一种VoIP系统穿越无线传感器网络的语音网关及网络

摘要

一种VoIP系统穿越无线传感器网络的语音网关：从IP网传来的VoIP数据经过TCP/IP协议栈解包，得到其中的地址信息；从无线传感器网络传来的VoIP数据经过无线传感器网络协议栈解包，得到源/宿IP地址信息。一种应用所述的网关的VoIP系统穿越无线传感器网络，发送端计算机将封装有语音数据的RTP数据报文从应用层传下来后，经过TCP复用封装，然后交付给操作系统的TCP/IP协议栈处理，经IP层形成封装好的IP数据报传输至链路层再至物理层，再经过中间路由，从源IP网，穿越无线传感器网络，到达目的IP网的数据接收方，由接收方进行解复用；在所有IP网和无线传感器网络都连接所述网关设备。

说明书

技术领域

本发明申请涉及IP网络与无线传感器网络互联的语音网关，尤其涉及一种支持穿 越无线传感器网络的IP网络间VoIP系统的语音网关。本发明有助于解决采用无线传 感器网络技术连接的IP网络间VoIP语音数据报的传输问题。本发明满足了VoIP语音 数据报穿越无线传感器网络过程中对投递与寻址的需求，拓宽了在某些场景中IP网络 间语音数据报的传输范围，属于网络通信技术领域。

背景技术

随着无线传感器节点芯片处理能力的不断提高和无线传感器网络技术的日趋成 熟，目前主流的无线传感器网络的传输理论带宽可达250kbps。因此，由无线传感器网 络支撑的，以语音/视频等为代表的实时多媒体网络应用已不再是一种奢望。传统IP 网络中典型的多媒体网络应用，如VoIP技术(要求最低带宽为15kbps左右)等，在 无线传感器网络中传输成为可能，这为IP网络间的多媒体通信提供了一种新的传输方 式。

现代的Internet网络已经发展的比较成熟，可是仍有某些区域是Internet无法到达 的，或者在Internet网络瘫痪的情形下，为了临时连接两个IP网，这时建立两端的通 话或许是最重要的，这就要求语音数据能够从Internet向无线传感器网络发送甚至VoIP 数据能穿越无线传感器网络在Internet各部分之间传输。比如在地震或泥石流等自然灾 害产生IP孤岛的情况下，可以通过向受灾区域投撒无线传感器节点从而形成无线传感 器网络，来解决这些应急条件下的IP孤岛间的语音通信问题。

目前关于IP网络与无线传感器网络间的互联方案主要体现在如下三种类型：1) 将TCP/IP协议栈移植到无线传感器节点中，即使用TCP/IP协议作为无线传感器网络 的通信协议，实现与IP网络的互联互通；2)采用容迟网络技术(Delay TolerantNetwork， DTN)，在无线传感器网络与IP网络之间采用了DTN网关，实现互联；3)无线传感 器网络节点通过与无线局域网的无线接入点(Access Point，AP)通信来接入Internet。

发明人在研究过程中发现，这三种方案都存在着不同的不足。第一种方案，由于 无线传感器网络节点的计算和存储资源的限制，无法运行完整的TCP/IP协议栈，给 TCP/IP协议栈的完备性带来了问题，即使将TCP/IP协议栈进行剪裁后可以运行在无 线传感器节点上，又会面临着由复杂的TCP/IP协议栈导致的节点自身能量消耗过快的 问题，导致整个网络生命期的大幅缩短。第二种方案，需要在现有的TCP/IP协议栈和 无线传感器网络协议栈上部署Bundle层，代价较大。第三种方案，实现传感器网络与 IP网络的接入，但是无法支持IP网络间的VoIP语音数据报的投递与寻址，难以满足 端到端的VoIP系统穿越无线传感器网络时协议转换的需求。

