基于IEEE 802.15.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的IPv6協(xié)議棧

隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，Internet對人們生活方式的影響越來越巨大，并將繼續(xù)在未來得各領(lǐng)域持續(xù)發(fā)揮其影響力，集成了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，嵌入式技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）及傳感器技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將Internet為從虛擬世界延伸到物理世界，從而將邏輯上的信息世界與真實物理世界融合在一起，改變了人與自然交互的方式，滿足了人們對“無處不在”的網(wǎng)絡(luò)的需求。2000年12月IEEE成立了IEEE 802.15.4 工作組，致力于定義一種供廉價、固定、便捷或移動設(shè)備使用的，復(fù)雜度、成本和功耗極低的低速率無線連接技術(shù)，產(chǎn)品的方便靈活，易于連接、實用可靠及可繼承延續(xù)是市場的驅(qū)動力，一般認(rèn)為短距離的無線低功耗通信技術(shù)最適合傳感器網(wǎng)絡(luò)使用，傳感器網(wǎng)絡(luò)是IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的主要市場對象。

一方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有“無處不在”和節(jié)點數(shù)量龐大等特點，部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要數(shù)量巨大的IP地址資源，另一方面，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域往往對安全性要求較高，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織的先天性缺乏應(yīng)有的安全機(jī)制，IPv6作為下一代網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，具有地址資源豐富、地址自動配置、安全性高、移動性好等

本文在分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和IPv6 over IEEE 802.15.4的技術(shù)特點之后，重點提出了一種能夠適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，且底層采用IEEE 802.15.4的嵌入式IPv6協(xié)議棧設(shè)計方案，最后，還總結(jié)了基于IPv6 over IEEE 802.15.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧設(shè)計的核心原則。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和IPv6 over IEEE 802.15.4的技術(shù)節(jié)點

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡介

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量低功耗、低速率、低成本、高密度的微型節(jié)點組成，節(jié)點通過自我組織、自我愈合的方式組成網(wǎng)絡(luò)，圖1給出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作原理，圖中分散的無線傳感器節(jié)點通過自組織方式形成傳感器網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點負(fù)責(zé)采集周圍的相關(guān)信息，并采用多跳方式將這些信息通過Internet或其他網(wǎng)絡(luò)傳遞到遠(yuǎn)端的監(jiān)控設(shè)備。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由許多個功能相同或不同的無線傳感器節(jié)點組成。每個傳感器節(jié)點由數(shù)據(jù)采集模塊（傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器）、數(shù)據(jù)處理和控制模塊（微處理器、存儲器）、通信模塊（無線收發(fā)器）以及供電模塊（電池、DC/DC能量轉(zhuǎn)換器）等組成。節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中可以充當(dāng)數(shù)據(jù)采集者、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站或者簇頭節(jié)點（cluster-head node）的角色。作為數(shù)據(jù)采集者，數(shù)據(jù)采集模塊收集周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)（如溫度和濕度），通過通信路由協(xié)議直接或間接將數(shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)方基站（base station）或匯節(jié)點（sink node）；作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，節(jié)點除了完成采集任務(wù)外，還要接收鄰居節(jié)點的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)發(fā)給距離基站更近的鄰居節(jié)點或者直接轉(zhuǎn)發(fā)到基站或匯節(jié)點；作為簇頭節(jié)點，節(jié)點負(fù)責(zé)收集該類內(nèi)所有節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)融合后，發(fā)送到基站或匯節(jié)點。與傳統(tǒng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有一些明顯的特征：1）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點密度高，傳感器節(jié)點數(shù)量眾多，單位面積所擁有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，2）傳感器節(jié)點由電池供電，節(jié)點能量有限；3）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁；4）網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備容錯能力，正是由于以上特點，IPv6已無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合對IPv6提出了一些新的要求，如IPv6地址自動分配機(jī)制和IPv6包頭壓縮機(jī)制，另外，還有一些管理問題、與無線數(shù)據(jù)鏈路層接口問題等，因此，設(shè)計IPv6微型協(xié)議棧時，除了要實現(xiàn)功能完整，高效實用。占用的存儲資源少以外，如上所述的一些新要求也應(yīng)考慮進(jìn)來。

