6LoWPAN的Enhanced Route-over的分片和重組機制

陳晶晶，李曉記，鄭 霖

（1.桂林電子科技大學，廣西 桂林 541004；2.通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)技術(shù)重點實驗室，河北 石家莊 050081）

6LoWPAN的Enhanced Route-over的分片和重組機制

陳晶晶1，2，李曉記1，鄭 霖1，2

（1.桂林電子科技大學，廣西 桂林 541004；2.通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)技術(shù)重點實驗室，河北 石家莊 050081）

針對Route-over路由在6LoWPAN中存在需要在每一跳節(jié)點進行分片和重組的問題，提出了一種Enhanced Route-over機制，該機制通過在Route-over轉(zhuǎn)發(fā)過程中增加映射表和構(gòu)建虛擬IP幀，改善了Route-over路由在數(shù)據(jù)報端到端傳輸時延方面的性能，并采用Cooja仿真器和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺進行了驗證。仿真結(jié)果顯示，在保證節(jié)點能量消耗不增加的情況下，當節(jié)點數(shù)量分別為4、10和18時，所提出的優(yōu)化算法的數(shù)據(jù)報端到端傳輸時延方面分別減少了14.23%、20.89%和21.68%。此外，還適用于實際場景。

6LoWPAN；Route-over；分片；重組；時延

0 引言

當前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在體制多樣，協(xié)議不同，互聯(lián)互通存在困難的特點。傳感網(wǎng)IEEE 802.15.4［1］僅對物理層和介質(zhì)訪問控制（MAC）層給出了規(guī)范，Zigbee協(xié)議［2］提供了網(wǎng)絡(luò)層及以上的通信協(xié)議，但仍無法實現(xiàn)到IP網(wǎng)絡(luò)的無縫聯(lián)接。此外，IPv6協(xié)議要求傳輸鏈路的MTU（最大傳輸單元）至少為1 280 bytes，而IEEE 802.15.4鏈路的MTU僅為127 bytes，使得數(shù)據(jù)報難以在6LowPAN（低功耗無線個域網(wǎng)）中傳輸。為解決此問題，IETF（國際互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組）定義了6LoWPAN（基于IPv6的無線個域網(wǎng)）協(xié)議，通過6LowPAN適配層直接承載IPv6網(wǎng)絡(luò)層，提供報頭壓縮［3］，分片重組，達到與IP網(wǎng)絡(luò)在WSN中節(jié)點的直接通信。

為降低6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)報的傳輸時延，本文提供一種Enhanced Route-over機制。該算法的關(guān)鍵在于：通過在數(shù)據(jù)報傳輸過程中構(gòu)建一個虛擬IP數(shù)據(jù)報文及轉(zhuǎn)發(fā)映射，減少轉(zhuǎn)發(fā)中的緩沖和延遲。

