基于IEEE 802.15.4無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的IPv6協(xié)議棧

引言

隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)的普及，internet對人們生活方式的影響越來(lái)越巨大，并將繼續在未來(lái)得各領(lǐng)域持續發(fā)揮其影響力，集成了網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，嵌入式技術(shù)、微機電系統（mems）及傳感器技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )將internet為從虛擬世界延伸到物理世界，從而將邏輯上的信息世界與真實(shí)物理世界融合在一起，改變了人與自然交互的方式，滿(mǎn)足了人們對“無(wú)處不在”的網(wǎng)絡(luò )的需求。2000年12月ieee成立了ieee 802.15.4 工作組，致力于定義一種供廉價(jià)、固定、便捷或移動(dòng)設備使用的，復雜度、成本和功耗極低的低速率無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)，產(chǎn)品的方便靈活，易于連接、實(shí)用可靠及可繼承延續是市場(chǎng)的驅動(dòng)力，一般認為短距離的無(wú)線(xiàn)低功耗通信技術(shù)最適合傳感器網(wǎng)絡(luò )使用，傳感器網(wǎng)絡(luò )是ieee 802.15.4標準的主要市場(chǎng)對象。

一方面，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )具有“無(wú)處不在”和節點(diǎn)數量龐大等特點(diǎn)，部署無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )需要數量巨大的ip地址資源，另一方面，由于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用領(lǐng)域往往對安全性要求較高，而無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )自組織的先天性缺乏應有的安全機制，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 )在地址和安全方面的需求，所以ietf于2004年11月成立了一個(gè)6lowpan（ipv6 over ieee 802.15.4或ipv6 over lr_pan）工作組，它規定了6lowpan技術(shù)底層采取ieee 802.15.4，mac層以上采取ipv6協(xié)議棧，致力于如何將ipv6與ieee 802.15.4展開(kāi)，實(shí)現ipv6數據包在ieee 802.15.4上的傳輸，研究基于ipv6 over ieee 802.15.4的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的關(guān)鍵問(wèn)題。目前這方面研究成為了一個(gè)很活躍的方向，其中，通過(guò)分析無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )對ipv6協(xié)議?；拘枨?，借助協(xié)議工程學(xué)理論和軟件工程的方法，設計并實(shí)現體積小、功能全、效率高，適用于ipv6無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的嵌入式ipv6協(xié)議棧，已經(jīng)成為一個(gè)很關(guān)鍵的問(wèn)題。

本文在分析了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )和ipv6 over ieee 802.15.4的技術(shù)特點(diǎn)之后，重點(diǎn)提出了一種能夠適用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，且底層采用ieee 802.15.4的嵌入式ipv6協(xié)議棧設計方案，最后，還總結了基于ipv6 over ieee 802.15.4無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧設計的核心原則。

1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )和ipv6 over ieee 802.15.4的技術(shù)節點(diǎn)

