尋找無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與IPv6的契合點(diǎn)
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場合等遍地開花的關(guān)鍵。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，簡稱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(tǒng)，具有廣闊的應(yīng)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(yīng)用前景，可用于公共安全、生態(tài)環(huán)保、應(yīng)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(xiàn)場各種參數(shù)收集、控制器的統(tǒng)一聯(lián)網(wǎng)調(diào)控等，都可以通過WSN實(shí)現(xiàn)。
這些應(yīng)用通常需要使用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。這些應(yīng)用不需要很高的帶寬，但是需要非常低的能耗，從而延長電池的使用壽命。由于無線傳感器節(jié)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(yán)格的要求。另外，在安全、節(jié)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)議方面的研究尚無定論，藍(lán)牙、ZigBee、Ad hoc等無線網(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)域也有其生長空間。
IPv6的優(yōu)勢
IP解決的最根本問題是如何把網(wǎng)絡(luò)連接在一起。在其發(fā)展過程中，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(shù)以千萬計(jì)的主機(jī)。然而隨著Internet的普及，IPv4面臨著日益迫切的升級問題。
IPv6中的變化體現(xiàn)在以下5個(gè)重要方面：
● 擴(kuò)展地址。擴(kuò)展地址意味著IP可以繼續(xù)增長而無需考慮資源的匱乏，解決了IPv4的燃眉之急。這對于WSN的某些應(yīng)用也是非常有吸引力的，如健康監(jiān)控等。
● 簡化頭格式。對于包頭的簡化減少了路由器上所需的處理過程，從而提高了選路的效率。主要簡化有：IPv6使用固定格式包頭，去除了包頭長度段;分段只能由源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行;去除IP頭校驗(yàn)和，將校驗(yàn)工作交給高層協(xié)議負(fù)責(zé)。
● 增強(qiáng)對于擴(kuò)展和選項(xiàng)的支持。改進(jìn)對頭擴(kuò)展和選項(xiàng)的支持意味著可以在幾乎不影響普通數(shù)據(jù)包和特殊包選路的前提下適應(yīng)更多的特殊需求。IPv6把選項(xiàng)加在單獨(dú)的擴(kuò)展頭中，這樣，選項(xiàng)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(jié)點(diǎn)處理，這樣一來只有源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)需要處理分段擴(kuò)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(biāo)記。流標(biāo)記辦法為更加高效的處理包提供了一種機(jī)制，這對于實(shí)時(shí)應(yīng)用尤其有用。流標(biāo)記用于標(biāo)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(yàn)證和保密。身份驗(yàn)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(yīng)用。
WSN與IPv6結(jié)合
1．地址空間
人們常常形容說：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(yīng)用是非常有吸引力的，如智能家居。對于一個(gè)有幾百萬人口的城市，如果將來全部實(shí)現(xiàn)家居智能化，至少需要幾十萬的地址來區(qū)分不同的家庭，才能在家庭網(wǎng)絡(luò)發(fā)出安全警報(bào)（如火警）的情況下提高應(yīng)急能力。IPv6為此類應(yīng)用提供了可行性。
2．移動(dòng)
不論設(shè)備平常是通過有線媒體或者無線媒體連接到網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)設(shè)備移動(dòng)時(shí)，不論移動(dòng)設(shè)備實(shí)際上在何處，其他設(shè)備都能夠通過同一個(gè)IP地址來訪問該設(shè)備，這樣將是很方便的。而且在某些應(yīng)用場合下，這種能力還是必須的，如醫(yī)療監(jiān)控/健康監(jiān)控等。對于某些類型的病人（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，甚至也會到其他的城市。如果能夠通過移動(dòng)IP技術(shù)使之保持一個(gè)惟一的IP，在危機(jī)時(shí)刻（如心臟病突發(fā)），警報(bào)信息能夠與IP綁定在一起發(fā)出，就有助于及時(shí)為醫(yī)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(jù)不同的用戶名進(jìn)行身份驗(yàn)證并加以訪問控制。同時(shí)還提出了關(guān)于一致性的強(qiáng)制措施，其中包括了一些方法，來防止傳輸過程中數(shù)據(jù)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(xiàn)性（簽名）和通過拒絕對于某些服務(wù)的攻擊以實(shí)現(xiàn)保護(hù)。安全性在國防方面的WSN應(yīng)用中非常重要。工業(yè)控制中也有可能出于商業(yè)機(jī)密保護(hù)的角度而要求一定的安全性。
