（通信与信息系统专业论文）ipv6低速无线个域网关键技术研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 i p v 6 低速无线个域网关键技术研究 摘要 随着信息技术的飞速发展，集嵌入式、传感器及网络技术于一体的低 速无线个域网凭借其低复杂度、低功耗、低成本、电池寿命长等优点，在 传感和自动控制方面占有极大的应用空间，满足了人们对“无处不在”网 络的需求，具有良好的发展前景 i 】。“无处不在”的网络必然要求数量庞大 的节点，这就需要巨大的i p 地址资源；另外，由于低速无线个域网的应用 领域对安全性要求较高，需要完善的安全机制支持。 i p v 6 作为下一代网络协议，具有地址资源丰富、地址自动配置、安全 性高、移动性好等优点，可以满足低速无线个域网在地址和安全方面的需 求f 2 l 【3 】。同时，i p v 6 已经从基础研究进入大规模商用网络建设阶段，取代 i p v 4 成为不可逆转的趋势。所以将i p v 6 与低速无线个域网结合，研究i p v 6 低速无线个域网的关键技术符合未来网络发展方向，具有重要的意义。 目前，口v 6 无线个域网技术尚处于研究起步阶段，国内外还没有推出 任何相关产品，也没有成熟的标准支持。本论文是国家科技部创新基金项 目“z i g b e e ( 紫蜂) 技术研制与开发”的重要组成部分，在研究关键 技术的基础上，进行了程序实现，完成了i p v 6 低速无线个域网关键技术的 草案，有望成为标准。本文第二章深入研究了i e e e8 0 2 1 5 4 标准，主要包 括物理层和介质访问控制层规范：第三章提出i p v 6 低速无线个域网的四大 关键技术，并详细分析给出解决方案：第四章在研究方案的基础上，对关 键技术进行程序实现：第五章对关键技术解决方案进行了验证；第六章总 结全文并展望了i p v 6 低速个域网的进一步工作及发展前景。 关键词：i p v 6 、传感器、低速无线个域网、i e e e8 0 2 1 5 4 北京交通大学硕士学位论文 i p v 6 低速无线个域网关键技术研究 a b s t r a c t w i mt 1 1 e r 印i dd e v e l o p m e n to fi n f o m a ：t i o nt e c h n o l o g y ，l r - w p a n s ， w h i c hi n c l u d em e t e c l l i l o l o g yo fe m b e d d e dd e v i c e s ，s c n s o r sa n dn c t 、v o r k s ，h a v e m o r ea i l d m o r e 印p l i c a t i o ni ns e n s o ra i l da u t o m a t i o n 【1 1 t h ef c a n l r co f s i m p l i c 时 a i i o w ss m a l l ， p o w e r - e 箭c i e n t ，i n e x p e n s i v e s o l i n i o n st 0b e i m p l e m e n t e df o ra 、v i d e 啪g co fd e v i c e s ，w h i c hr e q u i r eag r e a t 锄o u n to f n c m o r kn o d e sa s 、e l l 鹊e n o u g hr e s o u r c eo fi pa d d r e s s i na d d i t i o n ，l e a p p l i c a t i o no fl r - w p a n sr e q u i r e sb e n e rs e c 埘谚m e c h a i l i s m i i 6i s t l l ep m t o c o lf o rn e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ，w h j c hc a nm e e tt l l e r e q 试r c m e n t so fb o mi pa d d r c s sa n ds e c u r i t ys u p p o nb e c a u s eo f l ef e a t u r eo f v a s ta d d r e s s r e s o u r c e ，a u t o c o n 丘g u r a t i o n ，l l i g hs e c u r i t ya n dm o b i l i t y f 2 3 】w h a t i sm o r e ，i p v 6h a ss t 印p e d 舶mf t l n d a m e n t a lr e s e a r c hi n t oan e ws t a g eo f 印p l i c a t i o no nal a r g es c a l ef o rc o m m e r c i a lu s e ，a n di ti se v i t a b l