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基于STUN和STUNT協(xié)議的M2M通信方案的設(shè)計與研究

來源: 樹人論文網(wǎng)發(fā)表時間:2019-08-23
簡要:摘要:物聯(lián)網(wǎng)是目前我國發(fā)展最快,應(yīng)用范圍最廣的一種新型網(wǎng)絡(luò),其本質(zhì)屬于M2M系統(tǒng)。由于物聯(lián)網(wǎng)的異構(gòu)性較強,因此導(dǎo)致各種通信協(xié)議、組網(wǎng)方式和數(shù)據(jù)類型呈現(xiàn)出多樣化的特點,

  摘要:物聯(lián)網(wǎng)是目前我國發(fā)展最快,應(yīng)用范圍最廣的一種新型網(wǎng)絡(luò),其本質(zhì)屬于M2M系統(tǒng)。由于物聯(lián)網(wǎng)的異構(gòu)性較強,因此導(dǎo)致各種通信協(xié)議、組網(wǎng)方式和數(shù)據(jù)類型呈現(xiàn)出多樣化的特點,這對數(shù)據(jù)的快速傳輸造成了極大的障礙。該文在分析了M2M系統(tǒng)工作原理和運行機制的基礎(chǔ)上,采用網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換NA丁技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合,提出了一種基于STUN和STUNT協(xié)議的通信方案。在保持網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變的條件下,通過添加兩個客戶端模塊即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的跨網(wǎng)傳輸,具有一定的實用價值。

  關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng);M2M系統(tǒng);NAT;STUN;STUNT

移動通信

  《移動通信》雜志為我國移動通信事業(yè)的起步、發(fā)展和產(chǎn)業(yè)的形成都做出了巨大的貢獻(xiàn),在業(yè)內(nèi)具有廣泛而深遠(yuǎn)的影響,是移動通信領(lǐng)域的決策人員、科研生產(chǎn)人員、經(jīng)營管理人員、大專院校師生和廣大移動通信用戶及移動通信愛好者的必備刊物,也是圖書和情報部門的首選刊物。

  1概述

  在進(jìn)入快速發(fā)展的信息化時代以后,物聯(lián)網(wǎng)作為后互聯(lián)網(wǎng)+時代的代表性產(chǎn)物,收到了社會各界的普遍關(guān)注,各國都紛紛在該領(lǐng)域內(nèi)加大了投資和人力資源配置規(guī)模,相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議也不斷地推出。物聯(lián)網(wǎng)的推廣,將物理世界與信息時間有機的結(jié)合,使得人們從自然界乃至各種工業(yè)生產(chǎn)場合獲取信息并加以快速分析的能力大大提高了,以此為基礎(chǔ),各種智能化管理和監(jiān)控系統(tǒng)也不斷地被研發(fā)和投入使用,有力促進(jìn)了生產(chǎn)力的進(jìn)步。從廣義上講,物聯(lián)網(wǎng)屬于M2M系統(tǒng)的一部分,及人機之間和機器之間的雙重交互,而前者在互聯(lián)網(wǎng)時代已經(jīng)得到了發(fā)展成熟,因此,對于物聯(lián)網(wǎng)而言,M2M研究的重點實質(zhì)上是落在了機器間的快速智能化通信方面。

  在物聯(lián)網(wǎng)的M2M通信體系中包含多種組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸類型,一般以Internet為核心網(wǎng)絡(luò)、以固定和移動IP為接入網(wǎng)絡(luò),從而實現(xiàn)將處于各地現(xiàn)場的IP進(jìn)行終端互聯(lián),這也是最能體現(xiàn)物料網(wǎng)性能優(yōu)勢的一種通信模式。但這種模式在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中存在一些問題,例如當(dāng)通信受到地址數(shù)量限制和網(wǎng)絡(luò)安全威脅時,如何自適應(yīng)的解決在機器之間的傳輸,以及在自適應(yīng)組網(wǎng)的過程中如何合理的分配節(jié)點能耗等。本文以物聯(lián)網(wǎng)通信特點為參考依據(jù),提出對現(xiàn)行的STUN和STUNT協(xié)議的應(yīng)用進(jìn)行改進(jìn),并結(jié)合NAT穿越技術(shù)來完成M2M設(shè)備間通信的自適應(yīng)調(diào)整,最終形成了一套行之有效的M2M通信解決方案。

  2M2M系統(tǒng)的通信特點

  由于M2M系統(tǒng)具有邊界明晰的功能域劃分,所以其通信特點主要反映在不同域的界面處,具體表現(xiàn)在連接設(shè)備域與網(wǎng)絡(luò)域的M2M網(wǎng)關(guān)處以及連接應(yīng)用域與網(wǎng)絡(luò)域的服務(wù)能力處。

