无线传感器网络 第12章 6LoWPAN协议

12.2.3 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技术 的无线传感器网络时将会面临以下问题： 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。 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 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 IEEE802.15.4 的MAC层和IPv6 网络层之间加入一个适配层，对二者的差异进行适配。 轻量级的IPv6协议：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 IEEE802.15.4 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。 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。 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。
分片报头每个字段代表的含义如下： LF：链路分片标志位，占2位。 M：网状寻址字段标志位，占1位，若此位置为1，则适配层报头后紧随着网状寻址字段。 B：广播标志位，占1位，若此位置为1，则适配层报头后紧随着的是广播字段。 datagram_size：负载报文的长度，占11位，所以支持的最大负载报文长度为2048字节， 可以满足IPv6报文在IEEE 802.15.4上传输的1280字节MTU的要求。 datagram_tag：分片标识符，占9位，同一个负载报文的所有分片的datagram_tag字段应 该相同。 fragment_offset：报文分片偏移，8 bits。该字段只出现在第二个以及后继分片中，指出 后继分片中的payload相对于原负载报文的头部的偏移。 12.3.5 适配层报头压缩 IPv6数据报首部长达40字节，而UDP首部也有8字节大小，这种首部格式减少了MAC层 传输IPv6有效负载的长度，造成效率低下。因此，对其进行头部压缩十分必要。 128位的IPv6地址由64位前缀加上64位接口ID构成。64位前缀代表子网，后64位接口ID 代表某一个特定的网络接口，并且这个ID在子网内必须是唯一的。在6LoWPAN体系中，后 64位ID往往是直接从链路层地址获得的，这个地址在出厂时是唯一的。同时，6LoWPAN中 所有的节点都共享相同的子网前缀，所以，在这种情况下，子网内的单播地址，无论是源 地址还是目的地址，都可以在IPv6的报头中省略。
4．网络路由方式选择 互联网中的路由功能是由网络层提供的，目的是使下层协议能够专注于完成链路层传 输的功能。 5．无状态自动配置 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。
12.3 6LoWPAN适配层技术
12.3.1 6LoWPAN协议栈 6LoWPAN协议的物理层和MAC层采用IEEE 802.15.4标准，适配层是6LoWPAN的主要 组成部分，主要功能有：压缩、分片与重组、Mesh路由。网络层采用IPv6协议，传输层采 用TCP或UDP，应用层采用现在通用的Socket编程接口。 12.3.2 适配层基本功能 图中给出了6LoWPAN协议栈与TCP/IP协议栈的比较，从图中可以看到，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。
12.2.4 6LoWPAN网络解决方案 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。需要对 IPv6 协议进行裁剪，只保留那些必需的功能集合。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 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；二是分片后的小数据报片如 果在传输中丢失，是对丢失的数据报进行重传还是重传整个IPv6数据报。 3．数据报首部压缩 对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。
12.2.2 6LoWPAN网络的关键技术 对于IPv6和IEEE 805.15.4结合的关键技术，6LoWPAN工作组进行了积极的研究与讨论， 目前在IEEE 802.15.4上实现传输IPv6数据包的关键技术如下： IPv6和IEEE 802.15.4的协调：IEEE802.15.4标准定义的最大帧长度是127字节，MAC头 部最大长度为25字节，剩余的MAC载荷最大长度为102 字节。IEEE 802.15.4帧不能封装完整 的IPv6数据包，因此，要协调二者之间的关系，就要在网络层与MAC层之间引入适配层， 用来完成分片和重组的功能。 地址配置和地址管理：IPv6支持无状态地址自动配置，相对于有状态自动配置来说，配 置所需开销比较小，这正适合LR-WPAN设备特点。同时，由于LR-WPAN设备可能大量、密 集地分布在人员比较难以到达的地方，实现无状态地址自动配置则更加重要。 网络管理：网络管理技术对LR-WPAN网络很关键。由于网络规模大，而一些设备的分 布地点又是人员所不能到达的，因此LR-WPAN网络应该具有自愈能力，要求LR-WPAN的网 络管理技术能够在很低的开销下管理高度密集分布的设备。由 安全问题：由于使用安全机制需要额外的处理和带宽资源，并不适合LR-WPAN设备， 而IEEE802.15.4在链路层提供的AES安全机制又相对宽松，有待进一步加强，因此寻找一种 适合LR-WPAN的安全机制就成为6LoWPAN研究的关键问题之一。
