網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展不斷微型化，這也就是嵌入式所具備的特點(diǎn)。那么網(wǎng)絡(luò)之中我們已經(jīng)開(kāi)始使用IPv6協(xié)議了。那么嵌入式IPv6協(xié)議棧的設(shè)計(jì)和要求也在這時(shí)候被廣大研究者所關(guān)注。下面我們就來(lái)談及一下這方面的內(nèi)容，為大家做一個(gè)參考。

IPv6 over IEE 802 15.4的技術(shù)特點(diǎn)

IEEE 802.15.4是2004年提出的無(wú)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(chǎng)合是讀表自動(dòng)化､自動(dòng)化控制和傳惑器網(wǎng)絡(luò)｡IEE802.15.4針對(duì)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(zhǎng)到幾年｡當(dāng)芯片批量生產(chǎn)時(shí),每個(gè)802.15.4設(shè)備的銷(xiāo)售價(jià)格最終不到3美元,將很好地滿足無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求｡IEEE802.15.4定義了兩個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn),即2.4GHz物理層和868/9l5MHz物理層｡

這兩個(gè)物理層都基于直接序列擴(kuò)額DSSS(Direct SequenceSpread 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(zhǎng)度和傳輸速率｡2.4 GHz波段為全球統(tǒng)一､無(wú)須申請(qǐng)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的物理屢通過(guò)采用高階調(diào)制技術(shù)能夠提供250kb/s的傳輸遵率,有助于獲得更高的吞吐量､更短的通信時(shí)延和工作周期,從而更加省電｡868 MHz是歐洲的ISM頻段,915MHz是美國(guó)的ISM頻段,這兩個(gè)頻段的引入避免了2.4GHz附近各種無(wú)線通信設(shè)備的相互干擾｡868MHz的傳輸速率為20kb/s,915 MHz是40 kb/s｡

由于這兩個(gè)頻段上無(wú)線信號(hào)傳播損耗較低,因此可以降低對(duì)接收機(jī)靈敏度的要求,獲得較遠(yuǎn)的有效通信距離,從而可以用較少的設(shè)備覆蓋給定的隈域,這些特點(diǎn)使其非常符臺(tái)傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用要求｡如前所述,IEEE802.15.4只規(guī)定了物理層和MAC層,并且其市場(chǎng)目標(biāo)主要是無(wú)竣傳感器網(wǎng)絡(luò),所以在選擇網(wǎng)絡(luò)層標(biāo)準(zhǔn)時(shí),考慮到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)地址和安全性等方面的要求,以及下一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議1Pv6的不斷發(fā)展和完善,在嵌入式設(shè)備中引入IPv6協(xié)議也將成為一種必然趨勢(shì)｡因此,6LowPan組織建議采取嵌入式IPv6協(xié)議棧,在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮資源受限與功能相對(duì)完善之間的折中｡

嵌入式IPv6協(xié)議棧的設(shè)計(jì)思想

由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般都是嵌入式設(shè)備,所以嵌入式IPv6協(xié)議棧的設(shè)計(jì)主要應(yīng)突出“微型化"的思想｡TCP/TP協(xié)議***是在Uuix系統(tǒng)里實(shí)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(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議與在操作系統(tǒng)巾的實(shí)現(xiàn)有很大不同,所以這是設(shè)計(jì)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(duì)硬件,沒(méi)有一個(gè)多任務(wù)操作系統(tǒng)平臺(tái);MCU中的程序結(jié)構(gòu)一般是順序執(zhí)行和硬件中斷相配合的方式,與高級(jí)操作系統(tǒng)中多線程并發(fā)執(zhí)行的方式截然不同｡因?yàn)閱纹瑱C(jī)上系統(tǒng)的各種資源是有限的,例如CPU的處理速度､字長(zhǎng),RAM､ROM存儲(chǔ)器的容量以及接口的數(shù)量等與通用計(jì)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(duì)完善,而且又能發(fā)揮單片機(jī)的特點(diǎn)成為IPv6微型協(xié)議棧設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題｡“微型化"思想主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)方案核心應(yīng)著眼于設(shè)計(jì)體積小,但又不影響運(yùn)行的協(xié)議棧,所以要對(duì)協(xié)議棧的裁剪方面進(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,甚至可以去除操作系統(tǒng)等｡

