一種基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)邊界路由器設(shè)計(jì)

2.2.3 適配層報(bào)頭壓縮機(jī)制

標(biāo)準(zhǔn)IPv6 網(wǎng)絡(luò)層報(bào)文和UDP 報(bào)文的報(bào)頭分別有40 B 和8 B，由此帶來的數(shù)據(jù)傳輸報(bào)頭開銷極大，因此本文適配層對IP報(bào)文和UDP報(bào)文的包頭格式進(jìn)行了壓縮處理。由于TCP報(bào)文并不適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)這種多跳、數(shù)據(jù)傳輸延遲較大的網(wǎng)絡(luò)[11]，故本文暫不考慮TCP報(bào)文。根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的上下文信息，IPv6版本號和負(fù)載長度可以省略，通信流類型、流標(biāo)簽、下一包頭、跳數(shù)限制以及源地址和目的地址設(shè)置壓縮控制域進(jìn)行部分壓縮。IPv6 網(wǎng)絡(luò)層報(bào)文頭部壓縮格式如圖7所示。

011xxxxx為調(diào)度編碼位域，其中最右端5位用于報(bào)頭壓縮編碼。各編碼字段定義如下：

TF:2 b，通信流類型和流標(biāo)簽。其中通信流類型由查分服務(wù)代碼點(diǎn)DSCP 和顯示擁塞反饋ECN，當(dāng)TF=11時(shí)，通信流類型和流標(biāo)簽全都省略;當(dāng)TF=00時(shí)，通信流類型和流標(biāo)簽都不壓縮;當(dāng)TF=01 時(shí)，DSCP 省略;當(dāng)TF=10時(shí)，流標(biāo)簽省略。

NH:1 b，下一包頭。NH=0，表示下一包頭未壓縮;NH=1時(shí)，下一包頭已壓縮。

HLIM:2 b，跳數(shù)限制。當(dāng)HLIM 等于00、01、10 和11時(shí)，分別表示未壓縮、1跳、64跳和255跳。

M:1 b，指示目的地址類型。當(dāng)M=0 時(shí)，目的地址不是多播地址;當(dāng)M=1時(shí)，目的地址為多播地址。

SAC:1 b，表示源地址的壓縮方式，當(dāng)它為0時(shí)表示使用的是無狀態(tài)頭部壓縮;為1時(shí)表示使用的是基于上下文的頭部壓縮。

SAM 用來控制不同壓縮方式下源地址壓縮方式。

DAC與DAM 的控制目的地址的壓縮方式，具體含義與SAC和SAM相似。

傳輸層UDP 報(bào)文緊跟在IPv6 網(wǎng)絡(luò)層包頭后面，UDP 包頭壓縮比較簡單，是否壓縮由前述NH 字段指定。標(biāo)準(zhǔn)UDP報(bào)文頭部中的長度域省略，源端口號、目的端口號以及校驗(yàn)和域的壓縮方式由P和C字段表示，校驗(yàn)和域暫不壓縮。UDP報(bào)文頭部具體壓縮格式如圖8所示。

眾所周知，TCP/IP 端口號為16 位，通常以0xf0 和0xf0b開始，其壓縮方式由P字段指定，具體如下：

00：不壓縮;01：目的端口號前8位(0xf0)省略，其他部分和源端口號保留;10：源端口號前8位(0xf0)省略，其他部分和目的端口保留;11：目的端口和源端口的前12位(oxf0b)省略，其他部分保留。

2.3 IP網(wǎng)絡(luò)層與傳輸層設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP 協(xié)議占用資源較多，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)屬于資源受限網(wǎng)絡(luò)，因此邊界路由器的設(shè)計(jì)要特別注意協(xié)議棧資源占用。uip IPv6(uIPv6)協(xié)議棧專為資源受限的設(shè)備設(shè)計(jì)，RAM的占用量只有1.7 KB，代碼量只有[12]11.5 KB，因此選擇移植uip IPv6 協(xié)議棧作為基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的IP層和傳輸層。

uip IPv6 協(xié)議棧的IP 網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層使用同一個(gè)數(shù)據(jù)緩存區(qū)，因此可以將IP 網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層統(tǒng)一處理。本設(shè)計(jì)中各功能模塊由輕量級操作系統(tǒng)Contiki統(tǒng)一調(diào)度，因而設(shè)計(jì)一個(gè)IP 網(wǎng)絡(luò)層任務(wù)集中處理從適配層接收到的數(shù)據(jù)包和應(yīng)用層需要發(fā)送的數(shù)據(jù)包。

3 測試與分析

3.1 測試平臺搭建

邊界路由器負(fù)責(zé)WSN 網(wǎng)絡(luò)與IPv6 網(wǎng)絡(luò)之間的通信，本文實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了邊界路由器的工作性能。實(shí)驗(yàn)測試平臺包括一個(gè)邊界路由器、一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和一臺Linux主機(jī)，其中邊界路由器通過 UART接口與Linux主機(jī)的USB口連接，鏈路層運(yùn)行slip協(xié)議。邊界路由器和傳感器節(jié)點(diǎn)的IPv6地址配置為 aaaa：：215:8d00:b：6840和aaaa：：215:8d00:b：67d3，Linux主機(jī)端運(yùn)行slip守護(hù)程序來監(jiān)聽USB口，其 IPv6地址為aaaa：：1.

3.2 測試結(jié)果分析

通過在Linux 主機(jī)上向傳感器節(jié)點(diǎn)(IPv6 地址為aaaa：：215:8d00:b：67d3)發(fā)送ping6 報(bào)文，來測試傳感器節(jié)點(diǎn)的可達(dá)性，以驗(yàn)證邊界路由器的正常工作，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

實(shí)驗(yàn)對邊界路由器的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)率、平均傳輸延遲和傳輸穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。其中，數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)率是指 Linux 主機(jī)收到的echo 報(bào)文數(shù)量和發(fā)送的ping6報(bào)文數(shù)量之比;平均傳輸延遲是指Linux主機(jī)發(fā)送ping6報(bào)文和接收到echo報(bào)文之間的平均時(shí)間間隔;傳輸穩(wěn)定性是指傳輸延遲的變化幅度，用算術(shù)平均差評定。分析結(jié)果如圖10~圖12所示。

如圖10和圖11所示，在發(fā)送不同長度ping6報(bào)文測試時(shí)，邊界路由器均具有良好的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)成功率(大于90%)，并且數(shù)據(jù)傳輸延遲較小。圖12列舉的是發(fā)送不同長度ping6報(bào)文測試時(shí)鏈路傳輸延遲的算術(shù)平均差，對于不同長度的測試報(bào)文傳，輸延遲算術(shù)平均差基本小于15 ms，網(wǎng)絡(luò)鏈路傳輸延遲抖動較小，證明網(wǎng)絡(luò)的鏈路穩(wěn)定性較好。

4 結(jié)論

本文針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)需求，提出了基于IPv6 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)邊界路由器的設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與IPv6網(wǎng)絡(luò)的無縫融合，降低了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用布置成本，提高了系統(tǒng)的靈活性。實(shí)驗(yàn)證明，該方案設(shè)計(jì)的邊界路由器具有較低的數(shù)據(jù)傳輸延遲，網(wǎng)絡(luò)的鏈路比較穩(wěn)定，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用要求。