基于6LoWPAN的无线传感器网络的研究与实现

1、 单位代码： 10293 密 级： 公开 硕 士 学 位 论 文 论文题目： 基于 6LoWPAN的无线传感器网络研究与实现 1010010129 李凤国 邵世祥 教授 通信与信息系统 移动通信与无线技术 工学硕士 二零一三年四月 学号 姓名 导 师 学 科 专 业 研 究 方 向 申 请 学 位 类 别 论 文 提 交 日 期 I The Research and Implementation of Wireless Sensor Network Based on 6LoWPAN Thesis Submitted to Nanjing University of Posts and Tele

2、communications for the Degree of Master of Engineering By Fengguo Li Supervisor: Prof. Shixiang Shao April 2013 II 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得南京邮电大学或其它 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。 本人学位论文

3、及涉及相关资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 南京邮电大学学位论文使用授权声明 本人授权南京邮电大学可以保留并向国家有关部门或者机构送交该论文的复印 件和电子文档；允许本论文被查阅和借阅；可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索；可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位 论文。本论文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。该论文的公布（包括刊登） 授权南京邮电大学研究生院办理。 涉密学位论文在解密后适用本授权书。 研究生签名：_ 日期：_ 研究生签名：_ 导师签名：_ 日期：_ III摘要摘要 无线传感器网络的发展和世界物联网行业的兴起，使得大量无线传感器网络的

4、节点接入Internet 成为了可能。IPv6 协议的应用和普及更是为无线传感器网络的节点以 IPv6 终端的方式接入互联网提供了地址空间和协议支持方面的技术保障。基于 6LoWPAN 的无线传感器网络作为 WSN 无线传感器网络技术，IoT 物联网技术，IPv6 技术共同作用下形成的一种新型网络，已经成为一个研究热点并引起人们的广泛关注。加强对这一领域的研究将极大地推动物联网感知延伸层无线传感器节点的 IP 化进程， 对实现物联网时代 “一物一地址， 万物皆在线”的网络大融合具有很强的现实意义。 本论文首先对基于 6LoWPAN 的无线传感器网络的关键性技术进行了系统地分析和深入的探讨，包括

5、基于 6LoWPAN 的无线传感器网络的网络架构，适配层技术，路由转发技术以及移动性管理技术等。然后借鉴已有的 6LoWPAN 无线传感器网络协议栈的实现思路，通过对现有的协议栈进行整合和修改并添加相应功能，提出了一种基于 Contiki 操作系统的6LoWPAN 无线传感器网络协议栈的实现方案。最后按照该方案的整体架构思想，编写代码实现了具备基本功能的 6LoWPAN 无线传感器网络协议栈的适配层。通过该协议栈能够实现IPv6 数据报在无线传感器网络中的正常传输。 论文的最后选择了合适的软硬件平台并搭建了完整的系统测试环境，对基于 6LoWPAN的无线传感器网络协议栈的部分功能进行了测试，同

6、时利用 Cooja 软件仿真环境对基于6LoWPAN 的无线传感器网络进行了整体网络模拟。在保证基于 6LoWPAN 的无线传感器网络和 IPv6 网络连通性正常的情况下，实现了数据报的分片和重组，UDP 数据传输，传感数据采集，网络拓扑监视等功能。在整个测试过程中，系统表现良好，达到了预期的设计目标。这验证了本文所研究的基于 6LoWPAN 的无线传感器网络的理论正确性，同时也反映了本论文所设计的 6LoWPAN 协议栈具有一定的可行性和合理性。 关键词关键词: WSN 网络，6LoWPAN 网络，适配层，MIPv6，Contiki, uIP 协议, Rime 协议 IVAbstract T

7、he development of Wireless Sensor Network and the rise of Internet of Things make it possible that millions of WSN nodes connect to Internet in the IP way. The application and the large scale populization of IPv6 protocol will also provide IP address guarantee and protocol support for each node of W

8、ireless Sensor Network connecting to the Internet with a distinctive IPv6 address. There is widespread concern and attention on Wireless Sensor Network based on 6LoWPAN, which is spurred altogether by the technologies of Wireless Sensor Network, Internet of Things and IPv6 protocol. There is profoun

9、d necessity to strengthen the revelant research of this field, which will greatly promote the process of the WSN nodes of sensing layer of the Internet of Things shifting towards IP. And it also has the prominent practical significance for the Age of the Internet of Things, in which everything will

10、have its own IP address and keep being always online. Firstly, the key technologies of WSN based on 6LoWPAN are analyzed and elaborated systematically in this thesis, including the network structure of 6LoWPAN, adaptation layer, routing and forwarding, and the mobile management. Secondly, a design p

11、roposal for 6LoWPAN stack based on Contiki operating system is put forward through the incorporation and modification of existing protocol stacks. And then the code is written to implement the primary functions of the adaptation layer of the WSN based on 6LoWPAN. Through the stack designed in this t

