1、到端的连接， 为了让应用有效地运行， 应 用层则需自己维护这一点。 盲目地将协议分层， 使其不能保证关键网络部件上的可靠、 快速和有序的传输， 这通常会产生令人不满意的结果。 当我们进入一个传感器网络成为能源管理、 楼宇自动化和其他应用不可分割的一 部分的时代时， 有必要使应用基础设施标准化， 从而实现来自于各种供应商的系统之 间的互操作性。 在第 5 章， 我们会遇到这样的想法， 将从专有的 ZigBee 空间中获得的 经验适用到在 UDP/ IP/6LoWPAN 空间中的运行。 见到了合成共同特性以提高互操作性 和提供竞争性产品所做的这些努力是非常令人鼓舞的。 所谓的 CAP 协议是工作中
2、的一 个关键元素， 它对互联网协议库做了非常重要的贡献。 这一章结尾有各种专有协议的 纲要和总结， 这些协议最终都将被调整以便工作在一个更加标准的互联网环境中， 从 而使这些协议可以被广泛使用。 在 6LoWPAN 中， ZigBee 协议和面向互联网的协议的聚合， 以及智能设备因特网协 议 （IPSO） 联盟的成立， 都预示着低功耗网络的具体解决方案正在开始结合互操作性 设计。 而互操作性将成为物联网的一个核心部分。 我还无法预见这一逐渐达成共识的 成果， 但可以很公正地说， 它将提供一个信息丰富的环境， 在其中我们可以创造新的 应用和提供反馈， 以使我们能做出更明智的选择， 从而出现一个拥
3、有更加智能环境的 社会。 Vint Cerf Google 公司副总裁兼首席因特网专家 6LoWPAN： 无线嵌入式物联网 原 书 前 言 对于互联网工程协会、 技术用户、 公司和社会这一个大整体来说， 物联网被认为 是下一个大机遇和挑战。 它涉及将嵌入式设备， 如传感器、 家庭应用、 气象站、 甚至 玩具连接到基于因特网协议 （IP） 的网络中。 支持 IP 的嵌入式设备的数量正在迅速增 加， 虽然这个数量难以估计， 但在将来肯定会超过个人计算机 （PC） 和服务器的数 量。 随着过去 10 年在微控制器、 低功耗无线电、 电池和微电子技术方面取得的进步， 工业中的趋势是使智能嵌入式设备 （
4、称为智能对象） 支持 IP， 并成为互联网上最新服 务中的不可分割的一部分。 这些服务不再仅仅是只包括由人类创造的数据信息， 它们 还将通过传感器数据、 对机器的监视和控制的行为以及其他类型的物理环境来与物理 世界紧密相连。 我们称这样的由许多无线低功耗嵌入式设备组成的最前沿互联网为无 线嵌入式网络。 无线嵌入式网络所支持的应用对社会有效、 安全和可持续性的发展至 关重要。 几个重要的例子包括家庭和楼宇自动化、 医疗保健、 有效能源使用、 智能电 网和环境监测。 互联网标准是由互联网工程任务组 （IETF） 制定的。 一套用于 6LoWPAN 的新的 IETF 标准将成为无线嵌入式网络的一项关
5、键技术。 WPAN 最初代表无线个人局域网， 也是一个从 IEEE 802. 15. 4 标准中得到的术语。 现在 WPAN 不再用来描述 6LoWPAN 的 大范围应用。 在本书中我们使用术语低功耗无线个人局域网 （LoWPAN）。 本书中所有 内容都是关于 6LoWPAN 的， 给出了这项技术、 应用、 相关标准以及现实中的部署和实 现考虑的完整概述。 在低功耗网络行业中， 从 ZigBee 自组织控制到例如 ISA100 这样的 工业自动化标准， 都在迅速地融合 IP 技术， 特别是 IPv6 技术的使用。 在异构技术、 兴 趣小组和各种应用相互融合的过程中， 6LoWPAN 扮演了一个
6、重要的角色。 本书是对理解和应用 6LoWPAN 的明晰介绍和有效参考， 适合从事嵌入式系统和网 络或互联网应用的专家、 相关院校的本科生和研究生以及教师阅读。 本书及其配套材 料， 可以作为一个 6LoWPAN 短期强化课程的基础， 也可以作为完整课程中的一个 模块。 请访问本书的官方网站 http： / /6lowpan. net。 在那里你可以找到本书的配套材料， 包括课程材料和 6LoWPAN 编程练习。 作者的 6LoWPAN 互动博客， 以及其他 6LoWPAN 材料也可以在该网站上找到。 我们很乐意听取您的意见、 想法和建议。 为了最有效的使用本书， 建议读者了解互联网架构 RF