1.1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )簡(jiǎn)介

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )由大量低功耗、低速率、低成本、高密度的微型節點(diǎn)組成，節點(diǎn)通過(guò)自我組織、自我愈合的方式組成網(wǎng)絡(luò )，圖1給出了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的工作原理，圖中分散的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)通過(guò)自組織方式形成傳感器網(wǎng)絡(luò )。節點(diǎn)負責采集周?chē)南嚓P(guān)信息，并采用多跳方式將這些信息通過(guò)internet或其他網(wǎng)絡(luò )傳遞到遠端的監控設備。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )由許多個(gè)功能相同或不同的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)組成。每個(gè)傳感器節點(diǎn)由數據采集模塊（傳感器、a/d轉換器）、數據處理和控制模塊（微處理器、存儲器）、通信模塊（無(wú)線(xiàn)收發(fā)器）以及供電模塊（電池、dc/dc能量轉換器）等組成。節點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò )中可以充當數據采集者、數據中轉站或者簇頭節點(diǎn)（cluster-head node）的角色。作為數據采集者，數據采集模塊收集周?chē)h(huán)境的數據（如溫度和濕度），通過(guò)通信路由協(xié)議直接或間接將數據傳輸給遠方基站（base station）或匯節點(diǎn)（sink node）；作為數據中轉站，節點(diǎn)除了完成采集任務(wù)外，還要接收鄰居節點(diǎn)的數據，將其轉發(fā)給距離基站更近的鄰居節點(diǎn)或者直接轉發(fā)到基站或匯節點(diǎn)；作為簇頭節點(diǎn)，節點(diǎn)負責收集該類(lèi)內所有節點(diǎn)采集的數據，經(jīng)數據融合后，發(fā)送到基站或匯節點(diǎn)。與傳統ad hoc網(wǎng)絡(luò )相比，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )具有一些明顯的特征：1）網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)密度高，傳感器節點(diǎn)數量眾多，單位面積所擁有的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)數遠大于傳統的ad hoc網(wǎng)絡(luò )，2）傳感器節點(diǎn)由電池供電，節點(diǎn)能量有限；3）網(wǎng)絡(luò )拓撲變化頻繁；4）網(wǎng)絡(luò )應具備容錯能力，正是由于以上特點(diǎn)，ipv6已無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的結合對ipv6提出了一些新的要求，如ipv6地址自動(dòng)分配機制和ipv6包頭壓縮機制，另外，還有一些管理問(wèn)題、與無(wú)線(xiàn)數據鏈路層接口問(wèn)題等，因此，設計ipv6微型協(xié)議棧時(shí)，除了要實(shí)現功能完整，高效實(shí)用。占用的存儲資源少以外，如上所述的一些新要求也應考慮進(jìn)來(lái)。

1.2 ipv6 over ieee 802.15.4的技術(shù)特點(diǎn)

ieee 802.15.4是2004年提出的無(wú)線(xiàn)標準的安全網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，主要定義物理層和mac層的協(xié)議，其余協(xié)議主要參照和采用現有的標準，主要應用場(chǎng)合是讀表自動(dòng)化、自動(dòng)化控制和傳感器網(wǎng)絡(luò )，ieee 802.15.4針對的就是低復雜度、低功耗、低數據速率的短距離網(wǎng)絡(luò )，目標是將普通小型電池的使用壽命延長(cháng)到幾年，當芯片批量生產(chǎn)時(shí)，每個(gè)802.15.4設備的銷(xiāo)售價(jià)格最終不到3美元，將很好地滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的要求，ieee 802.15.4定義了兩個(gè)物理層標準，即2.4ghz物理層和868/915mhz物理層。這兩個(gè)物理層都基于直接序列擴頻dsss（direct sequence spread spectrum），使用相同的物理層數據包格式；區別在于工作頻率、調制技術(shù)、擴頻碼片長(cháng)度和傳輸速率。2.4ghz波段為全球統一、無(wú)須申請的ism頻段，有助于15.4設備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。2.4ghz的物理層通過(guò)采用高階調制技術(shù)能夠提供250kb/s的傳輸速率，有助于獲得更高的吞吐量、更短的通信時(shí)延和工作周期，從而更加省電。868mhz是歐洲的ism頻段，915mhz是美國的ism頻段，這兩個(gè)頻段的引入避免了2.4ghz附近各種無(wú)線(xiàn)通信設備的相互干擾，868mhz的傳輸速率為20kb/s，915mhz和40kb/s。由于這兩個(gè)頻段上無(wú)線(xiàn)信號傳播損耗較低，因此可以降低對接收機靈敏度的要求，獲得較遠的有效通信距離，從而可以用較少的設備覆蓋給定的區域，這些特點(diǎn)使其非常符合傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用要求，如前所述，ieee 802.15.4只規定了物理層和mac層，并且市場(chǎng)目標主要是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，所以在選擇網(wǎng)絡(luò )層標準時(shí)，考慮到無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )對地址和安全性等方面的要求，以及下一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議ipv6的不斷發(fā)展和完善，在嵌入式設備中引入ipv6協(xié)議也將成為一種必然趨勢，因此，6lowpan組織建議采取如圖2所示的嵌入式ipv6協(xié)議棧，在設計時(shí)要充分考慮資源受限與功能相對完善之間的折中。