12、hesis, the IPv6 packets can be transmitted in the wireless sensor network successfully. At the end of the thesis, the appropriate hardware and software platform is selected to test the partial functions of the 6LoWPAN stack. Meanwhile, the Cooja simulation environment is adopted to simulate the whol

13、e performance of 6LoWPAN network. It mainly implements such functions as packet fragmentation and reassembly, UDP packet transition, environmental data collection and network topology monitoring on the premise that the 6LoWPAN network can connect to IPv6 network normally. In the process of testing,

14、the whole system can work normally. Through this test, it achieves the anticipated objectives and results, proving the correctness of the theory and validating the rationality and feasibility of the 6LoWPAN stack designed for WSN in the thesis. Key words: WSN, 6LoWPAN, Adaptation Layer, MIPv6, Conti

15、ki, uIP Protocol, Rime protocol V目录目录 第一章 绪论. 1 1.1 研究背景与意义. 1 1.2 国内外研究现状. 3 1.3 论文的主要内容. 5 1.4 论文的组织结构. 6 第二章 6LoWPAN 网络概述与适配层技术. 7 2.1 6LoWPAN 无线传感器网络概述. 7 2.1.1 WSN 网络与 IP 网络的融合. 7 2.1.2 6LoWPAN 网络的体系结构. 9 2.1.3 6LoWPAN 网络面临的问题. 10 2.1.4 6LoWPAN 网络的解决方案. 11 2.2 6LoWPAN 适配层技术 . 12 2.2.1 适配层的基本功能

16、. 12 2.2.2 适配层数据帧结构 . 14 2.2.3 适配层的分片重组 . 16 2.2.4 适配层的头部压缩 . 17 2.3 本章小结. 20 第三章 6LoWPAN 网络的路由与移动性. 21 3.1 6LoWPAN 网络的路由 . 21 3.1.1 Mesh Under 路由转发 . 21 3.1.2 Route Over 路由转发. 22 3.1.3 RPL 路由协议. 24 3.1.4 邻居发现协议 . 26 3.1.5 IPv6-in-IPv4 传输 . 28 3.2 6LoWPAN 网络的移动性. 29 3.2.1 6LoWPAN 网络的移动类型. 30 3.2.2 基

17、于 MIPv6 的 6LoWPAN 网络. 32 3.2.3 基于 PHA 的 6LoWPAN 网络. 34 3.2.4 基于 PMIPv6 的 6LoWPAN 网络. 35 3.2.5 基于 NEMO 的 6LoWPAN 网络. 36 3.2.6 改进的移动性解决方案 . 38 3.3 本章小结. 39 第四章 基于 Contiki 的 6LoWPAN 协议栈的设计实现. 40 4.1 6LoWPAN 协议栈的设计方案. 40 4.1.1 实现方案比较 . 40 4.1.2 整体设计思想 . 43 4.2 微型 TCP/IP 协议栈 uIP. 45 4.2.1 uIP 协议栈的架构. 45

18、4.2.2 uIP 协议 API 接口 . 47 4.3 轻量级通信协议栈 Rime. 49 4.3.1 Rime 协议栈层次结构. 49 4.3.2 Rime 协议栈调用方法. 50 4.4 6LoWPAN 适配层的设计实现. 51 4.4.1 协议栈缓存模块 . 51 VI4.4.2 分片和重组模块 . 54 4.4.3 报头压缩模块 . 56 4.4.4 地址配置模块 . 59 4.5 本章小结. 60 第五章 基于 6LoWPAN 的无线传感器网络的系统测试. 62 5.1 平台搭建. 62 5.2 仿真环境. 63 5.3 测试结果. 64 5.4 本章小结. 67 第六章 总结与展

19、望. 68 6.1 总结. 68 6.2 展望. 68 参考文献. 69 附录 1 攻读硕士学位期间撰写的论文 . 71 附录 2 攻读硕士学位期间参加的科研项目 . 72 致谢. 73 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 1第一章 绪论第一章 绪论 1.1 研究背景与意义研究背景与意义 近几年来，无线传感器网络(Wireless Sensor Network-WSN)的发展和世界物联网（Internet of Things-IoT） 行业的兴起使得大量无线传感器网络的节点接入互联网成为了可能。 实现一物一地址，万物皆在线的网络大融合场景是物联网时代真正到来的一个重要标志，也是在未来

20、快速发展的网络时代中人们对于网络生活的一个美好追求。而在未来几年，IPv6 协议1的广泛应用和部署也将在地址空间和协议支持方面为此提供强有力的技术保障。各类低功耗的无线传感器网络的节点将逐渐能够加入到 IP 通信的大家庭中，与以太网，Wi-Fi、以及其他基于 IP 类型的设备称兄道弟。要让大量无线传感器网络的节点接入互联网，真正做到让传统的无线传感器网络与 IP 互联网的无缝连接，自由寻址与端到端的数据畅通，不仅要利用好现有的先进理论与成熟技术，还需进行大量的研究和实践，做到推陈出新，不断推动这一领域的发展。而基于 6LoWPAN 的无线传感器网络作为 WSN 技术，IoT 物联网技术，IPv

