段、出错状态字段、请求标识符字段、协议数据单元类型字段、共同体字段、版本字段。由于节点存储管理对象将占用大量的数据区，为了节省有限的数据区，将对象标识符静态存储在程序区，通过精确匹配查找的方法访问对象实例。解决了基于IEEE802.15.4的节点的管理，用户不用为每个节点都配置终端界面，只需要在某个安装了管理程序的汇聚节点或者远程节点安装终端界面，就可以启动SNMP管理程序，实施对代理节点的管理。

Description

一种基于SNMP的IPv6传感器网络节点管理方法

所属技术领域

本发明涉及一种基于SNMP的IPv6传感器网络节点管理方法，解决IPv6传感器网络的管理与配置问题，属于计算机网络技术领域。

背景技术

无线传感器网络由大量低功耗、低速率、低成本、低复杂度的微型节点组成、采用无线通信方式、动态组网的多跳移动性对等网络，具有自我组织与自愈能力。利用传感器网络可以实现数据的采集融合、传输应用和远程控制访问。它可以广泛部署在军事、环境监测和预报、医疗护理、职能家居、建筑物状态监控、工业控制等领域，可以利用各式的传感器去感测温度、噪音、脉搏、压强等状态参数，提供用户所需信息，从而提高人们的生活质量和工作效率。

针对这种低速率、低成本无线网络的需求，2000年12月IEEE成立IEEE802.15.4工作组，致力于定义一种廉价、便携、移动、低成本、低复杂度、低能耗和低速率的无线连接技术。2003年5月，IEEE802.15.4标准出台。IEEE802.15.4主要制定了物理层和MAC协议，突出优点是：组网能力强，适用面广，可靠性高，节能性好。它定义了两个基于DSSS(Direct SequenceSpreadSpectrum，直接序列扩频)的物理层标准，分别是2.4GHz物理层和868/915Mhz物理层，每个频段提供不同的数据传输速率；提供最大帧为127字节；提供自动帧确认和数据校验等功能。MAC层信道访问机制为CSMA/CA；支持Beacon(信标)和Beaconless(无信标)两种工作模式。

IEEE802.15.4的技术特性决定了传感器网络将成为其主要应用对象。由于传感器网络的巨大市场应用前景及IPv6协议的良好特性，2004年底，IETF组织成立6lowpan(IPv6 over low power WPAN)工作组，研究IPv6低速无线个域网问题，旨在把IPv6架构在IEEE802.15.4之上，实现传感器网与基于IP的互连网络的互连互通，并实现互联网远程访问、远程配置管理传感器网的任何可控节点。由于网络的特殊性，管理技术是6lowpan工作组的重要研究课题之一。

在基于IP的互连网网络管理方面，定义了SNMP协议。到目前，SNMP协议已经发展到了SNMP第三版，协议已经相当完善。SNMP包含大量的数据类型和抽象数据项，为了更好地对各种数据进行编码，SNMP用3个可变长部分组成的3元组：包括数据类型的标签、数据长度和数据值，称为TLV 3元组，它的格式如图1。

协议规定请求报文和响应报文可以用在网络管理站和代理进程间的各种对话，每个请求报文和响应报文都是一个独立的SNMP报文，报文及各组成字段如图2。

报文数据又分为3个子字段：

版本字段；

SNMP共同体名字字段；

协议数据单元(PDU)；

版本字段是为了不同SNMP的兼容性而设置的。共同体名是一个字符串，用于鉴别操作是否合法。

为了保持报文格式的统一，所有SNMP都有共同的PDU格式。PDU的共同结构以及它们所包含的字段如图3。

现有技术方案的缺陷；

SNMP提供了一套很好的网络管理框架和实现方法，考虑到传感器网络与基于IP的互连网的互融问题，SNMP是传感器网络的最佳管理模式。但是，现有SNMP的实现方法都很复杂，需要丰富的硬件资源和强大的操作系统支持，无法在低程序存储区、低数据存储区的微控制器上部署。

