两信道物联网协议分析仪的设计与实现

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Design and Implementation of Two-channel Protocol Analyzer of the 10TWANG Ping ，FANG Yan ，XIE Hao-fei ，ZHANG Jun ，CHEN Qing.hua(1.Key Laboratory of Industrial Wireless Netwo and Networked Control，Ministry of Education，Chongqing University of Postsand Telecommunications，Chongqing 400065，China；2.China Silian Instrument Group Co.，Ltd.，Chongqing 400065，China)Abstract：On the basis of studying Internet of Things(1OT)protocols and wireless RF technology，designing and imple-menting the two-channel protocol analyzer，which was make up with data collect device and the PC protocol analysissoftware，using wireless radio frequency technology to capture wireless data packets on any two channels of the2.4GHz ISM band in real-time，In addition，proposing one fast matching algorithm and applied it to the protocol de-coding module which rapidly improve the analysis of the rate of the protocol analyzer.The protocol analyzer haveachieve functions like protocol analysising，network monitoring，fault diagnosis and SO on，it can works underISA100.1la，ZigBee，WIA-PA，6LoWPAN，IEEE802.15.4E five IOT protocols.The processing time was less than 10msand the packet loss rate was less than l% within 10 meters.The experiment results showed that the analyzer was asimple，real and effective network troubleshooting，testing and performance maintenance tools。

Key words：internet of things(IOT)protocol；wireless RF technology；data colect；protocol analyzer；fast matching近年来 ，集成了嵌入式技术和传感器技术的物联网技术成为了研究热点。目前，物联网协议有ISA100.11a、Zigae、WIA · 、6LoWPAN、IEEE802 15.4E等，随着物联网应用的不断扩大，专业的协议分析仪对于-个网络的稳定运行是至关重要的。首先.在组网过程中。实时掌握各结点当前状态决定了组网收稿Et期：2012-07-20：修订 日期：2012-08-15基金项目：重庆邮电大学研究生教育创新计划重点项 目；重庆市研究生教育教学改革研究项目(yjgl10207)：科技创新工程重大项目培育基金项目(教技司计[2008]6号)(708074)作者简介：王平(1963-)，男，教授，博士生导师，研究方向为工业以太网及网络控制技术、汽车电子控制系统；方燕(1987-)，女，硕士研究生，研究方向为网络控制技术 、无线控制网络及其应用、无线传感器网络；谢吴飞(1978-)，男.副教授 ，研究生导师，研究方向为网络控制技术、协议测试 、网络故障诊断等。

自动化与仪表2013(1) 田的成功与否；其次，顺利完成组网后，实时监控各结点的工作状态 ，如能量剩余、是否掉线等也是-个重要的问题 ，决定了该网络能否正常、高效地完成任务。文献1-2]中采用的是多点分布全信道监听方法，经网关上传至计算机网卡结合 WireShark软件进行协议分析，系统庞大、造价高、只面向WirelessHART协议，且无法在WireShark上添加特制功能。

为了应对这些挑战，本实验室在深入研究了物联网无线通信技术[31的基础上。研发了这款两信道物联网协议分析仪 .它具有体积小 、易携带 、低成本、可面向多种协议等特点，可提供协议测试、网络监控、故障诊断等服务，具有良好的应用前景。

1 基于特征位的快速匹配算法基于特征位的快速匹配算法用于协议分析软件的协议解码拈 ，所谓协议解码，就是根据协议所规定的报文格式 .逐层地解析数据。得到相应的数据信息。虽然采用逐层次逐字节甚至逐个比特位比较的协议解码方式，能够准确地进行解码。但是，由于需要逐个字节甚至比特位的比较判断.会影响解码的效率¤鉴图像处理中基于特征位的快速匹配算法[41，利用不同协议的相关特征位的取值不同，提取特征位的值进行快速匹配处理，以节省协议解码处理的时间。所谓特征位的快速匹配算法，就是指根据已有的协议数据格式到数据包特定的位置去取值 .然后把此取出的值同协议类型中定义的值进行对比可以得出此数据包的具体协议类型，以便于做进-步分析处理。

2 两信道物联网协议分析仪的硬件设计两信道物联网协议分析仪在硬件结构上比较紧凑，使用单 CPU处理器结构。系统硬件结构与接El如图 1所示，主控拈(LPC1114FB)通过两个 SPI图 1 系统硬件结构Fig.1 System hardware architecture总线 通 信 接 口拖 带 两个 无 线 射 频 通 信 模 块(UZ2400D)，可以实现对两个无线通信拈的寄存器的读写，从而完成对拈通信参数的配置，进-步控制拈对无线数据的收发；主控拈获取两个无线拈传送过来的数据，通过串口转 USB接口上传至上位机。

本系统数据采集器外形设计为市面上常见的U盘模样，体积小，非常便于携带，而且设计为 USB接口，支持热插拔，可以即插即用；另外系统设计简练，结构紧凑，所以成本仪常低廉。