第12章 6LoWPAN协议
12.1 6LoWPAN概述 12.2 6LoWPAN网络体系结构 12.3 6LoWPAN适配层技术 12.4 RPL路由协议 12.5 CoAP协议 12.6 6LoWPAN网络举例
12.1 6LoWPAN概述
6LoWPAN是基于IPv6技术的低速无线个域网络的简称。基于6LoWPAN协议的无线传感 器网络所具有的主要特征包括：
12.3.3 适配层数据帧结构 与IPv6协议类似，6LoWPAN适配层利用了头栈，只有在需要时才添加报头。6LoWPAN 支持三种报头：网状寻址报头、分片报头、IPv6报头压缩报头，如果这三种报头都有，就按 这个顺序来封装。
12.3.4 适配层分片和重组 当IPv6报文长度小于IEEE 802.15.4 MAC 层的最大传输负载时，数据报可以直接传输不 需要进行分片，这时可以采用不分片的数据帧格式。
12.2 6LoWPAN网络体系结构
6LoWPAN无线传感器网络由许多独立的6LoWPAN网络接入到互联网组成，每个 6LoWPAN 网络都由底层基于 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 其他节点提供路由中继的功能。
6LoWPAN 适配层的主要功能如下： 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。 组播支持：组播在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。 头部压缩：要实现在IEEE 802.15.4的MAC层上传输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IPvቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 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。 网络拓扑构建和地址分配：IEEE 802.15.4规定了无线传感器网络的物理层和数据链路层。 但是，物理层和数据链路层并不负责网络拓扑建立和拓扑结构维护的工作，因此维护拓扑 结构的工作必须要让适配层来完成。 MAC层路由：IEEE 802.15.4标准并没有对无线传感器网络定义MAC层多跳路由。适配 层需要在现有路由协议的基础上进行改进，目前可以采用RPL路由协议来适应无线传感器网 络的特点。
不分片数据帧格式的各个字段含义如下： LF：链路层分片标记，占2位。此处应为00，表示使用不分片报头格式。 Prot_type：协议类型，占8位，指出紧随在报头后的报文类型。 M：网状寻址字段标志位，占1位。若此位置为1，则适配层报头后紧随着的是网状寻址 字段。 B：广播标志位，占1位，若此位置为1，则适配层报头后紧随着的是广播字段。 RSV：保留字段，全部置为0。 如果IPv6报文长度大于IEEE 802.15.4 MAC层的最大传输负载，就要对IPv6数据报进行 分片操作，这时应该采用分片的数据帧格式。
每个6LoWPAN网络内包含一个或者多个边界路由器，所有 6LoWPAN网络内节点的 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。
12.2.1 6LoWPAN网络的优势 6LoWPAN技术的主要思想是在IPv6网络层和MAC层之间加入一个适配层，以提供对 IPv6必要的支持。IPv6技术相对于ZigBee技术等其他技术而言，具有如下的优势： 普及性：IP网络应用广泛，深入人心，作为下一代互联网核心技术的IPv6，也在加速其 普及的步伐，在LR-WPAN网络中使用IPv6更易于被接受。 适用性：IP网络协议栈架构受到了广泛的认可，LR-WPAN网络完全可以基于此架构进 行简单、有效的开发。 开放性：IP协议是开放性协议，不牵扯复杂的产权问题，这是6LoWPAN技术相对于 ZigBee技术的优势。 更多地址空间：IPv6应用于LR-WPAN最大的亮点就是庞大的地址空间，这恰恰满足了 部署大规模、高密度LR-WPAN网络设备的需要。 支持无状态自动地址配置：IPv6中当节点启动时，可以自动读取MAC地址，并根据相 关规则配置好所需的IPv6地址。这个特性对LR-WPAN网络来说，非常具有吸引力，因为在 大多数情况下，不可能对LR-WPAN节点配置用户界面，节点必须具备自动配置功能。 易接入：LR-WPAN使用IPv6技术，使其更易于接入其他基于IP技术的网络，包括下一 代互连网，使其可以充分利用IP网络的技术进行发展。 易开发：目前基于IPv6的许多技术已比较成熟，并被广泛接受，针对LR-WPAN的特性 对这些技术进行适当的精简和取舍，简化了协议开发的过程。
(1) 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。
(2) 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。
(3) 高效、无状态的报头压缩，能显著减少报头开销，提高传输效率。 (4) 使用邻居发现技术实现网络自组。 (5) 支持单播、多播和组播功能。 (6) 支持网络层路由和链路层路由。