21、6 技术共同作用下形成的一种新型网络，已经成为一个研究热点并引起人们的广泛关注。 传统的无线传感器网络的节点具有低功耗、低速率，低存储容量、低运算能力等特点，同时还受限于 MAC 层技术特性如数据帧小，不支持组播等缺点。除此之外，最重要的是需要解决大量无线传感器网络的节点的寻址问题。从目前的技术发展来看，无线传感器网络的组网技术可以采用两种不同的技术路线，一种是基于非 IP 技术，如 ZigBee 产业联盟开发的 ZigBee 协议， 以及Z-wave联盟推出的Z-Wave协议； 另一种基于IP技术， 即 IETF 和 IPSO 产业联盟所倡导的将 IP技术向下延伸到感知延伸层2的无线传感器网

22、络中。 显然， 采用 IP 技术路线将更有助于实现端到端的业务部署和管理，而且无需协议转换即可实现与网络层 IP 承载的无缝连接，简化网络结构。对比这两种路线可以看出，采用基于 IP 的技术路线将是物联网时代的总体趋势。最近，ZigBee 联盟着手推出基于 IP 的 Zigbee 协议栈正说明了这一点。IP协议具有很多优点很适合应用到无线传感器网络中， 这些优点包括IP协议所具有的开放性，标准性，可拓展性，可管理性，健壮性，灵活性，普遍性等。 在无线传感器网络中， 数量庞大的传感器节点要接入互联网需要大量的 IP 地址提供地址空间上的保障。 截止到目前， IPv4 地址已基本用尽， IPv4

23、协议显然已经不能满足现实的需要。考虑到智能家居、智能医疗、智能交通等大规模应用即将普及，到那时对于地址的需求会更加紧张。尽管 NAT 地址转换，合并超网，划分子网等技术在一定程度上缓解了 IP 地址的短南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 2缺问题，但是 IPv6 技术替代 IPv4 技术已是历史发展的必然。原因是 IPv6 技术能够带来充足的地址空间资源3，还能实现端到端的通信以及各方面网络管理的需求。另外，地址自动配置和移动性管理机制也是 IPv6 的一大特色，这能保证无线传感器节点实现永久在线业务。 6LoWPAN（IPv6 over Low Power Wireless Per

24、sonal Area Network）4是基于 IPv6 的低速无线个域网络的简称。基于 6LoWPAN 的无线传感器网络所具有的主要特征包括：支持 64 位或者 16 位的 IEEE 802.15.4 地址，节点可以通过无状态自动配置获取合法的 IPv6 地址，无需进行人工配置；在 IP 网络层之下设置适配层，进行 IP 数据报分割和重组，使得物理层可以分段地传输 IPv6 数据报， 满足 IPv6 对最大传输单元 MTU 的要求； 高效的无状态的报头压缩，能显著减少报头开销，提高传输效率；使用邻居发现技术实现网络自组；支持单播，多播和组播功能；支持网络层路由和链路层路由。 6LoWPAN

25、技术使得无线传感器网络的节点自由接入互联网成为了可能，它精简了 IPv6协议的功能，对必需的部分进行了保留和修改，对非必需的部分进行了裁剪和删除。它实现了 IPv6 网络与基于 IEEE 802.15.4 标准5的传统无线传感器网络的无缝连接。 对于实现物联网和基于 IPv6 的互联网的全面融合具有划时代意义。在未来五到十年里，相互融合的物联网和互联网会形成真正的全 IP 网络， 这样任何人会在任何时间，任何地点，通过任何终端都能获取所需要的任何信息，这是未来信息社会的美好前景。而 6LoWPAN 技术的采用将从根本上解决物联网感知延伸层传感器节点接入互联网的问题，实现传感器网络末梢节点的 I

26、P 化。图 1.1 给出了物联网和互联网所构成的全 IP 网络， 其中的的无线传感器网络采用了 6LoWPAN技术。 图 1.1 IoT 物联网和 Internet 互联网构成的全 IP 网络 研究基于 6LoWPAN 的无线传感器网络具有很强的理论价值和实际意义。 基于 6LoWPAN南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 3的无线传感器网络对整个物联网行业的发展也具有推波助澜的作用。从技术架构上来看，物联网可分为三层6：感知延伸层、网络层和应用层。感知延伸层由数量庞大的各种传感器节点以及传感器网关构成。感知延伸层的主要作用识别物体，采集和处理信息。原始的感知延伸层的传感器节点是基于非

27、IP的， 但是物联网时代对智能物体的可寻址性提出了更高的要求。因此研究具有可寻址功能的基于 6LoWPAN 技术的感知延伸层节点并将其接入互联网成为物联网的一部分具有建设性意义。由此可见，基于 6LoWPAN 的无线传感器网络是无线传感器网络技术，IPv6 技术以及物联网技术共同作用下的产物。因此，加强对这一领域的研究将极大地推动物联网感知延伸层无线传感器网络节点的 IP 化进程7，对实现物联网时代的网络大融合具有很强的现实意义。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 互联网工程任务组 IETF(Internet Engineering Task Force)最早提出和制定了 6LoWPAN