  M2M網(wǎng)關(guān)作為典型的通信分界點,具有雙重身份,即網(wǎng)絡(luò)域邊緣節(jié)點和設(shè)備與的最高層節(jié)點。利用這一特點,M2M網(wǎng)關(guān),承擔(dān)起了與設(shè)備域中如傳感器、射頻讀寫器等各種終端設(shè)備的通信交互。在M2M分布式系統(tǒng)中,大量來源于不同域的數(shù)據(jù)均在此處完成轉(zhuǎn)換工作,尤其是一些異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù),更需要在此處進(jìn)行協(xié)議的映射,因此可以說,網(wǎng)關(guān)陸能的優(yōu)劣,直接決定了M2M系統(tǒng)整體的通信質(zhì)量。

  3NAT穿越技術(shù)

  3.1NA了穿越原理與M2M通信的有機結(jié)合

  網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換NAT技術(shù)是互聯(lián)網(wǎng)為了解決內(nèi)網(wǎng)至外網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸而采用的一項地址映射技術(shù),通過采用NAT,極大節(jié)約了IP地址的消耗,同時也很好隱藏了企業(yè)內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)布局狀況,隨著IP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的迅速擴(kuò)張,NAT技術(shù)在迅速推廣的過程中也得到了不斷的改善。對于M2M通信而言,NAT技術(shù)的應(yīng)用將顯著提高系統(tǒng)通信的效率,尤其當(dāng)M2M局域網(wǎng)是EPC系統(tǒng)、WPAN等直接支持IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)時,就可方便地將NA了技術(shù)融入至M2M網(wǎng)關(guān)中,使得M2M網(wǎng)管身兼二職,在完成協(xié)議映射任務(wù)的同時也解決了地址映射的需求。而當(dāng)M2M局域網(wǎng)不支持IP協(xié)議時,則需要將在M2M網(wǎng)關(guān)中配置相關(guān)的協(xié)議轉(zhuǎn)換功能。

  在采用NAT技術(shù)后,網(wǎng)絡(luò)被分割成本地網(wǎng)絡(luò)與公共網(wǎng)絡(luò)兩種不用的應(yīng)用域。而在傳統(tǒng)的NAT技術(shù)中,處在異地的兩個本地網(wǎng)絡(luò)中的用戶是無法完成直接通信的,因為這兩個用戶均只擁有本地地址,因而無法穿過公共網(wǎng)絡(luò),同時處于公共網(wǎng)絡(luò)中的某站點也無法首先向本地網(wǎng)絡(luò)中的某節(jié)點發(fā)起通信,這顯然造成了網(wǎng)絡(luò)通信的局限性,為了解決這一問題,各種NAT穿越技術(shù)被研發(fā)問世,主要有ALG、UPnP、STUN/STUNT等。

  3.2STUN協(xié)議

  STUN是一款基于C/S模式的通信協(xié)議,其主要作用是幫助本地網(wǎng)絡(luò)中的客戶端主機獲得位于公共網(wǎng)絡(luò)中的目標(biāo)服務(wù)器的IP地址和服務(wù)進(jìn)程啟用的端口,并將該公網(wǎng)地址夾帶在用戶數(shù)據(jù)包中,這樣就可有效地減少網(wǎng)絡(luò)通信開銷,當(dāng)用戶數(shù)據(jù)包到達(dá)NA了出口處時,即可從報文頭部中取出對應(yīng)的源地址與目的地址,并根據(jù)預(yù)先保存的映射表進(jìn)行IP地址的轉(zhuǎn)換。圖1描繪了STUN的工作流程,通過該機制,即可解決本地網(wǎng)絡(luò)與公共網(wǎng)絡(luò)中的兩個節(jié)點之間的通信障礙問題。

  3.3STUN了協(xié)議

  M2M系統(tǒng)中大量的通信是由終端發(fā)起,如智能終端定期以UDP數(shù)據(jù)報的方式向應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)送收集到的信息或向控制中心發(fā)送報警信息,以及終端之間定期交換報文等,STUN很好地滿足了這一應(yīng)用需求。但是,在一些特殊的情況下,控制中心需要穿越M2M網(wǎng)關(guān)對位于NAT后端的終端進(jìn)行遠(yuǎn)程管理,或應(yīng)用系統(tǒng)需要主動向指定的終端發(fā)送請求報文,這時只能處理UDP數(shù)據(jù)報的STUN協(xié)議就無能為力,可以采用支持了CP報文段的STUNT協(xié)議來解決這一問題。圖2描繪了一種典型的STUNT協(xié)議的工作流程。

