IPv6單棧模式是指僅使用IPv6不支持IPv4,。向 IPv6單棧過渡是必然趨勢,。而IPv6單棧演進(jìn)的可視化測量研究目前較少。設(shè)計(jì)IPv6網(wǎng)絡(luò)可視化測量系統(tǒng),，既要考慮IPv6協(xié)議本身的標(biāo)識,、封裝屬性，又要考慮可視化測量系統(tǒng)自身在IPv6單棧環(huán)境下的運(yùn)行,。

隨著IPv6規(guī)模部署的推進(jìn),，各類應(yīng)用系統(tǒng)及設(shè)備對IPv6網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議支持需求的劇增成為IPv6單棧演進(jìn)需要考慮的關(guān)鍵問題之一。支持IPv6的高精度衛(wèi)星定位網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng),，作為信息物理系統(tǒng)^[1](Cyber-Physical Systems,，CPS)的一部分,，對各行各業(yè)開展更大范圍、更深層次的IPv6協(xié)同創(chuàng)新,，推動IPv6單棧大規(guī)模部署具有非常重要的意義,。

在此背景下，作為共性關(guān)鍵技術(shù)的IPv6單棧的演進(jìn)和北斗系統(tǒng)^［2］的融合應(yīng)用變得尤其重要,。因此,，IPv6可視化測量系統(tǒng)需要兼顧支持IPv6單棧和高精度衛(wèi)星定位這兩方面的設(shè)計(jì)問題，系統(tǒng)自身也能在IPv6單棧環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行,。

北斗三號導(dǎo)航定位系統(tǒng)作為全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)^［3］（GlobalNavigation Satellite System,，GNSS），發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量最多,，覆蓋120個國家和地區(qū),，軌道徑向精度6.6厘米^［4］。北斗三號在高精度算法和高精度板卡制造方面,，運(yùn)用RTK(Real-time Kinematic,，實(shí)時動態(tài)差分 ) 技術(shù)能將精度提升至厘米級。

消息隊(duì)列遙測傳輸^［5］(Message Queuing Telemetry Transport,，MQTT)是ISO標(biāo)準(zhǔn)下基于發(fā)布/訂閱范式的消息協(xié)議,。它工作在TCP/IP協(xié)議族上，是為硬件性能低下的遠(yuǎn)程設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)狀況糟糕的情況而設(shè)計(jì)的發(fā)布 / 訂閱型消息協(xié)議,。

MQTT 協(xié)議在受限的環(huán)境中,，如衛(wèi)星鏈路通信傳感器、機(jī)器與機(jī)器通信和物聯(lián)網(wǎng)中已廣泛使用,。通過MQTT協(xié)議,，目前已經(jīng)擴(kuò)展出了數(shù)十個MQTT服務(wù)器端程序，可以通過PHP,、Java,、Python、C,、C#等編程語言來向MQTT發(fā)送相關(guān)消息,。

本文針對移動終端運(yùn)行關(guān)鍵數(shù)據(jù)，與全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的經(jīng)緯度坐標(biāo)綁定,，基于MQTT協(xié)議進(jìn)行IPv6網(wǎng)絡(luò)發(fā)布和訂閱,，為指揮控制中心全面了解和監(jiān)測現(xiàn)場移動終端和被測對象的運(yùn)行狀態(tài)，提供可視化測量系統(tǒng)并進(jìn)行驗(yàn)證和展示,。

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的基本原理是：測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離,，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，就可知道接收機(jī)的具體位置,。

要達(dá)到這一目的,，衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時鐘所記錄的時間在衛(wèi)星星歷中查出,。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過記錄衛(wèi)星信號傳播到用戶所經(jīng)歷的時間，再將其乘以光速得到,。由于大氣層電離層的干擾,，這一距離并不是用戶與衛(wèi)星之間的真實(shí)距離，而是偽距（PR）,。

當(dāng)GPS衛(wèi)星正常工作時,，會不斷地用1和0二進(jìn)制碼元組成的偽隨機(jī)碼（簡稱“偽碼”）發(fā)射導(dǎo)航電文。然而,，由于用戶接收機(jī)使用的時鐘與衛(wèi)星星載時鐘不可能總是同步,，所以除了用戶的三維坐標(biāo) x、y,、z 外,，還要引進(jìn)一個Δt，即衛(wèi)星與接收機(jī)之間的時間差作為未知數(shù),，然后用4個方程將這4個未知數(shù)解出來。因此,，如果想知道接收機(jī)所處的位置,，至少要能接收到4顆衛(wèi)星的信號^［6］。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

接收機(jī)與RTCM服務(wù)器為同一臺服務(wù)器,，移動終端設(shè)備由UM482基站、USB轉(zhuǎn)RS485模塊,、支持本地鏈路地址FE80::/10的通信模塊組成,，移動終端(傳感器 + 嵌入式 OS)和MQTT服務(wù)器之間采用MQTT協(xié)議通信，訂閱RTCMessage信息并發(fā)布DeviceMessage信息,。