SNMP的初衷是管理IP网，计算机系统具有很好的数据处理能力，存储资源非常丰富，开发SNMP协议时几乎不受硬件资源的限制，它首先考虑的是如何把相关功能实现得更完善、具有更好的鲁棒性、兼容性和可扩充性。IP网节点的管理对象多，数据量也非常大，对网络的要求较高。现在，基于IP的互连网的发展取得空前成果，网络技术相对完善，可以对SNMP提供很好地网络支持，这也是SNMP能广泛部署的原因之一。

与SNMP的出发点相反，IEEE802.15.4标准旨在定义一种低速率、低功耗、低复杂度、低成本的物理层和链路层标准。它的应用场合决定了实际组网时，需要大量地、非常密集的布置节点。此外，IEEE802.15.4所有节点组成一个自治系统，为了提高系统的稳定性，一般还会提供一些冗余节点。这就要求单个模块的成本必须非常低。综合起来，在传感器网络中部署SNMP，存在以下问题：

SNMP的初衷是管理基于IP的互连网，定义了大量的数据类型和抽象数据项，而传感器网络中的管理对象较少，数据类型有限，只要求实现SNMP的部分数据类型；

现有SNMP的定义和实现方法考虑的是如何更完善，功能更强大等性能问题，而传感器节点硬件资源非常有限，根本不适合完全实现SNMP的所有功能；

现有的SNMP都是基于某一操作系统，而传感器节点大多数情况下都没有操作系统的支持。

综上所述，现有的SNMP技术不适合直接在IEEE802.15.4节点构建的传感器网络上实施，需要新的管理方法以实现对传感器网的管理。

发明内容

对这种节点多、规模大、拓扑动态变化的网络来说，网络管理是必不可少的。但是，传感器网络的网络特性决定了在管理方面比有线网络复杂许多，现有的网络管理方法都不适合直接部署在这种传感器网络中，因此，必须定义一套切实可行的网络管理方法，对网络及节点进行远程的、便携的管理。基于此考虑，本发明基于SNMP，提供一种基于SNMP的IPv6传感器网络节点管理方法，提出IPv6传感器网络代理端的实现方法。本方案可以部署在低硬件资源且可以没有操作系统支持的平台中。本发明兼容SNMP，可以通过计算机网络对其实施远程管理，从而解决了IPv6传感器网络的管理与配置问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是主要包括以下发明步骤：

步骤1：建立(IEEE 802.15.4)物理层和链路层的管理信息库，定义其对象标识符(OID)值；

步骤2：对SNMP协议数据单元进行编码；

步骤3：进行管理对象的存储及访问。

步骤1管理信息库的建立；

管理信息库定义了可以通过网络管理协议进行访问的管理对象的集合，管理信息结构(SMI)规定了管理信息库中管理对象的定义格式，Syntax(语法)是对象用ASN.1进行定义，Definition(定义)是对该对象的一个容易理解的描述，Access(访问)的值规定该对象是可读还是可写，Status(状态)说明当前的实际使用情况。

步骤2编码的方法；

按照SNMP协议数据单元的格式，从后往前逐个字段进行编码；代理端取得对象的值之后，首先对该值按照ASN.1规则进行编码，并存放在某一个中间临时单元空间内，待编码完成后，再把符合TLV格式的数据拷贝到另一个缓冲区内。

步骤3数据存储及访问；有以下步骤；

1：所有对象的对象标识符设置为静态的，以字符串的形式存放在程序存储区；

2；解析出来的对象标识符与本地的对象标识符精确匹配，以确定被查找的对象实例；

3；通过匹配比较，得出相应的索引值，根据索引值对对象实例进行操作。

以上是本发明方案的三大模块的全部操作，根据这些可以实现在低程序存储区、低数据存储区的微控制器上，在可以没有操作系统支持下的IEEE802.15.4节点管理。

发明的效果，本发明解决了基于IEEE802.15.4的节点的管理，用户不用为每个节点都配置终端界面，只需要在某个安装了网络管理站程序的汇聚节点或者远程节点安装终端界面，就可以启动SNMP管理程序，实施对代理节点的管理。