1 6LoWPAN路由的研究現(xiàn)狀

根據(jù)路由協(xié)議所作用的協(xié)議棧位置的不同，6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議可分為2類［4］：①Mesh-under路由，路由決策在6LoWPAN適配層，采用鏈路層地址，根據(jù)mesh頭部實現(xiàn)二層轉(zhuǎn)發(fā)。主要路由協(xié)議有AODV協(xié)議［5］、LOAD協(xié)議和HiLow協(xié)議等。②Route-over路由，在IPv6網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)WSN路由，采用IP地址，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層頭部實現(xiàn)路由轉(zhuǎn)發(fā)。目前，Route-over路由協(xié)議并不多，主要有IETF RoLL工作組研究制定的RPL（IPv6 Routing Protocol for LLNs）協(xié)議［6］。文獻［7］對2類協(xié)議進行了對比，并評估了其數(shù)據(jù)報傳輸?shù)亩说蕉藭r延，結(jié)果顯示對比Route-over，Mesh-under協(xié)議有著更低的時延，且Route-over需要在每個中間節(jié)點進行數(shù)據(jù)報的重組及分片。針對Route-over路由協(xié)議存在的缺陷，文獻［8］在Contiki上實現(xiàn)了新的RPL標準，通過引入靈活的跨層設(shè)計，以增強節(jié)點的鏈路質(zhì)量評估能力及對鄰居信息有效管理，從而提高RPL協(xié)議的數(shù)據(jù)報遞送率。此外，文獻還通過實驗驗證了異步工作循環(huán)會增加網(wǎng)絡(luò)信道競爭及業(yè)務(wù)沖突，一定程度上會降低數(shù)據(jù)報遞送率。文獻［9］分別對基于Mesh-under路由及Route-over路由的分片重組算法進行評估，結(jié)果顯示Route-over在數(shù)據(jù)報傳輸時可靠性更好，有著更高的數(shù)據(jù)報接收率?？紤]到數(shù)據(jù)報分片傳輸過程中，可能會出現(xiàn)由于分片丟失，數(shù)據(jù)報重組出錯，超時等需要重傳而導(dǎo)致數(shù)據(jù)報分片亂序到達的情況。文獻［10］提出了多重組緩存管理系統(tǒng)（Multi-Reassemblies Buffer Management System）。該機制支持重組緩存動態(tài)建立及多數(shù)據(jù)報同時處理，提高了數(shù)據(jù)報的遞送率。傳統(tǒng)的Mesh-under路由中，如果數(shù)據(jù)報分片在傳輸過程中丟失，接收到部分分片的節(jié)點須將其全部丟棄，等待源節(jié)點重傳所有的分片，導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)中存在大量無用分片，因此文獻［11］提出了Controlled mesh-under機制，該機制有效利用通信信道，并通過對分片的轉(zhuǎn)發(fā)進行監(jiān)控，從而降低了網(wǎng)絡(luò)的整體消耗，避免了大量無用數(shù)據(jù)報分片的傳播。

2 Enhanced Route-over

現(xiàn)有Route-over的缺陷在于其在傳輸數(shù)據(jù)報的過程中每一跳都要進行分片和重組，這大大增加了數(shù)據(jù)報傳輸?shù)亩说蕉搜訒r。為此，本文提出了Enhanced Route-over機制，該機制在Route-over轉(zhuǎn)發(fā)過程中增加了一個映射表，避免分片在轉(zhuǎn)發(fā)過程的每一跳都進行分片及重組。所提出的算法的關(guān)鍵在于，中間節(jié)點的6LoWPAN適配層在轉(zhuǎn)發(fā)過程中構(gòu)建虛擬IP幀和轉(zhuǎn)發(fā)映射，分片的重組只需要在所有分片到達目的節(jié)點時進行。主要包括3個過程：分片過程、轉(zhuǎn)發(fā)過程和重組過程都是由適配層執(zhí)行。

2.1 分片過程

EnhancedRoute-over算法的IPv6數(shù)據(jù)報分片具體流程如下：

①初始化。初始化壓縮之前的頭部長度uncomp_hdr_len及已處理的6lowpan頭部總長度rime_hdr_len（包括分片首部，IPHC，IPv6首部未壓縮字段，NHC，UDP首部未壓縮字段）為0。

②首部壓縮。調(diào)用IP首部壓縮功能完成IPv6頭部壓縮，并將壓縮后的頭部存入緩存中，無需頭部壓縮的則直接跳過。更新rime_hdr_len及uncomp_ hdr_len。

③判斷是否需要分片。若uip_len-uncomp_ hdr_len＞MAC_MAX_PAYLOAD－framer_hdrlenrime_hdr_len，即IP數(shù)據(jù)報的長度大于鏈路層的MTU，需要進行分片。其中，uip_len等于數(shù)據(jù)報的總長度，MAX_PAYLOAD為鏈路層MTU（102 bytes），framer_hdrlen為MAC層幀頭。若不需要分片，直接將載荷裝入數(shù)據(jù)緩存區(qū)（packet_buf）的數(shù)據(jù)部分。

④生成分片1（FRAG1）。生成FRAG1頭部：dispatch，分片前的報文長度datagram_size、分片標識符datagram_tag。更新rime_hdr_len，即6lowpan頭部長度加上分片頭長度。更新packet_buf的載荷長度rime_payload_len，即rime_payload_len＝（MAC_ MAX_PAYLOAD-framer_hdrlen-rime_hdr_len）＆0xf8。再將rime_payload_len長的IPv6載荷填入packet_buf后續(xù)緩存中。最后將FRAG1發(fā)送到MAC層，發(fā)送至下一跳，并更新processed_ip_out_ len，表示已經(jīng)處理的分片長度。