IPv6協(xié)議單棧部署設(shè)計(jì)包括IPv6單棧網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和 IPv6單棧站點(diǎn)設(shè)計(jì),。

IPv6單棧網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)為基于DHCPv6的地址生成系統(tǒng),，此系統(tǒng)支持基于用戶信息和地理信息生成IPv6地址，系統(tǒng)組成原理如圖2所示,。

圖2 單棧IPv6地址生成系統(tǒng)原理

具體而言,，DHCPv6服務(wù)器確定所述地理信息與DHCPv6服務(wù)器的地理信息的差值,，并分別對該差值以及與所述用戶信息相關(guān)的賬號信息進(jìn)行壓縮處理。

由此確定與所述差值相關(guān)的5個字節(jié),，以及與賬號信息相關(guān)的3個字節(jié),。其中，5個字節(jié)包括與經(jīng)度信息相關(guān)的2個字節(jié),，與緯度信息相關(guān)的2個字節(jié)以及與高度信息相關(guān)的1個字節(jié),。

壓縮處理后，確定與該DHCPv6服務(wù)器單元通信的用戶端的IPv6地址的后64位,，并判斷該用戶端的IPv6地址是否與數(shù)據(jù)庫中存儲的已有IPv6地址相同,。

若相同，則DHCPv6服務(wù)器單元隨機(jī)生成一修正IPv6地址,，并將其下發(fā)至該用戶端,；若不同，則保留該用戶端的IPv6地址,，并將其下發(fā)至該用戶端,。

IPv6單棧站點(diǎn)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于禁止IPv4協(xié)議的運(yùn)行或在網(wǎng)卡上禁用IPv4地址,，本文基于ubuntu20.04和Apache2.4.48實(shí)現(xiàn),。

根據(jù)可視化測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，通過MQTT服務(wù)器傳輸的消息結(jié)構(gòu)體主要包括RTCMessage 和DeviceMessage兩種,，其中RTCM主要是增加長度字段轉(zhuǎn)發(fā),。本文設(shè)計(jì)了移動終端設(shè)備到MQTT服務(wù)器的DeviceMessage數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)體為56字節(jié),，如下所示,，保留字段支持不同類型的時延地理敏感性指標(biāo)參數(shù)填充。

RTCMessage消 息 發(fā) 布 訂 閱 程 序 流 程 設(shè) 計(jì) 如 下：

圖3 RTCM發(fā)布流程和MQTT訂閱流程

DeviceMessage消息發(fā)布訂閱程序流程設(shè)計(jì)如下：

通過對單點(diǎn)定位和多點(diǎn)定位精度測量的對比可以發(fā)現(xiàn)，多點(diǎn)定位時經(jīng)緯度位置偏移范圍更小,。接收的衛(wèi)星定位經(jīng)緯度信息可通過對保存的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行偏移分析來獲取,。在多點(diǎn)定位固定基站和移動站環(huán)境搭建完成后，可以部署 MQTT程序傳輸技術(shù)參數(shù)數(shù)據(jù)并進(jìn)行應(yīng)用展示,。MQTT程序需安裝開發(fā)庫以支持RTCMessage消息和DeviceMessage的發(fā)布和訂閱,。

DeviceMessage消息訂閱程序根據(jù)移動終端發(fā)布的內(nèi)容進(jìn)行訂閱,，消息內(nèi)容包括設(shè)備號,、參數(shù)大小、定位模式,、經(jīng)緯度,、設(shè)備狀態(tài)等信息，其中經(jīng)緯度信息是衛(wèi)星多系統(tǒng)聯(lián)合定位的結(jié)果,，聯(lián)合定位輸出信息包含GNSS接收機(jī)的時間和定位相關(guān)數(shù)據(jù),。語句以GNGGA^［7］開頭，表示GNSS定位信息,，只有北斗參與時以BDGGA開頭,，有兩個衛(wèi)星系統(tǒng)及以上的衛(wèi)星參與定位解算都以GNGGA形式輸出。表1為GNGGA數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表,。

表1 GNGGA數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

其中,，GPS質(zhì)量指示符qual字段表示定位解算的狀態(tài)，主要有：

GNGGA數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)經(jīng)度（DDDmm.mm）和緯度（DDmm.mm）,，其中，D是度,，m是分,，小數(shù)點(diǎn)前有4~5位，與傳統(tǒng)的表示法不同,。移動終端設(shè)備在發(fā)布之前轉(zhuǎn)換成傳統(tǒng)表示法,，按小數(shù)點(diǎn)前兩位截取，把m部分都除以60,，放小數(shù)點(diǎn)后面,。緯度范圍是-90~+90，可能出現(xiàn)D在赤道上緯度接近于0的情況,，仍然按小數(shù)點(diǎn)前兩位,，沒有的位數(shù)補(bǔ)零，經(jīng)緯度方向有正負(fù),，北緯為正,，東經(jīng)為正。

