无线低速网络

5.1低速网络协议需求5.2无线低速网络协议5.3无线传感网协议实现5.4IPv6网际互联为什么除了高速网络协议，物联网还需要低速网络协议？本章内容5.1为什么需要低速网络协议？物联网背景下连接的物体，既有智能的也有非智能的。物联网中那些能力较低的节点低速率低通信半径低计算能力，和低能量的要求需要对物联网中各种各样的物体进行操作的前提就是先将他们连接起来，低速网络协议是实现全面互联互通的前提。5.1低速网络协议需求5.2无线低速网络协议5.3无线传感网协议实现5.4IPv6网际互联典型的无线低速网络协议有哪些？各有什么特点？本章内容5.2

无线低速网络协议蓝牙红外802.15.4/ZigBee典型的无线低速网络协议：蓝牙（Bluetooth）蓝牙技术是一种短距离低功耗传输协议，最早始于1994年，由瑞典的爱立信公司研发。工作在全球通用的2.4GHzISM（工业、科学、医学）频段。标准是IEEE802.15.1，数据率为720kb/s通信半径从几米到100米左右不等，常见为几米左右。蓝牙的主要技术特点蓝牙技术使用的工作频率为2.4G-2.5G之间，属于免费的ISM（IndustryScienceMedicine）频段。蓝牙技术可以实现语音、视频和数据的传输，其最高的通信速率为1Mb/s，采用时分方式的全双工通信，通信距离为10m左右（如果配置功率放大器可以使通信距离达到100m）。蓝牙的基本原理是蓝牙设备依靠专用的蓝牙芯片使设备在短距离范围内发送无线信号来寻找另外一个蓝牙设备，一旦找到，互相之间便开始通信，交换数据。蓝牙核心系统包括射频收发器、基带及协议堆栈，该系统可以提供设备连接服务，并支持在这些设备之间交换各类数据。支持点对点及点对多点通信。蓝牙的主要技术特点蓝牙产品采用跳频技术，能够抵抗信号衰落；采用快跳频和短分组技术，能够有效地减少同频干扰，提高通信安全性；采用前向纠错编码技术，以便在远距离通信时减少随机噪声的干扰；采用FM调制方式，使设备变得更为简单可靠；“蓝牙”技术产品一个跳频频率发送一个同步分组，每组一个分组占用一个时隙，也可以增至5个时隙；“蓝牙”技术支持一个异步数据通道，或者3个并发的同步语音通道，或者一个同时传送异步数据和同步语音的通道。蓝牙的主要技术特点蓝牙技术指标和系统参数工作频段ISM频段，2.402GHz-2.480GHz双工方式全双工，TDD时分双工业务类型支持电路交换和分组交换业务数据速率1Mbps非同步信道速率非对称连接721Kbps/57.6Kbps，对称连接432.6Kbps同步信道速率64Kbps功率美国FCC要求<0dbm(1mw)，其他国家可扩展为100mw跳频频率数79个频点/1MHz工作模式PARK/HOLD/SNIFF数据连接方式面向连接业务SCO，无连接业务ACL纠错方式1/3FEC,2/3标FEC，ARQ鉴权采用反应逻辑算术信道加密采用0位、40位、60位加密语音编码方式连续可变斜率调制CVSD发射距离一般可达10cm-10m，增加功率的情况下可达100m

蓝牙系统采用无基站的灵活组网方式，支持点对点或点对多点的通信方式.在蓝牙2.0标准中一个蓝牙设备可同时与7个其他的蓝牙设备相连接。蓝牙组网方式基于蓝牙技术的无线接入简称为BLUEPAC（BluetoothPublicAccess），蓝牙系统的网络拓扑结构有两种形式：微微网（piconet）和分布式网络（Scatternet）。