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

①協(xié)議棧運(yùn)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(yùn)行,同時(shí)在此基礎(chǔ)上可以借助IEEE802.15.4 MAC的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能來(lái)傳送數(shù)據(jù)包｡

②實(shí)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(bào)文)協(xié)議和IPv6地址的自動(dòng)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(shí)現(xiàn)鄰居請(qǐng)求和鄰居通告｡

◆ICMPv6(因特網(wǎng)控制報(bào)文)協(xié)議:主要實(shí)現(xiàn)控制報(bào)文的消息處理,以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)診斷功能的回應(yīng)請(qǐng)求和回應(yīng)答復(fù)｡

◆IPv6地址自動(dòng)配置協(xié)議:根據(jù)IPv6地址格式的要求,主要實(shí)現(xiàn)IPv6鏈路本地地址的配置和請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)多播地址的配置｡

③利用對(duì)校驗(yàn)和字段的汁算與處理來(lái)提高ICMPv6､TCP等協(xié)議運(yùn)行的正確性｡#p#

④實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的應(yīng)用層協(xié)議(如TELNET/SNMP協(xié)議),利用遠(yuǎn)程終端可以登錄到運(yùn)行嵌入式IPv6協(xié)議棧的單片機(jī)系統(tǒng),以及進(jìn)行簡(jiǎn)單的控制和管理操作｡

嵌入式IPv6協(xié)議棧的分層與模塊化設(shè)計(jì)

嵌入式IPv6協(xié)議棧采用分層結(jié)構(gòu)進(jìn)行沒(méi)計(jì),將整個(gè)協(xié)議棧(包括TCP及上層應(yīng)用)分為4個(gè)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(dòng)接口層｡在協(xié)議棧的工作過(guò)程中使用上層調(diào)用相鄰層的函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能｡

各層的功能簡(jiǎn)述如下:

①事件觸發(fā)接口層｡該層對(duì)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｡

②TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層｡該層對(duì)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?#65377;使用TCP協(xié)議在兩臺(tái)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｡

③NIC網(wǎng)絡(luò)接口核心層｡該層是整個(gè)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(dòng)程序｡它為上層提供統(tǒng)一的發(fā)送接口,屏蔽各種各樣的物理介質(zhì);同時(shí)負(fù)責(zé)把來(lái)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(dòng)接口層｡該層是分層結(jié)構(gòu)的***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(duì)物理介質(zhì)進(jìn)行諸如***數(shù)據(jù)包之類(lèi)的各種設(shè)置｡

結(jié)合對(duì)嵌入式IPv6協(xié)議棧設(shè)計(jì)要求和分層結(jié)構(gòu)的全面分析,將設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)劃分為4個(gè)模塊｡

各模塊的功能簡(jiǎn)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,屏蔽各種各樣的物理介質(zhì);同時(shí)負(fù)責(zé)把來(lái)自下層的包向合適的協(xié)議配送｡

②事件接口模塊｡嵌入式IPv6協(xié)議棧沒(méi)有采用BSD套接口,而是采用了事件驅(qū)動(dòng)接口｡當(dāng)特定TCP/IP事件發(fā)生時(shí),將調(diào)用應(yīng)用程序;而當(dāng)應(yīng)用程序產(chǎn)生輸出數(shù)據(jù)時(shí),也通過(guò)此接口發(fā)送出去｡

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

④配置最示調(diào)試命令模塊｡該模塊用于提供用戶(hù)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(yùn)行前,由超級(jí)終端進(jìn)入配置模式,由用戶(hù)進(jìn)行配置管理｡