  4M2M通信方案的設(shè)計

  在對STUN和STUNT進(jìn)行對比分析后,下一步工作就是在這兩種協(xié)議的基礎(chǔ)上,結(jié)合目前M2M系統(tǒng)的通信狀況,設(shè)計一款具有實用性的通信方案。在參考了大量文獻(xiàn)之后,本位設(shè)計的具體方案如圖3所示。在本方案中,除STUN、STUNT服務(wù)器和M2M應(yīng)用服務(wù)器需要位于公共網(wǎng)絡(luò)外,其余終端全部交由NAT負(fù)責(zé)管理的本地網(wǎng)絡(luò)中,以充分利用NAT穿越技術(shù)帶來的優(yōu)勢。另一方面,終端設(shè)備的IP地址與互聯(lián)網(wǎng)中其他設(shè)備的IP地址結(jié)構(gòu)一致,但應(yīng)用方式有所區(qū)別,通過這樣的設(shè)置,就可借助NAT穿越技術(shù)完成M2M設(shè)備之間的點對點通信,同時有效的完善了M2M設(shè)備的地址分配與管理問題.

  觀察上圖可以發(fā)現(xiàn),圖中的任意一臺M2M設(shè)備均被配置了一個全網(wǎng)唯一的ID,并在該設(shè)備中設(shè)置了一個STUN/STUNTClient模塊,而在NA了服務(wù)器中結(jié)合了服務(wù)器進(jìn)程STUN/STUNT Server,用來負(fù)責(zé)對客戶端發(fā)來的請求進(jìn)行分析和處理,同時負(fù)責(zé)識別M2M設(shè)備端的NAT類型。集成了用戶注冊和認(rèn)證功能的M2M應(yīng)用服務(wù)器負(fù)責(zé)對M2M設(shè)備ID的管理,并記錄M2M設(shè)備的IP地址、端口號、NAT類型等信息。

  從方案執(zhí)行流程方面來分析,可以分為三種情況,現(xiàn)對其進(jìn)行逐一討論:

  (1)M2M設(shè)備向M2M應(yīng)用服務(wù)器發(fā)起通信

  這種通信情況是物聯(lián)網(wǎng)中最常見的一種,由終端設(shè)備負(fù)責(zé)在感知層采集數(shù)據(jù),并將其通過各種通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器進(jìn)行處理,這種傳輸模式既可以采用實時化的快速傳輸,也可采用定期傳輸方法,待數(shù)據(jù)有了一定量的的積累后再統(tǒng)一傳送。由本文提出的通信模式可知,數(shù)據(jù)的傳輸方向是從本地網(wǎng)絡(luò)到外部的公共網(wǎng)絡(luò)的,因此需要由NAT允許其建立UDP和TCP連接請求。

  (2)M2M設(shè)備之間的通信

  在這種通信模式下,用戶數(shù)據(jù)通常在STUN協(xié)議下被封裝成UDP用戶數(shù)據(jù)報的形式進(jìn)行傳送,以盡可能提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性能。由于參與通信的M2M設(shè)備均位于本地網(wǎng)絡(luò)中,因此可以利用其本地IP地址直接進(jìn)行通信,而位于不同本地網(wǎng)絡(luò)中的M2M設(shè)備則可以通過NAT穿越技術(shù)完成數(shù)據(jù)傳輸。本方案中所設(shè)計的不同本地網(wǎng)絡(luò)間的M2M設(shè)備通信過程如圖4所示。

  (3)M2M應(yīng)用服務(wù)器向M2M設(shè)備發(fā)起通信

  在大多數(shù)情況下,都是有終端設(shè)備向服務(wù)器發(fā)起通信,服務(wù)器保持監(jiān)聽并被動地接受終端發(fā)來的請求,但在某些特殊的情況下(如服務(wù)器需要對終端進(jìn)行遠(yuǎn)程控制),服務(wù)器也可主動向終端發(fā)起通信,公共網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)器向本地網(wǎng)絡(luò)中的終端設(shè)備發(fā)起TCP連接時,可采用支持TCP的STUNT協(xié)議來完成這一工作。這一過程與圖3所描述的流程向類似,在M2M設(shè)備已經(jīng)注冊的情況下,M2M應(yīng)用服務(wù)器首先把通信建立請求發(fā)給STUNT Server,STUNT Server將其轉(zhuǎn)給M2M終端,后者在收到請求報文后將發(fā)回確認(rèn)反饋,服務(wù)器再對此反饋做出響應(yīng),進(jìn)過三次握手的過程即可建立可靠地了CP連接通道,從而實現(xiàn)從公共網(wǎng)絡(luò)到本地網(wǎng)絡(luò)的穿越。

  5總結(jié)

  本文提出了一種基于STUN和S7WUN了技術(shù)的M2M通信方案,較為有效地解決了M2M設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信障礙問題,為該類型通信方案的設(shè)計工作提供了良好的參考借鑒作用。相信隨著后期實踐調(diào)整工作的不斷推進(jìn),本方案會進(jìn)一步完善,成為一款真正具有實用價值的通信方案。

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