微微网（piconet）：通过蓝牙技术以特定方式连接起来的一种微型网络，一个微微网可以只是两台相连的设备，比如一台便携式电脑和一部移动电话，也可以是8台连在一起的设备。蓝牙分布式网络是自组网（adhocnetworks）的一种特例，其最大特点是无基站支持，每个移动终端的地位是平等的，并可独立进行分组转发的决策。其建网灵活性，多跳性、拓扑结构动态变化和分布式控制等特点是构建蓝牙分布式网络的基础。蓝牙技术的主要缺点是传输距离短、传输速率慢。但由于蓝牙技术能耗低，主要应用于医疗和健康传感器网络等电源供给有限的场合.应用的领域包括：血氧计、血压计、体温计、体重秤、血糖仪、心血管活动监控仪、便携式心电图仪等等。蓝牙技术已经得到非常普遍的应用，全球大约80%以上的手机都使用了蓝牙技术，其中将近100%的智能手机都已经使用了蓝牙技术。利用每个人都拥有手机的优势，蓝牙技术可以用在更加广阔的领域，如车载网的应用、手机、电玩、电脑、手表、运动及健体、保健、汽车工业、家居电器、远程控制、自动化工业等等。蓝牙无线接入技术具有小规模、低成本、短距离连接等特点，能够有效地简化掌上电脑、笔记本电脑和移动电话手机等移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化以上这些设备与Internet之间的通信，从而使这些现代通信设备与因特网之间的数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。蓝牙技术的主要应用设备蓝牙和Wi-Fi区别Wi-Fi的定位目标是为了取代网络应用中的有线设备，能够真正的实现从有线到无线的转变，他可以用来传送各种文件，视频，音频，实现互联网的各种应用。蓝牙主要是为了替换一些个人用户携带设备的有线，如耳机，键盘等。这些设备对带宽的要求相对较少，或者说不是经常使用，比如手机间的传送小文件，或者说这些设备的资源拥有量（电量，计算资源等等）相对较低。红外（Infrared)红外通信系统采用红外技术进行通信，该技术是一种利用红外线进行点对点、短距离通信的技术。红外线是波长在0.75～1000μm之间的无线电波，是人用肉眼看不到的光线，红外数据传输一般采用红外波段内波长在0.75～25μm之间的近红外线。为了建立一个统一的红外数据通信标准，1993年，由HP、COMPAQ、INTEL等20多家公司发起成立了红外数据协会(InfraredDataAssociation，IrDA)。同年6月28日，来自50多家企业的120多位代表出席了红外数据协会的首次会议，并就建立统一的红外通信标准问题达成一致。为保证不同厂商基于红外技术的产品能获得最佳的通信效果，规定所用红外波长在0.85～0.90μm之间。利用红外技术传输数据，无须专门申请特定频段的使用执照，具有设备体积小、功率低的特点。由于采用点到点的连接，数据传输所受到的干扰较小，数据传输速率高。目前广泛使用的家电遥控器几乎都是采用红外线传输技术，在手机和笔记本电脑等设备上也得到了广泛的应用。红外线方式的最大优点是不受无线电干扰，但是，红外线对非透明物体的透过性较差，导致传输距离受限制，其点对点的传输连接也无法灵活地组成网络。红外（Infrared)利用红外线传输数据，比蓝牙更早，是一种较早的无线通信技术。特点红外通信采用的是875nm左右波长的光波通信，通信距离一般为1米左右。设备体积小、成本低、功耗低、不需要频率申请等优势缺点设备之间必须互相可见对障碍物的衍射较差ZigBee网络技术

