基于6LOWPAN的IPv6傳感器網(wǎng)絡(luò)報(bào)頭壓縮方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的資源非常有限，如果能夠?qū)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/IPv6">IPv6報(bào)頭進(jìn)行壓縮可以在較大程度上減小數(shù)據(jù)傳輸量，提高IPv6傳感器網(wǎng)絡(luò)的整體性能。通過(guò)對(duì)6LoWPAN報(bào)頭壓縮方案的研究，并結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和實(shí)際需求，在已有無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)底層協(xié)議和基本IPv6協(xié)議棧基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種支持對(duì)跳教限制壓縮的IPv6報(bào)頭壓縮方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，報(bào)頭壓縮可以有效節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能耗，降低丟包率，減小數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。
關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；IPv6；報(bào)頭壓縮；6LoWPAN

0 引言
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量按需隨機(jī)分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的微型節(jié)點(diǎn)以自組織方式構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)具有成本低、能耗代、靈活性高等優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用于國(guó)防軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、反恐抗災(zāi)等領(lǐng)域，具有重要的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的資源非常有限，因此需要一個(gè)輕量級(jí)的無(wú)線通信規(guī)范。IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)定義了一個(gè)短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率的介質(zhì)訪問(wèn)控制層(MAC)和物理層(PHY)規(guī)范，該標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)特點(diǎn)決定了它特別適合傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能家庭網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)等節(jié)點(diǎn)眾多、數(shù)據(jù)率較低的應(yīng)用環(huán)境。IPv6作為下一代網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，具有地址資源豐富、地址自動(dòng)配置、安全性高、移動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在地址、安全、移動(dòng)及與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)融合等方面的需求。因此，IPv6與IEEE 802．15．4在傳感器網(wǎng)絡(luò)上的結(jié)合有著無(wú)可比擬的應(yīng)用前景。
2004年11月IETF成立了6LoWPAN(IPv6 overLow power WPAN)工作組，研究IPv6在IEEE 802．15．4網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用方案。6LoWPAN工作小組對(duì)適配層技術(shù)、報(bào)頭壓縮技術(shù)、路由技術(shù)、IPv6技術(shù)等提出了相應(yīng)的解決辦法。IPv6要求支持1 280 B的MTU，而IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的物理層最大幀為127 B，除去物理層25 B的幀負(fù)載，在無(wú)安全機(jī)制的情況下MAC層最大幀長(zhǎng)度為102 B，因此需要在網(wǎng)絡(luò)層之下引入適配層來(lái)協(xié)調(diào)二者的關(guān)系。由于IPv6標(biāo)準(zhǔn)報(bào)頭是40 B，為了在IEEE 802．15．4上更加有效的傳輸IPv6數(shù)據(jù)包，提高凈荷的傳輸效率，報(bào)頭壓縮是一個(gè)很好的解決辦法。
本文以北京交通大學(xué)下一代互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)設(shè)備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室自主開(kāi)發(fā)和研制的微型傳感路由器所構(gòu)建的IPv6無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種更為高效的IPv6報(bào)頭壓縮方法，并對(duì)壓縮性能進(jìn)行了分析。

1 平臺(tái)簡(jiǎn)介
本文基于IPv6無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及協(xié)議層次如圖1所示。IPv6無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備可以自組織形成多跳Mesh網(wǎng)絡(luò)，將采集到的溫度、濕度、光強(qiáng)等環(huán)境信息發(fā)送給網(wǎng)關(guān)設(shè)備。網(wǎng)關(guān)設(shè)備通過(guò)以太網(wǎng)直連的方式與服務(wù)器進(jìn)行通信，并把收到的來(lái)自傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)提交給服務(wù)器，服務(wù)器端完成對(duì)整個(gè)IPv6傳感器網(wǎng)絡(luò)的控制和環(huán)境信息的人性化顯示。