7、C1958， RFC3439、 IPv6 RFC2460， RFC4291， RFC4861 以及无线通信的背景知识。 本书广泛参考了互联网工 程任务组 （IETF） 制定的标准 （RFC） RFCxxxx 文件和 Internet - Draft （I - D） ID - xx - xx - xx 文件。 这些文件都可以免费并且很容易地在网站 http： / / www. ietf. org 上找到。 请记住， Internet - Draft 是 IETF 标准化过程中正在进行的一项工作， 在成为一 个 RFC 之前， 它会非常频繁地改变。 本书内容是按如下方式展开的。 第 1 章给出了无
8、线嵌入式网络、 6LoWPAN 及其架 构的介绍。 第 2 章详细介绍了 6LoWPAN 的格式、 特点， 并解释了它是如何在实际中工 作的。 第 3 章探讨自举 6LoWPAN 网络中使用邻居发现与相关的安全问题。 第 4 章着眼 于在 6LoWPAN 网络和互联网中讨论移动性和路由这两个重要问题。 第 5 章讨论了应用 协议。 最后， 第 6 章介绍了与在嵌入式设备和路由器中使用 6LoWPAN 相关的实现问 题。 第 7 章给出了几个使用 6LoWPAN 系统的例子， 其中包括 ISA100。 第 8 章对全文进 行了总结并讨论了将来可能遇到的挑战。 为了便于参考， 附录中提供了一些基本
9、信息， 包括 IPv6 （附录 A） 和 IEEE 802. 15. 4 （附录 B）。 因为电信和互联网工程使用了很多特殊的术语， 因此本书中的许多术语可能会冲 突。 为了便于理解， 我们在本书的最后列出了一个重要术语的词汇表以作为参考。 相 关的 IETF 文件也会在开始的地方有术语介绍部分， 这对于读者的理解很有帮助。 最后， 由于历史和现实的原因， 时至今日我们仍使用 IETF 风格以 ASCII 艺术来表 示数据包头格式， 这使得读者可以更加容易参考 IETF 文件， 从而可以对协议细节进行 进一步的详细阅读。 附录 A 中有对这种格式的解释。 芬兰 Sensinode 公司， Za
10、ch Shelby 德国不来梅大学 TZI， Carsten Bormann 6LoWPAN： 无线嵌入式物联网 目 录 译者序 推荐序 原书前言 第 1 章 简介1 1. 1 无线嵌入式物联网2 1. 1. 1 为什么使用 6LoWPAN？4 1. 1. 2 6LoWPAN 的历史和标准化5 1. 1. 3 6LoWPAN 与其他技术趋势之间的关系7 1. 1. 4 6LoWPAN 的应用8 1. 1. 5 实例： 设施管理10 1. 2 6LoWPAN 架构11 1. 3 6LoWPAN 简介14 1. 3. 1 协议栈14 1. 3. 2 6LoWPAN 链路层15 1. 3. 3 编址
11、17 1. 3. 4 报头格式18 1. 3. 5 启动19 1. 3. 6 网状拓扑结构20 1. 3. 7 互联网的整合20 1. 4 网络实例21 第 2 章 6LoWPAN 格式23 2. 1 适配层的功能23 2. 2 有关链路层的假设25 2. 2. 1 IEEE 802. 15. 4 以外的链路层技术25 2. 2. 2 链路层服务模型25 2. 2. 3 链路层编址26 2. 2. 4 链路层管理和操作27 2. 3 6LoWPAN 基本格式28 2. 4 编址30 2. 5 转发和路由32 2. 5. 1 L2 转发 （“Mesh - Under”）33 2. 5. 2 L3
12、 路由 （“Route - Over”）35 2. 6 报头压缩36 2. 6. 1 无状态报头压缩37 2. 6. 2 基于上下文的报头压缩40 2. 7 分片和重组46 2. 7. 1 分片格式49 2. 7. 2 避免分段性能损失52 2. 8 多播53 第 3 章 自举和安全55 3. 1 调试56 3. 2 邻居发现57 3. 2. 1 地址构造58 3. 2. 2 注册61 3. 2. 3 注册冲突65 3. 2. 4 多跳注册68 3. 2. 5 节点操作70 3. 2. 6 路由器操作71 3. 2. 7 边缘路由器操作72 3. 3 安全73 3. 3. 1 安全目标和威胁模