28、技术的相关标准。它对 6LoWPAN 的技术定义是：6LoWPAN 是一种通过适配层技术使得基于IEEE 802.15.4 标准的低功耗有损网络节点能够采用 IPv6 技术进行通信和交互的技术。 截止到目前，该工作组完成了两个标准：第一个是6LoWPAN：概述、假定、问题描述和目标（RFC4919） ；第二个是基于 IEEE 802.15.4 网络的 IPv6 报文传送 （RFC4944） 。目前该组织正在制定 6LoWPAN 报头压缩协议8和 6LoWPAN 邻居发现协议9的相关标准。 目前，支持 6LoWPAN 技术及其相关应用的国际标准化组织还有 IPSO，Zigbee ，ISA-100

29、等，相关标准和各个联盟之间的关系如图 1-2 所示。 图 1.2 6LoWPAN 相关组织 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 4IP 智能物体产业联盟组织（IPSO Alliance）是推动 IETF 所制订的轻量级 IPv6 协议相关应用的产业联盟，它的主要任务是根据 IETF 所制订的技术标准来推动实际应用和产业发展。 IPSO 已经推出 5 份白皮书来促进 6LoWPAN 标准的应用，其中包括 IP 协议带来的优势， 6LoWPAN 介绍，6LoWPAN 邻居发现协议概览等。 Zigbee 组织是 IEEE 802.15.4 标准对应的产业联盟。 Zigbee 最初并不支持

30、IP， 但随着 IETF和 IPSO 相关工作的推进以及 Zigbee 内部成员的推动，Zigbee 联盟成立了 IP-stack 工作组并要求在智能电力 Smart Energy 2.0 中采用 6LoWPAN 技术。 6LoWPAN 技术得到学术界和产业界的广泛关注，如加州大学伯克利分校，瑞典计算机科学院以及思科，TI 等知名企业，并相继推出了相应的产品。6LoWPAN 技术已经在许多开源软件上得到实现，最著名的是 Contiki、Tinyos，分别实现了 6LoWPAN 完整协议栈，并得到广泛测试和应用。由此可知，大量的研究和标准开始相互推动，而 6LoWPAN 技术已然成为物联网融合的

31、催化剂。随着物联网的兴起和 IPv6 技术的普及，6LoPAN 技术也将日臻完善，期待着未来的大量无线传感器节点能采用 6LoPAN 技术，实现真正的端到端的互联互通。 智能手机互联网IPv6JenNet-IP网关路由器终端设备终端设备路由器路由器JenNet-IP无线网络 图 1.3 采用 6LoWPAN 技术的智能照明系统 在商业应用方面， 国际著名的半导体生产商 NXP 公司已经研制出基于 6LoWPAN 技术的智能照明设备。这些设备包括住宅内的紧凑型荧光灯、LED 灯泡、智能插座和显示面板，每件家用电器都有独立的 IPv6 地址。可以通过智能手机和平板电脑构建家庭的室内安全网络，可以远

32、程控制住宅内灯具、家用电器、暖气和空调的开关机时间。在外出时接收住宅安保系统发送的警报，并随时高效地管理家庭能源使用率等。图 1.3 描述了采用 6LoWPAN 技术的智能照明系统。除了智能照明，6LoWPAN 技术还可以用于室内和建筑工业，卫生保健，个人健康， 工业自动化， 精确测量， 实时环境监控， 评估管理等诸多领域。 可以预见， 基6LoWPAN技术的应用在不久的未来会有广阔的发展前景和市场价值。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 51.3 论文的主要内容论文的主要内容 本论文课题来源于国家科技重大专项-泛在网络下多终端协同的网络控制平台及关键技术。论文内容分为两大部分，第

33、一大部分是对基于 6LoWPAN 的无线传感器网络的理论进行了深入地分析，包括网络概述，适配层技术，路由转发以及移动性等方面的内容，第二大部分是提出了一种实现 6LoWPAN 的无线传感器网络协议栈的方案， 并对其进行了设计和实现。 论文首先阐述了基于 6LoWPAN 的无线传感器网络的的出现背景。传统的无线传感器网络（WSN）如 Zigbee，Zwave 等都是基于非 IP 技术的，并没有真正做到和 IP 网络的无缝连接，而采用网关进行协议转换的方法将 WSN 网络与 IP 网络进行互联具有很多弊端。因此，无线传感器网络开始走向 IP 技术的路线。 IPv6 技术的普及为这一路线提供了地址空