发明内容

技术问题：由于目前的很多Internet与无线传感器网络互联的方案普遍不能对 VoIP协议进行协议转换，并使VoIP数据穿越无线传感器网络，例如，许多解决方案 只能实现Internet和无线传感器网络节点的通信，但不能使VoIP数据穿越无线传感器 网络。因此，通过对VoIP协议进行协议转换使语音数据穿越无线传感器网络，正是本 发明的目的所在。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案是：一种VoIP系统穿 越无线传感器网络的语音网关。本网络，发送端计算机将封装有语音数据的RTP数据 报文从应用层传下来后，经过TCP复用封装，然后交付给操作系统的TCP/IP协议栈 处理，经IP层形成封装好的IP数据报传输至链路层再至物理层，再经过中间路由， 从源IP网，穿越无线传感器网络，到达目的IP网的数据接收方，由接收方进行解复 用。其特征在于：在IP网和无线传感器网络的连接处加入本发明的网关设备，其具有 IP网中的IP地址和无线传感器网络中的节点地址。

网关包括TCP/IP协议栈，地址映射组件，数据分组组件，负载合并组件，无线传 感器网络协议栈。从IP网传来的VoIP数据经过TCP/IP协议栈解包，得到其中的地址 信息，地址映射组件根据地址信息通过查自身维护的地址映射表确定该VoIP数据报文 在无线传感器网络中应发送到的网关的节点地址，数据分组组件将IP网链路层负载数 据进行分组，将各个分组和源/宿网关节点地址一起经过无线传感器网络协议栈的封装 并发送；从无线传感器网络传来的VoIP数据经过无线传感器网络协议栈解包，得到源 /宿IP地址信息，负载合并组件将同组的负载重新组合成一个数据块作为TCP/IP协议 栈链路层的负载，经过TCP/IP协议栈的封装并发送。

TCP/IP协议栈即为普通的IP网中的TCP/IP协议栈，这里主要用到下三层、传输 层以及VoIP协议，其中VoIP协议中主要用到RTP协议。

地址映射组件根据地址映射表，将源/宿IP地址映射成为源/宿IP网与无线传感器 网络相连的网关在无线传感器网络中的节点地址。

数据分组组件将一个IP网数据报文中的链路层负载数据按照无线传感器网络最大 负载值进行分组，并打上组号等分组信息。

负载合并组件将同组的负载重新拼接在一起，作为TCP/IP协议栈链路层的负载。

无线传感器网络协议栈即为标准的无线传感器网络中的协议栈，这里主要用到下 三层，包括路由协议，地址协议等。

TCP/IP协议栈，地址映射组件，数据分组组件，负载合并组件，无线传感器网络 协议栈在具体内部实现中是通过五个线程来实现的，这样他们可以更大程度的共享数 据并提高并行度。

TCP/IP协议栈的自底向上的执行为一个循环处理线程，负责侦听IP网信道中的数 据报文，并提取和处理感兴趣的数据报文，将结果交付给地址映射线程和数据分组线 程。

地址映射线程将TCP/IP协议栈传来的源/宿IP地址信息，通过查询自身维护的地 址映射表，得到对应的网关的节点地址。由TCP/IP协议栈线程调用，将其结果与数据 分组线程的输出结果同时提交给无线传感器网络协议栈。

数据分组线程将一个IP网数据报文中的链路层负载数据按照无线传感器网络最大 负载值进行分组，并打上组号等分组信息。由TCP/IP协议栈线程调用，将结果与地址 映射线程的输出结果同时提交给无线传感器网络协议栈。

负载合并线程将所有同组的负载重新拼接，作为TCP/IP协议栈链路层的负载。由 无线传感器网络协议栈调用，将结果提交给TCP/IP协议栈。

无线传感器网络协议栈的自底向上的执行为一个循环处理线程，负责侦听无线传 感器网络信道中的数据报文，并提取和处理感兴趣的数据报文，将结果交付给负载合 并线程。

本发明的网关的工作流程可以分为：对IP网发向无线传感器网络的数据报文处理 流程，对无线传感器网络发向IP网的数据报文处理流程两个流程。

对IP网发向无线传感器网络的数据报文处理流程是：

步骤1-1，首先由网关建立地址映射表，表的格式可以参考图3。建立过程可以是 手工配置或者动态生成和调整；

步骤1-2，TCP/IP协议栈发现网关感兴趣的RTP数据报文。感兴趣的RTP数据报 文的特征是：目的IP地址不在本地IP网段内，而在通过无线传感器网络连接到的某 一IP网段内；属于VoIP应用的数据报文；

