| 摘要 基于IPv6 over IEEE802.15.4的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。其中,設(shè)計(jì)適合傳感器節(jié)點(diǎn)的嵌入式IPv6協(xié)議棧是一個(gè)關(guān)鍵。本文在分析了IEEE802.15.4和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)后,針對(duì)這些特點(diǎn)提出一種嵌入式IPv6協(xié)議棧的設(shè)計(jì)方案;并在本文的最后,總結(jié)了設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的關(guān)鍵因素。 關(guān)鍵詞 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) IPv6協(xié)議棧 IEEE802.15.4 6LowPan 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)的各領(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IEEE802.15.4工作組,致力于定義一種供廉價(jià)、固定、便攜或移動(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)線低功率通信技術(shù)最適合傳感器網(wǎng)絡(luò)使用,傳感器網(wǎng)絡(luò)是IEEE802.15.4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)在底層采取IEEE 802.15.4,MAC層以上采取IPv6協(xié)議棧,致力于如何將IPv6與IEEE802.15.4展開(kāi),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 IEEE802.15.4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 IEEE802.15.4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IEEE802.15.4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 IEEE802.15.4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)特點(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。  圖1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作原理
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)(clusterhead 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與無(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)。IEEE802.15.4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。IEEE802.15.4定義了兩個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn),即2.4 GHz物理層和868/915 MHz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。2.4 GHz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。2.4 GHz的物理層通過(guò)采用高階調(diào)制技術(shù)能夠提供250 kb/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。868 MHz是歐洲的ISM頻段,915 MHz是美國(guó)的ISM頻段,這兩個(gè)頻段的引入避免了2.4 GHz附近各種無(wú)線通信設(shè)備的相互干擾。868 MHz的傳輸速率為20 kb/s,915 MHz是40 kb/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,并且其市場(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。 圖2 嵌入式IPv6協(xié)議棧
|
66821730(技術(shù)支持)