13、型74 3. 3. 2 第二层安全机制75 3. 3. 3 第三层安全机制76 3. 3. 4 密钥管理78 第 4 章 移动性和路由80 4. 1 移动性80 4. 1. 1 移动类型81 4. 1. 2 移动性解决方案83 4. 1. 3 使用方法85 4. 1. 4 移动 IPv685 4. 1. 5 代理本地代理88 4. 1. 6 代理 MIPv688 4. 1. 7 NEMO90 4. 2 路由91 4. 2. 1 概述92 4. 2. 2 邻居发现的角色94 4. 2. 3 路由要求95 4. 2. 4 路由指标97 6LoWPAN： 无线嵌入式物联网 4. 2. 5 MANET
14、 路由协议98 4. 2. 6 ROLL 路由协议100 4. 2. 7 边界路由105 4. 3 IPv4 互联性106 4. 3. 1 IPv6 过渡107 4. 3. 2 IPv6 - in - IPv4 隧道108 第 5 章 应用协议110 5. 1 简介110 5. 2 设计问题112 5. 2. 1 链路层114 5. 2. 2 网络114 5. 2. 3 热点问题115 5. 2. 4 压缩115 5. 2. 5 安全116 5. 3 协议范式116 5. 3. 1 端到端116 5. 3. 2 实时流和会话117 5. 3. 3 发布/ 订阅117 5. 3. 4 Web 服
15、务范式118 5. 4 通用协议119 5. 4. 1 Web 服务协议119 5. 4. 2 用于传感网络的 MQ 遥测传输121 5. 4. 3 ZigBee 紧凑应用协议123 5. 4. 4 服务发现125 5. 4. 5 简单网络管理协议126 5. 4. 6 实时传输和会话126 5. 4. 7 特定于行业的协议128 第 6 章 6LoWPAN 的应用131 6. 1 芯片解决方案131 6. 1. 1 单芯片解决方案132 6. 1. 2 双芯片方案132 6. 1. 3 网络处理器解决方案133 6. 2 协议栈133 6. 2. 1 Contiki 与 uIPv6134 6
16、. 2. 2 TinyOS 与 BLIP135 6. 2. 3 Sensinode 公司的 NanoStack 协议栈135 6. 2. 4 Jennic 公司的 6LoWPAN 的产品136 目 录 6. 2. 5 Nivis 公司的 ISA100136 6. 3 应用程序开发137 6. 4 边缘路由器集成140 第 7 章 系统实例143 7. 1 ISA100 工业自动化143 7. 1. 1 工业无线传感器网络的推动作用144 7. 1. 2 工业应用的复杂性145 7. 1. 3 ISA100. 11a 标准146 7. 1. 4 ISA100. 11a 数据链路层148 7. 2
17、 无线 RFID 架构149 7. 2. 1 技术概述151 7. 2. 2 6LoWPAN 优越性152 7. 3 楼宇节能与管理152 7. 3. 1 网络架构153 7. 3. 2 技术概述153 7. 3. 3 6LoWPAN 的优越性154 7. 4 WirelessHART 工业自动化154 7. 4. 1 工业无线传感器网络的采用155 7. 4. 2 无线传感器的应用156 7. 4. 3 WirelessHART 标准158 7. 4. 4 WirelessHART 协议栈159 7. 4. 5 WirelessHART 中的 IPv6161 第 8 章 结论163 附录16
18、6 附录 A IPv6166 A. 1 表示方法166 A. 2 寻址167 A. 3 IPv6 邻居发现169 A. 4 IPv6 无状态地址自动配置171 附录 B IEEE 802. 15. 4 引言173 B. 1 介绍173 B. 2 数据包格式总述174 B. 3 MAC 层安全175 缩略语177 术语184 参考文献188 6LoWPAN： 无线嵌入式物联网 第 1 章 简 介 在过去 20 年中， 互联网取得了巨大的成功， 从一个局限于少数学校之间的学术网 络发展成为一个超过 14 亿人使用的全球网络。 正是因为采用将异构网络互联的模式以 及统一资源定位符 （URL） 这种创
19、新性的万维网 （WWW） 模式、 超文本传输协议 （HTTP） 和基于超文本标记语言 （HTML） 的通用内容标记的使用， 才使互联网的发展 成为可能。 而人民大众的创新则是互联网成功背后最大的推动力。 互联网创新的开放 性， 是之前任何电信系统都无法比拟的。 这使得从互联网建构师到通信工程师、 IT 员 工以及互联网使用者都可以对互联网进行创新， 这为互联网技术迅速地增加了新的协 议、 服务和应用。 随着由路由器、 服务器和个人计算机组成的互联网的成熟， 另一场互联网革命正 在进行 物联网。 在物联网背后， 嵌入式设备， 也称为智能对象， 正普遍成为支持 IP 的设备， 并成为互联网不可分割