34、间以及协议技术上的保障。再加上物联网行业兴起推动，基于 6LoWPAN 的无线传感器网络应运而生。 论文接着分析了 6LoWPAN 无线传感器网络的体系架构。6LoWPAN 无线传感器网络是在传统的基于 IEEE 802.15.4 标准的低功耗网络的基础上结合 IPv6 技术而产生的一种新型网络。它的架构中往往包含简单网络，拓展网络和专用网络等，它们通过边界路由器接入互联网。边界路由器管理网络内节点并为它们分配地址前缀生成 IPv6 地址。 适配层技术的是 6LoWPAN 体系中的关键技术， 它的核心思想是使用 IEEE 802.15.4 的底层，然后对现有的 IPv6 协议栈进行裁剪，再在

35、MAC 层和网络层之间设计一个适配层来完成分片重组，报头压缩以及无状态自动配置等功能。因此如何实现适配层各部分的功能是研究的重点内容。 解决了网络层和 MAC 层之间的适配问题，路由和移动性问题也是 6LoWPAN 无线传感器网络需要关心的问题。在 6LoWPAN 无线传感器网络中数据转发有 Mesh Under 和 Route Over 两种选择，但经对比后发现 Route Over 更适合 6LoWPAN 无线传感器网络。邻居发现协议是 6LoWPAN 无线传感器网络实现网络组建和无状态自动配置的关键性协议。RPL 协议则是专门针对 6LoWPAN 无线传感器网络出现的路由协议。 在移动性

36、处理方面，本论文首先讨论了 6LoWPAN 无线传感器网络中的节点移动类型和以及解决方案。 然后分析了几种可以用于解决 6LoWPAN 无线传感器网络移动性问题的技术，并提出了改进方案。 6LoWPAN 协议栈的实现部分是依托 Contiki 操作系统，MAC 层使用 Rime 协议，网络层使用 uIP 协议，然后在此基础上设计适配层代码来实现的。主要实现了适配层的分片与重组，报头压缩，无状态地址自动配置等部分功能。 最后搭建了 6LoWPAN 网络的软硬件测试平台，对相应功能模块进行了测试与结果演示。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 61.4 论文的组织结构论文的组织结构 第一

37、章是为绪论部分，首先简单介绍了本论文的研究背景与研究意义，证明了对该领域进行研究具有很强的科学性和必要性。然后阐述了该研究方向在国内外的研究现状，这将有利于借鉴已有思想和方法进行消化吸收和研究创新，最后对本论文要完成的主要研究内容进行了说明，明确了论文的主要工作和任务。 第二章为 6LoWPAN 网络概述与适配层技术，首先对传统的无线传感器网络与 IP 网络的互联互通模型进行了描述。 通过对比得出传统的无线传感器网络采用 IP 技术具有很强的优越性。在此基础上，提出了基于 6LoWPAN 的无线传感器网络的整体架构，并对其基本组成和工作原理进行了分析。然后阐述了实现基于 6LoWPAN 的无线

38、传感器网络所面临的巨大挑战和具体的解决方案。最后对 6LoWAPN 适配层技术进行了深入探讨，详细阐述了适配层数据帧格式，分片与重组，报头压缩，无状态地址自动配置等关键内容。这为后续章节奠定了强有力的理论基础，为设计和实现一个完整 6LoWPAN 协议栈提供了理论依据。 第三章为 6LoWPAN 网络的路由转发和移动性管理技术， 首先对比了两种路由转发方式，包括 Mesh Under 路由转发和 Route Over 路由转发， 并对二者的优劣进行了比较。 通过对比发现 Route Over 路由转发更适合 6LoWPAN 无线传感器网络。然后对 6LoWPAN 无线传感器网络的 RPL 路由

39、协议和邻居发现协议进行了简单介绍，涉及了协议结构和工作原理。最后研究了 6LoWPAN 无线传感器网络的移动性问题，阐述了移动类型和解决方案，分析了几种可以借鉴用于解决 6LoWPAN 无线传感器网络移动性的技术，并提出了改进方案。 第四章为基于 6LoWPAN 的无线传感器网络协议栈的具体实现部分，首先对现有的6LoWPAN 协议栈的实现方案进行了比较，然后提出了本论文 6LoWPAN 协议栈的整体设计思想和架构并分析可行性。最后依托 Contiki 操作系统，使用 Rime 作为 MAC 层协议，采用uIP 协议作为网络层协议，在此基础上编写代码实现适配层部分功能如分片，重组，报头压缩以及

40、无状态自动配置等。这一章起到了承上启下的作用，它是在前几章的理论基础之上实现的，同时也为下一章的系统测试和分析提供了可能性。 第五章为基于 6LoWPAN 的无线传感器网络的系统测试与结果演示部分，首先搭建了软硬件平台，并引入仿真环境。然后按照测试步骤完成相应功能的测试，分别对系统的连通性，UDP 数据传输，数据分片重组，网络组建和数据采集等功能进行了演示，最后分析测试结果。 第六章为总结和展望，首先总结本篇论文所做的主要工作内容，查漏补缺。然后对本论文尚未完成的部分提出了一些建议，最后对基于 6LoWPAN 的无线传感器网络的发展趋势进行了预测。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 6L

