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

引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，internet對(duì)人們生活方式的影響越來(lái)越巨大，并將繼續(xù)在未來(lái)得各領(lǐng)域持續(xù)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(jī)電系統(tǒng)（mems）及傳感器技術(shù)的無(wú)線傳感器網(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，滿足了人們對(duì)“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(shè)備使用的，復(fù)雜度、成本和功耗極低的低速率無(wú)線連接技術(shù)，產(chǎn)品的方便靈活，易于連接、實(shí)用可靠及可繼承延續(xù)是市場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)力，一般認(rèn)為短距離的無(wú)線低功耗通信技術(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(biāo)準(zhǔn)的主要市場(chǎng)對(duì)象。

一方面，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有“無(wú)處不在”和節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大等特點(diǎn)，部署無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要數(shù)量巨大的ip地址資源，另一方面，由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域往往對(duì)安全性要求較高，而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織的先天性缺乏應(yīng)有的安全機(jī)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)，可以滿足無(wú)線傳感器網(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(guī)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，實(shí)現(xiàn)ipv6數(shù)據(jù)包在ieee 802.15.4上的傳輸，研究基于ipv6 over ieee 802.15.4的無(wú)線傳感器網(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)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)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(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)體積小、功能全、效率高，適用于ipv6無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)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(shè)計(jì)方案，最后，還總結(jié)了基于ipv6 over ieee 802.15.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧設(shè)計(jì)的核心原則。

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和ipv6 over ieee 802.15.4的技術(shù)節(jié)點(diǎn)

1.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量低功耗、低速率、低成本、高密度的微型節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)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)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作原理，圖中分散的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織方式形成傳感器網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集周圍的相關(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(yuǎn)端的監(jiān)控設(shè)備。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由許多個(gè)功能相同或不同的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)組成。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集模塊（傳感器、a/d轉(zhuǎn)換器）、數(shù)據(jù)處理和控制模塊（微處理器、存儲(chǔ)器）、通信模塊（無(wú)線收發(fā)器）以及供電模塊（電池、dc/dc能量轉(zhuǎn)換器）等組成。節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中可以充當(dāng)數(shù)據(jù)采集者、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站或者簇頭節(jié)點(diǎn)（cluster-head node）的角色。作為數(shù)據(jù)采集者，數(shù)據(jù)采集模塊收集周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)（如溫度和濕度），通過(guò)通信路由協(xié)議直接或間接將數(shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)方基站（base station）或匯節(jié)點(diǎn)（sink node）；作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，節(jié)點(diǎn)除了完成采集任務(wù)外，還要接收鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)發(fā)給距離基站更近的鄰居節(jié)點(diǎn)或者直接轉(zhuǎn)發(fā)到基站或匯節(jié)點(diǎn)；作為簇頭節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集該類內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)融合后，發(fā)送到基站或匯節(jié)點(diǎn)。與傳統(tǒng)ad hoc網(wǎng)絡(luò)相比，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有一些明顯的特征：1）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度高，傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，單位面積所擁有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的ad hoc網(wǎng)絡(luò)，2）傳感器節(jié)點(diǎn)由電池供電，節(jié)點(diǎn)能量有限；3）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁；4）網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備容錯(cuò)能力，正是由于以上特點(diǎn)，ipv6已無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合對(duì)ipv6提出了一些新的要求，如ipv6地址自動(dòng)分配機(jī)制和ipv6包頭壓縮機(jī)制，另外，還有一些管理問(wèn)題、與無(wú)線數(shù)據(jù)鏈路層接口問(wèn)題等，因此，設(shè)計(jì)ipv6微型協(xié)議棧時(shí)，除了要實(shí)現(xiàn)功能完整，高效實(shí)用。占用的存儲(chǔ)資源少以外，如上所述的一些新要求也應(yīng)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)線標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，主要應(yīng)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(duì)的就是低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率的短距離網(wǎng)絡(luò)，目標(biāo)是將普通小型電池的使用壽命延長(zhǎng)到幾年，當(dāng)芯片批量生產(chǎn)時(shí)，每個(gè)802.15.4設(shè)備的銷售價(jià)格最終不到3美元，將很好地滿足無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求，ieee 802.15.4定義了兩個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)，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(kuò)頻dsss（direct sequence spread spectrum），使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式；區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術(shù)、擴(kuò)頻碼片長(zhǎng)度和傳輸速率。2.4ghz波段為全球統(tǒng)一、無(wú)須申請(qǐng)的ism頻段，有助于15.4設(shè)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(diào)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(guó)的ism頻段，這兩個(gè)頻段的引入避免了2.4ghz附近各種無(wú)線通信設(shè)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)線信號(hào)傳播損耗較低，因此可以降低對(duì)接收機(jī)靈敏度的要求，獲得較遠(yuǎn)的有效通信距離，從而可以用較少的設(shè)備覆蓋給定的區(qū)域，這些特點(diǎn)使其非常符合傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用要求，如前所述，ieee 802.15.4只規(guī)定了物理層和mac層，并且市場(chǎng)目標(biāo)主要是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，所以在選擇網(wǎng)絡(luò)層標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，考慮到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)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(shè)備中引入ipv6協(xié)議也將成為一種必然趨勢(shì)，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(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮資源受限與功能相對(duì)完善之間的折中。

2 嵌入式ipv6協(xié)議棧的設(shè)計(jì)

