基于IPv6的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )邊界路由器的設計方案

　　2.2適配層設計

　　組建網(wǎng)絡(luò )是邊界路由器適配層需要完成的基本任務(wù)，系統啟動(dòng)后，自組網(wǎng)任務(wù)負責在選定信道和網(wǎng)絡(luò )16位PAN_ID后建立網(wǎng)絡(luò )。網(wǎng)絡(luò )維護任務(wù)在網(wǎng)絡(luò )建立后維持父節點(diǎn)與子節點(diǎn)之間的鏈路穩定，并在鏈路出現異常時(shí)進(jìn)行上報并嘗試修復鏈路。IEEE 802.15.4物理層數據單元最大為127 B，而IPv6要求鏈路支持的最小MTU(Maximum Transmission Unit，MTU)長(cháng)度為1 280 B，明顯不支持此長(cháng)度MTU.適配層介于IEEE 802.15.4 MAC層和IP層之間，因此適配層主任務(wù)除了負責管理MAC層協(xié)議事件之外，主要完成節點(diǎn)自動(dòng)地址配置、IP數據包的分片與重組和IP數據包頭壓縮與解壓等功能以實(shí)現IP數據包在IEEE 802.15.4鏈路中的傳輸。

　　2.2.1地址映射機制

　　基于IPv6的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中每個(gè)節點(diǎn)都需要配置惟一的IPv6地址，但是手動(dòng)配置繁瑣并且難以保證地址惟一性。本文設計的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )邊界路由器采用無(wú)狀態(tài)地址自動(dòng)配置機制。IPv6地址由全局地址前綴和接口標識ID(Interface ID，IID)兩部分組成。因為每一個(gè)射頻模塊都分配有一個(gè)全球惟一的IEEE EUI-64標識符，即64位MAC地址，因此可以利用EUI-64標識符獲得一個(gè)IPv6地址接口標識ID來(lái)實(shí)現無(wú)狀態(tài)地址自動(dòng)配置。

　　2.2.2適配層分片與重組機制

　　為了減少適配層包頭開(kāi)銷(xiāo)，適配層幀頭分為不分片和分片兩種格式，分別用于IP數據包長(cháng)度小于MAC層MTU的報文和IP數據包長(cháng)度大于MAC層MTU的報文。適配層不分片幀頭格式與常規幀頭相同，分片幀頭又分為第一個(gè)分片和后續分片兩種格式，如圖5和圖6所示。

　　節點(diǎn)適配層接收到適配層數據包時(shí)，首先檢查該數據包是否分片，如果是一個(gè)分片的數據包，則在將所有數據分片重新組合成完整的IP數據包后，再傳送到IP網(wǎng)絡(luò )層處理;若某一個(gè)分片丟失，則丟棄該IP數據包的所有后續分片。對于IP層下發(fā)的數據包，節點(diǎn)適配層判斷IP報文長(cháng)度是否超過(guò)鏈路層MTU長(cháng)度，若超過(guò)鏈路層MTU長(cháng)度，則將此IP數據包分片后發(fā)送;若不超過(guò)鏈路層MTU長(cháng)度，則按照不分片格式發(fā)送。

　　適配層的每一種數據幀都有調度編碼位域(8位)，不同的調度編碼位域表示不同的解析方式，主要包括不分片、分片、IP包頭壓縮、UDP報頭壓縮以及預留功能等多種類(lèi)型。其中，11000xxx表示本數據幀是已分片適配層數據幀的第一個(gè)分片，11100xxx則表示本數據幀是已分片適配層數據幀的后續分片。

　　datagram_size：11 b，表示鏈路層未分包之前的IP數據包的總長(cháng)度，該IP數據包所有鏈路層分片的該字段的值都應該相同。

　　datagram_tag：16 b，分片標識，用來(lái)區分同一數據源節點(diǎn)的不同IP數據包。同一個(gè)IP數據包的所有鏈路層分片都具有相同的分片標識，數據源節點(diǎn)每成功發(fā)送一個(gè)完整的IP數據包都更新(加1)該字段的值。

　　datagram_offset：8 b，分片偏移量，表示該分片在所有分片中的偏移量(以8 B為單位)，該字段只出現在第二個(gè)及后續分片中。2.2.3適配層報頭壓縮機制