41、oWPAN 网络概述与适配层技术 7第二章 第二章 6LoWPAN 网络概述与适配层技术网络概述与适配层技术 2.1 6LoWPAN 无线传感器网络概述无线传感器网络概述 鉴于无线传感器网络的节点具有数量巨大的特点，相应地要部署成千上万个无线传感器节点需要数量庞大的 IP 地址资源。而 IPv6 作为下一代网络协议具有数量巨大的地址空间，同时具有无状态地址自动配置、较高的安全性能、较为完善的移动性支持等特点。这恰好可以满足无线传感器网络对地址资源和移动性支持等方面的需求。所以，IETF 组织中的6LoWPAN 工作组规定了 6LoWPAN 技术底层采用符合 IEEE 802.15.4 标准的物

42、理层和数据链路层，网络层使用 IPv6 协议。它同时还致力于解决如何将 IPv6 协议与符合 IEEE 802.15.4标准的的底层协议相结合，实现 IPv6 数据包在基于 IEEE 802.15.4 标准的无线传感器网络中的进行正常传输的问题，这样就产生了基于 6LoWPAN 技术的无线传感器网络。 2.1.1 WSN 网络与 IP 网络的融合 图 2.1 基于应用网关的 WSN 网络与 Internet 互联融合网络架 目前，WSN 无线传感器网络与 Internet 网络的互联融合10主要有两种方式：一种方式是在无线传感器网络的边界部署应用层网关，网关可以是一套功能强大的个人计算机，也可

43、以南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 6LoWPAN 网络概述与适配层技术 8是一台小型的嵌入式设备，它们负责向终端用户提供无线传感器网络的数据转发。采用这种方式时，对于用户来说无线传感器网络本身是一个未知不透明的私有网络，用户无法直接访问其中的节点。一般情况下，在典型的应用场景中，Sink 节点可以通过有线方式直接连接到网关上，原因有两方面：一方面有线信道更加稳定，另一方面是可以为 Sink 节点持续供电。图 2.1 给出了这种网络架构的示意图，用户与无线传感器网络的节点之间通过网关进行间接通信，传感器节点采集数据后，以多跳的方式发往 Sink 节点，Sink 节点收到这些数据后发给应用

44、网关进行集中处理后发送给用户。 WSN 无线传感器网络与 Internet 网络互联融合的另一种方式是基于无线传感器网络节点的 IP 化。实现的方法是在无线传感器网络的节点上移植嵌入式的支持 IP 的网络协议栈。这种 IP 化节点的趋势主要是基于以下几个方面的原因： 用户可以直接访问无线传感器网络中的节点；用户更容易接受和理解基于 IP 的无线传感器网络；大量基于 IP 的应用经过多年发展已经很成熟；用于管理和测试 IP 网络的工具已经存在；不需要额外部署网关代理。 综上所述， WSN 无线传感器网络与 Internet 的的互联融合也可以使用 IP 的方式， 采用 IP化的传感器节点，使两种

45、网络直接互联和通信。如图 2.2 所示，采用此种方式时，无线传感器网络中的节点部署了支持 IP 的网络协议栈，其数据可以直接通过 Internet 网络中的节点和路由器传送给用户，而不需要经过中间的应用层转换网关。因此，这种方式具有更好的透明性和可操作性，但对于网络管理维护，安全以及无线传感器节点的硬件性能，通信功能等方面也提出了更高的要求。 互联网远程用户基于IP的无线传感器网络路由器边界路由器IP化的传感器节点 图 2.2 基于 IP 化传感器节点的 WSN 网络与 Internet 互联融合架构 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 6LoWPAN 网络概述与适配层技术 92.1.2

46、6LoWPAN 网络的体系结构 6LoWPAN 无线传感器网络由许多独立的 6LoWPAN 网络11接入到互联网组成，每个6LoWPAN网络都拥有一些底层基于IEEE 802.15.4标准而网络层采用IPv6协议的无线传感器节点组成。 这些节点分为简单功能节点 （Reduced Function Nodes） 和全功能节点 （Full Function Nodes） ，简单功能节点只具有数据采集的功能，而全功能节点除了可以采集数据外还具有为其它节点提供路由中继的功能。所有这些节点通过无线的方式按照星形或者网状结构连接在一起，节点有些是固定的，有些是可以移动的。每个 6LoWPAN 网络通过边界

47、路由器与本地骨干互联网相连。6LoWPAN 网络中的节点可以通过边界路由器上报自身状态与采集到的数据，也可以通过边界路由器接收控制指令或者代码。 每一个 6LoWPAN 网络内包含一个或者多个边界路由器，所有 6LoWPAN 网络内的节点的 IPv6 地址前缀是通过边界路由器进行广播获得的。 边界路由器还完成节点注册和容错处理等功能，使得 6LoWPAN 网络中的节点可以实现 6LoWPAN 网络之间的自由漫游和移动。与普通的无线传感器节点不同的是，6LoWPAN 网络中的节点采用 IPv6 地址进行数据收发，而且节点的 IPv6 地址是唯一的。 6LoWPAN 网络中的节点还支持 ICMPv