1.2 IPv6 over IEEE 802.15.4的技術(shù)特點

IEEE 802.15.4是2004年提出的無線標(biāo)準(zhǔn)的安全網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要定義物理層和MAC層的協(xié)議，其余協(xié)議主要參照和采用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，主要應(yīng)用場合是讀表自動化、自動化控制和傳感器網(wǎng)絡(luò)，IEEE 802.15.4針對的就是低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率的短距離網(wǎng)絡(luò)，目標(biāo)是將普通小型電池的使用壽命延長到幾年，當(dāng)芯片批量生產(chǎn)時，每個802.15.4設(shè)備的銷售價格最終不到3美元，將很好地滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求，IEEE 802.15.4定義了兩個物理層標(biāo)準(zhǔn)，即2.4GHz物理層和868/915MHz物理層。這兩個物理層都基于直接序列擴(kuò)頻DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum），使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式；區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術(shù)、擴(kuò)頻碼片長度和傳輸速率。2.4GHz波段為全球統(tǒng)一、無須申請的ISM頻段，有助于15.4設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。2.4GHz的物理層通過采用高階調(diào)制技術(shù)能夠提供250kb/s的傳輸速率，有助于獲得更高的吞吐量、更短的通信時延和工作周期，從而更加省電。868MHz是歐洲的ISM頻段，915MHz是美國的ISM頻段，這兩個頻段的引入避免了2.4GHz附近各種無線通信設(shè)備的相互干擾，868MHz的傳輸速率為20kb/s，915MHz和40kb/s。由于這兩個頻段上無線信號傳播損耗較低，因此可以降低對接收機(jī)靈敏度的要

2 嵌入式IPv6協(xié)議棧的設(shè)計

2.1 嵌入式IPv6協(xié)議棧的設(shè)計思想

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點一般都是嵌入式設(shè)備，所以嵌入式IPv6協(xié)議棧的設(shè)計主要應(yīng)突出“微型化”的思想，TCP/IP協(xié)議最先在Uuix系統(tǒng)里實現(xiàn)的，由于嵌入式系統(tǒng)與PC機(jī)的差別很大，在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議與在操作系統(tǒng)中的實現(xiàn)有很大不同，所以這是設(shè)計的核心環(huán)節(jié)。嵌入式系統(tǒng)的IPv6微型協(xié)議棧，直接面對硬件，沒有一個多任操作系統(tǒng)平臺，MCU中的程序結(jié)構(gòu)一般是順序執(zhí)行和硬件中斷相匹配的方式，與高級操作系統(tǒng)中多線程并發(fā)執(zhí)行的方式截然不同，因為單片機(jī)上系統(tǒng)的各種資源是有限的，例如CPU的處理速度、字長、RAM、ROM存儲器的容量以及接口的數(shù)量等與通用計算機(jī)相比有很大差距，所以如何使協(xié)議棧做到精細(xì)、通信可靠、功能相對完善，而且又能發(fā)揮單片機(jī)的特點成為IPv6微型協(xié)議棧設(shè)計的關(guān)鍵問題?！拔⑿突彼枷胫饕w現(xiàn)在設(shè)計方案核心應(yīng)著眼于設(shè)計體積小，但又不影響運行的協(xié)議棧，所以要對協(xié)議棧的剪切方面進(jìn)行深入研究，去掉不必要的組件，傳統(tǒng)的復(fù)雜調(diào)度機(jī)制和額外的擴(kuò)展功能，甚至可去除操作系統(tǒng)等。

綜合研究以上多方面因素，提出了能夠適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的嵌入式IPv6微型協(xié)議棧的設(shè)計要求。

1）協(xié)議棧運行于單片機(jī)系統(tǒng)上，具有較強(qiáng)的兼容性，可以在以太網(wǎng)上正確運行，同時在此基礎(chǔ)上可以借助IEEE 802.15.4 MAC的無線數(shù)據(jù)傳輸功能來傳送數(shù)據(jù)包。

2）實現(xiàn)IPv6基本協(xié)議棧核心協(xié)議的最基本功能，包括IPv6基本描述協(xié)議，ND（鄰居發(fā)現(xiàn)）協(xié)議、ICMPv6（因特網(wǎng)控制報文）協(xié)議和IPv6地址的自動配置協(xié)議等。

◆ IPv6基本描述協(xié)議；IPv6數(shù)據(jù)包的發(fā)送、接收、處理等基本功能。

◆ ND（鄰居發(fā)現(xiàn)）協(xié)議：鄰居發(fā)現(xiàn)的地址解析功能，實現(xiàn)鄰居請求和鄰居通告。

◆ ICMPv6（因特網(wǎng)控制報文）協(xié)議：主要實現(xiàn)控制報文的消息處理，以及對網(wǎng)絡(luò)診斷功能的回應(yīng)請求和回應(yīng)答復(fù)。

