基于6LOWPAN的IPv6傳感器網(wǎng)絡(luò )報頭壓縮方案的設計與實(shí)現

摘要：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的資源非常有限，如果能夠對IPv6報頭進(jìn)行壓縮可以在較大程度上減小數據傳輸量，提高IPv6傳感器網(wǎng)絡(luò )的整體性能。通過(guò)對6LoWPAN報頭壓縮方案的研究，并結合無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)和實(shí)際需求，在已有無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )底層協(xié)議和基本IPv6協(xié)議?；A上，設計并實(shí)現了一種支持對跳教限制壓縮的IPv6報頭壓縮方法。實(shí)驗結果表明，報頭壓縮可以有效節省網(wǎng)絡(luò )能耗，降低丟包率，減小數據傳輸時(shí)延。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；IPv6；報頭壓縮；6LoWPAN

0 引言
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是由大量按需隨機分布的集成有傳感器、數據處理單元和通信模塊的微型節點(diǎn)以自組織方式構成的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。傳感器網(wǎng)絡(luò )具有成本低、能耗代、靈活性高等優(yōu)點(diǎn)，可以應用于國防軍事、環(huán)境監測、交通管理、醫療衛生、反恐抗災等領(lǐng)域，具有重要的研究?jì)r(jià)值和應用前景。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的資源非常有限，因此需要一個(gè)輕量級的無(wú)線(xiàn)通信規范。IEEE 802．15．4標準定義了一個(gè)短距離、低復雜度、低功耗、低數據速率的介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制層(MAC)和物理層(PHY)規范，該標準的技術(shù)特點(diǎn)決定了它特別適合傳感器網(wǎng)絡(luò )、智能家庭網(wǎng)絡(luò )、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )等節點(diǎn)眾多、數據率較低的應用環(huán)境。IPv6作為下一代網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，具有地址資源豐富、地址自動(dòng)配置、安全性高、移動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)，可以滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在地址、安全、移動(dòng)及與現有網(wǎng)絡(luò )融合等方面的需求。因此，IPv6與IEEE 802．15．4在傳感器網(wǎng)絡(luò )上的結合有著(zhù)無(wú)可比擬的應用前景。
2004年11月IETF成立了6LoWPAN(IPv6 overLow power WPAN)工作組，研究IPv6在IEEE 802．15．4網(wǎng)絡(luò )上的應用方案。6LoWPAN工作小組對適配層技術(shù)、報頭壓縮技術(shù)、路由技術(shù)、IPv6技術(shù)等提出了相應的解決辦法。IPv6要求支持1 280 B的MTU，而IEEE802．15．4標準規定的物理層最大幀為127 B，除去物理層25 B的幀負載，在無(wú)安全機制的情況下MAC層最大幀長(cháng)度為102 B，因此需要在網(wǎng)絡(luò )層之下引入適配層來(lái)協(xié)調二者的關(guān)系。由于IPv6標準報頭是40 B，為了在IEEE 802．15．4上更加有效的傳輸IPv6數據包，提高凈荷的傳輸效率，報頭壓縮是一個(gè)很好的解決辦法。
本文以北京交通大學(xué)下一代互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)設備國家工程實(shí)驗室自主開(kāi)發(fā)和研制的微型傳感路由器所構建的IPv6無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )為基礎，設計并實(shí)現了一種更為高效的IPv6報頭壓縮方法，并對壓縮性能進(jìn)行了分析。

1 平臺簡(jiǎn)介
本文基于IPv6無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )平臺的拓撲結構及協(xié)議層次如圖1所示。IPv6無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設備可以自組織形成多跳Mesh網(wǎng)絡(luò )，將采集到的溫度、濕度、光強等環(huán)境信息發(fā)送給網(wǎng)關(guān)設備。網(wǎng)關(guān)設備通過(guò)以太網(wǎng)直連的方式與服務(wù)器進(jìn)行通信，并把收到的來(lái)自傳感器節點(diǎn)的數據提交給服務(wù)器，服務(wù)器端完成對整個(gè)IPv6傳感器網(wǎng)絡(luò )的控制和環(huán)境信息的人性化顯示。