e 也a ti p v 6 谢1 1 r c p l a c ei p v 4 1 1 1 e r e f o r c ，咖d yo ni p v 6l r 一聊a n si ss i 鲥f l c 趾t a cp r e s e n t ，t l l er e l a t e dr e s e a r c hh a sj u s t b e g u n ，柚dt l l e r ea r en o ta n y p r o d u c t s 觚de v c ns 切n d a r d t h i sp 印e ri sa ni m p o r t a n tp a no fh m o v a t i o nf u n d p m 伊a m m eo fn a t i o n a lt e c h n 0 1 0 9 yd 印a r h n e n t b a s e do nt h es t i l d yo fk e y p m b l e m s ，if - m i s h e dm ed m 矗f o ri p v 6w p 舢町t 1 1 es t a n d a r do fi e e e8 0 2 15 4i s s t i l d i e di nc h a p t e r2 ，i n c l u d i n gt h es p e c m c a t i o no fp h ya n dm a c i nc h a p t e r3 ， m ek e yp r o b l e m sa r ee x p l a i n e da n ds o l v e dmd e t a i l t h er e a l i z a t i o n i s a c c o m p i i s h e di i lc h 印t e r4a n dt h et e s ti i lc h 印t e r5 c h 印t e r6s 吼m a r i z e st 1 1 e p a p e ra n dp m s p e c t s l em h l r ef o ri p v 6l r _ w p a n s k q y o r d s ：i p v 6 ，s e n s o r ，l r w p a n ，i e e e8 0 2 1 5 。4 4 北京交通大学硕士学位论文 i p v 6 低速无线个域网关键技术研究 独创性说明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北方交通大 学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：聋挫趁日期：兰型：! ： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北方交通大学有关保留、使用学位论文的规定即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论 文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。论 文中所有创新和成果归北方交通大学电信学院i p 网络实验室和赫立讯科 技( 北京) 有限公司所有。未经许可，任何单位和个人不得拷贝。版权所 有，违者必究。 期：芷 北京交通大学硕士学位论文i p v 6 低速无线个域网关键技术研究 第一章绪论 本章综述i p v 6 低速无线个域网( l o w r a t ew i r e l e s sp e r s o n a l 缸e a n e 铆o r k ，u t w 鼢n ) 的研究背景、意义及国内外现状，并概括了论文的 主要工作和结构。 1 1 背景及意义 随着互联网的发展，i n t e m e t 对人们生活方式的影响越来越大。外围设 备逐渐增多，用户需要在p c 机上连接打印机、扫描仪、调制解调器，还 要通过u s b 接口连接数码相机等。频繁地使用某一接口，p c 机后缠绕着 各种线缆，给用户带来很大的不便。此外，企业内部工作人员之间的信息 传递，在现代化企业中也对信息传送的移动化提出更高的要求。集成了网 络技术、嵌入式技术及传感器技术的l r 、p a n 将i n t e m e t 从虚拟世界延伸 到物理世界，从而将逻辑上的信息世界与真实物理世界融合在一起，改变 人与自然交互的方式，满足人们对“无处不在”的网络的需求【4 j 。 l r w p a n 能够在近距离内为设备建立连接，还可以将一组相互连接 的设备接入更广阔的l a n 或i n t e m e t 中。l r w p a n 设备可以是运动的， 这意味着w p n 的标准应该具有很好的互操作性，在世界任何地方一无论 是在汽车、轮船或飞机中，都能不受干扰她传送语音和数据。 l r w p a n 由于其功耗小、成本低、通信距离短、电池寿命长等特点， 广泛适用于感测与控制方面。应用领域主要有工业与环境控制、家庭自动 化、家庭安全与个人医疗看护等，可配合家电产品、消费性电子、p c 外设 与传感器等，提供家电感测、无线p c 外设控制、家电遥控等功能。 