一种新兴的短距离无线通信技术，主要面向低速率无线个人区域网，典型特征是近距离、低功耗、低成本、低传输速率。在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们之间的通信效率非常高。主要适用于工业监控、远程控制、传感器网络、家庭监控、安全系统和玩具等领域，目的是为了满足小型廉价设备的无线联网和控制。802.15.4/ZigBee802.15.4/ZigBee是无线传感网领域最为著名的无线通信协议ZigBee主要定义了网络层、传输层以及之上的应用层的规范802.15.4主要定义了短距离通信的物理层以及链路层规范ZigBee与IEEE802.15.4协议IEEE802.15.4是IEEE无线个人区域网(PersonalAreaNetwork，PAN)工作组的一项标准，仅处理低级MAC层和物理层协议。ZigBee联盟在802.15.4的基础上，对其网络层协议和API进行了标准化。另外ZigBee联盟还开发了安全层，以保证使用ZigBee协议标准的物联网设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输的信息不会被其他节点获得。ZigBee联盟成立于2001年8月。2002年下半年ZigBee联盟得以扩大，英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四大巨头共同宣布加入“ZigBee联盟”，研发名为“ZigBee”的下一代无线通信标准。目前ZigBee联盟全球约有400多家成员，包括国际著名半导体生产商、技术提供者、代工生产商以及最终使用者，其总营业额突破1万亿美元。2011年6月，ZigBee联盟分别在北京和无锡设立了办事处，作为在中国开展物联网产业技术交流与合作的平台。截至目前为止，ZigBee共公布了三个协议标准，分别称为ZigBee2004，ZigBee2006，Zigbee2007。ZigBee2007规范了两套功能指令集，分别是ZigBee功能命令集和ZigBeePro功能命令集。ZigBee各版本的比较版本号ZigBee04ZigBee06ZigBee07ZigBee07指令集无无ZigbeeZigbeePro无线射频标准802.15.4802.15.4802.15.4802.15.4地址分配无CSKIPCSKIP随机拓扑星状树状、网状树状、网状网状大网络不支持不支持不支持支持自动跳频是，3信道否否是PANID冲突决策支持否可选支持数据分割支持否可选可选多对一路由否否否支持高安全支持支持，1密钥支持，1密钥支持，多密钥支持节点数目少量节点300个以下300个以下1000个以上应用领域消费电子住宅住宅商业802.15.4物理层频段：3个频段，均为国际电信联盟电信标准化组定义的用于科研和医疗的开放频段，包括2.4-2.4835GHz世界范围内通用，16个频道。868.0-868.6MHz，主要为欧洲采用，单信道；902-928MHz，北美采用，10个信道，支持扩展到30个；这两个频段的引入避免了2.4GHz附近各种无线通信设备的相互干扰。传输技术：最早为直接扩频，后来可采用调频、调相等多种技术。物理层物理层802.15.4介质访问控制层MAC层控制和协调节点使用物理层的信道802.15.4采用载波侦听冲突避免多路访问方式(CSMA/CA)，与802.11（Wi-Fi）类似。传输之前，先侦听介质中是否有使用同一信道的载波存在，若不存在说明信道空闲，将直接进入数据传输状态；若系统检测到存在载波，则在随机退避一段时间后重新检测信道，退避的时间长短由具体的协议指定。为什么CSMA/CD不适用于无线局域网？存在隐藏节点问题和暴露节点问题大多数无线节点的收发器是半双工的，无法同时发送和接收数据，这意味着它们不能在发送数据的同时进行冲突检测。隐藏节点和暴露节点ACBBDCC的传输半径C正在发送B的传输半径B正在发送(b)暴露节点(a)隐藏节点DA当一个节点有帧要发送时，首先侦听信道：若一开始就侦听到信道空闲，则在等待了DIFS时间后发送该帧。若信道忙，则选取一个随机的回退值，并在侦听到信道空闲时开始递减该值。在此过程中若侦听到信道忙，则冻结计数值。当计数值减为0时，该节点发送帧并等待确认。若收到确认帧，表明帧发送成功；若还要发送下一个帧，从第2步开始CSMA/CA协议；若未收到确认，节点重新进入第2步中的回退阶段，并从一个更大的范围内选取随机值。CSMA/CA带冲突避免的载波侦听多点访问法带冲突检测的载波监听多路访问在监听阶段，站点监测到总线忙时，该站点将避让一段时间后再尝试。根据延时所采用的不同退避机制，载波监听多路访问可分为如下几种。1-坚持CSMA非坚持CSMAp-坚持CSMAP-坚持算法是一种既能像非坚持算法那样减少冲突，又能像1-坚持算法那样减少介质空闲时间的折中方案。CSMA/CA带冲突避免的载波侦听多点访问法先听后讲（CSMA）假设网络的传播时延为T。任一节点在发送信息之前，首先侦听信道。若空闲：等待信道持续空闲2T的时间后，随机延迟一小段时间，发出“请求发送”短帧。如果信道忙，则退避一段时间再尝试。协商后再发（CA）发出“请求发送”短帧之后，若在T时间内得到目的端的“允许发送”信息，表明协商成功，在T时间内开始发送数据。信道预约机制若A想向B发送一个数据帧：A向B发送一个RTS帧，给出发送数据帧及确认帧需要的总时间。B收到后回复一个CTS帧，帧中给出同样的时间A收到CTS帧后开始发送，并启动一个定时器等待确认。若定时器超时，A重复以上过程。若有两个站同时发送RTS帧，则会产生冲突，这时不成功的发送方随机等待一段时间后重试。ACBDCSMA/CA与CSMA/CD的不同在CSMA/CD中，节点侦听到信道空闲时立即发送在CSMA/CA中，节点要推迟发送，尤其在第2步中要随机回退。这是为了避免有多个站同时等待信道空闲，并在发现信道空闲后立即发送而造成的冲突。数据传输由于ZigBee网络中节点是由电池供电的简单器件，在有些应用中更换电池成为不可能或没必要，这使得MAC层数据传输具有低功耗的特点。IEEE802.15.4的数据传输过程中引入了几种延长器件电池寿命或节省功耗的机制，多数机制通过信标使能的方式来限制器件或协调器之间收发机的开通时间，或在无数据传输时让器件处于休眠状态ZigBee网络层网络层功能：路由，新节点和路径的发现，决定一个节点属于某一个子网络等。ZigBee网络层采用距离矢量路由协议（AODV）源节点广播一个路由请求给它的所有邻居邻居节点在收到消息后，再广播收到的消息给它们的邻居，如此直到消息到达目的节点。当目的节点收到路由请求消息以后，目的节点返回一个路由回复给源节点。回复不再以广播方式发送到源节点，而是沿着路由请求数据包从源节点到目的节点的路径，这样源节点就可以按照这条路径发送消息到目的节点了。距离矢量路由协议（AODV）按需距离矢量是一个纯粹的根据路由需要获得的算法：不依赖于活动路径的节点、不维护任何路由信息、也不参与任何周期性路由表的改变。更进一步说，节点不一定要覆盖和维护一个路由到另一个节点直到两个节点需要通信，除非以前的节点作为媒介物正在向基站提供服务以维持其他两个节点的连接。该算法最初的目标是为了广播信息给需要的包裹，以区别当地的连接管理和总体的拓扑维护，也为了散播当地连接改变的有关信息给它的需要信息的邻居的移动节点。当一个源节点需要于另一个节点通信时，这时没有路由信息在它的路由表上，路径发现进程刚刚开始。每一个节点保持两个独立的计数器：序列号和广播ID。源节点通过广播路由请求信息（RREQ）包裹给它的邻居来寻找路径，广播路由请求包裹包括源地址，源序列号，广播ID，目的地址，目的序列号，跳数。源地址和广播ID标识了一个唯一的RREQ，当源地址发布一个新的RREQ时，广播ID被增加。当一个中间节点接收到一个RREQ时，如果它已经接收到一个广播ID和源地址都相同的RREQ了，则它会丢掉多余的RREQ，不会重新广播。否则，它会增加跳数之后，重新广播给它的邻居。每一个节点都保持着下列信息：目的IP地址，源IP地址，广播ID，反向路径路由登录的终止时间和源节点序列号。

