無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分析以及在6LoWPAN的應(yīng)用

周虹

摘 ?要：最近幾年，國(guó)家將“互聯(lián)網(wǎng)+”定為國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的一個(gè)重要項(xiàng)目，制定很多的扶持政策。在《2018年政府工作報(bào)告》《2016—2017年中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)年度報(bào)告》等重要文件中都提到了很多的科技熱點(diǎn)，其中就有很多應(yīng)用領(lǐng)域中提到“互聯(lián)網(wǎng)+”和網(wǎng)絡(luò)信息惠民等其他智慧城市領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。作為“互聯(lián)網(wǎng)+”重要的技術(shù)基礎(chǔ)，物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也必須滿(mǎn)足發(fā)展所需。在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)中，6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)作用十分顯著，可以解決無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中很多的問(wèn)題。6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)可以支持IPv6協(xié)議，而且可以解決IP地址空間小的缺陷，還能和現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互相聯(lián)通。

關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器 ?路由協(xié)議 ?6LoWPAN

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.5;TP212.9 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1672-3791（2019）05（c）-0013-03

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，現(xiàn)在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)能夠真正應(yīng)用于實(shí)踐中，而且已經(jīng)被使用在很多的領(lǐng)域，在軍事和環(huán)境監(jiān)測(cè)方面擔(dān)任著非常重要的角色，同時(shí)還在天文領(lǐng)域、預(yù)報(bào)洪水、監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)等諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用。

IPv6可以為無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)提供多方面的支持，而且該網(wǎng)絡(luò)也可以促進(jìn)IPv6的應(yīng)用，在未來(lái)的發(fā)展中它們會(huì)實(shí)現(xiàn)更多功能的互聯(lián)和融合。隨著通信的發(fā)展以及“互聯(lián)網(wǎng)+”等領(lǐng)域的發(fā)展，互聯(lián)也是二者必然發(fā)展的趨勢(shì)。

6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)是一種依據(jù)IPv6標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)，具有很多的優(yōu)點(diǎn)。首先是無(wú)線(xiàn)低功耗，其消耗能量少;其次就是可以自組織網(wǎng)絡(luò)，其對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)感知層、無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)非常的重要，能夠提供關(guān)鍵技術(shù)支持。

1 ?國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在2008年，“智慧地球”[1]由IBM第一次提出，其主要的含義就是對(duì)社會(huì)和物理世界的有效融合的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。緊接著，歐盟提出發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)的方案[2]。次年，我國(guó)在十一屆全國(guó)人大三次會(huì)議中也相繼提出加速對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的研究，并且在政策上給予相關(guān)的項(xiàng)目很大的支持力度[3]。在過(guò)去的2004年時(shí)，IEEE組建6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)工作組[4]，主要的任務(wù)就是引入以IEEE802.15.4作為底層標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)。主要的研究?jī)?nèi)容是為適配層、報(bào)頭壓縮、網(wǎng)絡(luò)接入、路由等其他的技術(shù)[5]。

6LoWPAN在發(fā)展的過(guò)程中獲得很多團(tuán)體的贊同，例如，在2008年IP智能物件聯(lián)盟的建立，該組織主要通過(guò)將IP協(xié)議當(dāng)成網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)傳輸標(biāo)準(zhǔn)。再如，在2009年國(guó)家自動(dòng)化學(xué)會(huì)中制定的新工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在這些組織中則將6LoWPAN視作網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，而且此標(biāo)準(zhǔn)也得到當(dāng)前國(guó)際組織的認(rèn)可，使之成為繼Zig Bee、WirelessHART、WIA-PA之后的又一個(gè)新的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)[6]。

學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界也關(guān)注到6LoWPAN技術(shù)的應(yīng)用，例如，在美國(guó)的加州大學(xué)伯克利分校、瑞典計(jì)算機(jī)科學(xué)院，還有思科Cisco等很多的企業(yè)，都相繼研制出對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品[7]。6LoWPAN技術(shù)在很多的開(kāi)源軟件中都得到廣泛應(yīng)用，其中最具代表的為Contiki、Tinyos，通過(guò)6LoWPAN均實(shí)現(xiàn)對(duì)其完整的協(xié)議棧。在測(cè)試和應(yīng)用方面也得到廣泛關(guān)注。

6LoWPAN協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)圖在圖1中進(jìn)行了展示。由上至下，各層分別為應(yīng)用、傳輸、網(wǎng)絡(luò)、6LoWPAN、MAC以及IEEE802.15.4。其中的應(yīng)用層主要是提供服務(wù)，滿(mǎn)足各種的需要，使用的是目前最為流行的Socket接口。利用Core/COAP協(xié)議，在傳輸層協(xié)議中有著輕量級(jí)的TCP和UDP這兩種協(xié)議，其中前者使用頻率較多。在網(wǎng)絡(luò)層采用的是IPv6協(xié)議。RPL路由協(xié)議主要用于路由的建立和維護(hù)。6LoWPAN適配層可以對(duì)IPv6的數(shù)據(jù)報(bào)采取壓縮、數(shù)據(jù)報(bào)分片以及重組，實(shí)現(xiàn)在IEEE802.15.4層上的有效傳輸。MAC包含CSMA/CA和低功耗MAC，它們的幀格式滿(mǎn)足IEEE802.15.4MAC的要求。