Python編程語言通過格式化字符串（format strings）規(guī)定轉(zhuǎn)化的方法和格式,。根據(jù) Python 類型與格式和大小的對應(yīng)關(guān)系,，上述Device消息56字節(jié)的結(jié)構(gòu)體打包和解包的代碼為：struct.pack('>IfcddBBBHHLLQQ',message.payload)struct.unpack('<ifcddbbbh <="" span="">HLLQQ',message.payload)，其中'>’為字節(jié)流大端序,，用于把數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)，'<’為字節(jié)流小端序,，用于從網(wǎng)絡(luò)解包字節(jié)流,。

其中連接回調(diào)函數(shù)on_connect在客戶端連接后被調(diào)用，依據(jù)返回值rc判斷客戶端是否連接成功,。同時創(chuàng)建一個MQTT客戶端,，該客戶端將連接到消息回調(diào)函數(shù)on_message，該函數(shù)將在客戶端收到消息后被調(diào)用,，在該函數(shù)中打印出訂閱的topic名稱以及接收到的消息內(nèi)容,。Device消息訂閱程序文件命名為：Mqtt-sub-device-message.py。運(yùn)行程序，整個系統(tǒng)正常工作,，經(jīng)緯度數(shù)據(jù)小數(shù)點(diǎn)后長度不同表示精度不同,，精度不同分配的IPv6地址前綴不同。

從顯示的信息順序可以看出,，定位狀態(tài)首先是0（不可用或無效）,，過渡到RTCM消息還沒參與解算是1（單點(diǎn)定位），參數(shù)設(shè)備自身收到偽距差分信息后狀態(tài)為2（偽距差分）,，然后根據(jù)RTCM消息和偽距差分消息結(jié)算為5（RTK 浮動解）,，一分鐘后得到4（RTK 固定解），并保持穩(wěn)定,。固定解小數(shù)點(diǎn)后5位保持不變,，表示定位精度已達(dá)到厘米級。

參數(shù)的變化過程為：首先是未確定固定解時8NM 上下浮動的誤差值,，然后是7.82NM的設(shè)定目標(biāo)值,，中間校準(zhǔn)過程分別為6.07NM、5.94NM和6.05NM,，最后達(dá)到了7.82NM的設(shè)置目標(biāo)值,，參數(shù)校準(zhǔn)過程完成?？深A(yù)先設(shè)置閾值進(jìn)行報(bào)警,。

定位狀態(tài)收斂過程為：首先是狀態(tài)1（單點(diǎn)定位）下的低精度范圍，然后是狀態(tài)5（RTK 浮動解）定位下的重精度范圍,，最后為狀態(tài)4（RTK 固定解）定位下的高精度范圍,。

Web服務(wù)器基于IPv6單棧技術(shù)建設(shè)，支持IPv6單 棧訪問,。系統(tǒng)通過MQTT協(xié)議讀取不同精度的數(shù)據(jù)存入Web服務(wù)器,，調(diào)用百度地圖接口顯示經(jīng)緯度坐標(biāo)，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換生成html頁面,。通過IPv6地址訪問http://[2402:e740::666]/site_ipv6/line.html站點(diǎn),，顯示圖4所示的效果，發(fā)現(xiàn)在100米長度的線路上,，移動設(shè)備技術(shù)參數(shù)大小與位置變化的過程,。

圖4 IPv6移動終端訂閱技術(shù)參數(shù)信息位置顯示

訪問http://[2402:e740::666]/site_ipv6/bpos.html站點(diǎn)，顯示圖5所示的效果,，因百度地圖的精度為米或亞米級別,，基本看不出精度是厘米級的點(diǎn)的區(qū)別。

圖5 Web服務(wù)展示低精度參數(shù)信息位置顯示

通過高精度交互軟件轉(zhuǎn)換為離散軌跡圖,，顯示出圖6的效果,，可以看出精度范圍在6厘米內(nèi),，滿足測量場景中技術(shù)參數(shù)厘米級的要求。

圖6 高精度交互軟件訂閱高精度衛(wèi)星數(shù)據(jù)顯示

本文從IPv6創(chuàng)新應(yīng)用向IPv6單棧演進(jìn)的角度出發(fā),，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種支持IPv6的可視化測量系統(tǒng),。在系統(tǒng)中對經(jīng)緯度信息、高度信息和用戶身份信息如何映射到IPv6后64位（可變）進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì),，提供了IPv6站點(diǎn)內(nèi)的位置查詢相關(guān)服務(wù),。嘗試解決可視化測量系統(tǒng)在推進(jìn)IPv6規(guī)模部署時面臨的擴(kuò)展性、實(shí)時性,、移動性,、管理性四個方面的重大挑戰(zhàn)，提供一套綜合解決方案,。同時,，在面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，嘗試從信息物理系統(tǒng)的角度出發(fā),，為基于IPv6網(wǎng)絡(luò)測量物理世界技術(shù)參數(shù)的安全性方面提供了參考,，在IPv6創(chuàng)新應(yīng)用領(lǐng)域中起到一定的應(yīng)用示范作用。

參考文獻(xiàn)（上下滑動查看全部內(nèi)容）