一个RREQ从源端到目的端，它自动地从所有节点返回到源端建立反向路径。为了建立反向路径，一个节点从它接收到的第一个RREQ那里记录邻居的地址。这些反向路径路由登录是为了保证最少的时间使RREQ通过网络，然后生成一个回复给它的发送者。

当一个RREQ到达一个节点，可能是目的地本身，它拥有当前的路由到目的地，接收节点会首先检查是否RREQ是通过两向链路被接收的。如果该节点不是目的地但有路由到达目的地，则它会通过比较在自己路由表获得的目的地序列号与在RREQ中获得的目的地序列号，从而判断路由是否是当前的。假如RREQ的目的地序列号大于通过中间节点记录的序列号，则中间节点肯定没有用这个路由去响应RREQ，而是重新广播这个RREQ。

如果路由的目的地序列号大于或等于RREQ的序列号但小于跳的总数，它会从它所得到的RREQ中把一个路由回复包裹（RREP）抛回给它的邻居。一个RREP包括下列信息：源地址，目的地址，目的序列号，跳数和生命周期。当一个RREP返回源端时，沿着路径的每一个节点都建立一个前向指示给从RREP处来的节点，更新路由的源地址和目的地址的信息和记录最新的目的地址的序列号。

由RREP定义的沿着路径的节点，当路由要求终止定时器之后会超时中断，而且会删除反向指示因为它们没有在从源端到目的端的路径上面。超时时间的大小取决于adhoc网络的规模。同样地，与每一个路由入口相联系的路由缓存超时显示出路由被认为无效的时间。每一次路由入口被用来从源端到地址端之间传输数据，登录超时被重新安排到当前的路由活跃时间里。