由于l r w p a n 具有“无处不在”和节点数量庞大等特点，部署无线 北京交通大学硕士学位论文i p v 6 低速无线个域网关键技术研究 传感器网络需要数量巨大的口地址资源。另一方面，由于无线传感器网络 的应用领域往往对安全要求较高，所以需要较高的安全机制支持。 目前i p 网络使用的标准主要是i p v 4 ，随着网络业务、规模的不断扩展， i p v 4 的缺陷日益暴露。地址耗尽、服务质量( q u a l n yo f s e r v i c e ，q o s ) 支 持不够、没有安全机制等问题成为i p 网络发展的瓶颈。p v 6 的推出弥补了 上述缺点，i p 地址从3 2 位增加到1 2 8 位，极大丰富了地址资源：简化的 报文格式，4 0 字节的报头提高了处理效率；地址分配遵循聚类原则，减小 了路由表；报头由基本头+ 链式扩展头组成，可扩充性好；增强的组播支 持及使用数据流标识保证q o s ：有加密和认证机制，安全性更高。 同时，i p v 6 已经从基础研究进入大规模商用网络建设阶段：日本和欧 洲已经相继建成i p v 6 商用网；美国国防部宣布在2 0 0 8 年前将军方网络升 级到i p v 6 ；中国在2 0 0 3 年底也开始实施“中国下一代互联网示范工程 ( c n g i ) ”，建设全球最大规模的i p v 6 商用网。i p v 6 取代i p v 4 已经成为不 可逆转的趋势。 所以将碑v 6 与无线传感器网络结合、研究i p v 6 低速无线个域网的关 键技术符合未来网络发展方向，将对人们生活和工作方式带来巨大的变革， 具有十分重要的意义。 1 2 国内外发展现状 2 0 0 0 年1 2 月，i e e e 成立了8 0 2 1 5 4 小组，负责制订介质访问控制层 ( m a c ) 和物理层( p h y ) 的规范。2 0 0 3 年5 月，i e e e 组织通过i e e e8 0 2 1 5 4 标准【5 】。目前，该小组正在着手制订8 0 2 1 5 4 b 标准，预计2 0 0 5 底拟定标 准【6 】。8 0 2 1 5 4 b 标准是8 0 2 1 5 4 标准的改进版，主要工作是解决疑义、降 低复杂度、提高灵活性并思考新的频段分配等。此标准将有效简化架构并 2 北京交通大学硕士学位论文i p v 6 低速无线个域网关键技术研究 改善互通性，并提高系统的稳定度。 i e e e8 0 2 1 5 4 标准制订了l r w 队n 的m a c 层和p h y 层，也就是网 络硬件标准。2 0 0 2 年1 0 月，由h o n e y w e l l 、m i t s u b i s h i 、m o t o r o l a 、p h i l i p s 和i n v e n s y s 共同成立了z i g b e e 联盟，负责制订网络层、安全管理和应用层 规范。至今已吸引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发商加盟( 7 】。经 过两年的研究和测试，2 0 0 4 年1 2 月，z i g b e e 联盟通过了第一个正式标准。 该标准制订了链路层以上的内容，为i e e e8 0 2 1 5 4 提供了软件支持。这极 大地推动了z i g b e e 产业的发展，其联盟成员c h i p c o n 、f r e e s c a l e 、a n l l e l 、 m o t o r o l a 相继推出了支持z i g b e e 最新标准的产品嘲。 但是z i g b 是一个商业联盟，是一个非开放的组织，这在一定程度上 限制了它的发展。i p 技术的飞速发展和普及正是由于其开放性，因此研究 将i p 引入l r w p a n 是其发展的一个重要方向。目前，国内外已经有一些 研究团体和组织开始了i p 无线低速个域网的研究。 瑞典计算机科学学院的d n s s n 项目将t c p i p 首次引入无线传感器网 络，并进行了大规模试验，论证了研制i p 低速无线个域网的可行性，但 d t n s n 的研究仅限于i p v 4 【9 1 。2 0 0 4 年1 1 月i e t f 正式成立了6 l o w p a n 工作组，着手制定基于i p v 6 的低速无线个域网标准，该工作组的工作主要 围绕如何将i p v 6 与i e e e 8 0 2 1 5 4 展开，研究基于i p v 6 的无线个域网的关 键问题【。 国内目前只有部分高等院校和科研院所开展了对l r _ w 附n 网络的研 究。北京交通大学从2 0 0 3 年就开始紧密跟踪和研究i p v 6 无线传感器网络 方面的最新技术。2 0 0 4 年5 月，i p 网络实验室与赫立讯( 北京) 科技有限 公司共同成立了联合实验室，正式着手i p v 6 低速无线个域网的研究。2 0 0 4 年9 月，开发出适用于小型l r w p a n 网络节点的嵌入式微型i p v 6 协议栈， 支持i p v 6 、i c m p v 6 、n d 、t c p v 6 、u d p v 6 协议，目前该协议栈已经在跚p c o n 北京交通大学硕士学位论文i p v 6 低速无线个域网关键技术研究 c c 2 4 2 0 d b k 开发板上成功运行，并进行了小型i p v 6 低速无线个域网的联 网试验，从理论和实践方面论证了口v 6 低速无线个域网的可行性，在同类 研究领域走到了世界前列。 