步骤1-3，TCP/IP协议栈对该RTP数据报文解析，分离出各层协议头及负载数据。 重要的信息有：源IP地址，目的IP地址，源端口，目的端口等；

步骤1-4，TCP/IP协议栈将源/宿IP地址提交给地址映射组件，将IP网链路层负 载数据提交给数据分组组件；

步骤1-5，地址映射模块通过查询先前维护的地址映射表将源/宿IP地址映射成为 对应的网关的节点地址；

步骤1-6，与步骤5同时，数据分组组件将IP网链路层负载数据按照无线传感器 网络最大负载值进行分组，并打上组号等分组信息；

步骤1-7，将IP网链路层负载数据组和对应的网关的节点地址信息提交给无线传 感器网络协议栈；

步骤1-8，无线传感器网络协议栈将IP网链路层负载数据组作为负载，将对应网 关的节点地址作为目的地址封装成无线传感器网络的数据报文，并发送。

对无线传感器网络发向IP网的数据报文处理流程是：

步骤2-1，无线传感器网络协议栈发现网关感兴趣的RTP数据报文。感兴趣的RTP 数据报文的特征是：目的节点地址是本网关的节点地址；数据的负载中包含IP地址信 息和分组信息；

步骤2-2，无线传感器网络协议栈对该RTP数据报文解析，分离出各层协议头及 负载数据，并提交给负载合并组件；

步骤2-3，负载合并组件将所有同组的负载重新拼接在一起，作为TCP/IP协议栈 链路层的负载；

步骤2-4，TCP/IP协议栈将重新拼接后的数据进行封装处理并发送。

上述内容中的有关技术术语定义：

地址映射：即IP网中的IP地址和无线传感器网络中的节点地址之间的映射。在无 线传感器网络中节点是用节点地址标识的。地址映射的原理是通过查询地址映射表来 决定两个地址之间的对应关系。

负载合并：这个术语是和数据分组相对而言的，可以理解为是数据分组的逆过程。 由于TCP/IP协议栈的最大负载和无线传感器网络协议栈的最大负载不相同，所以如果 数据报文从IP网进入无线传感器网络时，负载超过了无线传感器网络协议栈的最大负 载，就需要进行分组；而在从无线传感器网络离开并进入TCP/IP网络时，要将原本属 于同一个负载的各组数据合并，从而保证了数据的完整性。

有益效果：1)本发明可以使VoIP数据穿越无线传感器网络在Internet各部分之间 传输，从而满足了VoIP语音数据报穿越无线传感器网络过程中对投递与寻址的需求， 大大拓宽了在某些场景中IP网络间语音数据报的传输范围；2)本发明所采取的改进 方法对语音通信双方都是透明的，不需要更改双方的发送和接受方式；3)本发明便于 用户使用。上述穿越过程中的各个IP网络可以动态配置，具有自组织性，即将网关放 置在无线传感器网络附近，该网关就可以自组织地加入无线传感器网络，从而与网关 连接的IP网即可与外界进行语音通信。举例来说，为了使一个IP网孤岛可以与外界 通信，可以在该孤岛和附近的IP网之间撒下无线传感器节点，自组织成为无线传感器 网络，这时孤岛只需要连接本发明的网关节点，然后将该网关节点放置在无线传感器 网络附近，即可实现孤岛与外界的语音通信。