20、的一部分。 今天使用 IP 的嵌入式设备和系统， 小到 移动手机、 个人健康设备和家庭自动化到工业自动化、 智能抄表系统和环境监测系统。 物联网的规模是巨大的， 数以万亿的设备在不远的将来都可能变成支持 IP 的设备。 物 联网的影响将会意义重大， 有了物联网， 以后将会有更好的环境监测、 更好的节能技 术、 更好的智能电网、 更高效的工厂、 更好的物流、 更好的医疗保健和智能家居。 物联网革命和工业自动化系统始于 20 世纪 90 年代初。 工业自动化中的早期专用 网络很快被不同形式的工业以太网所代替， 互联网协议在嵌入式自动化设备和后端系 统之间也被广泛应用。 随着以太网和 IP 变得无处
21、不在， 这一趋势也在其他自动化领域 中得到持续。 机对机 （M2M） 遥测技术已经在 2000 年早期取得了重大突破， 它使用蜂 窝调制解调器和 IP 技术来监测和控制包括从自动售货机到水泵在内的各种各样的设 备。 楼宇自动化系统已经从传统控制转化为通过楼宇自控网 （BACnet） 和开放式建筑 信息交换 （oBIX） 标准来广泛运用有线 IP 通信。 最近， 自动抄表基础设施和智能电网 正在以极快的速度被部署， 这主要依赖于 IP 技术的可扩展性和普遍性。 最后， 手机已 经普遍成为支持 IP 的嵌入式设备， 这成为了物联网设备的最大主体。 监测和控制嵌入式设备的服务也取得了同等重要的发展。
22、 如今， 这些服务都普遍 基于互联网技术， 并通过使用 Web 的服务来实现。 Web 服务技术已经彻底改变了商业 和企业应用设计和部署的方式。 正是这些通过互联网的嵌入式设备与基于 Web 的服务 的结合， 才使得物联网成为一个强有力的范例。 尽管数以百万计的嵌入式设备已经支持 IP， 但物联网还停留在 2009 年时的起步阶 段。 虽然处理器性能、 电源和通信技术都已经不断提高， 但通信标准、 协议和服务的 复杂性也在不断增加。 因此， 到目前为止， 只有在功能最强大的嵌入式设备中才可能 使用互联网功能。 此外， 低功耗无线通信限制了实际带宽和占空比。 正因为这些原因， 在整个 20 世纪
23、 90 年代和 21 世纪初， 出现了一大批专用低功耗无线和组网技术。 这分 割了市场并减缓了物联网技术的部署。 图 1-1 无线嵌入式 6LoWPAN 设备 电气电子工程师学会 （IEEE） 在 2003 年发布了 802. 15. 4 低功耗无线个人局域网 （WPAN）， 这是一个重大的里程碑， 它提 供了全球第一个低功耗无线标准。 此后不 久， ZigBee 联盟在 IEEE 802. 15. 4 的基础上 为自组织控制网络开发了一个解决方案， 并为无线嵌入式技术的应用做了大量的宣 传。 ZigBee 和专用组网解决方案只解决了 一小部分无线嵌入式组网的应用， 因其垂 直绑定到链路层和应
24、用程序配置文件， 导致其在可扩展性、 可发展性以及互联网整合 上仍然存在问题。 现在需要一种新的模式， 以使只拥有有限处理能力的低功耗无线设 备 （见图 1-1） 也可以加入到物联网中， 组成我们所说的无线嵌入式互联网。 本书介绍了一套互联网标准， 该标准在低速无线局域网上使用了 IPv6 （Internet Pro 王鹰宇 编著 机 械 工 业 出 版 社 本书对 Abaqus 的界面二次开发定制功能进行了全面的阐述。 全书分为 6 篇， 共 14 章。 第 1 章介绍了 GUI 工具包的作用、 基础， 第 2 章介绍了 GUI 工具包开发的流程， 第 3 章到第 5 章介绍了界面开发中使
25、用到的各种窗口部件， 第 6 章和第 7 章介绍了程序内部如何处理从窗口部 件中得到的数据输入， 第8 章到第10 章介绍了如何创建 GUI 模块和工具包 以及例子， 第 11 章到第 14 章描述了如何创建一个自定义的应用。 本书可供使用 Abaqus 软件的人员参考。 图书在版编目 （CIP） 数据 Abaqus GUI 工具包用户手册/ 王鹰宇编著 . 北京： 机械工业出版社， 2017. 8 （Abaqus 用户手册大系） ISBN 9787111577591 . A . 王 . 有限元分析 - 应用 软件 - 手册. O241. 8239 中国版本图书馆 CIP 数据核字 （2017
