6loWPAN適配層在IPV6網(wǎng)絡應用中的性能分析與研究

楊蔭成+李紅信+王靜++潘晨

摘要：隨著網(wǎng)絡技術(shù)、通信、計算機等技術(shù)的迅速發(fā)展，IPv6 over IEEE802.15.4（即6LoWPAN），已經(jīng)在物聯(lián)網(wǎng)、傳感器網(wǎng)絡中發(fā)揮越來越重要的作用，重點解決了傳感器網(wǎng)絡和IPv6互聯(lián)網(wǎng)之間的連接控制和監(jiān)測問題。根據(jù)6LoWPAN工作組的標準，在網(wǎng)絡層和數(shù)據(jù)鏈路層之間加入了一個適配層，提供分片與重組、報頭壓縮與解壓縮等功能，使得IPv6數(shù)據(jù)包能夠在 IEEE802.15.4網(wǎng)絡中傳輸，從而實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡與IPv6網(wǎng)絡之間的無縫連接。本文介紹了IEEE802.15.4標準和6LoWPAN的技術(shù)，討論了6LoWPAN的優(yōu)勢，分析了其關鍵技術(shù)，對6LoWPAN的應用進行了探討。

關鍵詞：6loWPAN IPV6 傳感器網(wǎng)絡 IEEE802.15.4

中圖分類號：TN925.93 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）05-0055-01

1 引言

傳感器網(wǎng)絡與Internet之間的連通日益重要，傳感器可以應用不同的連接技術(shù)，其中IEEE802.15.4設備具有短距離，低速率，低功耗和低成本特點。本文在6LoWPAN的基礎上對傳感器網(wǎng)絡的特征的加以討論。6LoWPAN使IPv6數(shù)據(jù)包進行傳感器網(wǎng)絡進行銜接，同時，各種應用領域?qū)⑹芤嬗谝蛱鼐W(wǎng)基于IP的基礎設施。本文將基于IPV6的IEEE802.15.4標準與互聯(lián)網(wǎng)的融合討論。

2 MAC層的IEEE802.15.4標準

MAC層位于物理層和網(wǎng)絡層之間，主要負責管理信道的訪問以及確保設備間數(shù)據(jù)幀的準確傳輸。IEEE802.15.4標準的MAC層一共定義了四種類型的幀：信標（Beacon）幀、命令幀、ACK確認幀、數(shù)據(jù)幀。前三種類型的幀主要用于建立與管理IEEE802.15.4網(wǎng)絡，而數(shù)據(jù)幀則用于封裝實時的業(yè)務數(shù)據(jù)。每種幀都由三部分組成，分別為幀頭、數(shù)據(jù)負載以及用作校驗的幀尾部分。

IEEE802.15.4標準的主要特點。

（1）成本低：通常使用有限的硬件資源中低端嵌入式設備。（2）低功耗：電池可持續(xù)工作數(shù)月甚至數(shù)年。（3）高效率：短距離的信號覆蓋范圍從10M到百米的范圍內(nèi)。（4）多種類型：設備一般包括全功能設備（FFD）和精簡功能設備（RFD）。（5）多模式：雙傳輸模式是由MAC層中定義，一種是信標使能模式，另一種是非信標使能模式。

3 6LoWPAN技術(shù)

3.1 6LoWPAN適配層簡介

6LoWPAN的技術(shù)底層采用的PHY和MAC層IEEE802.15.4標準和6LoWPAN的IPv6的選擇與組網(wǎng)技術(shù)，其目標主要是傳感器網(wǎng)絡。由于IPv6的迅速發(fā)展，引入IPv6協(xié)議已成為一種必然趨勢，但由MAC IPv6中支持的有效載荷的長度比由6LoWPAN的底層提供大得多。

3.2 6LoWPAN適配層報文格式

6LoWPAN協(xié)議棧采用層次式的報文格式，依次是IEEE802.15.4物理層頭部、IEEE802.15.4 MAC幀頭部、適配層頭部、IPv6報文頭部。6LoWPAN在網(wǎng)絡層和MAC層之間引入適配層，除了前面提到的協(xié)調(diào)IEEE 802.15.4與IPv6在大小上的差異外，另一個重要原因是二者在幀類型上的區(qū)別。為了盡可能的節(jié)約空間，適配層只是承載MAC層四種幀中的數(shù)據(jù)幀，IPv6報文就是封裝在其中的。適配層頭部包含四個字段：Mesh Discovery、Broadcast、Fragment和IPv6壓縮頭部。