傳感器節點(diǎn)采用ATmega128作為處理器、使用CC2420作為射頻芯片，能量供應模塊可以使用9 V直流穩壓電源或使用9 V干電池直接供電，同時(shí)配備溫濕度傳感器和光強傳感器對環(huán)境信息進(jìn)行采集。節點(diǎn)通信協(xié)議分為5層，物理層采用IEEE 802．15．4通信規范，使用OQPSK方式進(jìn)行調制，發(fā)送頻段使用2．4 GHz，傳輸速率可達250 Kb／s。適配層實(shí)現數據包的分片和重組、報頭壓縮以及Mesh路由等功能。網(wǎng)絡(luò )層運行精簡(jiǎn)的微型IPv6協(xié)議棧，該協(xié)議棧代碼量小、簡(jiǎn)易輕型并且可以與使用完整的IPv6協(xié)議棧的對等節點(diǎn)進(jìn)行通信。應用層主要運行傳感器網(wǎng)絡(luò )應用級程序，比如數據采集、環(huán)境監控等。節點(diǎn)的層次協(xié)議設計完全遵守RFC4919和RFC4944中定義的規范。

2 IPv6報頭壓縮
2．1 現有方案分析
到目前為止，6LoWPAN報頭壓縮方案主要有兩種。其中一種是RFC4944中定義的方案。該方案在最理想的情況下可以將IPv6完整的40 B壓縮到2 B(HC1字節和跳數限制字節)，同時(shí)支持UDP，TCP，ICMP下一個(gè)報頭的壓縮，HC1字節編碼IPv6報頭中各字段的壓縮方式，IPv6報頭中未經(jīng)壓縮的內容按順序存放在未壓縮字段中。

如圖2所示，版本、傳輸類(lèi)型和流標簽(全部為零)、凈荷長(cháng)度(可以從IEEE 802．15．4 MAC頭中凈荷長(cháng)度字段推斷出來(lái))均可以壓縮掉，下一個(gè)報頭字段攜帶在HC1字節中，跳數限制字段不壓縮，存放在未壓縮字段中。標準中規定IPv6地址采用無(wú)狀態(tài)的配置式，地址由64位前綴和64位接口標識符(Interface ID，IID)生成。IEEE 802．15．4定義了兩種尋址模式：IEEE 64位擴展地址和16位短地址。每一個(gè)IEEE802． 15．4設備都有一個(gè)分配的EUI-64標識符，該標識符用作64位擴展地址進(jìn)行尋址，具有全球惟一性，并且通過(guò)該EUI-64標識符可以生成一個(gè)IPv6接口標識符，實(shí)現IPv6地址的自動(dòng)配置。16位短地址是在節點(diǎn)成功加入網(wǎng)絡(luò )后，由節點(diǎn)所在PAN內的協(xié)調者動(dòng)態(tài)分配，只能保證在該PAN內的惟一性，不能用作實(shí)現IPv6地址的自動(dòng)配置。因此如果IPv6地址為本地鏈路地址(前綴為fe80：：／64)，并且IEEE 802．15．4尋址模式為64位擴展地址，就可以將IPv6地址壓縮掉，否則就要將其在未壓縮字段中攜帶。
圖3為HC1字節具體編碼格式。

另一種是現有報頭壓縮草案中定義的方案。該方案提出了對本地鏈路地址、全球單播地址、多播地址等IPv6地址的壓縮方法，同時(shí)解決了源壓縮方案不具有協(xié)議層次性的弊端。而且該壓縮方案支持IPv6擴展報頭的壓縮和流標簽、服務(wù)類(lèi)型的區分。但是這種壓縮方案過(guò)于復雜，對于處理能力有限、能量受限、硬件資源匱乏并且以環(huán)境監測為主要應用的傳感器節點(diǎn)來(lái)說(shuō)并不實(shí)用。因此本文提出一種基于RFC4944的IPv6報頭壓縮改進(jìn)方案。