基于IEEE 802.15.4無線傳感器網(wǎng)絡的IPv6協(xié)議棧

引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，internet對人們生活方式的影響越來越巨大，并將繼續(xù)在未來得各領域持續(xù)發(fā)揮其影響力，集成了網(wǎng)絡技術，嵌入式技術、微機電系統(tǒng)（mems）及傳感器技術的無線傳感器網(wǎng)絡將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“無處不在”的網(wǎng)絡的需求。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、固定、便捷或移動設備使用的，復雜度、成本和功耗極低的低速率無線連接技術，產(chǎn)品的方便靈活，易于連接、實用可靠及可繼承延續(xù)是市場的驅(qū)動力，一般認為短距離的無線低功耗通信技術最適合傳感器網(wǎng)絡使用，傳感器網(wǎng)絡是ieee 802.15.4標準的主要市場對象。

一方面，無線傳感器網(wǎng)絡具有“無處不在”和節(jié)點數(shù)量龐大等特點，部署無線傳感器網(wǎng)絡需要數(shù)量巨大的ip地址資源，另一方面，由于無線傳感器網(wǎng)絡的應用領域往往對安全性要求較高，而無線傳感器網(wǎng)絡自組織的先天性缺乏應有的安全機制，ipv6作為下一代網(wǎng)絡協(xié)議，具有地址資源豐富、地址自動配置、安全性高、移動性好等優(yōu)點，可以滿足無線傳感器網(wǎng)絡在地址和安全方面的需求，所以ietf于2004年11月成立了一個6lowpan（ipv6 over ieee 802.15.4或ipv6 over lr_pan）工作組，它規(guī)定了6lowpan技術底層采取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的無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵問題。目前這方面研究成為了一個很活躍的方向，其中，通過分析無線傳感器網(wǎng)絡對ipv6協(xié)議?；拘枨螅柚鷧f(xié)議工程學理論和軟件工程的方法，設計并實現(xiàn)體積小、功能全、效率高，適用于ipv6無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的嵌入式ipv6協(xié)議棧，已經(jīng)成為一個很關鍵的問題。

本文在分析了無線傳感器網(wǎng)絡和ipv6 over ieee 802.15.4的技術特點之后，重點提出了一種能夠適用于無線傳感器網(wǎng)絡，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(jié)了基于ipv6 over ieee 802.15.4無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧設計的核心原則。

1 無線傳感器網(wǎng)絡和ipv6 over ieee 802.15.4的技術節(jié)點

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡簡介

無線傳感器網(wǎng)絡由大量低功耗、低速率、低成本、高密度的微型節(jié)點組成，節(jié)點通過自我組織、自我愈合的方式組成網(wǎng)絡，圖1給出了無線傳感器網(wǎng)絡的工作原理，圖中分散的無線傳感器節(jié)點通過自組織方式形成傳感器網(wǎng)絡。節(jié)點負責采集周圍的相關信息，并采用多跳方式將這些信息通過internet或其他網(wǎng)絡傳遞到遠端的監(jiān)控設備。

無線傳感器網(wǎng)絡由許多個功能相同或不同的無線傳感器節(jié)點組成。每個傳感器節(jié)點由數(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、存儲器）、通信模塊（無線收發(fā)器）以及供電模塊（電池、dc/dc能量轉(zhuǎn)換器）等組成。節(jié)點在網(wǎng)絡中可以充當數(shù)據(jù)采集者、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站或者簇頭節(jié)點（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），通過通信路由協(xié)議直接或間接將數(shù)據(jù)傳輸給遠方基站（base station）或匯節(jié)點（sink node）；作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，節(jié)點除了完成采集任務外，還要接收鄰居節(jié)點的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)發(fā)給距離基站更近的鄰居節(jié)點或者直接轉(zhuǎn)發(fā)到基站或匯節(jié)點；作為簇頭節(jié)點，節(jié)點負責收集該類內(nèi)所有節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)融合后，發(fā)送到基站或匯節(jié)點。與傳統(tǒng)ad hoc網(wǎng)絡相比，無線傳感器網(wǎng)絡具有一些明顯的特征：1）網(wǎng)絡節(jié)點密度高，傳感器節(jié)點數(shù)量眾多，單位面積所擁有的網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)遠大于傳統(tǒng)的ad hoc網(wǎng)絡，2）傳感器節(jié)點由電池供電，節(jié)點能量有限；3）網(wǎng)絡拓撲變化頻繁；4）網(wǎng)絡應具備容錯能力，正是由于以上特點，ipv6已無線傳感器網(wǎng)絡的結(jié)合對ipv6提出了一些新的要求，如ipv6地址自動分配機制和ipv6包頭壓縮機制，另外，還有一些管理問題、與無線數(shù)據(jù)鏈路層接口問題等，因此，設計ipv6微型協(xié)議棧時，除了要實現(xiàn)功能完整，高效實用。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來。