2 嵌入式ipv6協(xié)議棧的設計

2.1 嵌入式ipv6協(xié)議棧的設計思想

由于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)一般都是嵌入式設備，所以嵌入式ipv6協(xié)議棧的設計主要應突出“微型化”的思想，tcp/ip協(xié)議最先在uuix系統里實(shí)現的，由于嵌入式系統與pc機的差別很大，在嵌入式系統中實(shí)現tcp/ip協(xié)議與在操作系統中的實(shí)現有很大不同，所以這是設計的核心環(huán)節。嵌入式系統的ipv6微型協(xié)議棧，直接面對硬件，沒(méi)有一個(gè)多任操作系統平臺，mcu中的程序結構一般是順序執行和硬件中斷相匹配的方式，與高級操作系統中多線(xiàn)程并發(fā)執行的方式截然不同，因為單片機上系統的各種資源是有限的，例如cpu的處理速度、字長(cháng)、ram、rom存儲器的容量以及接口的數量等與通用計算機相比有很大差距，所以如何使協(xié)議棧做到精細、通信可靠、功能相對完善，而且又能發(fā)揮單片機的特點(diǎn)成為ipv6微型協(xié)議棧設計的關(guān)鍵問(wèn)題?！拔⑿突彼枷胫饕w現在設計方案核心應著(zhù)眼于設計體積小，但又不影響運行的協(xié)議棧，所以要對協(xié)議棧的剪切方面進(jìn)行深入研究，去掉不必要的組件，傳統的復雜調度機制和額外的擴展功能，甚至可去除操作系統等。

綜合研究以上多方面因素，提出了能夠適用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的嵌入式ipv6微型協(xié)議棧的設計要求。

1）協(xié)議棧運行于單片機系統上，具有較強的兼容性，可以在以太網(wǎng)上正確運行，同時(shí)在此基礎上可以借助ieee 802.15.4 mac的無(wú)線(xiàn)數據傳輸功能來(lái)傳送數據包。

2）實(shí)現ipv6基本協(xié)議棧核心協(xié)議的最基本功能，包括ipv6基本描述協(xié)議，nd（鄰居發(fā)現）協(xié)議、icmpv6（因特網(wǎng)控制報文）協(xié)議和ipv6地址的自動(dòng)配置協(xié)議等。

◆ ipv6基本描述協(xié)議；ipv6數據包的發(fā)送、接收、處理等基本功能。

◆ nd（鄰居發(fā)現）協(xié)議：鄰居發(fā)現的地址解析功能，實(shí)現鄰居請求和鄰居通告。

◆ icmpv6（因特網(wǎng)控制報文）協(xié)議：主要實(shí)現控制報文的消息處理，以及對網(wǎng)絡(luò )診斷功能的回應請求和回應答復。

◆ ipv6地址自動(dòng)配置協(xié)議：根據ipv6地址格式的要求，主要實(shí)現ipv6鏈路本地地址的配置和請求節點(diǎn)多播地址的配置。

3）利用對校驗和字段的計算與處理來(lái)提高icmpv6，tcp等協(xié)議運行的正確性。

4）實(shí)現簡(jiǎn)單的應用層協(xié)議（如telnet/snmp協(xié)議），利用遠程終端可以登陸到運行嵌入式ipv6協(xié)議棧的單片機系統，以及進(jìn)行簡(jiǎn)單的控制和管理操作。

2.2 嵌入式ipv6協(xié)議棧的分層與模塊化設計

嵌入式ipv6協(xié)議棧采用分層結構進(jìn)行設計，將整個(gè)協(xié)議棧（包括tcp及上層應用）分為4個(gè)層次，事件觸發(fā)接口層、tcp/ip網(wǎng)絡(luò )協(xié)議層、nic網(wǎng)絡(luò )接口核心層和網(wǎng)絡(luò )設備驅動(dòng)接口層。