◆ IPv6地址自動配置協(xié)議：根據(jù)IPv6地址格式的要求，主要實現(xiàn)IPv6鏈路本地地址的配置和請求節(jié)點多播地址的配置。

3）利用對校驗和字段的計算與處理來提高ICMPv6，TCP等協(xié)議運行的正確性。

4）實現(xiàn)簡單的應(yīng)用層協(xié)議（如TELNET/SNMP協(xié)議），利用遠(yuǎn)程終端可以登陸到運行嵌入式IPv6協(xié)議棧的單片機(jī)系統(tǒng)，以及進(jìn)行簡單的控制和管理操作。

2.2 嵌入式IPv6協(xié)議棧的分層與模塊化設(shè)計

嵌入式IPv6協(xié)議棧采用分層結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，將整個協(xié)議棧（包括TCP及上層應(yīng)用）分為4個層次，事件觸發(fā)接口層、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層、NIC網(wǎng)絡(luò)接口核心層和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動接口層。

圖3是對整個協(xié)議棧的分層描述，在協(xié)議棧的工作過程中使用上層調(diào)用相鄰層的函數(shù)來實現(xiàn)相應(yīng)的功能。

　　 各層的功能簡述如下：

1）事件觸發(fā)接口層。該層對應(yīng)于TCP/IP模型的應(yīng)用層協(xié)議（OSI模型的高層協(xié)議），主要功能是定義網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的格式以及網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。

2）TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層。該層對應(yīng)于TCP/IP模型的傳輸層協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議（OSI模型的3.4兩層），主要功能是定義數(shù)據(jù)如何傳輸?shù)侥康牡氐?，使用TCP協(xié)議在兩臺主機(jī)之間建立端到端的連接，保證可靠的傳輸，IP協(xié)議進(jìn)行路由選擇和基于IP的尋址。

3）NIC網(wǎng)絡(luò)接口核心層。該層是整個網(wǎng)絡(luò)接口的關(guān)鍵部位，其上層是具體的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，下層是驅(qū)動程序，它為上層提供統(tǒng)一的發(fā)送接口，屏蔽各式各樣的物理介質(zhì)，同時負(fù)責(zé)把來自下層的包向合適的協(xié)議發(fā)送。

4）網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動接口層，該層是分層結(jié)構(gòu)的最底層，其主要功能是控制具體物理介質(zhì)，從物理介質(zhì)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，并對物理介質(zhì)進(jìn)行諸如最大數(shù)據(jù)包之類的各種設(shè)置。

結(jié)合對嵌入式IPv6協(xié)議棧設(shè)計要求和分層結(jié)構(gòu)的全面分析，將設(shè)計實現(xiàn)劃分為4個模塊，如圖4所示。

各模塊的功能簡述如下：

1）網(wǎng)絡(luò)接口核心模塊，該模塊為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提供統(tǒng)一的發(fā)送接口，屏蔽各式各樣的物理介質(zhì)，同時負(fù)責(zé)把來自下層的包向合適的協(xié)議配送。

2）事件接口模塊，

3）SNMP網(wǎng)管模塊。該模塊負(fù)責(zé)獲取IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的相關(guān)MIB信息。

4）配置顯示調(diào)試命令模塊，該模塊用于提供用戶配置和調(diào)試的界面。包括配置IP地址、子網(wǎng)掩碼、默認(rèn)網(wǎng)關(guān)和MAC地址等，在程序正常運行前，由超級終端進(jìn)入配置模式，由用戶進(jìn)行配置管理。

本文在分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和IPv6 over IEEE 802.15.4的技術(shù)特點之后，重點提出了一種能夠適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，且底層采用IEEE 802.15.4的嵌入式IPv6協(xié)議棧設(shè)計方案，最后，還總結(jié)了基于IPv6 over IEEE 802.15.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧設(shè)計的核心原則。

基于IPv6 over IEEE 802.15.4的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一門新興的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，人們對它的研究尚處于起步階段，本文針對基于IPv6 over IEEE 802.15.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身特點，對其關(guān)鍵技術(shù)嵌入式IPv6協(xié)議棧進(jìn)行了分析，筆者認(rèn)為，現(xiàn)有的IPv6協(xié)議棧雖然在功能、性能等方面具有很大優(yōu)勢，但由于代碼體積較大（幾MB-幾百MB），而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的存儲資源只有不到200MB，因而無法運行在計算能力和存儲資源受限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中。所以在設(shè)計適合傳感器節(jié)點的嵌入式IPv6協(xié)議棧時，應(yīng)充分分析和研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對IPv6提出的新要求，考慮在性能和資源之間尋找一個折中的方案。充分運用協(xié)議工程學(xué)理論和軟件工程的方法，設(shè)計一種合理、高效的嵌入式IPv6微型協(xié)議棧，這對推動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和IPv6的發(fā)展，以及改變?nèi)藗兊纳詈凸ぷ鞣绞?，具有十分重要的意義。