1 3 主要工作及论文结构 本文在深入分析i p v 6 标准和i e e e8 0 2 1 5 4 的基础上，研究了i p v 6 低 速无线个域网的关键技术，并进行了小型i p v 6 低速无线个域网的联网试 验，验证了方案的正确性。主要工作如下： ( 1 ) 深入分析i p v 6 相关标准，主要研究i p v 6 地址配置机制和邻居发 现机制： ( 2 ) 分析l r w p ：a n 的优缺点及应用范围，研究i e e e8 0 2 1 5 4 标准， 主要是网络拓扑、网络组成要素和p h y 层服务规范； ( 3 ) 在对i p v 6 低速无线个域网进行需求分析的基础上，总结需解决 的关键问题，并提出详细解决方案： ( 4 ) 进行i p v 6 低速无线个域网联网实验，验证a o d v 报文和i p v 6 报文格式的正确性。 论文的主要结构为： 第一章绪论综述选题背景及意义： 第二章低速无线个域网基本原理研究m e e8 0 2 1 5 4 标准： 第三章i p v 6 低速无线个域网关键技术研究分析需求并提出关键问 题，提出详细解决方案； 第四章关键技术的实现在i e e e8 0 2 1 5 4 硬件模块的基础上，根据研 究方案，对关键技术进行实现： 第五章验证与结论对i p v 6 低速无线个域网进行联网实验，验证其基 4 北京交通大学硕士学位论文 i p v 6 低速无线个域网关键技术研究 8 0 2 1 1 b 】，w p a n 的代表是l r w p a n 和b i u e t o o m 。具体技术指标比较如 表2 1 所示。 表2 1 四种无线通信技术指标比较 名称 g p r s g s m w i 。f i b i u e t o o t l ll r - w p a n i e e e 标准 8 0 2 1 l b8 0 2 1 5 1 8 0 2 1 5 4 应用声音、数据 网络、视代替光缆 监控 系统资源 1 6 m b +1 m b +2 5 0 k b + 4 k b 3 2 k b 电池寿命 1 70 5 51 71 0 0 1 0 0 0 + 数据率 6 4 1 2 8 + 1 1 0 0 0 +7 2 02 0 2 5 0 传输范围 1 0 0 0 +1 1 0 0 1 1 0 +3 0 1 0 0 + 优点 范围大，速率大。低成本， 可靠性好，低 通信质量好灵活性好方便功耗，低成本 w p a n 是一种短距离、低数据率的无线通信技术。w p a n 以蓝牙技术 为基础，由i e e e8 0 2 ，1 5 工作组负责制定，目前已发展成为短距离个人无 线网络的标准。8 0 2 1 5 工作组下设五个任务组，t g l 负责制定i e e e 8 0 2 1 5 ，1 ，处理基于蓝牙v 1 x 版本的速率为l m b i “s 的w p a n 标准1 1 2 j ；t g 2 负责制定i e e e8 0 2 1 5 2 ，处理在公用i s m 频段内无线设备的关存问题“副； t g 3 负责制定i e e e8 0 2 1 5 - 3 ，这个任务组的目标在于开发高于2 0 m b i t s 速 率的多媒体和数字图像应用h 1 ：t g 3 a 刚剐成立不久，负责研究高于 1 1 0 m b i 以速率的多媒体和数字图像的传输：t g 4 负责制定i e e e8 0 2 1 5 4 ， 这个任务组研究低于2 0 0 k b i “s 数据传输率的w p a n 应用。 i e e e8 0 2 1 5 1 i e e e8 0 2 1 5 1 标准是由i e e e 与蓝牙s i g 合作共同完成的。源于蓝牙 v 1 1 版的i e e e8 0 2 1 5 1 标准已于2 0 0 2 年4 月1 5 日由i e e e s a 的标准部 北京交通大学硕士学位论文 i p v 6 低速无线个域网关键技术研究 门批准成为一个正式标准，它可以同蓝牙v 1 1 完全兼容。i e e e8 0 2 1 5 1 是 用于无线个人网络( w p a n ) 的无线媒体接入控制( m a c ) 和物理层( p h y ) 规范。标准的目标在于在个人操作空间( p o s ) 内进行无线通信。 i e e e8 0 2 1 5 1 的工作主要在p h y 层和m a c 层，对应于i s oo s i 参 考模型的物理层和数据链路层，它为便携个人设备在短距离内提供一种简 单、低功耗的无线连接，支持设备之间或在个人操作空间中的互操作性。 它所支持的设备包括：计算机、打印机、数码相机、扬声器、耳机、传感 器、显示器、传呼机和移动电话等。 i e e e8 0 2 1 5 2 自从w p a n 问世以来，人们一直担心着一个问题；在无线局域网如此 广泛应用的今天，w 队n 可以不受干扰地工作吗? 目前w p a n 所使用的无 线技术( 蓝牙、h o m e r f 和i e e e8 0 2 1 5 ) 共用2 4 g h zi s m 频段，此外执 行i e e e8 0 2 1 1 标准的w l a n 设备也和w p a n 设备共享同一频段。