基于IEEE802.15.4构建的网络无基站等基础设施，所有节点自组成网络。SNMP作为应用层协议，属于高层协议，对底层来说是透明的，只要底层能构建成稳定网络，那么SNMP就可以运行。本方案着眼于在非常有限的硬件设备上实施，解决了远程控制和管理设备的问题，极大地方便了用户。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1数据项基本单元；

图2SNMP报文格式；

图3SNMP协议数据单元的共同格式；

图4描述了IPv6传感器网络管理体系结构；

图5编码前数据格式；

图6编码后数据格式；

图7编码前发送缓存区；

图8编码缓存区；

图9编码后发送缓存区；

图10网络管理中的树状管理信息库；

图11管理信息库树的实现及访问方式；

图12家庭传感器网络管理示意图。

具体实施方式

实施例1：IPv6传感器网络管理体系结构；

图4描述了IPv6传感器网络管理体系结构。网络管理模型主要包括两个网络设备：网络管理站(NMS)和网络管理代理(agent)。只要运行了管理站/代理端软件的主机都可以称为网络管理站/网络管理代理。网络管理站必须提供用户界面作为人机交互入口。在一个网络管理站中，可以同时启动多个管理应用程序，分别对不同的网络管理代理实施管理。网络管理站和网络管理代理在对等层上用适合传感网络的网络管理协议进行通信。当管理站或管理代理接收到对等层的网络管理报文后，解码子进程模块对接收到的报文进行解析，转换成本机识别的数据格式。根据解析的报文数据内容，访问本地的管理信息库，对对应的实例对象进行相应操作。如果需要向对方发送回应报文，则需要调用编码子进程模块，构造相应的回应报文。网络协议屏蔽了不同子网类型，对上层提供服务。在物理层，通过基于IPv6的互连网络实现端到端通信。

网络管理代理操作模式和管理站相似。不同的是，管理站一般主动向管理代理发送SNMP报文，而网络管理代理初始化后，代理进程须在特定的UDP端口被动等待管理站的SNMP报文(陷阱报文除外)。当代理进程接收一个SNMP报文后，有如下三个步骤的操作：

1.解码；

检查报文是否符合ASN.1格式，如果不符合，直接丢弃；

验证版本号，鉴别报文的合法性，同时将这些信息保存起来，以便构造响应报文；

继续按顺序解析报文中的其它字段，直至解析完变量绑定列表，保存解析出来的所有信息。

2.管理信息库操作；

检查管理站的访问权限；

检查对象的访问方式和访问状态；

根据请求命令类型对管理信息库(MIB)实例执行操作。

3、编码；

根据管理信息库操作结果，填充相应的响应协议数据单元；

将响应协议数据单元编码成ASN.1格式，传递给UDP运输服务。

上述三部分构成了网络管理的主体模块。本发明针对IPv6传感器网络的特点，着眼于有限资源的嵌入式系统硬件平台，提出了基于简单网络管理协议(SNMP)的IPv6传感器网络节点管理方法，主要包括以下发明内容：

从IEEE802.15.4的个域网信息库(PIB)数据对象的可控性、可管理性和可访问性出发，创造性的设计了物理层和链路层的管理信息库，并在一定条件下定义了其对象标识符(OID)值；

针对众多的数据类型，提出了一种新的编码方案，只需要很小的临时缓存区，符合嵌入式微控制系统要求；

针对嵌入式系统的特点，提出了新的数据存储及访问方法。IEEE802.15.4管理信息库的设计：

目前，国际上相关组织没有形成IEEE802.15.4的物理层和MAC层的管理信息库标准。通过对IEEE802.15.4标准的深入研究，根据参数在系统中的功能、可访问性等参考标准，提出IEEE 802.15.4管理信息库的定义。