⑤生成后續(xù)分片（FRAGN）。與FRAG1相同，只是頭部信息多了一項datagram_offset，表示分片在報文中的位置，此外，F(xiàn)RAGN不需要保留首部壓縮生成的6lowpan頭部。

⑥判斷是否分片完畢。若uip_len-processed_ ip_out_len＜rime_payload_len，則分片完畢，datagram_ tag加1，全局變量清0，釋放packet_buf。否則，重復(fù)步驟⑤。

分片過程如圖1所示。

圖1 分片過程

2.2 轉(zhuǎn)發(fā)過程

算法的IPv6數(shù)據(jù)報分片轉(zhuǎn)發(fā)具體流程如下：

①初始化。初始化uncomp_hdr_len及rime_ hdr_len為0，將數(shù)據(jù)緩存區(qū)packet_buf的指針rime_ ptr初始化為緩存的開頭處，并給映射表分配內(nèi)存。

②獲取頭部信息。適配層接收到來自MAC層的數(shù)據(jù)報，對packet_buf中的第一首部進行判斷，如果為分片頭部，則提取分片信息：分片前的報文長度datagram_size、分片標識符datagram_tag、分片在報文中的位置datagram_offset，更新rime_hdr_len為分片頭部長度，后移rime_ptr至rime_ptr＋rime_hdr_len。若為分片1，設(shè)置相應(yīng)標志位first_fragment為1，若為最后一個分片，設(shè)置相應(yīng)標志位last_fragment為1。

③首部解壓縮。如果是分片1，調(diào)用IP首部解壓縮功能對數(shù)據(jù)報頭部進行解壓縮，獲取源目的IP地址，并將恢復(fù)的IPv6頭部填入適配層緩存區(qū)6lowpan_buf；如果是后續(xù)分片N，跳過首部解壓縮，轉(zhuǎn)至步驟⑦；如果是沒有壓縮過的頭部，則直接將頭部信息復(fù)制到6lowpan_buf中。

④構(gòu)建虛擬IP幀。將IPv6頭從6lowpan_buf復(fù)制到uip緩存中，數(shù)據(jù)部分用“0”補齊。

⑤確定下一跳路由。查找RPL路由表，獲取下一跳路由的IP地址，進而得到下一跳路由的MAC地址。

⑥構(gòu)建映射表。將轉(zhuǎn)發(fā)映射項表示為一個映射表MapNode｛curTag，nextTag，nextMacAddr，parent-MacAddr，totalOfFrag，countOfFrag，MapNodenext｝，其中curTag表示當前的TAG標識符，nextTag表示新的標識，同一IP數(shù)據(jù)包所有分片在每個中間跳都要更新TAG標識符，nextMacAddr表示下一跳節(jié)點的MAC地址，parentMacAddr表示源節(jié)點的MAC地址，totalOfFrag是分片前報文總長度，countOfFrag表示已經(jīng)處理的分片長度，指針next用于同一個節(jié)點構(gòu)建不同數(shù)據(jù)報的映射表。當中間節(jié)點收到某個數(shù)據(jù)報的第1個分片時，根據(jù)上述信息建立轉(zhuǎn)發(fā)映射，將虛擬IP幀送回適配層，首部壓縮并提取首分片，轉(zhuǎn)發(fā)出去。

⑦轉(zhuǎn)發(fā)后續(xù)分片。適配層收到后續(xù)分片，查找映射表，若查找成功，則根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)映射表將分片轉(zhuǎn)發(fā)至下一跳節(jié)點，更新countOfFrag；若查找失敗，則直接丟棄該分片。此外，若countOfFrag＝totalOfFrag，表示該數(shù)據(jù)報的分片全部接收。

⑧數(shù)據(jù)載荷重組。目的節(jié)點每收到一個數(shù)據(jù)報的分片，適配層都會將其放入重組緩存區(qū)，待所有的分片接收完畢，適配層對數(shù)據(jù)報進行重組恢復(fù)出完整的IPv6數(shù)據(jù)報文，然后將其送至網(wǎng)絡(luò)層。此外，目的節(jié)點的適配層收到第一個分片時，會啟動一個定時器Tfrag，如果定時器到期分片仍未到齊，節(jié)點會將先前接收到的所有分片丟棄，等待新數(shù)據(jù)報的到來。