傳感器節(jié)點(diǎn)采用ATmega128作為處理器、使用CC2420作為射頻芯片，能量供應(yīng)模塊可以使用9 V直流穩(wěn)壓電源或使用9 V干電池直接供電，同時(shí)配備溫濕度傳感器和光強(qiáng)傳感器對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行采集。節(jié)點(diǎn)通信協(xié)議分為5層，物理層采用IEEE 802．15．4通信規(guī)范，使用OQPSK方式進(jìn)行調(diào)制，發(fā)送頻段使用2．4 GHz，傳輸速率可達(dá)250 Kb／s。適配層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的分片和重組、報(bào)頭壓縮以及Mesh路由等功能。網(wǎng)絡(luò)層運(yùn)行精簡(jiǎn)的微型IPv6協(xié)議棧，該協(xié)議棧代碼量小、簡(jiǎn)易輕型并且可以與使用完整的IPv6協(xié)議棧的對(duì)等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。應(yīng)用層主要運(yùn)行傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用級(jí)程序，比如數(shù)據(jù)采集、環(huán)境監(jiān)控等。節(jié)點(diǎn)的層次協(xié)議設(shè)計(jì)完全遵守RFC4919和RFC4944中定義的規(guī)范。

2 IPv6報(bào)頭壓縮
2．1 現(xiàn)有方案分析
到目前為止，6LoWPAN報(bào)頭壓縮方案主要有兩種。其中一種是RFC4944中定義的方案。該方案在最理想的情況下可以將IPv6完整的40 B壓縮到2 B(HC1字節(jié)和跳數(shù)限制字節(jié))，同時(shí)支持UDP，TCP，ICMP下一個(gè)報(bào)頭的壓縮，HC1字節(jié)編碼IPv6報(bào)頭中各字段的壓縮方式，IPv6報(bào)頭中未經(jīng)壓縮的內(nèi)容按順序存放在未壓縮字段中。

如圖2所示，版本、傳輸類型和流標(biāo)簽(全部為零)、凈荷長(zhǎng)度(可以從IEEE 802．15．4 MAC頭中凈荷長(zhǎng)度字段推斷出來(lái))均可以壓縮掉，下一個(gè)報(bào)頭字段攜帶在HC1字節(jié)中，跳數(shù)限制字段不壓縮，存放在未壓縮字段中。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定IPv6地址采用無(wú)狀態(tài)的配置式，地址由64位前綴和64位接口標(biāo)識(shí)符(Interface ID，IID)生成。IEEE 802．15．4定義了兩種尋址模式：IEEE 64位擴(kuò)展地址和16位短地址。每一個(gè)IEEE802． 15．4設(shè)備都有一個(gè)分配的EUI-64標(biāo)識(shí)符，該標(biāo)識(shí)符用作64位擴(kuò)展地址進(jìn)行尋址，具有全球惟一性，并且通過(guò)該EUI-64標(biāo)識(shí)符可以生成一個(gè)IPv6接口標(biāo)識(shí)符，實(shí)現(xiàn)IPv6地址的自動(dòng)配置。16位短地址是在節(jié)點(diǎn)成功加入網(wǎng)絡(luò)后，由節(jié)點(diǎn)所在PAN內(nèi)的協(xié)調(diào)者動(dòng)態(tài)分配，只能保證在該P(yáng)AN內(nèi)的惟一性，不能用作實(shí)現(xiàn)IPv6地址的自動(dòng)配置。因此如果IPv6地址為本地鏈路地址(前綴為fe80：：／64)，并且IEEE 802．15．4尋址模式為64位擴(kuò)展地址，就可以將IPv6地址壓縮掉，否則就要將其在未壓縮字段中攜帶。
圖3為HC1字節(jié)具體編碼格式。

另一種是現(xiàn)有報(bào)頭壓縮草案中定義的方案。該方案提出了對(duì)本地鏈路地址、全球單播地址、多播地址等IPv6地址的壓縮方法，同時(shí)解決了源壓縮方案不具有協(xié)議層次性的弊端。而且該壓縮方案支持IPv6擴(kuò)展報(bào)頭的壓縮和流標(biāo)簽、服務(wù)類型的區(qū)分。但是這種壓縮方案過(guò)于復(fù)雜，對(duì)于處理能力有限、能量受限、硬件資源匱乏并且以環(huán)境監(jiān)測(cè)為主要應(yīng)用的傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)并不實(shí)用。因此本文提出一種基于RFC4944的IPv6報(bào)頭壓縮改進(jìn)方案。