3 两信道物联网协议分析仪的软件设计整个系统软件由下层数据采集器软件和上层协议分析软件组成。

3.1 下层两信道数据采集器软件设计下层数据采集器软件流程图如图2所示。

( 竺 ). ... .. .. ... .. .. .. ...：I：....- 初始化 LPC1114二二[ 两个射频拈通过SPI配置其参数< 通过SPI读取射频拈数据二二I二二将数据处理后通过串口上传上位机兰图 2 数据采集器软件流程图Fig.2 Software flow chart of data colector描- -络描 遂 ～ 首先进行各拈初始化.根据所收到的上位机下发的命令来执行相应的操作 ：若收到修改信道的指令 ，则修改监听信道号：若收到信道能量扫描指令，则根据上位机下发的参数进行能量扫描或有效扫描，并将扫描结果暂存于射频拈。若上位机没有下发命令 ，则处于数据监听状态 ，主控拈轮询两个射频拈，-旦发现射频拈缓存 中有数据包，就将其取出进行处理 ，添加报文头、信道号、长度、LQI等信息，并上传给上位机进行协议分析。

3.2 上层协议分析软件设计3.2.1 数据解码拈本协议分析仪可 以分析 ISA100.1la、ZigBee、WIA-PA、6LoWPAN、IEEE802.15.4E网络下的报文，通过人机交互界面来设定协议分析仪工作在哪个协议下，虽然协议不同，但解码的思路-致 ，本文以6LoWPAN网络报文为例做-个详细的论述，结合快速匹配算法 ，剖析协议报文的解码思路。分析6LoWPAN协议的报文格式，可以得到几类特征位：物理层的帧长度、MAC层的重制中的帧类型子字段、适配层的Dispatch类型字段、网络层的下-个头字段(Next Header)。因此，利用这些特征位对接收到的数据提取对应特征位.进行快速匹配以选择相应的解码方式♀码拈软件流程图如图3所示。

具体步骤如下：按IEEE 802.15.4l标准所定 义的IMAC层 ACK确I认帧格式解析，l磊 MAC 蓊I tKIU 制域、序列-号的MAC校验I l和 I l开始的特征位：帧征位：帧类型子霹Disp atch 征位： 字段的最高两/上N按6LoWPAN适配层所定 义的Mesh头、广播头、分片头 、压缩IPv6头 或非压缩IPv6头解析按照IEEE I l按照IEEE l 雾lI 攀I 1 所定义的MAc所定义的MAcl/. 层信标帧格式层MAc命令帧 、解析 格式解析l 7亲/1)提取物理层的特征位即帧长度，判断取值是等于 5还是在 9～127之间。若取值为 5，则表明是MAC的ACK确认帧，只需要直接解析出 MAC层的重制字段、序列号字段和 MAC层执校验和。若是在 9～127之间，则需要提取 MAC层的特征位。

2)提取 MAC层的特征位 ，即重制中的帧类型子字段。该子字段为 3个比特位，若取值为 000(二进制)时，则表明是信标帧 ，需要按照 IEEE802.15.4标准规则的信标帧格式进行解析；若取值为 010则为 ACK帧；若取值为 011，则表明为 MAC命令帧，需要按照IEEE 802.15.4标准规则的信标帧格式进行解析；若取值为 001，则表明是数据帧，需要提取适配层的特征位。

3)提取适配层的特征位 Dispatch字段.得到调度头的类型是非 LoWPAN帧(OxO0).非压缩的IPv6数 据 (Ox41)，LOWPANHC1压 缩 的 IPv6数 据(0x42)，LOWPAN-BCO广播 (Ox50)，Mesh(最高两比特位为 lO)或分片(最高两比特位为 1O)。然后按照调度头的类型解析各类头部，提取网络层的特征位。

4)提取网络层的特征位下-个头字段 (NextHeader)。若其取值为 58，则表明是 ICMPv6协议数据.则按 ICMPv6协议规定的帧格式解码即可：若其取值为 17则表明是 UDP协议数据，调用 UDP协议规定的帧格式解码即可。

停止解码并存储解码 I l 解码UDP报文 l JICMPv6报文(竺室 )图 3 快速匹配算法解码流程图Fig.3 Software flow chart of protocol analyzer mode自动化与仪表 2013(1)为更好地了解信道和网络的通信状态，设计并实现了信道能量扫描功能，上位机软件给数据采集器发送命令，数据采集器接收到命令后响应并触发相应的扫描函数.获取每个信道的LQI值，并将扫描结果上传给上位机进行显示。通过能量扫描可掌控 2.4G上各信道的信道质量信息。

4 两信道物联网协议分析仪的测试与应用4.1 功能测试平台的搭建为了测试两信道物联网协议分析仪进行有效的测试.搭建了-个由两信道物联网协议分析仪、发包设备和 PC机组成功能测试平台。

4.2 测试内容和方法测试内容有：数据采集准确性测试、协议田