（通信与信息系统专业论文）ipv6传感器网络接入及管理的研究与实现.pdf

北京交通大学硕士学位论文l p v 6 传感器网络接入及管理的研究与实现 摘要 传感器网络改变了人类与自然界的通信方式，极大地扩展了人类认 识世界的能力，特别是将传感器网络接入到互联网，将极大地提高传 感器网络的应用价值。由于传感器网络存在节点多、规模大、拓扑动 态变化的特性，必须定义一套切实可行的网络管理方法，对网络及节 点进行远程的、便携的管理。因此，网络接入与网络管理的研究对i p v 6 传感器网络的发展将产生重大影响，具有深远意义。 目前，i p v 6 传感器网络的研究还处于刚刚起步阶段，国内外许多 单位积极参与讨论，但还没有成熟的标准出台。本论文是国家自然科 学基金项目“可信传感器网络路由交换理论与关键技术”的重要组成 部分，对i p v 6 传感器网络关键技术进行了研究与实现。论文首先阐述 了传感器网络的研究背景和国内外研究现状。在深入分析基于i e e e 8 0 2 1 5 4 的传感器网络理论的基础上，研究并实现了i p v 6o v e ri e e e 8 0 2 1 5 4 传感器网络的部分关键技术，包括嵌入式微型i p 、，6 协议栈、 适配层和路由协议。在此基础上，深入分析网络接入与网络管理的需 求，提出了包括节点接入与i i l t e m e t 接入的网络接入总体设计方案和模 块化设计方案；设计嘲8 0 2 1 5 4 物理层和介质访问控制层的管理信 息库，并对s n m p 进行精简，根据协议数据处理流程，提出了基于s n m p 的网络管理的总体设计方案和模块化设计方案。结合设计方案，对网 络接入与网络管理方案进行实现，并在具体的应用系统中进行调试和 运行，从而验证本方案的可行性。最后，对论文所做工作进行总结， 并对下一步工作提出展望。 关键词：i p v 6 ，i e e e8 0 2 1 5 4 ，无线传感器网络，网络接入，简单网络 管理协议 北京交通大学硕士学位论文l p v 6 传感器网络接入及管理的研究与实现 a b s t r a c t a so n eb a s i cn l e m o dw t l i c hc a nf b t c ht 1 1 en a t u r a li n f b 玎n a t i o nd i r e c t l v - s e n s o rt e c l l l l o l o g yh a sd e v e l o p e dq l l i c k l y i ti ss u r e 山a tm el a 玛eu s eo ft 1 1 i s t e c h n o l o g yw i l lb r i n gg r e a tc h a r l g et 0o l l rl i v e si nt h e 向t u r e w s nh a sb e c o m eo n e0 f1 h eh i 曲t e c h n o l o g yw i 也b e s tp r o s p e c t ， w h i c hc o 衄e c t si n f - 0 衄a t i o nw o r l da n dp h y s i c a l 、v o r l ds oa st oi tc h a n 譬e s m ec o m m u n i c a t i o ni n d d e sb 吼w e e np e o p l ea i l dn a t u r e a tt 1 1 es 锄et i m e ，a s 也ec o r ep r o t o c 0 1m n e x t 窑e n e r a t i o ni n t e m c t ，i f 6i i l h e r i t sm ea d v a n t a g e so f c u r r e mp r o t o c o li p v 4a n dr e s o l v e ss o m eo fi t sd i s a d v a l l t a g e s ，w h i c hb r i n g s g r e a ts u p p o nt on e wi n f o m a t i o n 印p l i c a t i o n s i ti ss u r et l l a tt 1 1 en e t w o r k b a s e do ni p 谢l lm a k eg r e a tf l l r 也e rp r o g r e s s b e c a u s eo ft h el a r g eu s eo f i m e m c t ，i tw i l li m p r o v et h ev a l u eo fw s ni fi ti sc o r u l e c t c di m oi n t e m e t f u r t h e m o r e ，w s nh a ss o m es p e c i a lc h a r a c t c r i s t i c ss u c ha sm o r en o d e s ， l a r g es i z