只要第一个RREP被接收，源节点就开始数据传输，如果源节点寻找到一个更好的路由，则会开始更新路由信息。

每一个路由表都包括下列类型的数据：目的地，下一跳，跳数，目的地址的序列号，路由中活动着的邻居，路由表的终止时间。

对于路径维护，每一个保持活动的邻居地址的节点通过接收给定的目的地址从而得到维护。如果邻居节点在最近的活跃超时时段内产生或者中转至少一个包裹给目的地址，则被认为是活跃的。一旦从源地址到目的地址的路径中的下一跳不能到达，中断的上游节点通过一个新的序列号和无穷多的跳数给上游的活跃节点来繁殖一个主动提供的RREP。这个过程一直持续到所有活动的源节点被通告。在一个中断的链路上，源节点会重新搜索到目的地址的路由。如果源节点想重建到目的地的路由，则会发送一个带有大于先前序列号的目的地序列号的RREQ。ZigBee应用层提供向终端用户的接口，应用层主要包含三个组件第一个组件是ZigBee协议对象，负责定义每个设备的功能和角色；第二个组件是应用对象，每个应用对象对应了一个不同的应用层服务；第三个组件是应用支持子层，它通过把底层的服务和控制接口提供给整个应用层，把应用层以下的部分和应用层连接起来，是应用层的基本组件。

ZigBee与常用协议比较zigbee网络系统的构建这是一个星型的ZigBee网络系统。在该系统中，由协调点创建ZigBee网络，终端节点查找并加入空中存在的网络。加入到网络的终端节点将自己的物理地址发给协调点，协调点把收到的节点的物理地址信息通过串口发送给与之相连的计算机，计算机保存收到的物理地址。计算机通过串口发送相应节点的物理地址和指令给协调器，协调器将信息发给相应的节点从而获取某个终端节点的数据。8.1低速网络协议需求8.2无线低速网络协议8.3无线传感网协议实现8.4IPv6网际互联无线传感网协议实现需要注意哪些问题？本章内容8.3

无线传感网组网：物理层设计链路特点动态性（Dynamic)非对称性（Asymmetric）：两个节点之间一个方向链路质量好，另一个方向质量非常差。空间关联性（SpatialCorrelation）：因为位置相近的节点通常有相似的环境。时间关联性（TemporalCorrelation）物理层设计应当支持802.15.14模块，如CC2420，同时满足：低能量消耗低通讯半径低通信带宽8.3

无线传感网组网：MAC层设计无线传感网节点特殊性：节点功能小→计算不能太复杂节点能量少→尽量减少不必要传输节点通信范围小→需要多跳网络设计节点内存小→不可能保存全部路由表节点工作环境复杂→高适应性协议MAC层：沿用CSMA/CA8.3

无线传感网组网：MAC层设计无线收发模块占用大部分电量消耗！MAC层设计：如何降低能量消耗？无线收发器件（radiotransceiver）工作时通常处于三种状态（发送，侦听，空闲状态），发送和侦听状态为工作状态，空闲状态浪费能量。低功率侦听协议采样侦听链路层调度采样侦听无线收发模块在没有数据的时候关闭定时采样获取信道的信息MAC层设计：采样侦听的问题假设采样周期为T，发送者在发送数据的时候如何保证接受者能够收到？保持发送数据的时间长度不少于T的话，接收者就能够采样到发送者发送的数据然后接收者调整至接收状态，正常接收数据。MAC层设计：采样侦听的问题（续）仍然有问题：发送者每次发送最常需要持续一个采样周期的时间，还是会带来不必要的能量损耗。更好的方法：同步发送者和接收者达到更高效率→调度8.3

无线传感网组网：网络层设计主要特点：无线传感器网络中的链路是不可靠的无线传感器节点的功能和资源极其受限的，使得节点不能进行很复杂的计算，测量以及维护庞大的路由表。链路质量成为影响路由协议性能的重要指标。许多无线传感器网络路由协议在其路径选择过程中均考虑了链路质量。ETX是广泛使用的路径选择指标，可实现无线传感网典型的链路测量方法。两类典型的网络层路由协议：数据收集协议CTP数据分发协议DripETX：路径选择指标ETX：

（ExpectedTransmissionCount），传输成功每个包需要的总传输次数，一条路径的ETX越小代表在这条路径上引起的总传输次数最小。Linkthroughput

1/LinkETXETX计算假设链路有ACKs和重传P(TXsuccess)=P(Datasuccess)P(ACKsuccess)LinkETX=1/P(TXsuccess)=1/[P(Datasuccess)P(ACKsuccess)]实际计算ETXP(Datasuccess)measuredfwddeliveryratiorfwdP(ACKsuccess)measuredrevdeliveryratiorrevLinkETX1/(rfwd

rrev)路径ETX通过把传输代价最小化，ETX提高了带宽利用率，有效减少了传感网能量消耗。通过测量双向链路质量，ETX能有效避免非对称链路。数据收集协议：CTPCTP：（