轉(zhuǎn)發(fā)過程如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)發(fā)過程

2.3 重組過程

所提出算法中數(shù)據(jù)報重組只會在目的節(jié)點進行，中間節(jié)點不需要對數(shù)據(jù)報分片進行重組，IPv6數(shù)據(jù)報分片具體流程如下：

①獲取首部信息。提取分片首部信息（datagram_size，datagram_tag，datagram_offset）。

②重組初始化。首先判斷6lowpan_buf中是否有數(shù)據(jù)，即是否有數(shù)據(jù)報正在進行重組，若有數(shù)據(jù)報正在進行重組且新收到的分片或數(shù)據(jù)報與正在重組的分片不屬于同一個數(shù)據(jù)報文，則丟棄該分片，返回。若沒有數(shù)據(jù)報正在重組且收到的是分片，則進行重組初始化，設(shè)置重組標志reas_tag＝datagram_ tag，重組緩存長度6lowpan_len＝datagram_size，啟動重組定時器。

③首部解壓縮。與上述轉(zhuǎn)發(fā)過程的步驟相同。

④數(shù)據(jù)報載荷重組。將MAC層緩存中的數(shù)據(jù)載荷復(fù)制到6lowpan_buf中。對于非分片數(shù)據(jù)報，更新6lowpan_len，而對于分片數(shù)據(jù)報，則更新processed_ip_in_len，表示已經(jīng)重組的數(shù)據(jù)長度。

⑤判斷是否得到完整數(shù)據(jù)報。對于分片報文，若processed_ip_in_len＝6lowpan_len，則表示重組完成，得到了原始的IPv6報文。對于非分片報文，pro-cessed_ip_in_len＝0。將數(shù)據(jù)報從6lowpan_buf復(fù)制到uip_buf中，上傳至網(wǎng)絡(luò)層。將6lowpan_len和processed_ip_in_len重置為0。

重組過程如圖3所示。

圖3 重組過程

3 仿真結(jié)果分析

算法使用Cooja進行仿真驗證。Cooja是一款基于Contiki操作系統(tǒng)的仿真軟件，對底層硬件無任何依賴性，可借助Contiki操作系統(tǒng)獨立運行。Cooja的功能非常強大，幾乎能仿真所有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點如sky、telosb和maiz等。它可以模擬節(jié)點的行為和屬性，也可以組建網(wǎng)絡(luò)模擬網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和各項參數(shù)。本文所構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示，3個網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的數(shù)目分別為4、10和18，通過增加網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點數(shù)目來分析網(wǎng)絡(luò)的性能。仿真參數(shù)設(shè)計如表1所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

表1 仿真參數(shù)設(shè)計

3.1 端到端時延

如圖5、圖6和圖7所示，與現(xiàn)有Route-over算法比較，Enhanced Route-over在節(jié)點數(shù)量分別為4、10和18時，端到端時延分別減少了14.23%、20.89%和21.68%。

圖6 10節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的端到端時延

圖7 18節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的端到端時延

3.2 能量消耗

分析算法的能量消耗情況如圖8和圖9所示，選擇根節(jié)點附近的節(jié)點3和節(jié)點4進行分析。結(jié)果顯示，雖然本文算法復(fù)雜度有了一定的提高，但是與傳統(tǒng)的算法相比，節(jié)點能耗幾乎沒有變化。而隨著節(jié)點數(shù)目的增加，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量提高，節(jié)點的平均能耗也會增加。

圖8 節(jié)點3的能耗

圖9 節(jié)點4的能耗

4 硬件平臺驗證

WSN硬件開發(fā)套件基于目前應(yīng)用較廣泛的STM32為基礎(chǔ)，Atmel的射頻芯片AT86RF231作為6lowpan組網(wǎng)的基礎(chǔ)，采用開源的操作系統(tǒng)Contiki作為軟件平臺。在平臺硬件基礎(chǔ)上，利用MySniffer154 WiresharkServer＋wireshark，可以實時抓取空間數(shù)據(jù)包。