2 ?無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中幾種重要的路由協(xié)議分析

2.1 Flooding協(xié)議和Gossiping協(xié)議

Flooding協(xié)議是最傳統(tǒng)、最普遍使用的路由協(xié)議，用來(lái)傳接無(wú)線(xiàn)網(wǎng)。它的工作原理是將該點(diǎn)所檢測(cè)或轉(zhuǎn)送的信號(hào)傳送到其他的感應(yīng)點(diǎn)，其余感應(yīng)點(diǎn)都能夠鎖定信號(hào)發(fā)出的位置，如果信息不是傳遞給此節(jié)點(diǎn)，那么就轉(zhuǎn)送給其余感應(yīng)點(diǎn)。因此信息會(huì)在多個(gè)感應(yīng)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)送，最終將會(huì)被轉(zhuǎn)送到屬于自己的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，這個(gè)過(guò)程即可完成。Flooding協(xié)議雖然工作原理很簡(jiǎn)單，是一個(gè)使用較為廣泛的路由協(xié)議，不過(guò)它也有不足之處。因?yàn)樗男畔⑹且獋魃浣o每一個(gè)感應(yīng)點(diǎn)，這些感應(yīng)點(diǎn)都會(huì)將信息轉(zhuǎn)送。因此這個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)收到多個(gè)同一數(shù)據(jù)，這樣一收到就轉(zhuǎn)送，忽略該點(diǎn)所具有能力和作用。Gossiping協(xié)議就是對(duì)前一種協(xié)議做出的改善，一個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息會(huì)任意轉(zhuǎn)發(fā)給某個(gè)或某幾個(gè)點(diǎn)，這樣就不會(huì)有堵塞，但在效率上也有所延時(shí)。

2.2 SPIN協(xié)議

它是一種數(shù)據(jù)路由協(xié)議。為了給接收信息的節(jié)點(diǎn)一個(gè)轉(zhuǎn)送指導(dǎo)，會(huì)先轉(zhuǎn)送有ADV的報(bào)文。一個(gè)節(jié)點(diǎn)為另一個(gè)轉(zhuǎn)送的信號(hào)中就有ADV報(bào)文。如果信息是另一個(gè)節(jié)點(diǎn)收取，它就會(huì)向節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)送回帶有REQ信息的報(bào)文。節(jié)點(diǎn)接收到之后，就會(huì)把完整的數(shù)據(jù)發(fā)送給另一個(gè)節(jié)點(diǎn)。這一協(xié)議具有通過(guò)ADV報(bào)文，防止信息堵塞，還可為接收信息的節(jié)點(diǎn)利用自身功能選擇是否進(jìn)行通告的優(yōu)點(diǎn)。SPIN協(xié)議相比于前兩種來(lái)說(shuō)節(jié)約節(jié)點(diǎn)能量。但是如果接受信息的點(diǎn)是較遠(yuǎn)的點(diǎn)，相近的點(diǎn)不轉(zhuǎn)發(fā)它就不能實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的接收功能。當(dāng)Sink（匯聚）節(jié)點(diǎn)很少的情形下，問(wèn)題就會(huì)更明顯。并且因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)多亂復(fù)雜，若大量ADV報(bào)文被轉(zhuǎn)發(fā)，占用的空間會(huì)更大。

2.3 Directed Diffusion協(xié)議

這一協(xié)議是數(shù)據(jù)型的、用查詢(xún)來(lái)驅(qū)動(dòng)的路由。Sink節(jié)點(diǎn)會(huì)向附近的廣播詢(xún)問(wèn)新信息所帶的屬性列表、發(fā)送時(shí)間差、位置等請(qǐng)求Interest。每一個(gè)接收點(diǎn)都會(huì)接受最適合自己的Interest報(bào)文，并對(duì)報(bào)文進(jìn)行整理融合。還能根據(jù)報(bào)文對(duì)它的梯度值進(jìn)行計(jì)算，比如說(shuō)關(guān)于數(shù)據(jù)的性質(zhì)、下一跳等。如此一來(lái)通往Sink節(jié)點(diǎn)的路就不止一條。此節(jié)點(diǎn)還能夠調(diào)整信息的上報(bào)率。協(xié)議的路由有多條路，所以傳播系統(tǒng)發(fā)達(dá);節(jié)點(diǎn)能夠綜合的處理數(shù)據(jù)，所以大幅度地減少了網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)。因此這種查詢(xún)驅(qū)動(dòng)式的路由不會(huì)存儲(chǔ)過(guò)多信息，也減輕開(kāi)支。