可以预 见，这些在同一环境下应用的技术互相之间会产生干扰。这个问题不解决， w p a n 就不能广泛地应用。i e e e 8 0 2 1 5t g 2 的任务就是专门研究如何解决 这一问题。 i e e e8 0 2 1 5 3 以蓝牙技术为基础的w p a n ，其1 m b i “s 速率不足以覆盖多种应用的 需求。作为补充，i e e e 规定了高速w p a n 的标准i e e e8 0 2 1 5 3 ，它适用 于2 0 m b i “s 或更高速率的w p a n 。为低成本、低功耗的便携设备用户提供 多媒体和数字图像等方面的应用。 为了加强对更高速率的w p a n 技术的研究，8 0 2 1 5 工作组成立了i e e e 8 0 2 1 5 t g 3 a 任务组，该任务组于2 0 0 2 年1 2 月获得i e e e 批准正式开展工 作。t g 3 a 主要研究1 l o m b i “s 以上速率的图像和多媒体的传输，这是今后 i e e e8 0 2 1 5 工作组的研究重点。若高速w p a n 技术能够实现，将为无线 北京交通大学硕士学位论文 i p v 6 低速无线个域网关键技术研究 个人网络提供更广阔的应用领域。 i e e e8 0 2 1 5 4 随着计算机技术、网络技术与无线通信技术的高速发展和广泛应用， 人们开始将无线网络技术与传感器技术相结合。提供了无线网络化传感器 的概念。它不仅可以应用于i n t e m e t 接入互连，还适用于有线接入方式所不 能胜任的场合，以提供优质的数据传输服务。例如，在工厂巨大的设备间、 低速长距离的通信要求和危险的工业环境。 2 0 0 0 年1 2 月i e e e 成立了i e e e8 0 2 1 5 4 工作组，致力于定义一种从 廉价的固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无 线连接技术。产品的方便灵活、易于连接、实用可靠及可继续延续是市场 的驱动力。一般认为短距离的无线低功率通信技术最适合传感器网络使用， 传感器网络是8 0 2 1 5 4 标准的主要市场对象。将传感器与8 0 2 1 5 4 设备组 合，进行数据收集、处理和分析，即可决定是否需要或何时需要用户操作。 满足8 0 2 1 5 4 标准的无线发射接收机及网络被m o t o r o l a 、p h i l i p s 、e a t o n 、 i n v e n s y s 和h o n e y w e l l 这些国际通信与工业控制界巨头们极力推崇。 本论文所研究的低速无线个域网( l r - w p a n ) 就是基于i e e e8 0 2 1 5 4 标准的。 2 2 低速无线个域网标准概述 l r w p a n 是一种简单、低成本的通信网络，可以通过有限的功耗和 灵活的吞吐量实现无线网络互联。具有易于安装、可靠数据传输、短距离 操作、成本极低、电池寿命较长等优势。有以下基本特征： 数据传输率低，有2 5 0k b s 、4 0k b s 和2 0 k b s 三种； 网络拓扑有星形和点对点( p c e r t o p e e r ) 两种： 北京交通大学硕士学位论文i p v 6 低速无线个域网关键技术研究 支持低反应期设备； c s m a c a 信道接入； 设备动态选址： 完全握手协议保证传输可靠性； 低功耗； 2 4g h z 带宽有1 6 个信道：9 1 5 m h z 有l o 个信道；8 6 8 m h z 有1 个信道。 i e e e8 0 2 1 5 4 定义了l r w p a n 的物理层规范和介质访问控制层规 范。下面分别对网络组成要素、网络拓扑以及p h y 和m a c 规范做详细介 绍。 2 2 1 网络组成要素 l r w p a n 网络中包括两种不同的设备：全功能设备( f u l lf u n c t i o n d e v i c e ，f f d ) 和缩减功能设备( r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e ，r f d ) 。f f d 有 三种身份，个域网( p e r s o n a la r e an e t w o r k ，p a n ) 协调者( c o o r d i n a t o r ) 、 普通协调者和设备。f f d 可以和r f d 或者其他f f d 进行通信，而r f d 只 能和f f d 通信。r f d 的应用非常简单，比如电灯开关、红外传感器等， r f d 不需要发送大量的数据，在同一时刻只能和个f f d 进行通信，所以 r f d 可以使用极少的资源和内存实现。 在网络中所有的设备都拥有一个唯一的6 4 位扩展地址，可以用于p a n 内部的直接通信；或者当一个设备加入加入网络时，会被分配一个1 6 位的 短地址。 一个符合i e e e8 0 2 1 5 4 的w p a n 必须包括以下要素。