基于6LOWPAN的IPv6傳感器網(wǎng)絡報頭壓縮方案的設計與實現(xiàn)

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的資源非常有限，如果能夠對IPv6報頭進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)絡的整體性能。通過對6LoWPAN報頭壓縮方案的研究，并結合無線傳感器網(wǎng)絡的特點和實際需求，在已有無線傳感器網(wǎng)絡底層協(xié)議和基本IPv6協(xié)議?；A上，設計并實現(xiàn)了一種支持對跳教限制壓縮的IPv6報頭壓縮方法。實驗結果表明，報頭壓縮可以有效節(jié)省網(wǎng)絡能耗，降低丟包率，減小數(shù)據(jù)傳輸時延。
關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；IPv6；報頭壓縮；6LoWPAN

0 引言
無線傳感器網(wǎng)絡是由大量按需隨機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)點以自組織方式構成的無線網(wǎng)絡。傳感器網(wǎng)絡具有成本低、能耗代、靈活性高等優(yōu)點，可以應用于國防軍事、環(huán)境監(jiān)測、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、反恐抗災等領域，具有重要的研究價值和應用前景。無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的資源非常有限，因此需要一個輕量級的無線通信規(guī)范。IEEE 802．15．4標準定義了一個短距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率的介質訪問控制層(MAC)和物理層(PHY)規(guī)范，該標準的技術特點決定了它特別適合傳感器網(wǎng)絡、智能家庭網(wǎng)絡、工業(yè)控制網(wǎng)絡等節(jié)點眾多、數(shù)據(jù)率較低的應用環(huán)境。IPv6作為下一代網(wǎng)絡協(xié)議，具有地址資源豐富、地址自動配置、安全性高、移動性好等優(yōu)點，可以滿足無線傳感器網(wǎng)絡在地址、安全、移動及與現(xiàn)有網(wǎng)絡融合等方面的需求。因此，IPv6與IEEE 802．15．4在傳感器網(wǎng)絡上的結合有著無可比擬的應用前景。
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)絡上的應用方案。6LoWPAN工作小組對適配層技術、報頭壓縮技術、路由技術、IPv6技術等提出了相應的解決辦法。IPv6要求支持1 280 B的MTU，而IEEE802．15．4標準規(guī)定的物理層最大幀為127 B，除去物理層25 B的幀負載，在無安全機制的情況下MAC層最大幀長度為102 B，因此需要在網(wǎng)絡層之下引入適配層來協(xié)調二者的關系。由于IPv6標準報頭是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，報頭壓縮是一個很好的解決辦法。
本文以北京交通大學下一代互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)設備國家工程實驗室自主開發(fā)和研制的微型傳感路由器所構建的IPv6無線傳感器網(wǎng)絡為基礎，設計并實現(xiàn)了一種更為高效的IPv6報頭壓縮方法，并對壓縮性能進行了分析。

1 平臺簡介
本文基于IPv6無線傳感器網(wǎng)絡平臺的拓撲結構及協(xié)議層次如圖1所示。IPv6無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設備可以自組織形成多跳Mesh網(wǎng)絡，將采集到的溫度、濕度、光強等環(huán)境信息發(fā)送給網(wǎng)關設備。網(wǎng)關設備通過以太網(wǎng)直連的方式與服務器進行通信，并把收到的來自傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)提交給服務器，服務器端完成對整個IPv6傳感器網(wǎng)絡的控制和環(huán)境信息的人性化顯示。

傳感器節(jié)點采用ATmega128作為處理器、使用CC2420作為射頻芯片，能量供應模塊可以使用9 V直流穩(wěn)壓電源或使用9 V干電池直接供電，同時配備溫濕度傳感器和光強傳感器對環(huán)境信息進行采集。節(jié)點通信協(xié)議分為5層，物理層采用IEEE 802．15．4通信規(guī)范，使用OQPSK方式進行調制，發(fā)送頻段使用2．4 GHz，傳輸速率可達250 Kb／s。適配層實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的分片和重組、報頭壓縮以及Mesh路由等功能。網(wǎng)絡層運行精簡的微型IPv6協(xié)議棧，該協(xié)議棧代碼量小、簡易輕型并且可以與使用完整的IPv6協(xié)議棧的對等節(jié)點進行通信。應用層主要運行傳感器網(wǎng)絡應用級程序，比如數(shù)據(jù)采集、環(huán)境監(jiān)控等。節(jié)點的層次協(xié)議設計完全遵守RFC4919和RFC4944中定義的規(guī)范。

2 IPv6報頭壓縮
2．1 現(xiàn)有方案分析
到目前為止，6LoWPAN報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))，同時支持UDP，TCP，ICMP下一個報頭的壓縮，HC1字節(jié)編碼IPv6報頭中各字段的壓縮方式，IPv6報頭中未經(jīng)壓縮的內容按順序存放在未壓縮字段中。

如圖2所示，版本、傳輸類型和流標簽(全部為零)、凈荷長度(可以從IEEE 802．15．4 MAC頭中凈荷長度字段推斷出來)均可以壓縮掉，下一個報頭字段攜帶在HC1字節(jié)中，跳數(shù)限制字段不壓縮，存放在未壓縮字段中。標準中規(guī)定IPv6地址采用無狀態(tài)的配置式，地址由64位前綴和64位接口標識符(Interface ID，IID)生成。IEEE 802．15．4定義了兩種尋址模式：IEEE 64位擴展地址和16位短地址。每一個IEEE802． 15．4設備都有一個分配的EUI-64標識符，該標識符用作64位擴展地址進行尋址，具有全球惟一性，并且通過該EUI-64標識符可以生成一個IPv6接口標識符，實現(xiàn)IPv6地址的自動配置。16位短地址是在節(jié)點成功加入網(wǎng)絡后，由節(jié)點所在PAN內的協(xié)調者動態(tài)分配，只能保證在該PAN內的惟一性，不能用作實現(xiàn)IPv6地址的自動配置。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)有報頭壓縮草案中定義的方案。該方案提出了對本地鏈路地址、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擴展報頭的壓縮和流標簽、服務類型的區(qū)分。但是這種壓縮方案過于復雜，對于處理能力有限、能量受限、硬件資源匱乏并且以環(huán)境監(jiān)測為主要應用的傳感器節(jié)點來說并不實用。因此本文提出一種基于RFC4944的IPv6報頭壓縮改進方案。