ea i l dd y n 锄i ct o p o l o 缈i ti sa d v i s a b l et od e f i n ee 伍c i e n tn e “v o r k m a i l a g c m e mi nt l l 砒n l ew s nc 锄b em a l l a g e d r e m o t e l ya n dc o n v e n i e n t l yn i sc e n a i nt h a tt l l ea c c e s st oi n t e m e t 蛆dn e l ：w o r km a n a 2 e m e n ti sm u c h m e r i t o r i o u sa n ds i p 田i f i c a n ti ns c i e n d f i cr e s e a r c h t h i sp a p e ri so n ei m p o r t a n tp a r to fm m 】r a ls c i e n c e m dp r o j e c t _ 一 r o 砸n gm e o r ya l l dk e yt e c h i l o l o 西e so f r e l i a b l es e n s o rn 咖o r k s 1 1 1 e 也e s i s i m m ( 1 u c e ss o m eb 嬲i c 廿l e o r i e s ，e s p e c i a l l yt h ep h ya n dm a cs p e c i f i c a t i o n d e f i n e db yi e e e8 0 2 1 5 4 s o m ek e yt e c l l i l o l o g i e so f 也en e t 、v o r k 粗c h t a l ( e si p v 6a sn e t 、v o r kl a y e rp r o t o c o la n di e e e8 0 2 1 5 4a sp h ya n dm a c s t 趾d a r da r ei n 仃o d u c e d 访o r d e rt og i v es 锄eb a s i ch l o w i e d g eo f t l l i sp a p e a f t e ri n 咖d u c i n g 也en e e da n a l y s i s 柚dd e s i g ng u i d e l i n eo fa c c e s st o i n t e m e ta i l dn e 柳o r km a 触g e i n e 咄t l l el l i g h l i 曲td c s i g na i l dm o d u l a r i z e d d e s i g na r ei n t r o d u c e d t h e 轧也ed e t a i l so fr e a l i z a t i o na r ed i s c u s s e d ， i n c l u d i n gs o m ei m p o n a n td a t as t n i c t l i r e sa n dp a r t so ff l o w c h a r t s o n e a c t u a la p d l i c a l i o ns y s t e mh a st a k t ob et h ee x 锄p l ei no r d e rt op r o 、，et 1 1 e v a l i d i t yo ft l l ep r o i e c t a tl a s t ，m ew o r ko ft l i i sm e s i si ss u m m a r i z e d ，a n d 丘g l l r e so u ts o m ei m p r o v c di n c 船u r c sa n dp o i m e do u tt l l ed i r e c t i o ni nt l l e f m u r e k e y w o r d s ：i p v 6 i e e e8 0 2 1 5 4 ，w i n i e s ss e n s o rn e 抑o r i 【s ，a c c e s st o i n t e r n e t ，s i m p l en e t w o r km a n a g e m e n tp m t o c o l 北京交谦太学硕士学位论文 i p v 6 传感器网络接入授管理的研究与寅现 独创性说明 y8 7 3 9 9 本人声明所呈交靛论文是我个人在导师搬导下进行的研究工作及取怒 的研究成果。尽我掰知，除了文中特剐加以标注和致谢的撼方外，论文中不 包含其他人已经发袭或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学蛾 其他教商辊 每的学僚戏涯书两使用过斡材料。与我一同工作的同志对本磷究 所徼的强何贡献均惑在论文中终了明确的说鞠辫表示了谢意。 