4.1 硬件測試平臺搭建

WSN開發(fā)平臺所搭建的RPL多跳網(wǎng)絡(luò)包含3個節(jié)點，其中節(jié)點1為發(fā)送端，用于生成及發(fā)送數(shù)據(jù)報分片；節(jié)點2為中轉(zhuǎn)節(jié)點，負責轉(zhuǎn)發(fā)所有來自節(jié)點1的數(shù)據(jù)報分片或者不用分片的數(shù)據(jù)報文；節(jié)點0為接收端，它的工作是重組接收到的數(shù)據(jù)報分片，并充當整個網(wǎng)絡(luò)的根節(jié)點；節(jié)點為Wireshark的抓包節(jié)點，用于捕獲節(jié)點0所收到的數(shù)據(jù)報文。系統(tǒng)中，節(jié)點1和節(jié)點2間的距離是1.5 m，而節(jié)點2及節(jié)點0的距離為5.67 m。節(jié)點的參數(shù)配置由表2所示。

表2 節(jié)點的參數(shù)列表

4.2 測試結(jié)果

節(jié)點0的適配層將接收到的分片報文重組完畢后傳遞給上層。Wireshark捕獲到的來自節(jié)點1的分片數(shù)據(jù)報如圖10所示，數(shù)據(jù)凈荷為80 bytes，數(shù)據(jù)報被分為2個分片，第1個分片長度為104 bytes，第2個分片長度為24 bytes。源目的地址分別為00：01：13：01：00：00：00：01（node1）及00：01：13：01：00：00：00：00（node0）。

圖10 來自節(jié)點1的分片數(shù)據(jù)報

以上是本文在硬件平臺上對所提出的RPL分片重組算法的驗證。由于條件限制，網(wǎng)絡(luò)只使用了3個節(jié)點，構(gòu)建了一個簡單的2跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中節(jié)點1和節(jié)點2同為發(fā)送節(jié)點，而節(jié)點0為接收節(jié)點。結(jié)果顯示，節(jié)點2能成功轉(zhuǎn)發(fā)由節(jié)點1到節(jié)點0的數(shù)據(jù)報，因此，所提出的旨在支持6LoWPAN多跳網(wǎng)絡(luò)分片重組的算法與理論與仿真都一致。

5 結(jié)束語

提出了一種Enhaced Route-over路由IPv6分片重組算法，解決了現(xiàn)有RPL分片重組過程中數(shù)據(jù)報逐跳重組分片再轉(zhuǎn)發(fā)的問題，從而降低端到端時延，提高存儲空間利用率，改善了IPv6數(shù)據(jù)報分片重組傳輸?shù)男阅堋４送猓€利用COOJA仿真及WSN硬件平臺對所提出的RPL分片重組算法進行測試驗證，證明了該算法適合應(yīng)用于實際場景中。雖然算法復(fù)雜度增加，但是其能量消耗并沒有明顯的變化。

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Fragment and Reassembly of Enhanced Route-over in 6LoWPAN

CHEN Jing-jing1，2，LI Xiao-ji1，ZHENG Lin1，2
（1．Guilin University of Electronic Technology，Guilin Guangxi 541004，China；2．Science and Technology on Information Transmission and Dissemination in Communication Networks Laboratory，Shijiazhuang Hebei 050081，China）

In order to solve the problem of hop-by-hop fragment and reassembly of Route-over in 6LoWPAN，an enhanced Route-over mechanism is put forward.By adding a mapping table and establishing a virtual frame during Route-over forwarding，the enhanced Route-over mechanism improves significantly reduces the end-to-end delay time.The algorithm is verified by using Cooja simulator and wireless sensor network hardware platform.The results show that when the number of nodes is 4，10 and 18，the data transmission delay of the proposed optimization algorithm is decreased by 14.23%，20.89%and 21.68%，and the node energy consumption is not increased. Besides，it is suitable for the actual scene.

6LoWPAN；Route-over；fragment；reassembly；delay

TP393

A

1003－3106（2015）10－0001－06

10.3969／j.issn.1003－3106.2015.10.01

陳晶晶，李曉記，鄭 霖.6LoWPAN的Enhanced Route-over的分片和重組機制［J］.無線電工程，2015，45（10）：1－6.

陳晶晶女，（1990—），碩士研究生。主要研究方向：信息與通信工程、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

2015-07-07

國家自然科學基金資助項目（61362006）；省部共建教育部重點實驗室認知無線電基金資助項目（2013ZR08）；中電五十四所通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)技術(shù)重點實驗室項目（KX132600010／ITD-U13003）；2014年度廣西高?？茖W技術(shù)研究項目（YB2014137）。

李曉記女，（1967—），博士，副教授。主要研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。