管理信息库定义了可以通过网络管理协议进行访问的管理对象的集合。管理信息结构(SMI)规定了管理信息库中管理对象的定义格式。Syntax(语法)是对象用ASN.1进行定义。Definition(定义)是对该对象的一个容易理解的描述。Access(访问)的值规定该对象是可读还是可写。Status(状态)说明当前的实际使用情况。

编码模块的设计：

分析IEEE 802.15.4的MAC和物理层的状态参数可以发现，所用的只是有限的数据类型。本发明支持表1所示数据类型。

表1数据类型

数据类

用途

整型	基本数据类型
整型	基本数据类型	字符串	0个或多个字节
对象标	对象的名字，点分十进制	字符串	0个或多个字节
对象标	对象的名字，点分十进制	Null	占位符

SNMP协议本身支持多种请求类型，可以完成标量、表格、块数据的操作。但是，表格、块数据的读取都要求构造一个较大的协议数据单元，且二者的实现也相对困难，需要占用大量程序区资源和数据区资源。IEEE 802.15.4的最大帧长度为127字节，如果要实现表格、块数据等的操作，势必引入分片机制及分配大量的数据缓存区，增大了实现的复杂性。从需求角度出发，本方案只支持表2中所示请求类型。

表2请求命令类型

请求命令类型	功能
请求命令类型	功能	GetRequest	从目标代理进程的MIB中提取已知管理对象实例的值
SetRequest	让代理进程对命令中指定的管理对象实例执行写操作	GetRequest	从目标代理进程的MIB中提取已知管理对象实例的值
SetRequest	让代理进程对命令中指定的管理对象实例执行写操作	GetResponse	代理进程处理完请求操作后，向管理站返回信息

代理端收到管理站的请求后，对其解析并进行相关请求命令操作，然后向管理站返回回应报文。本小结将描述如何对数据进行编码，以构造符合SNMP格式的报文。

由SNMPv2c规定及针对IEEE802.15.4的应用，有如下定义：

对象标识符最大长度： 18

共同体名最大长度： 10

最大变量绑定列表长度 3

编码是指代理端完成对请求命令的操作后，按照ASN.1规则，构造相应的响应报文给管理站。编码前，数据都是杂乱无章的；而编码后，则具有一定的格式。编码前后的数据格式如图5、图6：编码前：图5编码前数据格式；编码后：图6编码后数据格式。

为了简化编码复杂度，按照SNMP协议数据单元的格式，从后往前逐个字段进行编码。代理端取得对象的值之后，首先对该值按照ASN.1规则进行编码，并存放在某一个中间临时单元空间内，待编码完成后，再把符合TLV格式的数据拷贝到另一个缓冲区内。

下面详细介绍编码的方法。

编码的先后顺序为：1、变量绑定列表字段；2、错误指针字段；3、出错状态字段；4、请求标识符字段；5、协议数据单元类型字段；6、共同体字段；7、版本字段。

编码时，定义一个应用层缓冲区sndbuf[100]，所有编码后的snmp数据都存放在这个缓冲区里面。定义指针*resp_b.ptr和变量resp.len，初始化后，*resp_b、ptr指向数组sndbuf[100]的最末端，resp.len表示编码后数据的长度。如图7所示，对具体字段编码时，定义了一个中间缓存binding_buf[20]，指针*temp1、*bind_buf和变量length。对具体字段编码后，指针*binding_buf和length唯一标识编码后数据，如图8所示，然后，把bind_buf[20]中的数据拷贝到snd_buf[100]中去，拷贝数据后，snd_buf[100]；如图9所示。简单概述编码流程：

1、*resp_b.ptr指向send buffer的末端，resp.len＝0；

2、*temp1指向binding_buf的前端，length＝0；

3、具体字段编码后，此时*temp1标识指向编码后的数据的末端，length为编码后的数据长度；

4、具体字段编码后，send_buf的指针*resp.ptr往前挪length个字节，*resp.len加上length，然后把binding_buf里面的length长度的数据拷贝到*resp.len所指向的空间。