签名：删日期：盟 关于论文使用授权瓣说明 本人完全了解北京交通大学脊族保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保瓣送交论文懿笈露律，允许谂文被查阅秘镶舞；学校霹良公布论文麴 全部或部分内容，可戳采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。论文中所 有创新和成果归北京交通大学i p 网络实验室所有。未经许可，任何单位和 个人不褥拷煲。版权掰有。违者必炎。 签名：料蹲师签名 期：坐i ：! ：兰 北京交通大学硕士学位论文i p v 6 传感器网络接入及管理的研究与实现 1 1 研究背景 第一章绪论 随着i n t e m e t 技术在全球范围内的飞速发展和广泛使用，i p 网络作为一 种最有前途的网络技术，已经引起了普遍关注。但是，随着各种新型业务 的不断涌入，i p v 4 已经暴露出很多缺陷，比如地址空间的匮乏、安全性不 高、对移动的支持性差、服务质量( q o s ) 支持不够等，这些缺陷很大程度 上限制了i n t e m c t 业务的扩展q 在这种情况下，制定了i p v 6 作为下一代互 联网的核心标准。i p v 6 继承了口v 4 的优点，解决了其存在的缺点，为现有 各种新业务的融入提供了很好的支持，使得i p 网络进一步发展成为可能。 在近几年，传感器网络也成为科研人员关注的焦点课题。作为由多个学 科高度交叉的新领域，传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现 代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微 型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌 入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式 将所感知信息传送到用户终端。从而真正实现“无处不在的网络”理念 2 1 。 传感器网络具有十分广阔的应用前景，在自动控制、智能家庭、工农业、国 防军事、生物医疗、危地远程控制等领域都有非常大的实用性，已经得到了 世界许多国家政府、科研单位的重视，是一门极具发展潜力的新型学科。 i p v 6 的一个非常显著的特点是提供了非常大的地址空间。1 2 8 位的地址 空间足够为世界上任何设备分配唯一的地址【3 】。这个特点对传感器网络的某 些应用有非常大的吸引力，是其它传感器应用协议所不能比拟的。在传感 器网络中引入i p v 6 ，势必将t c m p 协议栈作为其软件体系核心。传统的 t c p i p 协议栈作为一个非常复杂和庞大的系统，为互联网安全可靠通讯提 北衷交通丈学磺士学位论文l p v 6 俦感器隈络接入及管理瓣研究与实现 供了重要僚障。它一般是在系统资源充裕的通用计算枫系统和大型操作系 统支持下实现的。但是，在嵌入式系统中，数据鬟和传输频度都比较低， 通信协议只需要完成简单的数据传输，而对处理的效率、鲁棒性没有过高 的要求。因此，在嵌入式系统中实施t c m p 协议栈，必须辩现有的协议进 行功能上的精简，提取其必须豹功能，并掇据具体的应用场合，有针对性 地实现部分辅助功能。可以预见，在资源有限的嵌入式系统中引入微型 t c p i p 协议栈，从而支持嵌入式设备的互联网按入，是当今嵌入式领域及 下一代互联网领域的个重要碍 究内容。 随着球v 6 网络的广泛应用，及传感器网络技术的深入发展，基于i p v 6 的传藩器网络将是传感器网络的重要发展方向。为此，阑家自然科学基金 委寤动了国家皂然秘学基金矮羁可信传感器网络路由交换理论与关键 技术，重点研究以i e e e8 0 2 1 5 4 作为物理层和介质访问控制层标准的传感 器网络技术。本论文是该项目的一部分，以嵌入式i p v 6 微型协议栈作为技 术基础，研究i p v 6 传感器网络的网络接入与耀络管理豹密关问题，旨在实 现传感器网络与崴联网的融合，并能通过互联网完成传感器网络节点的远 程管理与配置。 1 2 国内外研究现状 无线传感器9 嘲络集信息采集、信息处理和信息传输于一体的智能信息系 统，它的出现缩短了人与人、人与物和物与物之间的距离，近几年受到国 内强学术爨豹普遮重视。在2 0 0 2 年，美国豹o a k 实验室预言，i t 时代正 在从“网络式计算机”向“网络式传感器”转变。2 0 0 3 年，m i t 的技术 评论杂志将无线传感器网络技术列为未来改变世界的十大技术之一 4 1 。 豳外诲多科研单位在传感器网络的关键技术有深入研究，包括无线通信 技术、网络拓扑控制技术、路由技术、定位技术、同步技术和安全技术等 2 北京交通大学硕士学位论文i p v 6 传感器网络接入及管理的研究与实现 方面。由于传感器网络的应用多样性，某一项具体技术在实现时也可能不 同，没有形成统一的国际标准。 2 0 0 0 年1 2 月，e e 成立了8 0 2 1 5 4 小组，旨在定义一个短距离、低 复杂度、低功耗、低数据速率的介质访问控制层( m a c ) 和物理层( p h y ) 规范，2 0 0 3 年，通过了第一版i e e e8 0 2 1 5 4 标准。