本发明的兼容性和透明性体现在：1)对于各个IP网来说本发明是透明的，用户 不需要因为本发明的使用而改变语音数据的发送和接收方式，原数据传输软件(如 FTP、HTTP浏览器、音/视频通讯软件)仍可以正常的运行，不需做任何改动；2)对 无线传感器网络本发明也是兼容的，本发明的使用不会影响无线传感器网络节点的内 部协议栈的内容；3)对于内部协议栈来说本发明是透明的，本发明不会影响原有的 TCP/IP协议栈和无线传感器网络协议栈，也不会影响他们对数据报文的处理结果，只 是在传输层之上进行了地址转换、数据分组和数据合并。

附图说明

图1是本发明的VoIP系统穿越无线传感器网络全局图(VoIP系统穿越无线传感器网 络的语音网关的一种典型应用场景)；

图2是本发明网关的架构及数据流程图；

图3是本发明的地址映射表；

图4是IP网数据报文格式；

图5是无线传感器网数据报文格式。

具体实施方式

图1描述了本发明的网关的一种典型的应用场景。由于某些原因(比如地震或泥石 流等自然灾害)，形成了IP网孤岛A，IP网孤岛B，分别在两个灾区，而抗灾中心连 接在Internet中。由于救灾的迫切需要，抗灾中心和灾区以及灾区三部分之间需要彼此 通话，这时可以使用本发明的网关来解决这上述语音通信问题。在三个IP网之间的区 域通过飞机空投等方式播撒无线传感器网络的节点使其自组织成无线传感器网络，然 后只需要在无线传感器网络的边缘分别放置与IP网孤岛A连通的网关1，与IP网孤 岛B连通的网关2和Internet连通的网关3，这三个互不连通的IP网络中的数据通过 网关传递到无线传感器网络中，再通过网关传递到目的IP网及其中的计算机，即可实 现三个IP网的计算机之间的语音通信。通信过程中终端不需要做任何改动，保证了本 发明对终端的透明性。下面以计算机A和计算机B的语音通信为例说明具体的数据流 程：

1)在三个IP网孤岛之间播撒无线传感器网络节点使其自组织成无线传感器网络，并 放置本发明的网关；

2)计算机A向计算机B发送的语音数据经过计算机A的TCP/IP协议栈封装成TCP/IP 数据报文(其中计算机A和B的IP地址分别作为源和宿IP地址)，数据报文由IP 网的路由协议传送到本发明的网关1。

3)网关1对收到的数据报文通过TCP/IP协议栈解复用，进行地址映射和数据分组， 然后通过无线传感器网络协议栈将分组后的数据重新封装成无线传感器网络数据 报文，并发送给无线传感器网络。

4)无线传感器网络的某个节点收到该数据报文后，通过无线传感器网络的路由协议投 递到和IP网孤岛B相连的网关2。

5)网关2对收到的数据报文通过无线传感器网络协议栈解复用，然后进行负载合并， 最后通过TCP/IP协议栈将合并后的数据重新封装成TCP/IP数据报文，并发送给IP 网孤岛B。