1.2 ipv6 over ieee 802.15.4的技術特點

ieee 802.15.4是2004年提出的無線標準的安全網(wǎng)絡技術，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)有的標準，主要應用場合是讀表自動化、自動化控制和傳感器網(wǎng)絡，ieee 802.15.4針對的就是低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率的短距離網(wǎng)絡，目標是將普通小型電池的使用壽命延長到幾年，當芯片批量生產(chǎn)時，每個802.15.4設備的銷售價格最終不到3美元，將很好地滿足無線傳感器網(wǎng)絡的要求，ieee 802.15.4定義了兩個物理層標準，即2.4ghz物理層和868/915mhz物理層。這兩個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(shù)據(jù)包格式；區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術、擴頻碼片長度和傳輸速率。2.4ghz波段為全球統(tǒng)一、無須申請的ism頻段，有助于15.4設備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。2.4ghz的物理層通過采用高階調(diào)制技術能夠提供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，這兩個頻段的引入避免了2.4ghz附近各種無線通信設備的相互干擾，868mhz的傳輸速率為20kb/s，915mhz和40kb/s。由于這兩個頻段上無線信號傳播損耗較低，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(qū)域，這些特點使其非常符合傳感器網(wǎng)絡的應用要求，如前所述，ieee 802.15.4只規(guī)定了物理層和mac層，并且市場目標主要是無線傳感器網(wǎng)絡，所以在選擇網(wǎng)絡層標準時，考慮到無線傳感器網(wǎng)絡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

由于無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點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(tǒng)里實現(xiàn)的，由于嵌入式系統(tǒng)與pc機的差別很大，在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)tcp/ip協(xié)議與在操作系統(tǒng)中的實現(xiàn)有很大不同，所以這是設計的核心環(huán)節(jié)。嵌入式系統(tǒng)的ipv6微型協(xié)議棧，直接面對硬件，沒有一個多任操作系統(tǒng)平臺，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，與高級操作系統(tǒng)中多線程并發(fā)執(zhí)行的方式截然不同，因為單片機上系統(tǒng)的各種資源是有限的，例如cpu的處理速度、字長、ram、rom存儲器的容量以及接口的數(shù)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)揮單片機的特點成為ipv6微型協(xié)議棧設計的關鍵問題?！拔⑿突彼枷胫饕w現(xiàn)在設計方案核心應著眼于設計體積小，但又不影響運行的協(xié)議棧，所以要對協(xié)議棧的剪切方面進行深入研究，去掉不必要的組件，傳統(tǒng)的復雜調(diào)度機制和額外的擴展功能，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線傳感器網(wǎng)絡的嵌入式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(tǒng)上，具有較強的兼容性，可以在以太網(wǎng)上正確運行，同時在此基礎上可以借助ieee 802.15.4 mac的無線數(shù)據(jù)傳輸功能來傳送數(shù)據(jù)包。

2）實現(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)控制報文）協(xié)議和ipv6地址的自動配置協(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，實現(xiàn)鄰居請求和鄰居通告。

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

◆ ipv6地址自動配置協(xié)議：根據(jù)ipv6地址格式的要求，主要實現(xiàn)ipv6鏈路本地地址的配置和請求節(jié)點多播地址的配置。

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

4）實現(xiàn)簡單的應用層協(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(tǒng)，以及進行簡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(jié)構(gòu)進行設計，將整個協(xié)議棧（包括tcp及上層應用）分為4個層次，事件觸發(fā)接口層、tcp/ip網(wǎng)絡協(xié)議層、nic網(wǎng)絡接口核心層和網(wǎng)絡設備驅(qū)動接口層。

圖3是對整個協(xié)議棧的分層描述，在協(xié)議棧的工作過程中使用上層調(diào)用相鄰層的函數(shù)來實現(xiàn)相應的功能。

各層的功能簡述如下：

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)絡數(shù)據(jù)的格式以及網(wǎng)絡的應用。

2）tcp/ip網(wǎng)絡協(xié)議層。該層對應于tcp/ip模型的傳輸層協(xié)議和網(wǎng)絡層協(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)侥康牡氐模褂胻cp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)議進行路由選擇和基于ip的尋址。

3）nic網(wǎng)絡接口核心層。該層是整個網(wǎng)絡接口的關鍵部位，其上層是具體的網(wǎng)絡協(xié)議，下層是驅(qū)動程序，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)，同時負責把來自下層的包向合適的協(xié)議發(fā)送。

4）網(wǎng)絡設備驅(qū)動接口層，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)，并對物理介質(zhì)進行諸如最大數(shù)據(jù)包之類的各種設置。

結(jié)合對嵌入式ipv6協(xié)議棧設計要求和分層結(jié)構(gòu)的全面分析，將設計實現(xiàn)劃分為4個模塊，如圖4所示。

各模塊的功能簡述如下：

1）網(wǎng)絡接口核心模塊，該模塊為網(wǎng)絡協(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)，同時負責把來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)動接口，當特定tcp/ip事件發(fā)生時，將調(diào)用應用程序，而當應用程序產(chǎn)生輸出數(shù)據(jù)時，也通過此接口發(fā)送出去。

3）snmp網(wǎng)管模塊。該模塊負責獲取ipv6無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的相關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、默認網(wǎng)關和mac地址等，在程序正常運行前，由超級終端進入配置模式，由用戶進行配置管理。

結(jié)語

基于ipv6 over ieee 802.15.4的無線傳感器網(wǎng)絡是一門新興的網(wǎng)絡技術，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無線傳感器網(wǎng)絡自身特點，對其關鍵技術嵌入式ipv6協(xié)議棧進行了分析，筆者認為，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，但由于代碼體積較大（幾mb-幾百mb），而無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的存儲資源只有不到200mb，因而無法運行在計算能力和存儲資源受限的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點中。所以在設計適合傳感器節(jié)點的嵌入式ipv6協(xié)議棧時，應充分分析和研究無線傳感器網(wǎng)絡對ipv6提出的新要求，考慮在性能和資源之間尋找一個折中的方案。充分運用協(xié)議工程學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，這對推動無線傳感器網(wǎng)絡和ipv6的發(fā)展，以及改變?nèi)藗兊纳詈凸ぷ鞣绞剑哂惺种匾囊饬x。