最基本的是设 备，可以是r f d 或者f f d ，在某个人操作空间( p e r s o n a lo p e r a t i n gs y s t e m ， 1 0 北京交通大学硕士学位论文 i p v 6 低速无线个域网关键技术研究 p o s ) 中，在同一物理信道通信的两个或两个以上的设备组成一个w p a n ， 而且必须至少包括一个f f d ，作为网络协调者。 鉴于无线介质中的传播是动态的和不稳定的，所以对无线通信来说， 没有确切定义的覆盖范围。往往一些位置或方向上的微小改变会导致信号 强度和通信链路质量的剧烈变化，不管设备是静态的还是移动的，这都将 影响站点到站点的传播。 2 2 2 网络拓扑类型 根据实际应用需求，l r w p a n 包括两种类型的网络拓扑结构：星形 网( 如图2 2 ) 和点到点网( 如图2 3 ) 。 2 2 2 1 星形网 星形网中，通信是建立在多个设备和一个p a n 协调者之间的，p a n 协调者是一个网络的主要控制器，它有发起、终止、路由等功能，并且可 以主供电；而一个设备只有网络通信的发起或终止功能，很可能是用电池 供电。星形网适合家庭自动化、p c 外围设备、玩具、游戏和个人健康等应 用。 图2 2 星形网拓扑 f f d o r f d 北京交通大学硕士学位论文 i p v 6 低速无线个域网关键技术研究 每一个独立的p a n 都会选择一个唯一的i d 来标识，即p a ni d 。这样 使得网络内部可以使用短地址进行透信，也允许多个独立p a n 之间的进行 数据传输。 星形网的建立过程如下：首先，一个f f d 启动，建立自己的网络，并 成为p a n 协调者；然后，选择一个与自己影响范围内其他网络不同的p a n i d ，这个队ni d 使得当前所有星形网络的操作都是独立的；一旦拥有自 己的p a ni d ，p a n 协调者就能允许其他设备加入自己的网络，不管是f f d 还是r f d 。 2 2 2 2 点对点网 点对点网也有一个p a n 协调者，它和星形网的不同之处在于，任意节 点都可以和其功率范围所及的其他节点通信。这使得网络实现更复杂的拓 扑，比如m e s h 网。这种网络适合于工业控制、无线传感网络、资产评估、 智能农业和安全等应用。点对点网络可以是a dh o c 、自组织、自适应的网 络，也允许设备间进行多跳路由，这些功能都可以加到网络层。 图2 3 点对点形网络拓扑 f f d or f d 点对点网的建立过程如下：首先，网络根据某种方法选举出一个p a n 北京交通大学硕士学位论文i p v 6 低速无线个域网关键技术研究 协调者，比如以在该信道内第一个进行通信的设备作为协调者；进一步拓 扑结构的形成不属于点对点网的范畴。 点对点拓扑的一个常见例子是簇树( c l u s t e r _ 仃e e ) ，簇树是一个特殊的 点对点网络，大多数设备都是f f d 。如图2 4 所示。因为r f d 同时只能连 接到一个f f d ，所以其只能作为叶子节点( 1 e a v en o d e ) 连接到簇树网络分 支的末端。任何一个f f d 都可以作为协调者，向其他设备和协调者提供同 步服务。但只能有一个全局p a n 协调者，拥有比网络内不其他设备更强大 的计算资源。p a n 协调者首先将自己作为簇头( c l u s t e rh e a d ，c l h ) 建立 第一个簇，簇i d ( c l l l s t e ri d e n t i f i e r ，c l i ) 为o ，并且选择唯一的p a ni d ， 然后向相邻设备广播。接收到广播消息的设备将请求加入网络，如果p a n 协调者允许，它将添加新设备作为自节点：如果p a n 协调者不允许，请求 节点将重新寻找父节点。这样逐步扩张。 图2 4 簇树网络拓扑 f f d or f d 北京交通大学硕士学位论文 i p v 6 低速无线个域网关键技术研究 2 2 3 物理层规范 2 2 3 1 物理层包格式 i e e e8 0 2 1 5 4 规定p h y 层包格式如图2 5 所示。 o c t e t s ：4l1 图2 5p h y 层包格式 图中，p r e 跏b l e 用来保证符号同步，3 2 位； s f d ( s t a n o f - f r 锄ed e l i m i t e r ，帧开始分隔符) 用来指示同步字段的 结束和包数据的开始，8 位； p h r ( p h y h e a d e r ，物理层头部) 用来指示p s d u ( p h y s e r v i c e d a t a u 1 1 i t ，物理层协议数据单元) 的长度，8 位。 p s d u 是物理层的载荷，包括m a c 予层的帧，长度值不定，小于1 2 7 个字节。 2 2 3 2 物理层服务 物理层是m a c 予层和物理射频之间的接口，包括一个p l m e ( p h y l a y e rm a l l a g e m e n te n t i t y ，物理层管理实体) ，可以提供层管理服务接口， 用来调用层管理函数。p l m b 维护有一个p h y 层的管理对象数据库，称为 物理层p i b ( p a ni n f o h i l a t i o n b a s e ，p a n 信息库) 。 