尋找無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )與IPv6的契合點(diǎn)
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場(chǎng)合等遍地開(kāi)花的關(guān)鍵。
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )（Wireless Sensor Network，簡(jiǎn)稱(chēng)WSN）是集信息采集、信息處理、信息傳輸于一體的綜合智能信息系統，具有廣闊的應用前景，是目前非?；钴S的一個(gè)領(lǐng)域。2000年美國國防部就將傳感器網(wǎng)絡(luò )列為國防5個(gè)尖端領(lǐng)域之一。
WSN具有廣闊的應用前景，可用于公共安全、生態(tài)環(huán)保、應急指揮、智能交通、反恐、智能家居等諸多領(lǐng)域。例如，智能化家居中的傳感器/控制器網(wǎng)絡(luò )、工業(yè)現場(chǎng)各種參數收集、控制器的統一聯(lián)網(wǎng)調控等，都可以通過(guò)WSN實(shí)現。
這些應用通常需要使用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)采用自組織網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。這些應用不需要很高的帶寬，但是需要非常低的能耗，從而延長(cháng)電池的使用壽命。由于無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)通常使用存儲器容量受限的嵌入式處理器/控制器，所以對協(xié)議棧的大小也提出了嚴格的要求。另外，在安全、節點(diǎn)自動(dòng)配置、網(wǎng)絡(luò )動(dòng)態(tài)重組等方面也有諸多要求。
目前，在WSN網(wǎng)絡(luò )協(xié)議方面的研究尚無(wú)定論，藍牙、ZigBee、Ad hoc等無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)都是人們討論的熱點(diǎn)之一。IPv6作為互聯(lián)網(wǎng)上的寵兒，在WSN領(lǐng)域也有其生長(cháng)空間。
IPv6的優(yōu)勢
IP解決的最根本問(wèn)題是如何把網(wǎng)絡(luò )連接在一起。在其發(fā)展過(guò)程中，IPv4是一個(gè)令人難以置信的協(xié)議，它已經(jīng)在Internet上成功地連接了數以千萬(wàn)計的主機。然而隨著(zhù)Internet的普及，IPv4面臨著(zhù)日益迫切的升級問(wèn)題。
IPv6中的變化體現在以下5個(gè)重要方面：
● 擴展地址。擴展地址意味著(zhù)IP可以繼續增長(cháng)而無(wú)需考慮資源的匱乏，解決了IPv4的燃眉之急。這對于WSN的某些應用也是非常有吸引力的，如健康監控等。
● 簡(jiǎn)化頭格式。對于包頭的簡(jiǎn)化減少了路由器上所需的處理過(guò)程，從而提高了選路的效率。主要簡(jiǎn)化有：IPv6使用固定格式包頭，去除了包頭長(cháng)度段;分段只能由源節點(diǎn)進(jìn)行;去除IP頭校驗和，將校驗工作交給高層協(xié)議負責。
● 增強對于擴展和選項的支持。改進(jìn)對頭擴展和選項的支持意味著(zhù)可以在幾乎不影響普通數據包和特殊包選路的前提下適應更多的特殊需求。IPv6把選項加在單獨的擴展頭中，這樣，選項頭只有在必要的時(shí)候才需要檢查和處理。例如，分段只由源節點(diǎn)處理，這樣一來(lái)只有源節點(diǎn)和目的節點(diǎn)需要處理分段擴展頭，而路由器則不需要處理，這樣就提高了包選路的效率。
● 流標記。流標記辦法為更加高效的處理包提供了一種機制，這對于實(shí)時(shí)應用尤其有用。流標記用于標識某些需要某種QoS的從一個(gè)特定源發(fā)向一個(gè)特定目的地的分組流。路由器需要對流進(jìn)行跟蹤，并保持一定的信息。這樣，路由器可以對流中的包進(jìn)行特殊的處理，而且由于路由器無(wú)需對每個(gè)包頭重新處理，所以對流中包的處理可以更快。