5、对下一个字段编码时，回到第2步；

6、完成编码后，*resp.ptr和resp.len就能明确标识snmp应用数据；

7、调用发送函数。

如果在解码或编码时发生错误，根据不同的错误类型，做不同的处理：

1、在解析PDU时发生错误，直接丢弃报文，不做任何处理。

2、解析PDU后发生错误，无论哪种错误类型，都向网络管理站发送错误响应报文。错误响应报文与对应的请求报文内容一样，错误指针指向出错的变量序号(注意：序号从1开始)，错误状态字段指出错误的类型。管理信息库操作模块的设计：

管理信息库操作模块是指解析完SNMP解析完请求命令后，代理端对管理信息库实例的操作。

在现有的SNMP实现方案中，在节点初始化时，需要把所有数据对象注册到管理信息库树上，存放在数据存储区内。管理信息库数据对象以一种树状分层结构进行组织，每个分支都有一个专门的名字和一个数字形式的标识符，可以通过其数字标识符来查找管理信息库中的数据对象，这个数字标识符号从结构树的顶部(或根部)开始，直到各个叶子节点(即数据对象)为止。例如，在图10中，iso(1)位于结构树的最上方，而sysDescr(1)处在叶子节点的位置。现在看不到树根root(.)，其余所有的分枝都是从这里扩展而来的。通常用带点的符号来表示数据对象的标识符。要访问数据对象sysDescr(1)，其完整的标识符应该是这样的：

iso.org.dod.internet.mgmt.mib-2.system.sysDescr(这个标识符应该从左向右读)，或者用1.3.6.1.2.1.1.1表示，两者表达意思是一样的。

但是在微控制器内，数据存储区和程序存储区十分有限，不允许使用大量的硬件资源去实现管理信息库树的注册，也不允许用大量的程序空间实现对对象的查找，针对此问题，提出了以下创新思路步骤：

为了节省有限的数据存储区，所有对象的对象标识符设置为静态的，存放在程序存储区；

解析出来的对象标识符与本地的对象标识符精确匹配，以确定被查找的对象实例；

通过匹配比较，得出相应的索引值，根据索引值对对象实例进行操作。

可以通过图11描述管理信息库树的实现及访问方式。

SNMP完成变量绑定列表的解析之后，对象标识符是以字符形式存放在字符数组中，把它转换成字符串形式，如：1.3.6.1.4.1.10.1.10.1.1.0，之后，调用函数将字符串与程序区内本地管理信息库树的所有对象标识符进行比较，如果二者完全相等，则输出相应的参数索引(index)，根据参数索引的值查询对应的处理模块，对实例进行不同的操作。如果用户须用添加管理信息库对象，需要在本地管理信息库库中添加相应的对象标识符，并在处理模块中添加相应的处理。处理模块包括访问权限的判断、实例的操作、执行状态报告等三部分。

实施例2：

下面为本发明技术方案在具体应用中的举例，如图12所示。

部分电子设备构成一个家庭传感器网络，包括照明灯、微波炉、热水器、饮水机和电视等。实际上，只要安装了IEEE802.15.4模块的设备，都可以加入到这个网络中去，并能获得全球唯一单播IPv6地址和传感器网内唯一短地址。当节点启动时，会启动SNMP代理端程序，完成模块的初始化、对象实例的初始化，然后进入循环程序，等待管理站的SNMP请求命令。

无线接入点既是网关设备，同时也是传感器网络的协调者。它包含一个IEEE802.15.4无线接口、RS-232接口、一个或多个有线接口。IEEE802.15.4无线接口用于无线接入点和传感器网络成员通信。有线接口接入路由器，通过路由器接入Internet。