物理层包括两种服务类型：p h y 数据服务和p h y 管理服务。 北京交通大学硕士学位论文 i p v 6 低速无线个域网关键技术研究 数据帧用来传输数据；确认帧用来对命令进行确认回复；m a c 命令帧用来 表示m a c 层的各种命令。 2 2 4 2 介质访问控制层服务 m a c 层同p h y 层一样，也包括一个管理实体，称为m l m e ( m a c l a y e r m a l l a g e m e me n t 时，m a c 层管理实体) ，功能和p l m e 相似，也维护有 个管理对象数据库，即m a c 层的p i b 。 m a c 层包括两种服务类型：m a c 数据服务和m a c 管理服务。数据 服务包括m c p s d a r a 和m c p s p u r g e 两种，其功能如表2 3 所示。 表2 3 m a c 数据服务表 名称 功能 m c p s d a r a 传输数据 m c p s p u r g e 从传输序列中请求消息 m a c 管理服务相对比较复杂，增强了m a c 层的管理功能。各服务作 用如表2 4 所示。 表2 4 m a c 管理服务表 名称功能 m l m e a s s o c “玎e加入网络 m l m e d i s a s s o c i a t e离开网络 m l m e b e a c o n n o t i f y接收到b e a c o n 帧后进行通知 m l m e g e t获取指定的p i b 属性 m l m e g t s 请求和维护g t s 北京交通大学硕士学位论文i p v 6 低速无线个域网关键技术研究 名称功能 m l m e o r p h a n独立设备管理 m l m 匣一r e s e t重置缺省值 m l m e r x - e n a b l e 在指定时间内是否允许接收 m l m e s c a n 对指定信道进行扫描 m l m e c o m m - s t a t u s 通知数据传输状态 m l m e s e t设置指定的p i b 属性 m l m e - s t a r t 使用新的超帧初始化网络 m l m e s y n c 与协调者保持同步 m l m e - l o s s 与协调者解除同步 m l m e p o l l 向协调者请求数据 2 3 本章小结 本章在深入研究i e e e8 0 2 1 5 4 标准的基础上，总结了低速无线个域网 的组成要素、网络拓扑类型以及链路层地址格式。并在此基础上，分别研 究了物理层和介质访问控制层的帧格式和服务规范，主要分析了介质访问 控制层的服务类型，为i p v 6 低速无线个域网的研究奠定基础。 北京交通大学硕士学位论文 i p v 6 低速无线个域网关键技术研究 第三章i p v 6 低速无线个域网关键技术研究 本章详细研究i p v 6 低速无线个域网中需要解决的关键技术，并提出相 应的解决方案。具体问题如下： 首先，i e e e8 0 2 1 5 4 定义了新的物理层( p h y ) 和介质访问控制层 ( m a c ) 机制，其链路层地址格式分1 6 位短地址和6 4 位扩展地址【5 】，需 要制定相应的i p v 6 链路本地地址格式。 第二，l r w p a n 的网络结构、组成方式及节点间通信机制不同，要求 制定相应的的地址配置机制和重复地址检测( d u p l i c a t ea d d r e s sd e t e c t i o n ， d a d ) 机制。 第三，i p v 6 低速无线个域网需要实现地址解析、地址前缀获取和下一 跳查找等功能，要求制定适用于该网络的邻居发现机制。 第四，i e e e8 0 2 1 5 4 只定义了p h y 和m a c ，没有路由机制支持，要 求研究制定合适的路由机制为l r w 鼢n 提供路由功能。 3 1 i p v 6 地址配置机制 3 1 1 需求分析 i e e e8 0 2 1 5 4 标准是为了满足类似于传感器的小型、低成本设备无线 联网的要求而出台的。所以在其功能设计方面，以简单为原则。配置i p v 6 地址也只是以实现基本通信为目的。 i p v 6 地址是独立接口的标识符，所有的i p v 6 地址都被分配到接口，而 不是节点。每个接口都属于某个特定的节点，每个节点可以配置多个接口， 节点的任意一个接口地址都可以标识该节点 1 6 】。i p v 6 一般地址格式如图 1 9 北京交通大学硕士学位论文i p v 6 低速无线个域网关键技术研究 1 0b i t5 4b i t6 4b i t 图3 2 链路本地地址 图中，接口i d 是难一标识节点某个接口的，由e u i 6 4 ( 6 4 - b i te x t e n d e d u i l i q u ei d e n t i f i e r ，6 4 位扩展唯一标志符) 地址转化而来。e u i 6 4 是由i e e e ( 电气电子工程师协会) 定义的，或者是直接分配给网卡，或者是从i e e e 8 0 2 地址衍生而来的，l r - w p a n 设备地址属于前者，以太网网卡地址属于 后者( 由4 8 位m a c 地址生成) 。 