该标准的技术特点决定 了它特别适合传感器网络、智能家庭网络、工业控制网络等节点众多、数 据率较低的应用环境。2 0 0 2 年1 0 月，由h o n e y w e l l 、m o t o r o l a 、p h i l i p s 等 多家国际公司成立了z i g b e e 商业联盟，该联盟以i e e e8 0 2 1 5 4 作为无线技 术标准，负责制定网络层、传输层及应用层规范。2 0 0 4 年1 2 月，z i 曲e e 联盟通过了第一个正是标准，该标准制定了链路层以上的协议，为i e e e 8 0 2 1 5 4 提供了软件支持。可以说，i e e e8 0 2 1 5 4 标准和z i g b e e 标准，极 大地推动了短距离无线技术的发展。z i 曲e e 产品主要面向眯表系统、工业 控制、智能家庭等环境【5 1 。但是，z i g b e e 只考虑了网内节点的正常通信协议， 而没有考虑网内节点与互联网的互连互通，也就是说，还无法通过i n t e n l e t 实现对z i 曲e e 网络的远程访问。 正是由于i e e e8 0 2 1 5 4 的出台，以及低速无线个域网的市场前景，i e t f 于2 0 0 4 年1 1 月正式成立了6 l o 、伸a i l 工作组，着手制定基于i p v 6 的低速无 线个域网标准，旨在将i p v 6 引入以m e e8 0 2 1 5 4 作为底层标准的无线个域 网中。在一年多的时间里，6 l o 、 a i l 工作组取得了比较大的成绩，研究了 i p v 6 低速无线个域网的关键技术，例如：适配层技术、路由技术、网络接 入技术、网络管理技术、v 6 技术、报头压缩技术、分片技术等。目前已 经提出了一个关于适配层的草案，其它技术都在不断的探讨中。 目前，国内已经有部分高等院校和科研所开展了基于i e e e8 0 2 1 5 4 的 传感器网络的研究。北京交通大学从2 0 0 3 年就开始探讨有关方面的技术难 点。i p 网络实验室依托在i p 网络，特别是i p v 6 网络方面的多年技术积累， 北京交通大学硕士学位论文 i p v 6 传感器网络接入及管理的研究与实现 着重研究基于i p v 6 的传感器网络，并积极参与6 l o w p a i l 的讨论。目前，已 经开发出适用于小型传感器节点的微型i p v 6 协议栈，在网络管理方面已经 提出一项发明专利。此外，在网络接入、路由协议、安全协议、定位技术、 应用协议等多方面都取得了巨大进展。该项目科研成果于2 0 0 5 年1 2 月通 过了教育部组织的科技成果鉴定，认为部分关键技术已经达到世界领先水 平。应该说，i p 网络实验室在理论上对i p v 6 传感器网络有深入的研究，在 实现上也证明了这种网络的可行性。可以说，在同类网络的研究中，i p 网 络实验室走在了前列。 1 3 选题的意义 i p v 6 被称为下一代互联网核心协议，与m v 4 相比，它的最关键特征是 采用1 2 8 位的地址空间代替i p v 4 的3 2 位地址空间，从而提高下一点互联 网的地址容量。1 2 8 位的地址空间已经足够为任何电子设备分配全球唯一的 地址【6 j 。i p v 6 的地址空间对节点众多的传感器网络而言，具有非常重要的 意义，它允许为每一个传感器节点分配全球唯一的i p 地址，使得节点在 i n t e m e t 中具有唯一性。其次，i p v 6 支持无状态自动地址配置，当节点启动 时，可以自动读取m a c 地址，并根据相关规则配置好所需i p v 6 地址。这 个特性对传感器网络来说，也非常具有吸引力，因为在大多数情况下，不 可能对传感器节点配置用户界面，节点必须具备自动配置功能。此外，p v 6 对移动性也有很好的支持。传感器节点的位置比较灵活，无论移动到何处， 节点都能使用同一个i p 地址，这在某些场合下是必须的。 就传感器网络而言，如果它是一个孤立的网络，而没有与现有的“大 网”i n t e m e t 互连，那么其它设备就不能通过i n t e m e t 来远程访问传感 器网络。而在很多应用场合，都要求传感器网络具备远程访问的能力。 综上所述，i p v 6 对传感器网络有很好的支持，同时传感器网络也需要 4 北京交通大学硕士学位论文i p v 6 传感器网络接入厦管理的研究与实现 接入到i n t e m e t 才更能发挥其价值。不难想象，随着网络技术的发展，传感 器网络的i m e m e t 接入将成为必然，它真正实现了人与物之间的直接沟通， 对推进社会和个人的智能化都有非常重要的意义。 1 4 本文主要工作 论文在分析i p v 6 传感器网络的部分关键技术的基础上，提出一种网络 接入与网络管理的方案，并对其进行具体实现，通过调试运行，从而验证 本方案的适用性。论文主要内容包括： 1 ) 研究i e e e8 0 2 1 5 4 的基本理论，分析了其介质访问控制层( m a c ) 和物理层( p h y ) 的基本规范，对他们提供的服务进行了重点分析。 