26、） 第 200380 号 机械工业出版社（北京市百万庄大街 22 号 邮政编码 100037） 策划编辑： 孔 劲 责任编辑： 孔 劲 范成欣 责任校对： 王 延 封面设计： 张 静 责任印制： 常天培 北京圣夫亚美印刷有限公司印刷 2018 年 1 月第 1 版第 1 次印刷 184mm 260mm20. 25 印张2 插页485 千字 00013000 册 标准书号： ISBN 9787111577591 定价：89.00元 凡购本书， 如有缺页、 倒页、 脱页， 由本社发行部调换 电话服务网络服务 服务咨询热线： 01088361066机 工 官 网： www. cmpbook. com
27、 读者购书热线： 01068326294机 工 官 博： weibo. com/ cmp1952 01088379203金书网： www. goldenbook. com 封面无防伪标均为盗版教育服务网： www. cmpedu. com 本书对 Abaqus 的界面二次开发定制功能进行了全面的阐述。 GUI 工具包配合 Abaqus 的脚 本语言， 使得用户可以按照自己的需求和工作习惯， 以及所解决问题的特点， 自定义工作界面 来进行数据输入、 自动建模计算、 自动后处理， 自动得到问题的计算报告所需要的各种结果。 本书分为 6 篇， 共 14 章。 第1 篇 （第1 章） 介绍了 GUI
28、工具包的作用和 GUI 工具包的基础， 以及该手册的组织结构。 第 2 篇 （第 2 章） 介绍了 GUI 工具包的开发流程。 第 3 篇 （第 3 5 章） 介绍了界面开发中使用到的各种窗口部件。 第 4 篇 （第 6、 7 章） 介绍了程序内部如何处理从窗口部件中得到的数据输入。 第 5 篇 （第 8 10 章） 介绍了如何创建 GUI 模块和工具包， 并给出了具体的实例。 第 6 篇 （第 11 14 章） 介绍了如何创建一个自定义的应用。 本书面向希望进行特定问题定制开发的用户， 前提是比较熟悉 Abaqus 软件的使用方法。 本书的出版得到了 SIMULIA 中国区总监白锐先生、 用
29、户支持经理高祎临女士和 SIMULIA 中 国南方区资深经理及技术销售高绍武博士的大力支持和帮助， 特此表示感谢。 特别感谢 3M 中国有限公司技术部总经理熊海锟先生在我的工作中给予的巨大支持和 帮助。 特别感谢 3M 中国有限公司技术部的主任专家工程师徐志勇先生在我最需要的时候给予 的巨大帮助。 特别感谢我的良师益友， 3M 中国有限公司技术部资深技术经理金舟给予的莫大帮助。 特别感谢 3M 中国有限公司技术部的资深技术经理周杰先生在我的工作中给予的莫大 帮助。 特别感谢 3M 亚太区工程中心经理朱迪先生在我职业生涯的关键时刻给予的莫大帮助。 特别感谢 3M 中国有限公司技术支持专家工程师陈
30、菊女士给予我的关怀和帮助。 由于编者水平有限， 书中不足之处在所难免， 望读者批评和指正。 意见和建议可以发送 至邮箱 wayiyu110 sohu. com， 编者将进行汇总， 在将来的版本中给予更新完善， 不胜感激！ 编 者 前 言 第 1 篇 概 览 1 介绍3 1. 1 能用 Abaqus GUI 工具包做什么5 1. 2 使用 Abaqus GUI 工具包的前提条件7 1. 3 Abaqus GUI 工具包基础9 1. 4 Abaqus GUI 工具包用户手册的组织结构11 第 2 篇 入 门 2 Abaqus GUI 工具包入门17 2. 1 内核和 GUI19 2. 2 Abaqus GUI 应用的组件21 2. 3 插件和自定义的应用24 2. 4 运行原型应用26 第 3 篇 建立对话框 3 窗口部件31 3. 1 标签和按钮33 3. 1. 1 标签和按钮的概览34 3. 1. 2 标签34 3. 1. 3 按钮35 3. 1. 4 检查按钮35 3. 1. 5 单选按钮35 3. 1. 6 菜单按钮36 3. 1. 7 弹出菜单37 3. 1. 8 工具栏和工具包按钮37 3. 1. 9 弹出按钮38 3. 1. 10 颜色按钮38 3. 2 文本窗口部件40 3. 2. 1 单行文本区域窗口部件41 3. 2. 2 多行文本窗口部件42