低速无线个域网标准i e e e8 0 2 1 5 4 规定每个符合该标准的设备都必须 分配一个唯一的6 4 位扩展地址( i e e ee x t e n d e du m q u ea d d r e s s ) ，用十六进 制表示。那么这个扩展地址应该符合e u i 6 4 地址格式。 c c c c c c u gc c c c c c c cc c c c c c c c x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x xx x x x x x x x j l 一一r t n 图3 3i e e ee u i 6 4 地址格式 i e e ee u i 6 4 地址格式如图3 3 所示。图中，前2 4 位是公司i d ( 也称 为制造商i d ) ，后4 0 位是扩充i d ( 也称为主板i d ) 。u 位对应于i e e e8 0 2 中定义的u l ( u “v e r s a i l o c 越) 位，用来判断m a c 地址是全局地址还是本 地管理地址。为o 时，表示i e e e 分配的全局地址，为1 时，表示本地管 理地址。g 位对应于i e e e8 0 2 中定义的i g ( i n d i v i d u 州g m u p ) 位，用于 判断m a c 地址是个人地址还是广播或多播地址，为0 时，表示m a c 地址 的单播地址；为1 时，表示m a c 地址是广播或多播地址。对于典型的i e e e 北京交通大学硕士学位论文i p v 6 低速无线个域网关键技术研究 8 0 2 x 网卡地址中，u 位和g 位都为o ，与全局管理单播m a c 地址相对应。 要得到i p v 6 接口i d ，需要对e u i 6 4 地址中的u l 位进行取补操作 ( 如果该位为1 ，则设为o ；如果为o ，则设为1 ) 。图3 - 4 显示了e u i 一6 4 地 址到6 4 位接口i d 的转化过程。 i n t c r f a c e 图3 4 e u i 一6 4 到6 4 位接口i d 的转化 在需要的情况下，l r w p a n 设备还会分配一个1 6 位的短地址，地址 范围在0 x 0 0 0 0 _ 0 x f 盯之间。通常当一个节点加入某个w p a n 时，网络 协调者( c o o r d i n a t o r ) 会分配给它一个短地址，给不同的节点会分配不同的 短地址。对于协调者来说，如果为其配置o x 篚e 的短地址，表示该设备只 使用6 4 位扩展地址，也就不会为加入网络的节点分配短地址：如果为其配 置o x 跚的短地址，则表示其短地址未知。1 6 位短地址方便了在同一个 w p a n 内部节点之间的通信。 我们还考虑另外一种链路本地地址格式，就是用1 6 位短地址和1 6 位 p a ni d 结合生成接口i d ，这种地址格式简单，而且在很大程度上能够保 证接口i d 的唯一性。给实验和研究带来很大的方便。至于选择哪种地址格 式，还需要在今后的研究和应用中确定。 北京交通大学硕士学位论文 i p v 6 低速无线个域网关键技术研究 3 。1 3 多播地址 在i p v 6 中没有广播的概念，用多播来代替广播，可以说，广播是多播 的一种特殊形式。这样可大大减少网络资源的消耗。而且在邻居发现和地 址自动配置等机制中，都需要链路支持多播。多播是比较复杂的功能，在 i p v 4 中使用i g m p ( 多播组管理协议) 来实现，而在i p v 6 中，使用m l d ( m u l t i c a s t “s t e n c rd i s c o v e 以多播侦听者发现) 【j 8 】。 同样，出于简单性的考虑，在l r w p a n 中暂时先不实现复杂的多播 协议。我们的基本目的是实现对邻居发现和地址自动配置机制的支持，这 就是i p v 6 多播地址的配置。 多播地址是一组节点的标识1 1 9 i ，有高位字节f f 或二进制数1 1 1 11 1 1 l 作为地址格式前缀，一个节点可以属于多个多播组，组内成员是动态的， 成员可以在任何时间加入个组或退出一个组。多播地址的格式如图3 5 所示。 8b i t4b n4b i t1 1 2 b i t 图3 5 i p v 6 多播地址 其中f l a g s 前三位保留，必须为0 。第四位表示是否被永久分配，t = o 表示是由i a n a 分配的共知的多播地址；t = l 表示一个临时的多播地址。 s c o p e 是一个多播范围字段，用来限制多播地址的范围。表3 一l 列出了在 r f c2 3 7 3 中定义的s c o p e 字段值。 g r o u pi d 标识一个给定范围内的多播组。永久分配的组i d 独立于范 围域，临时组i d 仅与某个特定范围域相关。 北京交通大学硕士学位论文 r p v 6 低速无线个域网关键技术研究 室i ：! ! ! ! 堡至墼笪垂重婆旦 s c o p e 字段值 说明 保留 节点本地范围( 新草案中命名为本地接口范围) 链路本地范围 站点本地范围 机构本地范围 全球范围 保留 那么在i p v 6 无线个域网中，根据实际应用的需求，每个f f d 必