2 ) 研究基于i p v 6 的传感器网络的部分关键技术，包括嵌入式微型i p v 6 协议栈、网络适配层和路由协议。 3 ) 提出节点接入、i n t e r e n t 接入和网络管理的方案，并进行具体实现。 4 ) 在具体的验证系统中对网络接入与网络管理方案进行验证。 5 ) 分析当前工作还不完善的地方，为下一步工作指出了方向。 论文的结构为： 第一章绪论阐述论文研究背景、国内外研究现状、选题的意义及论文 的主要工作。 第二章基于i e e e8 0 2 1 5 4 的传感器网络研究阐述了传感器网络的基 本理论，并着重介绍了短距离无线技术i e e e8 0 2 1 5 4 的基本原 理。 第三章i p v 6 传感器网络关键技术研究分析了微型i p v 6 协议栈及相关 的部分关键技术。 第四章网络接入与网络管理方案的设计对功能模块的需求分析，提出 总体设计方案，并给出模块化设计方案。 北京交通大学硕士学位论文 l p v 6 传感器网络接入及管理的研究与实现 第五章网络接入与网络管理方案的实现根据第四章提出的设计方案， 给出具体的实现方法。 第六章网络接入与管理的调试结合具体的应用实例，给出网络接入与 管理的调试方法，从而验证本方案的合理性和正确性。 第七章总结和展望总结本论文所做的工作，针对现有方案的不完善之 处，提出了对下一步工作的展望。 6 北京交通大学硕士学位论文i p v 6 传感器网络接入及管理的研究与实现 第二章基于l e e e8 0 2 1 5 4 的传感器网络研究 计算机网络连接各种计算机和不同的终端设备，组成一个非常复杂的 网络体系，如何让这些设备协调地完成各项功能，是计算机网络研究的重 点。实践证明，分层结构协议栈模型成为解决网络体系结构的有效方法。 传感器网络采用动态组网、多跳无线通信方式，是集成了感知、融合与 控制的网络系统，节点数目庞大，分布环境可能复杂多变，节点容易因为 环境因素或者能源因素而出现各种故障，导致网络的拓扑结构可能实时的 变化。传感器节点可能散布在任何地理位置，具有地理位置的不确定性。 传感器网络协议栈如图2 1 所示。 图2 1 传感器网络协议栈 它增加了同步、定位、网络管理、服务质量、拓扑控制等支撑功能。同 步为系统的数据传输提供必要的时间信息支持，同时它又依赖于系统的数 据传输，通过在节点间传输的数据得到必要的同步信息。与同步相似，定 位也依赖节点间的数据传输，并为数据传输提供必要的信息支持。传感器 北京变通大学顿士学位论文i p v 6 传惑器网络接入及管理的研究与实现 网络是以数据为中心的特殊网络，因_ i 墩，特别需要在各层协议中嵌入各静 信息接口，通过两络管理技术来随时获取网络的运符状态和流量统计信息， 协调网络中各个模组的正常运行。菔务质煮管理僳证蚤协议功能的资源协 调使用，任务的优先级控制。弼络拓扑决定了网络的组网方式和路由的生 成方式，为数据传输、带宽的有效利用提供僖息支持。传感器网络是数据 为中心的网络，如何保证数据的可靠性、完整健和机密性是转感嚣网络安 全必须考虑的内容。能量管理提供系统的能量分配策略，以最大程度的延 长电源的使用寿命。移动管理对第点甚至整个网络的移动进行分析，为底 层数据传输与路由提供必要的信息支持。 2 1 。基于l 嚣嚣职妣1 s 4 的传感器网络概述 传感嚣鳓络是以数擐为中心的，建立可靠的数据传输是它首要解决的问 题。关键技术包括协议栈、m a c 协议、踌由协议和撂扑控制。为了使网络 模型更趋予完善，还包括网络管理、定位、安全、数据管理与融合等技零。 在无线传感器嘲络中，介质访阀控制( 撒e d i h ma c c e s sc o n 拓o l ，m a c ) 协议决定无线信道的使用方式资源，用来枣句建健感器网络系统的底层基础 结构。i e e e8 睨1 5 4 定义了套低速率、低复杂度、低功惩、短距离购物 理朦和m a c 层标准【7 j 。以愿e e8 舵1 5 4 作为底层标准构建的闷络称为低 速无线个域两( l r w 黝烈) ，网络中的节点可分为全功能节点( h l lf u n c t i o n d e v i c e ，f f d ) 和有限功能节点( r e d u c e df l l l l c 如nd e v i c e ，r f d ) 。f f d 将 实现标准规定的大部分功能，两黼d 则根据实际需要，实现稻应的功能。 2 2 i e e e8 0 2 1 5 4 原理分析 随着计算机技术、无线技术、分布式计算技术、嵌入式技术的全西快遮 北京交通大学硕士学位论文 i p v 6 传感器网络接入及管理的研究与实现 发展，人们开始考虑将传感器技术与网络融合，实现“人与人，人与物， 物与物”的紧密信息传递，无线传感器网络孕育而生。无线传感器网络不 但可以独立组网，而且可以作为现有互联网的接入网，提供可靠的数据传 输服务，实现远程访问控制 2 0 0 0 年1 2 月，i e e e 组织成立了匝e e8 0 2 1 5 4 工作组，致力于定义一 种廉价的、便携，适用于固定或移动设备的无线网络接入技术。2 0 0 3 年， 该组织发布了第一版标准。