基于 IEEE 802.15.4无线传感器网络的IPv6协议栈 Internet, 虚拟世界, 网络技术, 生活方式, 互联网

yuyang911220

引言
       
        　　随着互联网的普及，Internet对人们生活方式的影响越来越巨大，并将继续在未来得各领域持续发挥其影响力，集成了网络技术，嵌入式技术、微机电系统（MEMS）及传感器技术的无线传感器网络将Internet为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，改变了人与自然交互的方式，满足了人们对“无处不在”的网络的需求。 2000年12月IEEE成立了IEEE 802.15.4 工作组，致力于定义一种供廉价、固定、便捷或移动设备使用的，复杂度、成本和功耗极低的低速率无线连接技术，产品的方便灵活，易于连接、实用可靠及可继承延续是市场的驱动力，一般认为短距离的无线低功耗通信技术最适合传感器网络使用，传感器网络是IEEE 802.15.4标准的主要市场对象。
       
        　　一方面，无线传感器网络具有“无处不在”和节点数量庞大等特点，部署无线传感器网络需要数量巨大的IP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性要求较高，而无线传感器网络自组织的先天性缺乏应有的安全机制，IPv6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，可以满足无线传感器网络在地址和安全方面的需求，所以IETF于2004年11月成立了一个6LowPan（IPv6 over IEEE 802.15.4或IPv6 over LR_PAN）工作组，它规定了6lowPan技术底层采取IEEE 802.15.4，MAC层以上采取IPv6协议栈，致力于如何将Ipv6与IEEE 802.15.4展开，实现Ipv6数据包在IEEE 802.15.4上的传输，研究基于IPv6 over IEEE 802.15.4的无线传感器网络的关键问题。目前这方面研究成为了一个很活跃的方向，其中，通过分析无线传感器网络对IPv6协议栈基本需求，借助协议工程学理论和软件工程的方法，设计并实现体积小、功能全、效率高，适用于IPv6无线传感器网络节点的嵌入式IPv6协议栈，已经成为一个很关键的问题。
       
        　　本文在分析了无线传感器网络和IPv6 over IEEE 802.15.4的技术特点之后，重点提出了一种能够适用于无线传感器网络，且底层采用IEEE 802.15.4的嵌入式IPv6协议栈设计方案，最后，还总结了基于IPv6 over IEEE 802.15.4无线传感器网络协议栈设计的核心原则。
       
        1 无线传感器网络和IPv6 over IEEE 802.15.4的技术节点
       
        1.1 无线传感器网络简介
       
        　　无线传感器网络由大量低功耗、低速率、低成本、高密度的微型节点组成，节点通过自我组织、自我愈合的方式组成网络，图1给出了无线传感器网络的工作原理，图中分散的无线传感器节点通过自组织方式形成传感器网络。节点负责采集周围的相关信息，并采用多跳方式将这些信息通过Internet或其他网络传递到远端的监控设备。
         
       
       
        　　无线传感器网络由许多个功能相同或不同的无线传感器节点组成。每个传感器节点由数据采集模块（传感器、A/D转换器）、数据处理和控制模块（微处理器、存储器）、通信模块（无线收发器）以及供电模块（电池、DC/DC能量转换器）等组成。节点在网络中可以充当数据采集者、数据中转站或者簇头节点（cluster-head node）的角色。作为数据采集者，数据采集模块收集周围环境的数据（如温度和湿度），通过通信路由协议直接或间接将数据传输给远方基站（base station）或汇节点（sink node）；作为数据中转站，节点除了完成采集任务外，还要接收邻居节点的数据，将其转发给距离基站更近的邻居节点或者直接转发到基站或汇节点；作为簇头节点，节点负责收集该类内所有节点采集的数据，经数据融合后，发送到基站或汇节点。与传统Ad HoC网络相比，无线传感器网络具有一些明显的特征：1）网络节点密度高，传感器节点数量众多，单位面积所拥有的网络节点数远大于传统的Ad Hoc网络，2）传感器节点由电池供电，节点能量有限；3）网络拓扑变化频繁；4）网络应具备容错能力，正是由于以上特点，IPv6已无线传感器网络的结合对IPv6提出了一些新的要求，如IPv6地址自动分配机制和IPv6包头压缩机制，另外，还有一些管理问题、与无线数据链路层接口问题等，因此，设计IPv6微型协议栈时，除了要实现功能完整，高效实用。占用的存储资源少以外，如上所述的一些新要求也应考虑进来。
       
        1.2 IPv6 over IEEE 802.15.4的技术特点
       
        　　IEEE 802.15.4是2004年提出的无线标准的安全网络技术，主要定义物理层和MAC层的协议，其余协议主要参照和采用现有的标准，主要应用场合是读表自动化、自动化控制和传感器网络，IEEE 802.15.4针对的就是低复杂度、低功耗、低数据速率的短距离网络，目标是将普通小型电池的使用寿命延长到几年，当芯片批量生产时，每个802.15.4设备的销售价格最终不到3美元，将很好地满足无线传感器网络的要求，IEEE 802.15.4定义了两个物理层标准，即2.4GHz物理层和868/915MHz物理层。这两个物理层都基于直接序列扩频DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum），使用相同的物理层数据包格式；区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。2.4GHz波段为全球统一、无须申请的ISM频段，有助于15.4设备的推广和生产成本的降低。2.4GHz的物理层通过采用高阶调制技术能够提供250kb/s的传输速率，有助于获得更高的吞吐量、更短的通信时延和工作周期，从而更加省电。868MHz是欧洲的ISM频段，915MHz是美国的ISM频段，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，868MHz的传输速率为20kb/s，915MHz和40kb/s。由于这两个频段上无线信号传播损耗较低，因此可以降低对接收机灵敏度的要求，获得较远的有效通信距离，从而可以用较少的设备覆盖给定的区域，这些特点使其非常符合传感器网络的应用要求，如前所述，IEEE 802.15.4只规定了物理层和MAC层，并且市场目标主要是无线传感器网络，所以在选择网络层标准时，考虑到无线传感器网络对地址和安全性等方面的要求，以及下一代互联网协议IPv6的不断发展和完善，在嵌入式设备中引入IPv6协议也将成为一种必然趋势，因此，6LowPan组织建议采取如图2所示的嵌入式IPv6协议栈，在设计时要充分考虑资源受限与功能相对完善之间的折中。



       
               
                2 嵌入式IPv6协议栈的设计
               
                2.1 嵌入式IPv6协议栈的设计思想
               
                　　由于无线传感器网络节点一般都是嵌入式设备，所以嵌入式IPv6协议栈的设计主要应突出“微型化”的思想，TCP/IP协议最先在Uuix系统里实现的，由于嵌入式系统与PC机的差别很大，在嵌入式系统中实现TCP/IP协议与在操作系统中的实现有很大不同，所以这是设计的核心环节。嵌入式系统的IPv6微型协议栈，直接面对硬件，没有一个多任操作系统平台，MCU中的程序结构一般是顺序执行和硬件中断相匹配的方式，与高级操作系统中多线程并发执行的方式截然不同，因为单片机上系统的各种资源是有限的，例如CPU的处理速度、字长、RAM、ROM存储器的容量以及接口的数量等与通用计算机相比有很大差距，所以如何使协议栈做到精细、通信可靠、功能相对完善，而且又能发挥单片机的特点成为IPv6微型协议栈设计的关键问题。“微型化”思想主要体现在设计方案核心应着眼于设计体积小，但又不影响运行的协议栈，所以要对协议栈的剪切方面进行深入研究，去掉不必要的组件，传统的复杂调度机制和额外的扩展功能，甚至可去除操作系统等。