48、6 协议12， 可以使用 Ping 命令检查网络连通性， 还可以进行 UDP 或者 TCP 数据包的传输。 在图 2.3 中， 简单 6LoWPAN网络和扩展 6LoWPAN 网络都是通过边界路由器与远程服务器通信的，它们都有一个唯一的IPv6 地址，可以收发 IPv6 数据。 IPv6 互联网远端服务器路由器边界路由器路由器本地网络本地服务器简单6LoWPAN网络扩展6LoWPAN网络专用6LoWPAN网络 图 2.3 6LoWPAN 无线传感器网络的体系架构 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 6LoWPAN 网络概述与适配层技术 10图 2.3 中共有三个不同类型的 6LoWPAN

49、网络，分别是简单 6LoWPAN 网络、扩展6LoWPAN 网络和专用 6LoWPAN 网络。 简单 6LoWPAN 网络是由大量 6LoWPAN 的节点构成的，这些节点有相同的 64 位网络地址前缀。专用 6LoWPAN 网络是不与互联网相连接的，类似于计算机网络中的私有网络。扩展 6LoWPAN 网络是由若干个简单 LoWPAN 网络组成，同时也会拥有多个边界路由器。 6LoWPAN 网络通过边界路由器连接到 IP 网络， 边界路由器具有路由， 数据转发等功能，另外必要时还有完成 IPv6 数据报的头部压缩和邻居发现注册等任务， 边界路由器的协议栈结构如图 2.4 所示。 图 2.4 边界

50、路由器的协议栈结构 2.1.3 6LoWPAN 网络面临的问题 由于基于 IEEE 802.15.4 标准的无线传感器网络的所具有的固有网络特性，使得完整的IPv6 协议栈不能直接架构在基于 IEEE 802.15.4 标准的底层上， 在实现基于 6LoWPAN 的无线传感器网络时将会面临以下问题13： (1) IPv6 地址的获得。即符合 IEEE 802.15.4 标准的无线传感器网络的节点如何获取唯一的IPv6 地址并进行维护和管理。由于 802.15.4 提供两种寻址方式：64 位 IEEE 地址和 16 位的网内短地址，如何通过这两种地址获得 IPv6 地址需要设计相关的算法。每个节

51、点的网络地址需要在组网时自动分配。一种可行的思路是从底层获取网络地址。例如，每个符合IEEE 802.15.4 标准的设备在出厂时都分配一个全球唯一的 64 位 IEEE 地址，网络地址可以从这 64 位 IEEE 地址扩展形成，并保持全网甚至全球的唯一性。 (2) 最大传输单元 MTU。IPv6 数据帧要求具有 1280 字节的 MTU，而 IEEE 802.15.4 的数据链南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 6LoWPAN 网络概述与适配层技术 11路层除去自身开销后能够为网络层提供的最大有效负载只有102字节。 因此有必要在IEEE 802.15.4 的 MAC 层和 IPv6 网

52、络层之间加入一个适配层，对二者的差异进行适配。 (3) 轻量级的 IPv6 协议14。IPv6 协议本身具有很多子协议，而有些协议对于无线传感器网络来说是没有必要的。因此应该针对 IEEE 802.15.4 的特性保留或者改进必需的功能协议，而对于冗余的协议要进行裁剪，满足无线传感器网络对功耗，成本，存储空间等方面的严格要求。 (4) 报头头部压缩。IPv6 数据报的基本报头部分有 40 字节大小，固定的报头部分占据了 IPv6数据报很大的空间。 而且如果考虑后续的扩展报头、 UDP 或者 TCP 传输层的报头等， IPv6的有效负载将十分有限。如果对 IPv6 的报头不进行处理而直接用于无线

53、传感器网络，这样将导致传输效率很低。 (5) 合适路由机制。 IPv6 网络中使用的路由协议大体分为两种： 基于距离矢量或者是基于链路状态的路由协议。而在资源十分受限的无线传感器网络中采用标准的 IPv6 路由协议，显然是不合适的，因此很有必要对 IPv6 的路由协议进行优化，使其能更加适合无线传感器网络。 2.1.4 6LoWPAN 网络的解决方案 为了解决基于 6LoWPAN 的无线传感器网络所面临的问题， 应该做好以下几方面的工作： (1) IPv6 协议栈的裁剪 无线传感器网络的节点一般都是低功耗，低速率，低存储空间的嵌入式微型节点，为了使这些节点能够与互联网上的节点进行直接通信， 部