定义了低复杂度、低功耗、低成本的无线m a c 和p h y 标准，体系结构如图2 2 所示。 u p p e rl a y e r s 8 0 2 2l l c s s e sl r 一 黧黼纛篱 【 ： 鬻囊霆l 鬻纛藕i 潦鹾i 篓i 鬻冀l 嚣1 图2 2i e e e8 0 2 1 5 4 体系结构 从图2 2 可以看出，i e e e8 0 2 1 5 4 定义的是p h y 和m a c 层。p h y 子 层包含r f 模块和物理层控制机制；m a c 子层提供物理信道的访问控制方 式及帧的封装。在m a c 子层上面，提供与上层的接口，可以直接与网络层 连接，或者通过中间子层s s c s & l l c 实现连接。 该标准的主要特征有： 9 l e 窳交逯大学醺士学位论文接话转感嚣瓣络接入及管理戆磷鳃与实瑷 数掇传输率低，不同的频段鼬速率不同，脊2 5 0k b ，s 、4 0k b 旭和 2 0 k b ，s 三种； 最大帻长菠为i 2 了字繁，提供率富翁凇e 控稍； 节点信号鞭盏范围鸯鞭，一般为l o m l m ； 戏零玻低，一般采用疆佟资浮 常蠢限豹底壤嵌入最设备或者受夺 鹣特殊设磊； 功糕低，可以不采用电池供电，或者电溅潜赡较长，能达到半年或 纛熨长； 网络拓扑结构丰富，支持星型拓扑和点对点拓扑两种基本拓扑结 擒，并支持两糖基本辐扑的混会缎网： 支持多种类型设备，一般称为企功能设备( f u l lf t l l l c t i o nd e v i c e ) 辆有限功能( 粼国) 设备； 支持倍标( b e 0 n ) 和茏信标( b e a c o i l l e s s ) 网络； 支持带点鹣罄麓燕入及麓离爨络； 麸数上姆薤霹叛髫蹬，溉嚣嚣8 髭1 5 4 宠义鹃& 俄c 瑟稻擎 y 标准，菲 紫溅合在健感器嬲络中遥孬。零颦壤详缨搂述i e e e8 0 2 。l s 。4 撂准。 2 2 1 i e e e8 0 2 1 5 4 基本描述 i e e 嚣8 ，i 5 】隼潮终冒浚穗禽雾释类静浚备，懑常被称为擎f d 帮聚薹d ， 这拨设备使髑冠一个镶暹通饺，糖p o s ( 令人操传空闽，鞲熊娃0 堂e 麟i c 珏 s 粼e ) 嚏橡娥无线个域阚( 戳l e s s 勰。羲撼a 琳n e 脚。呔s ，w 鹣n ) 。擎擎d 实现标准规定的绝大部分功能，躲进行数据的采集、汇聚媛路由等，一般 佟为网络的骨千节点，实现予硬抟资源鞠对丰富酌嵌入式设餐e 。r f d 只 实现标准规寇的部分功能，实现于硬件资源相对有限的嵌入式设备上， 般作为网络的从节点，比如家庭贝能网络中的开燕、报警器等。 北京交通大学硕士学位论文l p v 6 传感器网络接入及管理的研究与实现 在网络中最多有一个f f d 节点作为网络协调者( c o o r d m a t o r ) ，它总是 网络中第一个启动的节点，负责启动一个w p a n ，选择合适的信道，提供 时钟基准，允许其它节点加入、p a n 并为其分配短地址等。 i e e e8 0 2 1 5 4 为每一个设备分配了一个全球唯一的符合e u i 规则的6 4 位扩展地址，在加入w p a n 的过程中，节点使用扩展地址进行通信，一旦 加入成功，将会为新加入的节点分配一个w p a n 内唯一的短地址，此后， 节点可以选择扩展地址或者短地址进行通信。 一般i e e e8 0 2 1 5 4 的节点的信号范围在1 0 i i 】r l o o m ，但这个距离并不 是准确的。由于传输信号受无线介质的影响，位置的微小变化或者节点移 动都可能导致链路质量变得不可预测。 2 2 2 网络拓扑 i e e e 8 0 2 1 5 4 支持丰富的拓扑形式，可归类为星型拓扑和点对点拓扑， 根据这两种基本拓扑形式，可以衍生出复杂多变的混合网络拓扑。 星型拓扑结构如图2 3 所示。在星型拓扑中，网络由中心控制器和一些 简单节点组成。中心控制器称为p a n 协调者，是队n 中最主要的设备，除 了在协调者上布置特殊的应用，它还可以初始化网络，终止网络或者完成 数据的路由转发。节点通过某种网络加入机制加入到协调者开启的p a n 中， 作为p a n 的从节点。协调者需要完成较多功能，所以可能需要较好、稳定 的供电模式。而其它设备则不同，它们可能只在部分时间内工作，采用电 池供电就可以满足要求。这种拓扑结构适用于家庭智能网络、玩具系统、 游戏网络或者个人医疗护理。 在星型网络中，节点设备只能和协调者进行信息直接交互，节点设备之 间的信息只能通过协调者进行转发，因此网络的规模受到很大的限制，而 点对点拓扑可以实现网络的延伸。在这种网络中，仍然需要一个f f d 作为 北京交通大学硕士学位论文 i p v 6 传感器网络接入及管理的研究与实现 o 图2 3 星型拓扑结构 网络协调者。与星型网络不同的是，点对点网络中任何设备都可以与它的 p o s 内任何节点通信，节点一般还具有路由功能，可以进行数据的路由转 发，这样形成一个m e s h 网络。这种拓扑结构可以应用于工业控制、环境监 测、无线传感器网络、事物跟踪、智能农业、安全等各种领域。结合上层 协议，点对点网络应该具备多跳路由、自组网和自愈等特性。