3.3 6LoWPAN的技術(shù)優(yōu)勢

（1）便于推廣：IP網(wǎng)絡的應用非常普遍。 IPv6的應用更是解決了地址不足的問題，下一代互聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，也加速了其普及的步伐，用IPv6將會更容易被接受。（2）良好的可利用性：IP網(wǎng)絡協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)被廣泛認可，傳感器網(wǎng)絡可以有效地利用該結(jié)構(gòu)。（3）支持無狀態(tài)地址自動配置：在IPv6中，當節(jié)點開始工作時，可自動讀出的MAC地址，并根據(jù)該相對規(guī)則部署的IPv6地址。

3.4 6LoWPAN的關鍵技術(shù)

6LoWPAN的工作組的宗旨是定義，同時符合開放標準如何執(zhí)行在IEEE802.15.4鏈路基于IP的通信和確?；ゲ僮餍耘c其他IP設備。6LoWPAN一些關鍵技術(shù)如下。

（1）報頭壓縮技術(shù)。目前，6LoWPAN適配層報頭壓縮一般都是通過壓縮編碼的方式實現(xiàn)的，運用較多的并且效率較高的壓縮編碼是 HC1和HC2。前者負責IPv6基本報頭的壓縮，后者則負責上層協(xié)議的頭部壓縮。由于在無線傳感器網(wǎng)絡中TCP協(xié)議比較大，且應用場景有限，因此，現(xiàn)在只考慮了UDP協(xié)議的壓縮。采用HC1和HC2編碼對IPv6頭部和UDP頭部進行壓縮后，報頭將會呈現(xiàn)兩個域：編碼域和未壓縮域。

（2）分片和重組技術(shù)。IPv6最大的傳輸單元為1280個字節(jié)，但是IEEE802.15.4標準定義的MAC層最大傳輸單元只有127個字節(jié)。一個完整的適配層報文（包括頭部字段）可能無法承載在單獨的一個802.15.4幀上。為了解決這一問題，適配層定義了兩種報文格式，即：不分片格式與分片格式。

（3）地址分配和地址管理。其中一個6LoWPAN的與眾不同的特點是16位短地址的動態(tài)分配的能力。利用這個短地址，分層路由可以使用。此外，IPv6支持無狀態(tài)地址自動配置，同時，LR-WPAN設備可能會在很大程度上和密集分布在其中的人在難以到達的地方，所以它更重要實現(xiàn)無狀態(tài)地址自動配置。

4 結(jié)語

6LoWPAN適配層的應用實現(xiàn)了傳感器網(wǎng)絡與IPv6互聯(lián)網(wǎng)連接。適配層進行壓縮的IP頭，允許更小的6LoWPAN的數(shù)據(jù)包在傳感器網(wǎng)絡中發(fā)送。6LoWPAN的應用將在工業(yè)、科研、監(jiān)測，以及家庭、辦公室和工廠環(huán)境的自動化將變得越來越廣泛。

參考文獻

[1]唐宏，謝靜，魯玉芳，唐倫.無線傳感器網(wǎng)絡原理及應用.北京：人民郵電出版社，2010.

[2]王相林.IPV6核心技術(shù)[M].北京：科學出版社，2009.

[3]謝希仁.計算機網(wǎng)絡.電子工業(yè)出版社，2003.

[4]IEEE standard 802.15.4-2006. Wireless Medium Access Control（MAC） and Physical Layer （PHY）Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks （WPANs）.

[5]李善倉，張克旺.無線傳感器網(wǎng)絡原理及應用.機械工業(yè)出版社，2008.

[6]Transmission of IPv6 Packets over IEEE 802.15.4 Networks. September 2007.

[7]李岳衡，王慧斌.無線傳感器網(wǎng)絡與監(jiān)測應用.國防工業(yè)出版社，2011.12.