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基于IEEE802.15.4无线传感器网络的IPv6协议栈

作者:dolphin时间:2011-05-11

随着互联网的普及,Internet对人们生活方式的影响越来越巨大,并将继续在未来的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IEEE802.15.4工作组,致力于定义一种供廉价、固定、便携或移动设备使用的,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率通信技术最适合传感器网络使用,传感器网络是IEEE802.15.4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技术在底层采取IEEE 802.15.4,MAC层以上采取IPv6协议栈,致力于如何将IPv6与IEEE802.15.4展开,实现IPv6数据包在IEEE 802.15.4上的传输,研究基于IPv6 over IEEE802.15.4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 IEEE802.15.4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IEEE802.15.4的嵌入式IPv6协议栈设计方案。最后,还总结了基于IPv6 over IEEE802.15.4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的技术特点
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。

图1 无线传感器网络工作原理
 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与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。IEEE802.15.4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。IEEE802.15.4定义了两个物理层标准,即2.4 GHz物理层和868/915 MHz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。2.4 GHz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。2.4 GHz的物理层通过采用高阶调制技术能够提供250 kb/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。868 MHz是欧洲的ISM频段,915 MHz是美国的ISM频段,这两个频段的引入避免了2.4 GHz附近各种无线通信设备的相互干扰。868 MHz的传输速率为20 kb/s,915 MHz是40 kb/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,并且其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。



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