点对点拓扑 结构如图2 4 所示。 p a n c o o r d i n a t o r ， ， 图2 4 点对点网络拓扑 点对点拓扑的一个常见例子是簇树( c l l l s t e 卜扛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 5 所示。因为r f d 同时只能连 北京交通大学硕士学位论文m v 6 传感器网络接入及管理的研究与实现 接到一个f f d ，所以其只能作为叶子节点( 1 e a f n 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 u 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。 2 2 3 物理层标准 图2 5 点对点典型应用：簇型结构 f f d or f d 物理层处于o s i 参考模型的最底层，直接面向传输介质，完成数据的 发送和接收。i e e e8 0 2 1 5 4 定义了两个物理层标准，分别是2 4 g h z 物理 层和8 6 8 ，9 1 5 m h z 物理层。它们都是基于d s s s 扩频技术，使用相同的物理 层数据包格式，物理层除了完成数据的收发，还包含一些特殊的功能： 能京交通大攀硕士学位论文p v 6 转艨器弼络接入及管理的研究与实现 激溪7 关 l l 光线收发嚣； 封前信道的能量检测，为信道的选择提供有效信息 接收包时驰l q l 值： e s m a c a 倍道侦听的c c a 模式； 信遒频率的遮择，可以有2 7 个傣道供选撵； 2 2 3 1 物理层基本规范 为了能适用于欧洲、日本、加拿大、美国及企球其它城区，标猴定义 了三个频段共2 7 个信道，其中8 6 8 m 】 薹z 分配一个信道，9 1 5 m h z 分配l o 个信道，2 4 g h z 分配了1 6 个信道。 i e e e8 0 2 1 5 4 规定p h y 层包格式如图2 6 所示。 4 字节l 字节1 字节可变长 帧开始分隔 露步璐搂长度( 7 黢)镶爨( 1 1 1 )麓翌层羧蔫 符 图2 6 p h y 艨包格式 图孛，弱步码麓来绦涯褥譬弱步，3 2 往； 帧开始分隔符( s t o 尽f r 洳ed e l i n l i t e r ) 用来指示同步字段的结束和 煞数豢黪羚始，s 袋； 帧长发用来指示p s d u ( p h ys e n ，i c ed a t au n i t ，物理层服务数据单元) 涎长度，7 健。 物理艨的载荷包括m a c 予层的帧，长度值不定，不大予1 2 7 个字节。 2 。2 。3 2 。物理爱静搬务 物理艨是m a c 予层和物理射频之间的接口，售括一个p l m e ( p h y 1 4 北京交通大学硕士学位论文 i p v 6 传感器网络接入及管理的研究与实现 l a y e rm a m g e m e me m 时，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 e 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 。 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。 p h y 数据服务用于在p h y 和m a c 之间传输m p d u ( m a cp r o t o c 0 1 d a t au n i t ，m a c 协议数据单元) ，使用p d d a l 阪完成服务。 1 _ p d d a l 队r e q u e s t ：m a c 层请求向本地p h y 层传输m p d u 。 2 p d d a l r a c o n f i r f i l ：p h y 层向本地m a c 层发送其对于请求命令的 响应。 3 p d d a r a - i n d i c a t i o n ：p h y 层接收到m p d u 后，向本地m a c 层做 出指示。 p h y 管理服务用于管理命令的传输，该服务包括五种原语： p l m e c c a 、p l m e s e t 、p l m e g e t 、p l m e t r x s t a t e 、p l m e e d 。 如表2 1 所示。 表2 1p h y 管理服务表 名称作用 p l m e c c a 对信道进行评估 p l m e s e t 设置指定p i b 属性 pl m e g e t查找指定p i b 属性 p l f 匝t r x s t p 口 传输使能状态 p l m e e d 能量检测 2 2 4 介质访问控制层标准 m a c 提供物理层和上层的接口，处理所有对物理无线信道的访问，主 要工作包括： 就京交运太学颧士学位论文 i p 俩传撼器两络接入及管理的研究与实现 豁调者在嚣o a 建瓣终争继发b e a n 菝； 夜同步网络中完成网络的同步； 启动一个网络，著允诲设冬热入或者塍越霹络； 支持c s m a c a 无线倍道侦听访问机制； 支持网络的m a c 层安全； 支持硬件a c k ，提供对等实钵间可靠的链路连接 2 2 4 。