　　標準IPv6網(wǎng)絡(luò )層報文和UDP報文的報頭分別有40 B和8 B，由此帶來(lái)的數據傳輸報頭開(kāi)銷(xiāo)極大，因此本文適配層對IP報文和UDP報文的包頭格式進(jìn)行了壓縮處理。由于TCP報文并不適合無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )這種多跳、數據傳輸延遲較大的網(wǎng)絡(luò )[11]，故本文暫不考慮TCP報文。根據無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的上下文信息，IPv6版本號和負載長(cháng)度可以省略，通信流類(lèi)型、流標簽、下一包頭、跳數限制以及源地址和目的地址設置壓縮控制域進(jìn)行部分壓縮。IPv6網(wǎng)絡(luò )層報文頭部壓縮格式如圖7所示。

　　011xxxxx為調度編碼位域，其中最右端5位用于報頭壓縮編碼。各編碼字段定義如下：

　　TF：2 b，通信流類(lèi)型和流標簽。其中通信流類(lèi)型由查分服務(wù)代碼點(diǎn)DSCP和顯示擁塞反饋ECN，當TF=11時(shí)，通信流類(lèi)型和流標簽全都省略;當TF=00時(shí)，通信流類(lèi)型和流標簽都不壓縮;當TF=01時(shí)，DSCP省略;當TF=10時(shí)，流標簽省略。

　　NH：1 b，下一包頭。NH=0，表示下一包頭未壓縮;NH=1時(shí)，下一包頭已壓縮。

　　HLIM：2 b，跳數限制。當HLIM等于00、01、10和11時(shí)，分別表示未壓縮、1跳、64跳和255跳。

　　M：1 b，指示目的地址類(lèi)型。當M=0時(shí)，目的地址不是多播地址;當M=1時(shí)，目的地址為多播地址。

　　SAC：1 b，表示源地址的壓縮方式，當它為0時(shí)表示使用的是無(wú)狀態(tài)頭部壓縮;為1時(shí)表示使用的是基于上下文的頭部壓縮。

　　SAM用來(lái)控制不同壓縮方式下源地址壓縮方式。

　　DAC與DAM的控制目的地址的壓縮方式，具體含義與SAC和SAM相似。

　　傳輸層UDP報文緊跟在IPv6網(wǎng)絡(luò )層包頭后面，UDP包頭壓縮比較簡(jiǎn)單，是否壓縮由前述NH字段指定。標準UDP報文頭部中的長(cháng)度域省略，源端口號、目的端口號以及校驗和域的壓縮方式由P和C字段表示，校驗和域暫不壓縮。UDP報文頭部具體壓縮格式如圖8所示。

　　眾所周知，TCP/IP端口號為16位，通常以0xf0和0xf0b開(kāi)始，其壓縮方式由P字段指定，具體如下：

　　00：不壓縮;01：目的端口號前8位(0xf0)省略，其他部分和源端口號保留;10：源端口號前8位(0xf0)省略，其他部分和目的端口保留;11：目的端口和源端口的前12位(oxf0b)省略，其他部分保留。

　　2.3 IP網(wǎng)絡(luò )層與傳輸層設計

　　標準TCP/IP協(xié)議占用資源較多，而無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )屬于資源受限網(wǎng)絡(luò )，因此邊界路由器的設計要特別注意協(xié)議棧資源占用。uip IPv6(uIPv6)協(xié)議棧專(zhuān)為資源受限的設備設計，RAM的占用量只有1.7 KB，代碼量只有[12]11.5 KB，因此選擇移植uip IPv6協(xié)議棧作為基于IPv6的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的IP層和傳輸層。

　　uip IPv6協(xié)議棧的IP網(wǎng)絡(luò )層和傳輸層使用同一個(gè)數據緩存區，因此可以將IP網(wǎng)絡(luò )層和傳輸層統一處理。本設計中各功能模塊由輕量級操作系統Contiki統一調度，因而設計一個(gè)IP網(wǎng)絡(luò )層任務(wù)集中處理從適配層接收到的數據包和應用層需要發(fā)送的數據包。