圖3是對整個(gè)協(xié)議棧的分層描述，在協(xié)議棧的工作過(guò)程中使用上層調用相鄰層的函數來(lái)實(shí)現相應的功能。

各層的功能簡(jiǎn)述如下：

1）事件觸發(fā)接口層。該層對應于tcp/ip模型的應用層協(xié)議（osi模型的高層協(xié)議），主要功能是定義網(wǎng)絡(luò )數據的格式以及網(wǎng)絡(luò )的應用。

2）tcp/ip網(wǎng)絡(luò )協(xié)議層。該層對應于tcp/ip模型的傳輸層協(xié)議和網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議（osi模型的3.4兩層），主要功能是定義數據如何傳輸到目的地的，使用tcp協(xié)議在兩臺主機之間建立端到端的連接，保證可靠的傳輸，ip協(xié)議進(jìn)行路由選擇和基于ip的尋址。

3）nic網(wǎng)絡(luò )接口核心層。該層是整個(gè)網(wǎng)絡(luò )接口的關(guān)鍵部位，其上層是具體的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，下層是驅動(dòng)程序，它為上層提供統一的發(fā)送接口，屏蔽各式各樣的物理介質(zhì)，同時(shí)負責把來(lái)自下層的包向合適的協(xié)議發(fā)送。

4）網(wǎng)絡(luò )設備驅動(dòng)接口層，該層是分層結構的最底層，其主要功能是控制具體物理介質(zhì)，從物理介質(zhì)接收和發(fā)送數據，并對物理介質(zhì)進(jìn)行諸如最大數據包之類(lèi)的各種設置。

結合對嵌入式ipv6協(xié)議棧設計要求和分層結構的全面分析，將設計實(shí)現劃分為4個(gè)模塊，如圖4所示。

各模塊的功能簡(jiǎn)述如下：

1）網(wǎng)絡(luò )接口核心模塊，該模塊為網(wǎng)絡(luò )協(xié)議提供統一的發(fā)送接口，屏蔽各式各樣的物理介質(zhì)，同時(shí)負責把來(lái)自下層的包向合適的協(xié)議配送。

2）事件接口模塊，嵌入式ipv6協(xié)議棧沒(méi)有采用bsd套接口，而是采用了事件驅動(dòng)接口，當特定tcp/ip事件發(fā)生時(shí)，將調用應用程序，而當應用程序產(chǎn)生輸出數據時(shí)，也通過(guò)此接口發(fā)送出去。

3）snmp網(wǎng)管模塊。該模塊負責獲取ipv6無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的相關(guān)mib信息。

4）配置顯示調試命令模塊，該模塊用于提供用戶(hù)配置和調試的界面。包括配置ip地址、子網(wǎng)掩碼、默認網(wǎng)關(guān)和mac地址等，在程序正常運行前，由超級終端進(jìn)入配置模式，由用戶(hù)進(jìn)行配置管理。

結語(yǔ)

基于ipv6 over ieee 802.15.4的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是一門(mén)新興的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，人們對它的研究尚處于起步階段，本文針對基于ipv6 over ieee 802.15.4無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )自身特點(diǎn)，對其關(guān)鍵技術(shù)嵌入式ipv6協(xié)議棧進(jìn)行了分析，筆者認為，現有的ipv6協(xié)議棧雖然在功能、性能等方面具有很大優(yōu)勢，但由于代碼體積較大（幾mb-幾百mb），而無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的存儲資源只有不到200mb，因而無(wú)法運行在計算能力和存儲資源受限的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)中。所以在設計適合傳感器節點(diǎn)的嵌入式ipv6協(xié)議棧時(shí)，應充分分析和研究無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )對ipv6提出的新要求，考慮在性能和資源之間尋找一個(gè)折中的方案。充分運用協(xié)議工程學(xué)理論和軟件工程的方法，設計一種合理、高效的嵌入式ipv6微型協(xié)議棧，這對推動(dòng)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )和ipv6的發(fā)展，以及改變人們的生活和工作方式，具有十分重要的意義。