6)IP网孤岛B中与网关2相连的计算机接收到该数据报文后，通过IP网的路由协议 将数据报文最终将其投递至目的计算机B。

7)计算机B发送至计算机A的数据报文的穿越过程与上述过程一致，此处不再复述。

对于终端来说整个传输过程与传统的网络数据传输无异，因此终端的协议栈和应用 程序做任何的改动，即本发明对于终端是透明的。

图2详细表达了图1中所描述的本发明网关的内部结构，体现了本发明网关的数据 处理流程。1)对于从IP网接收到的IP数据报文，首先通过TCP/IP协议栈解复用， 得到IP网链路层负载数据和源/宿IP地址。将源/宿IP地址和IP网链路层负载数据分 别提交给地址映射组件和数据分组组件。地址映射组件通过查自身维护的地址映射表 将源/宿IP地址映射成它所在的IP网与无线传感器网络连接的网关所对应的节点地址； 由于TCP/IP协议栈的最大负载大小和无线传感器网络协议栈的最大负载大小不同，所 以需要数据分组组件对IP网链路层负载数据重新分组，并打上组号信息。然后将分组 后的IP网链路层负载数据组及组号信息视作负载，宿IP地址对应的网关的节点地址 作为目的地址交给无线传感器网络协议栈进行封装，而后发送给无线传感器网络。2) 对于从无线传感器网络接收到的无线传感器网络数据报文，首先通过无线传感器网络 协议栈进行解复用，将负载交给负载合并组件。负载合并组件将所有同组的负载重新 拼接合并，作为TCP/IP协议栈链路层的负载提交给TCP/IP协议栈封装，将封装后的 数据报文发送给IP网。

图3是图2所描述的本发明网关中的地址映射组件所使用的地址映射表。表中的字 段包括：D_IP表示目的网络的IP地址，D_subnetMask表示目的网络的子网掩码， GW_ID表示目的网络相与无线传感器网络连接的网关的对应的节点地址，GW_IP表 示目的网络相与无线传感器网络连接的网关的IP地址，Interface表示出网关的网关端 口，nextHop表示下一跳节点的节点地址，扩充字段。其中D_IP，D_subnetMask，GW_ID 是必须字段，其余字段是可选字段。该地址映射表对源/宿IP地址均适用，主要由地 址映射组件将源/宿IP地址映射成源/宿IP地址所在的IP网与无线传感器网络连接的 网关所对应的节点地址。

图4是详细说明了图2中无线传感器网络数据报文经本网关处理后得到的IP网数 据报文的结构，其中包括TCP/IP协议栈每层的首尾各字段的字节长度；

图5详细说明了图2中IP网数据报文经本网关处理后得到的无线传感器网数据报 文的结构，其中包括WSN协议栈每层的首尾各字段的字节长度；

下面对本发明网关的整个数据流程以数据报文的形式做进一步详细说明。

实施实例：以计算机A发送语音数据报文给计算机B为例

计算机A发送给计算机B的语音数据报文在经过计算机A的TCP/IP协议栈封装 后在IP网孤岛A中的结构如下：

  前导码   帧开始符   链路层头   IP头其他字段   源IP：A   宿IP：B   TCP头   RTP数据   链路层冗余校验   帧间距

其中源IP地址为计算机A的IP地址，目的IP地址为计算机B的IP地址。该IP 网数据报文在网关1中被TCP/IP协议栈解复用，地址映射组件分别将源IP地址A和 宿IP地址B经过查询地址映射表映射成为源节点地址1和目的节点地址2；数据分组 组件将IP网链路层负载数据(包括IP头字段，TCP头字段和RTP数据)分组，并给 每组打上组号信息。在经过网关1的WSN协议栈复用封装后发送到无线传感器网络 中的数据报文格式如下：

  同步头   物理头   链路层头   消息头其他字段  源节点：1  目的节点：2   分组信息   IP网链路层负载数据组   消息尾   链路层尾

该数据报文在无线传感器网络被路由到网关2。在网关2中，该数据报文被WSN 协议栈解复用，负载合并组件将同组的负载(包括分组信息和IP网链路层负载数据组) 合并成原IP网链路层负载数据，然后作为TCP/IP协议栈的链路层负载被TCP/IP协议 栈复用封装并发送至IP网孤岛B，结构与在IP网孤岛A中相同。该IP网数据报文经 过IP网孤岛B的路由最终投递至计算机B，从而完成了整个发送过程。

本发明的精髓在于利用网关节点使VoIP数据穿越无线传感器网络，解决了网络孤 岛与抗灾中心(非灾区)或网络孤岛间的临时语音通信问题，满足了VoIP语音数据报 穿越无线传感器网络过程中对投递与寻址的需求，拓宽了在某些场景中IP网络间语音 数据报的传输范围。本发明还可有其他多种实施方式，在不背离本发明精神及其实质 的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出各种相应的改变和变形，这些相 应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。