l 。介蕨访麓浆裁层基本燕蓝 i e e e8 0 2 1 5 4 溉定m a c 帧格式如鼹2 。7 所承。每静m a c 帧都凌三个 蕊本部分缎成： 1 ) m h r ( m a ch e a d e r ，m a c 头部) 。包括帧控制、| 擎列号和罨址字 段； 2 ) m a cp a y l o a d 。长度不定，包括帧的具体信息，确认型帧 ( a c b o 稍礤g e m e n 瓤) 蚕会魏字段。 3 ) m f r ( m a cf o o t e r ，m a c 尾部) ，包含f c s 。 0 e t 文s ：2 lo 垃0 忿忿8 控姚，gv 黻i a b l e 2 目的 目的 源 源地址 渡控毒l痔列号 p a n i d缝蛙 p a n l d 犊载荧 f e s 寻址字段 m a e 矧疑x 器r p a v l o a d 图2 7 m a c 一般帧格式 下西，分鬟说鞠霭中蚤字羧值。 1 ) 帧控制：定义帧类型、地址字段和其他控制标记； 北京交通大学硕士学位论文i p v 6 传感器网络接入及管理的研究与实现 2 ) 序列号：唯一标识帧的序列号； 3 ) 目的p a n i d ：1 6 位，唯一表示接收节点的p a n i d ； 4 ) 目的地址：1 6 位短地址或者6 4 位扩展地址； 5 ) 源p a ni d ：1 6 位，唯一表示发送节点的p a ni d ； 6 ) 源地址：1 6 位短地址或者6 4 位扩展地址； 7 ) 帧载荷：长度不定，不同类型的帧内容不同； 8 ) f c s ：1 6 位的r r u tc r c ，根据m h r 和m a cp a y l o a d 计算校验 和。 i e e e8 0 2 1 5 4 定义了四种帧格式，b e a c o n 帧、数据帧、确认帧和m a c 命令帧，都符合一般帧格式。b e a c o n 帧的主要功能是在网络中的同步作用； 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 介质访问控制层的服务 m a c 子层在物理层和网络中间，并为上层协议提供服务。m a c 子层 包含管理实体m l m e ( m a cl a y e rm 趾a g e m e n te n t 埘) ，当上层需要m a c 提供服务时，由m l m e 调用相应的服务接口。m a c 子层的所有状态参数 构成一个数据库，称为m a cp i b ( p a ni n f o 姗a t i o nb a s e ，p a n 信息库) ， 由m l m e 统一管理。 m a c 子层通过服务访问点( s a p s ) 提供两类服务，分别是： m a c 数据服务一一通过m a c 通用子层( m a cc o m m o nd a n s u b l a y e r ，m c p s ) 服务访问点； m a c 管理服务通过m a c 管理实体服务访问点。 为保证上层协议的对等层间的数据通信，m c p s s a p 为其提供数据服 1 7 北京交通大学硕士学位论文 口v 6 传感器网络接入及管理的研究与实现 务，包括： m c p s - d a r a 提供数据传输服务； m c p s - p u r g e 数据传输队列管理 具体的数据服务流程如图2 8 所示。 回匹回国巨 ；m c p s d a t a m q 吐： r d 。眦一。 ：卜| l 卜竺生一。一砌。i m c p s d a l 、ai n d i c a t i ：；一 l 兰! ! ! ：瞠垒：兰! ! ! ! ! ! ； d 蚶一 a c k 图2 8 数据服务流程 当节点a 的上层有数据要发送给节点b 时，a 的上层上m a c 发出数 据传送请求，如果此时m a c 空闲，将把上层数据封装成帧，并递交给物理 层发送到无线链路上去。节点b 收到数据帧后，根据a 的请求决定是否向 a 发送硬件a c k 。数据帧经过m a c 层处理后，再递交给上层。相应地， 如果b 有数据返回给a ，将调用相同的操作流程。 m a c 予层具有丰富的服务类型和参数类型，因此，管理功能显得尤为 重要。m a c 子层包括多种管理服务，如表2 2 所示。 表2 2 m a c 管理服务表 名称功能 m l m e a s s o c l 盯e 加入网络 1 8 北京交通大学硕士学位论文i p v 6 传感器网络接入及管理的研究与实现 m l m e d i s a s s o c “r 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 m l m e o 砌m a n 独立设备管理 m l m e - 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 1 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