● 身份驗證和保密。身份驗證和保密方面的改進(jìn)使得IPv6更加適用于那些對敏感信息和資源有特別處理要求的商業(yè)應用。
WSN與IPv6結合
1．地址空間
人們常常形容說(shuō)：IPv6可以為地球上的每一粒沙子都分配一個(gè)地址。這一特點(diǎn)對于WSN的某些應用是非常有吸引力的，如智能家居。對于一個(gè)有幾百萬(wàn)人口的城市，如果將來(lái)全部實(shí)現家居智能化，至少需要幾十萬(wàn)的地址來(lái)區分不同的家庭，才能在家庭網(wǎng)絡(luò )發(fā)出安全警報（如火警）的情況下提高應急能力。IPv6為此類(lèi)應用提供了可行性。
2．移動(dòng)
不論設備平常是通過(guò)有線(xiàn)媒體或者無(wú)線(xiàn)媒體連接到網(wǎng)絡(luò )，當設備移動(dòng)時(shí)，不論移動(dòng)設備實(shí)際上在何處，其他設備都能夠通過(guò)同一個(gè)IP地址來(lái)訪(fǎng)問(wèn)該設備，這樣將是很方便的。而且在某些應用場(chǎng)合下，這種能力還是必須的，如醫療監控/健康監控等。對于某些類(lèi)型的病人（如心臟?。?，正常情況下其活動(dòng)范圍是很大的，可以是整個(gè)城市，甚至也會(huì )到其他的城市。如果能夠通過(guò)移動(dòng)IP技術(shù)使之保持一個(gè)惟一的IP，在危機時(shí)刻（如心臟病突發(fā)），警報信息能夠與IP綁定在一起發(fā)出，就有助于及時(shí)為醫生提供病人的一些有用信息。
3．安全性
在IP協(xié)議發(fā)展中，對安全服務(wù)的一個(gè)建議是根據不同的用戶(hù)名進(jìn)行身份驗證并加以訪(fǎng)問(wèn)控制。同時(shí)還提出了關(guān)于一致性的強制措施，其中包括了一些方法，來(lái)防止傳輸過(guò)程中數據被修改以及對于傳輸源的欺騙和抵制重播攻擊。其他的服務(wù)包括保密性（加密）、不可再現性（簽名）和通過(guò)拒絕對于某些服務(wù)的攻擊以實(shí)現保護。安全性在國防方面的WSN應用中非常重要。工業(yè)控制中也有可能出于商業(yè)機密保護的角度而要求一定的安全性。
4．鄰居發(fā)現
IPv6的鄰居發(fā)現機制，對WSN的一些需求也提供了很好的支持，如：
● 路由器發(fā)現：幫助節點(diǎn)來(lái)識別本地路由器。
● 參數發(fā)現：此機制在IPv6中可以幫助節點(diǎn)確定諸如本地鏈路MTU之類(lèi)的信息;而在WSN中有可能幫助節點(diǎn)確定一些有助于選擇最佳路由的參數，如：帶寬、路由器的功耗等。
● 地址自動(dòng)配置:用于WSN節點(diǎn)自動(dòng)配置。
● 鄰居不可達檢測：鄰居發(fā)現可幫助節點(diǎn)確定鄰居（目的節點(diǎn)或路由器）是否可達。
除此之外還有重復地址檢測、重定向等。
IPv6中的鄰居發(fā)現機制通過(guò)定義特殊的ICMP報文類(lèi)型來(lái)執行。在WSN應用中可以依據WSN的特點(diǎn)而對某些報文做一些修改。這些ICMP報文包括：
● 路由器通告——WSN應用除了需要路由器通告等一般性信息（可用性、本地MTU指標等）外，還需要通告WSN敏感信息，如能量的可用性（電池剩余可用時(shí)間）等。
● 路由器請求——WSN節點(diǎn)結束休眠/節點(diǎn)新加入時(shí)，可以請求本地路由器立即發(fā)送其路由器通告。由于WSN節點(diǎn)通常工作時(shí)間短而休眠時(shí)間長(cháng)，所以在一定程度上，路由器可以降低其“路由器通告”報文的發(fā)送頻率，而由節點(diǎn)主動(dòng)請求，尤其是在節點(diǎn)數量少的應用場(chǎng)景下，這樣的措施可以減少路由器的能量消耗。
● 重定向——路由器發(fā)送重定向報文以通知節點(diǎn)，對于特定目的地自己不是最佳路由器。