本地用户可以通过RS-232接口直接与无线接入点连接，控制无线接入点或者网络内部设备成员。

终端用户并没有直接和传感器网络交互，而是通过网页浏览的方式和WEB服务器通信。实质上，WEB服务器包含所有用户终端必要功能模块，例如数据库、命令程序、管理站程序等。具有权限的用户通过访问WEB服务器，运行相关的程序，间接地访问传感器网络内部。WEB服务器的家庭网络数据库包含传感器网络内部所有信息，比如：节点数、各设备类型、状态等资料，这样用户只要访问WEB服务器就能知道传感器网络内部的任何信息。当服务器知道传感器网络节点的信息后，用户就可以通过配置窗口触发服务器运行SNMP管理站软件，管理、配置或者修改节点参数。管理站可以采用基于Linux的SNMP开发包net-snmp。SNMP操作步骤如下：

1、访问WEB服务器，浏览家庭网络数据库，提取出欲管理节点的所有信息；

2、调用SNMP网络管理模块，构造SNMP的IPv6报文，目的地址为被管节点的全球单播IPv6地址；

3、调用底层传输设备，把SNMP报文传送到无线网络接入点；

4、无线网络接入点对数据进行格式转换，使之符合IEEE 802.15.4标准；

5、无线网络接入点把数据传送到被管节点；

6、节点执行完操作后，如果有数据返回给服务器，则构造Response的IPv6报文，目的地址为无线接入点的IPv6地址；

7、线接入点收到这个IPv6报文后，进行地址转换，把目的地址改成服务器的IPv6地址，然后通过静态路由方式，把报文转发给服务器。到此，完成了SNMP的管理过程。

Claims

1.一种基于SNMP的IPv6传感器网络节点管理方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤1：建立物理层和链路层的管理信息库，定义其对象标识符值；

步骤2：对SNMP协议数据单元进行编码；

步骤3：进行管理对象的存储及访问。

2.根据权利要求1所述的一种基于SNMP的IPv6传感器网络节点管理方法，其特征是：

步骤1：管理信息库的建立：定义通过网络管理协议进行访问的管理对象的集合，规定管理信息库中管理对象的定义格式；

步骤2：编码的方法：按照SNMP协议数据单元的格式，从后往前逐个字段进行编码；代理端取得对象的值之后，首先对该值按照ASN.1规则进行编码，并存放在某一个中间临时单元空间内，待编码完成后，再把符合TLV格式的数据拷贝到另一个缓冲区内；

步骤3：数据存储及访问；有以下步骤；

1)：所有对象的对象标识符设置为静态的，存放在程序存储区；

2)：解析出来的对象标识符与本地的对象标识符精确匹配，以确定被查找的对象实例；

3)：通过匹配比较，得出相应的索引值，根据索引值对对象实例进行操作。

3.根据权利要求1所述的一种基于SNMP的IPv6传感器网络节点管理方法，其特征是：当代理进程接收一个SNMP报文后，有如下三个步骤的操作：

1).解码；

检查报文是否符合ASN.1格式，如果不符合，直接丢弃；

继续按顺序解析报文中的其它字段，直至解析完变量绑定列表，保存解析出来的所有信息；

2)、管理信息库操作；

检查管理站的访问权限；

检查对象的访问方式和访问状态；

根据请求命令类型对管理信息库(MIB)实例执行操作；

3)、编码；

根据管理信息库操作结果，填充相应的响应协议数据单元；将响应协议数据单元编码成ASN.1格式，传递给UDP运输服务。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于SNMP的IPv6传感器网络节点管理方法，其特征是：编码的先后顺序为：1)、变量绑定列表字段；2)、错误指针字段；3)、出错状态字段；4)、请求标识符字段；5)、协议数据单元类型字段；6)、共同体字段；7)、版本字段。

5.根据权利要求1所述的一种基于SNMP的IPv6传感器网络节点管理方法，其特征是：编码时，定义一个应用层缓冲区，所有编码后的数据都存放在这个缓冲区里面，定义指针和变量，初始化后，指针指向数组的最末端，变量表示编码后数据的长度，把中间缓存中的数据拷贝到数组中去。