54、署在这些节点上的网络协议必须与 IP 网络的协议和功能相兼容。 但是标准的 IPv6 协议对于代码和存储器的要求都大大超过了这些节点的存储资源的承受能力。因此，需要对 IPv6 协议进行裁剪，只保留必需的那些功能集合。同时，网络协议栈的设计必须是与应用无关的，这样才能保证不同的无线传感器网络之间可以相互通信。随着 IPv6 的发展和应用，必须设计出微型的 IPv6 协议栈15来适应传统无线传感器节点资源受限的特殊情况。 (2) 数据报的分片和重组 在无线传感器网络中，MAC 层每一帧的长度为 127 字节，IEEE 802.15.4 能为网络提供的有效负载的长度为 80-100 字节，而 IP

55、v6 数据报的最大传输单元为 1280 字节，这样就造成许多 IPv6 数据报不能完整地放进一个 IEEE 802.15.4 帧中进行传输。 为了解决这一问题， IPv6数据报从网络层交付给链路层的过程中，协议栈需要分割 IPv6 数据报，即使用数据报分片和南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 6LoWPAN 网络概述与适配层技术 12重组技术，这里需要考虑两个关键问题：一是保证分片后的数据报的顺序不能被打乱，可以在接收端重组成原来的 IPv6 数据报递交给网络层。 二是分片后的数据报如果子片在传输中丢失，是对丢失的数据报进行重传还是重传整个 IPv6 数据报。 (3) 数据报的头部压缩 对

56、于低速率的无线传感器网络来说，承载完整的 IPv6 数据报报头是一个很沉重的负担。例如，IPv6 报头往往长达 40 字节，而一般的低速率无线传感器网络的 MAC 层的每帧长度是127 字节。 如果每帧都包含完整的 IPv6 报头， 网络层有效负载最多只剩下 40 字节。 因此， IPv6报头压缩是非常有必要的，甚至是必须的。 (4) 网络路由方式选择 互联网中的路由功能是在网络层提供的，目的是使下层协议能够专注于完成链路层传输的功能。无线传感器网络通常具有复杂的网络拓扑结构，为了在网状拓扑结构中完成路由选择，除了可以在网络层提供路由功能外，IP 化的无线传感器网络往往还能够在链路层提供路由功

57、能，以简化网络层的设计。究竟使用哪一层的路由功能还需根据实际情况来确定。然而，设计无线传感器网络的路由协议时，无论采用链路层路由还是网络层路由，都需要考虑节点的存储资源，睡眠调度机制，节点能源获取方式等问题。 (5) 无状态自动配置16： 无线传感器网络是一种自组织网络，传感器节点在无人干预的情况下会自动完成配置和组网功能。而且无线传感器网络动态性强，节点可能会随时加入或者离开网络。因此，在传统 IP 基础上，需要引入新的机制，以适应自动化获取网络地址，动态发现和配置新邻居的要求。标准的 IPv6 协议使用邻居发现技术来发现其他设备的存在，并进行无状态地自动配置。但邻居发现技术，只能用在处于同

58、一网段中的节点。如果无线传感器网络使用的是链路层路由技术，那么整个网络都属于同一个网段，那就可以使用邻居发现技术进行配置。如果使用网络层路由技术，网络被划分许多不同的网段，因此需要对邻居发现技术进行改进以适应无线传感器网络的网络层路由需要。 2.2 6LoWPAN 适配层技术适配层技术 2.2.1 适配层的基本功能 图 2.5 给出了 6LoWPAN 协议栈17与 TCP/IP 协议栈的比较，可以看到 6LoWPAN 协议栈中的适配层是位于 MAC 层和网络层之间的一层，起到承上启下的重要作用。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 6LoWPAN 网络概述与适配层技术 13 图 2.5 T

59、CP/IP 与 6LoWPAN 协议栈的比较 6LoWPAN 适配层的主要功能如下： (1) 分片和重组：IPv6 协议所规定的数据链路层的最大传输单元为 1280 字节，而基于 IEEE 802.15.4 标准的无线传感器网络的数据链路层的有效载荷远小于这个数值，适配层首先要对 IPv6 数据报进行透明的链路层分片和重组。 (2) 组播支持：组播在在 IPv6 协议中是一个不可或缺的角色。IPv6 中邻居发现协议的很多功能都是利用组播来实现的。基于 IEEE 802.15.4 的无线传感器节点是不支持组播的，但是可以提供有限的广播。基于这一考虑，适配层可以利用广播的泛洪机制来实现 IP 组播

60、功能。 (3) 头部压缩：在不考虑安全机制的情况下，IPv6 报文头部为 40 字节，而 IEEE 802.15.4 的MAC 层的最大有效载荷仅仅为 102 字节。 如果再将适配层和传输层的头部开销考虑在内，剩下的可用有效载荷空间仅仅只有 50 字节。要实现在 IEEE 802.15.4 MAC 上传输 IPv6 的最大传输单元， 除了要利用适配层的分片和重组功能来传输大于 102 字节的 IPv6 报文外。还需要采用相应的报文头部压缩技术对 IPv6 数据报进行头部压缩，这样可以大大提高传输效率。 (4) 网络拓扑构建和地址分配18：IEEE 802.15.4 规定了无线传感器网络的物理层