2.1 嵌入式ipv6協(xié)議棧的設(shè)計(jì)思想

由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般都是嵌入式設(shè)備，所以嵌入式ipv6協(xié)議棧的設(shè)計(jì)主要應(yīng)突出“微型化”的思想，tcp/ip協(xié)議最先在uuix系統(tǒng)里實(shí)現(xiàn)的，由于嵌入式系統(tǒng)與pc機(jī)的差別很大，在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)tcp/ip協(xié)議與在操作系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)有很大不同，所以這是設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)。嵌入式系統(tǒng)的ipv6微型協(xié)議棧，直接面對(duì)硬件，沒有一個(gè)多任操作系統(tǒng)平臺(tái)，mcu中的程序結(jié)構(gòu)一般是順序執(zhí)行和硬件中斷相匹配的方式，與高級(jí)操作系統(tǒng)中多線程并發(fā)執(zhí)行的方式截然不同，因?yàn)閱纹瑱C(jī)上系統(tǒng)的各種資源是有限的，例如cpu的處理速度、字長(zhǎng)、ram、rom存儲(chǔ)器的容量以及接口的數(shù)量等與通用計(jì)算機(jī)相比有很大差距，所以如何使協(xié)議棧做到精細(xì)、通信可靠、功能相對(duì)完善，而且又能發(fā)揮單片機(jī)的特點(diǎn)成為ipv6微型協(xié)議棧設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。“微型化”思想主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)方案核心應(yīng)著眼于設(shè)計(jì)體積小，但又不影響運(yùn)行的協(xié)議棧，所以要對(duì)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(tǒng)的復(fù)雜調(diào)度機(jī)制和額外的擴(kuò)展功能，甚至可去除操作系統(tǒng)等。

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

1）協(xié)議棧運(yùn)行于單片機(jī)系統(tǒng)上，具有較強(qiáng)的兼容性，可以在以太網(wǎng)上正確運(yùn)行，同時(shí)在此基礎(chǔ)上可以借助ieee 802.15.4 mac的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能來(lái)傳送數(shù)據(jù)包。

2）實(shí)現(xiàn)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(xiàn)）協(xié)議、icmpv6（因特網(wǎng)控制報(bào)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(shù)據(jù)包的發(fā)送、接收、處理等基本功能。

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

◆ icmpv6（因特網(wǎng)控制報(bào)文）協(xié)議：主要實(shí)現(xiàn)控制報(bào)文的消息處理，以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)診斷功能的回應(yīng)請(qǐng)求和回應(yīng)答復(fù)。

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

3）利用對(duì)校驗(yàn)和字段的計(jì)算與處理來(lái)提高icmpv6，tcp等協(xié)議運(yùn)行的正確性。

4）實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的應(yīng)用層協(xié)議（如telnet/snmp協(xié)議），利用遠(yuǎn)程終端可以登陸到運(yùn)行嵌入式ipv6協(xié)議棧的單片機(jī)系統(tǒng)，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(shè)計(jì)

嵌入式ipv6協(xié)議棧采用分層結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，將整個(gè)協(xié)議棧（包括tcp及上層應(yīng)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(shè)備驅(qū)動(dòng)接口層。

圖3是對(duì)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(diào)用相鄰層的函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)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(duì)應(yīng)于tcp/ip模型的應(yīng)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(shù)據(jù)的格式以及網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。

2）tcp/ip網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層。該層對(duì)應(yīng)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(shù)據(jù)如何傳輸?shù)侥康牡氐?，使用tcp協(xié)議在兩臺(tái)主機(jī)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(qū)動(dòng)程序，它為上層提供統(tǒng)一的發(fā)送接口，屏蔽各式各樣的物理介質(zhì)，同時(shí)負(fù)責(zé)把來(lái)自下層的包向合適的協(xié)議發(fā)送。

4）網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口層，該層是分層結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)，并對(duì)物理介質(zhì)進(jìn)行諸如最大數(shù)據(jù)包之類的各種設(shè)置。

結(jié)合對(duì)嵌入式ipv6協(xié)議棧設(shè)計(jì)要求和分層結(jié)構(gòu)的全面分析，將設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)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(tǒng)一的發(fā)送接口，屏蔽各式各樣的物理介質(zhì)，同時(shí)負(fù)責(zé)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)議棧沒有采用bsd套接口，而是采用了事件驅(qū)動(dòng)接口，當(dāng)特定tcp/ip事件發(fā)生時(shí)，將調(diào)用應(yīng)用程序，而當(dāng)應(yīng)用程序產(chǎn)生輸出數(shù)據(jù)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(fù)責(zé)獲取ipv6無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的相關(guān)mib信息。

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

結(jié)語(yǔ)

基于ipv6 over ieee 802.15.4的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一門新興的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，人們對(duì)它的研究尚處于起步階段，本文針對(duì)基于ipv6 over ieee 802.15.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身特點(diǎn)，對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)嵌入式ipv6協(xié)議棧進(jìn)行了分析，筆者認(rèn)為，現(xiàn)有的ipv6協(xié)議棧雖然在功能、性能等方面具有很大優(yōu)勢(shì)，但由于代碼體積較大（幾mb-幾百mb），而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)資源只有不到200mb，因而無(wú)法運(yùn)行在計(jì)算能力和存儲(chǔ)資源受限的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中。所以在設(shè)計(jì)適合傳感器節(jié)點(diǎn)的嵌入式ipv6協(xié)議棧時(shí)，應(yīng)充分分析和研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)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(yùn)用協(xié)議工程學(xué)理論和軟件工程的方法，設(shè)計(jì)一種合理、高效的嵌入式ipv6微型協(xié)議棧，這對(duì)推動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和ipv6的發(fā)展，以及改變?nèi)藗兊纳詈凸ぷ鞣绞?，具有十分重要的意義。