4．鄰居發(fā)現(xiàn)
IPv6的鄰居發(fā)現(xiàn)機(jī)制，對WSN的一些需求也提供了很好的支持，如：
● 路由器發(fā)現(xiàn)：幫助節(jié)點(diǎn)來識別本地路由器。
● 參數(shù)發(fā)現(xiàn)：此機(jī)制在IPv6中可以幫助節(jié)點(diǎn)確定諸如本地鏈路MTU之類的信息;而在WSN中有可能幫助節(jié)點(diǎn)確定一些有助于選擇最佳路由的參數(shù)，如：帶寬、路由器的功耗等。
● 地址自動(dòng)配置:用于WSN節(jié)點(diǎn)自動(dòng)配置。
● 鄰居不可達(dá)檢測：鄰居發(fā)現(xiàn)可幫助節(jié)點(diǎn)確定鄰居（目的節(jié)點(diǎn)或路由器）是否可達(dá)。
除此之外還有重復(fù)地址檢測、重定向等。
IPv6中的鄰居發(fā)現(xiàn)機(jī)制通過定義特殊的ICMP報(bào)文類型來執(zhí)行。在WSN應(yīng)用中可以依據(jù)WSN的特點(diǎn)而對某些報(bào)文做一些修改。這些ICMP報(bào)文包括：
● 路由器通告——WSN應(yīng)用除了需要路由器通告等一般性信息（可用性、本地MTU指標(biāo)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(jié)點(diǎn)結(jié)束休眠/節(jié)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(jié)點(diǎn)通常工作時(shí)間短而休眠時(shí)間長，所以在一定程度上，路由器可以降低其“路由器通告”報(bào)文的發(fā)送頻率，而由節(jié)點(diǎn)主動(dòng)請求，尤其是在節(jié)點(diǎn)數(shù)量少的應(yīng)用場景下，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(bào)文以通知節(jié)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(jié)點(diǎn)并不在意由節(jié)點(diǎn)集合中的哪一個(gè)來響應(yīng)。
5．無狀態(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(yīng)用中的無線網(wǎng)絡(luò)部分的規(guī)模較小，所以無狀態(tài)自動(dòng)配置更適合WSN應(yīng)用。IPv6無狀態(tài)自動(dòng)配置過程要求節(jié)點(diǎn)采用如下步驟：首先，進(jìn)行自動(dòng)配置的節(jié)點(diǎn)必須確定自己的鏈路本地地址；然后，必須驗(yàn)證該鏈路本地地址在鏈路上的惟一性；最后，節(jié)點(diǎn)必須確定需要配置的信息。
完成自動(dòng)配置的節(jié)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有其他節(jié)點(diǎn)使用與之相同的EUI-64地址，該節(jié)點(diǎn)的IPv6地址就是可用的。
但是，在使用該地址之前，節(jié)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上沒有問題，但是在WSN中，節(jié)點(diǎn)并沒有這樣的一個(gè)惟一的MAC地址，所以地址重復(fù)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)鍵問題
1．協(xié)議棧的裁減
正如前面所講到的，由于無線傳感器節(jié)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(yán)格的要求。在常用的無線協(xié)議中，ZigBee協(xié)議棧小于32KB，這相對于藍(lán)牙協(xié)議棧的250KB而言，無疑前者是很有吸引力的。較小的協(xié)議棧規(guī)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最初并沒有考慮嵌入式應(yīng)用，所以要想在WSN中實(shí)現(xiàn)IPv6，就要在協(xié)議棧的裁減方面付出努力。
從OSI七層協(xié)議的角度來看，沒有必要在每一個(gè)無線傳感節(jié)點(diǎn)上都實(shí)現(xiàn)高層協(xié)議棧。對于與人交互的節(jié)點(diǎn)，如智能手持終端等，需要實(shí)現(xiàn)高層協(xié)議以實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)界面。而在某些情況下，這些節(jié)點(diǎn)的功能可以融入已有設(shè)備，如PC等，此時(shí)的協(xié)議棧就不必考慮存儲容量的問題。另外，對于那些不需要與人交互的節(jié)點(diǎn)，如僅僅采集某種信息的終端節(jié)點(diǎn)，就不必實(shí)現(xiàn)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(yīng)用或者移動(dòng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，所以IPv6中并沒有考慮功耗問題。而為了能在無線傳感網(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(shù)低功耗的無線協(xié)議那樣，支持休眠模式，并采用非常低的占空比（duty-cycle，或稱為忙閑度），在不需要采集和傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)候轉(zhuǎn)入休眠模式。
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