● 任意點(diǎn)播地址——正如IPv6中所述，任意點(diǎn)播地址表示單播地址的集合，發(fā)送給該任意點(diǎn)播地址的包將交付給這些地址中的任一個(gè)，發(fā)送節點(diǎn)并不在意由節點(diǎn)集合中的哪一個(gè)來(lái)響應。
5．無(wú)狀態(tài)自動(dòng)配置
IPv6協(xié)議支持即插即用網(wǎng)絡(luò )連接。如果是狀態(tài)自動(dòng)配置，如DHCP，則需要安裝和管理DHCP服務(wù)器，不夠靈活。而通常WSN應用中的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )部分的規模較小，所以無(wú)狀態(tài)自動(dòng)配置更適合WSN應用。IPv6無(wú)狀態(tài)自動(dòng)配置過(guò)程要求節點(diǎn)采用如下步驟：首先，進(jìn)行自動(dòng)配置的節點(diǎn)必須確定自己的鏈路本地地址；然后，必須驗證該鏈路本地地址在鏈路上的惟一性；最后，節點(diǎn)必須確定需要配置的信息。
完成自動(dòng)配置的節點(diǎn)首先將其鏈路本地地址追加到鏈路本地前綴之后。這樣只要同一鏈路上沒(méi)有其他節點(diǎn)使用與之相同的EUI-64地址，該節點(diǎn)的IPv6地址就是可用的。
但是，在使用該地址之前，節點(diǎn)必須先證實(shí)起始地址在本地鏈路是惟一的。這在使用網(wǎng)絡(luò )接口卡（如以太網(wǎng)適配器或者令牌環(huán)適配器）的Internet上沒(méi)有問(wèn)題，但是在WSN中，節點(diǎn)并沒(méi)有這樣的一個(gè)惟一的MAC地址，所以地址重復的情況是有可能發(fā)生的。有些嵌入式處理器/控制器配有一個(gè)惟一的序列號，這樣的配置對于WSN中IPv6的地址自動(dòng)配置是有益的。
尚待解決的關(guān)鍵問(wèn)題
1．協(xié)議棧的裁減
正如前面所講到的，由于無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)通常使用存儲器容量受限的嵌入式處理器/控制器，所以對協(xié)議棧的大小也提出了嚴格的要求。在常用的無(wú)線(xiàn)協(xié)議中，ZigBee協(xié)議棧小于32KB，這相對于藍牙協(xié)議棧的250KB而言，無(wú)疑前者是很有吸引力的。較小的協(xié)議棧規模有助于降低對嵌入式處理器/控制器的性能和存儲容量的要求，從而降低成本。
IPv6最初并沒(méi)有考慮嵌入式應用，所以要想在WSN中實(shí)現IPv6，就要在協(xié)議棧的裁減方面付出努力。
從OSI七層協(xié)議的角度來(lái)看，沒(méi)有必要在每一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感節點(diǎn)上都實(shí)現高層協(xié)議棧。對于與人交互的節點(diǎn)，如智能手持終端等，需要實(shí)現高層協(xié)議以實(shí)現友好的人機界面。而在某些情況下，這些節點(diǎn)的功能可以融入已有設備，如PC等，此時(shí)的協(xié)議棧就不必考慮存儲容量的問(wèn)題。另外，對于那些不需要與人交互的節點(diǎn)，如僅僅采集某種信息的終端節點(diǎn)，就不必實(shí)現高層協(xié)議，只要能夠完成傳輸功能即可。
2．功耗
IPv6最初不是為了嵌入式應用或者移動(dòng)應用而設計的，所以IPv6中并沒(méi)有考慮功耗問(wèn)題。而為了能在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )中使用，就必須降低功耗。
一個(gè)最直接的降低功耗的方法，就是像多數低功耗的無(wú)線(xiàn)協(xié)議那樣，支持休眠模式，并采用非常低的占空比（duty-cycle，或稱(chēng)為忙閑度），在不需要采集和傳輸數據的時(shí)候轉入休眠模式。
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