網絡的發展潛力是驚人的，目前，我們已經迎接了IPv4和IPv6共存的時代，那么隨著網絡的交替，我們將會在很多方面應用IPv6協議棧。隨著互聯網的普及,Internet對人們生活方式的影響越來越巨大,并將繼續在未來的各領域持續發揮其影響力.集成了網絡技術、嵌入式技術、微機電系統(MEMS)及傳感器技術的無線傳感器網絡將Internet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"的網絡的需求.2000年12月IEEE成立了IEEE802.15.4工作組,致力于定義一種供廉價、固定、便攜或移動設備使用的,復雜度、成本和功耗極低的低速率無線連接技術.產品的方便靈活、易于連接、實用可靠及可繼承延續是市場的驅動力.一般認為短距離的無線低功率通信技術最適合傳感器網絡使用,傳感器網絡是IEEE802.15.4標準的主要市場對象.

一方面,無線傳感器網絡具有"無處不在"和節點數量龐大等特點,部署無線傳感器網絡需要數量巨大的IP地址資源;另一方面,由于無線傳感器網絡的應用領域往往對安全性要求較高,而無線傳感器網絡自組織的先天性缺乏應有的安全機制.IPv6作為下一代網絡協議,具有地址資源豐富、地址自動配置、安全性高、移動性好等優點,可以滿足無線傳感器網絡在地址和安全方面的需求.所以IETF于2004年11月成立了一個6LowPan(IPv6 overIEEE 802.15.4或IPv6 over LR_PAN)工作組.它規定了6LowPan技術在底層采取IEEE 802.15.4.MAC層以上采取IPv6協議棧,致力于如何將IPv6與IEEES02.15.4展開,實現IPv6數據包在IEEE 802.15.4上的傳輸,研究基于IPv6 over IEEE802.15.4的無線傳感器網絡的關鍵問題.目前這方面研究成為了一個很活躍的方向.其中,通過分析無線傳感器網絡對IPv6協議棧基本需求,借助協議工程學理論和軟件工程的方法,設計并實現體積小,功能全、效率高,適用于IPv6無線傳感器網絡節點的嵌入式IPv6協議棧,已經成為一個很關鍵的問題.

本文在分析了無線傳感器網絡和IPv6 overIEEE802.15.4的技術特點之后,重點提出了一種能夠適用于無線傳感器網絡,且底層采用IEEE802.15.4的嵌入式IPv6協議棧設計方案.***,還總結了基于IPv6 overIEEE802.15.4無線傳感器網絡協議棧設計的核心原則.

無線傳感器網絡和IPV6 over IEEE 802.15.4的技術特點

1 無線傳感器網絡簡介

無線傳感器網絡由大量低功耗、低速率、低成本、高密度的微型節點組成,節點通過自我組織、自我愈合的方式組成網絡.圖1給出了無線傳感器網絡的工作原理,圖中分散的無線傳感器節點通過自組織方式形成傳感器網絡.節點負責采集周圍的相關信息,并采用多跳方式將這些信息通過Internet或其他網絡傳遞到遠端的監控設備.

無線傳感器網絡由許多個功能相同或不同的無線傳感器節點組成.每個傳感器節點由數據采集模塊(傳感器、A/D轉換器)、數據處理和控制模塊(微處理器、存儲器)、通信模塊(無線收發器)以及供電模塊(電池、DC/DC能量轉換器)等組成.節點在網絡中可以充當數據采集著、數據中轉站或著簇頭節點(cluster-head node)的角色.作為數據采集者,數據采集模塊收集周圍環境的數據(如溫度和濕度),通過通信路由協議直接或間接將數據傳輸給遠方基站(base station)或匯節點(sink node);作為數據中轉站,節點除了完成采集任務外,還要接收鄰居節點的數據,將其轉發給距離基站更近的鄰居節點或者直接轉發到基站或匯節點;作為簇頭節點,節點負責收集該類內所有節點采集的數據,經數據融合后,發送到基站或匯節點.與傳統Ad Hoc網絡相比,無線傳感器網絡具有一些明顯的特征:①網絡節點密度高,傳感器節點數量眾多,單位面積所擁有的網絡節點數遠大于傳統的Ad Hoc網絡;②傳感器節點由電池供電,節點能量有限;③網絡拓撲變化頻繁;④網絡應具備容錯能力.正是由于以上特點.IPv6與無線傳感器網絡的結合對IPv6提出了一些新的要求,如IPv6地址自動分配機制和IPv6包頭壓縮機制;另外,還有一些管理問題、與無線數據鏈路層接口問題等.因此,設計IPv6微型協議棧時,除了要實現功能完整、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考慮進來.

2 IPv6 over IEE 802 15.4的技術特點

IEEE 802.15.4是2004年提出的無線標準的安全網絡技術,主要定義物理層和MAC層的協議,其余協議主要參照和采用現有的標準,主要應用場合是讀表自動化、自動化控制和傳惑器網絡.IEE802.15.4針對的就是低復雜度、低功耗、低數據速率的短距離網絡,目標是將普通小型電池的使用壽命延長到幾年.當芯片批量生產時,每個802.15.4設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絡的要求.IEEE802.15.4定義了兩個物理層標準,即2.4GHz物理層和868/9l5MHz物理層.這兩個物理層都基于直接序列擴額DSSS(Direct SequenceSpread Spectrum),使用相同的物理層數據包格式;區別在于工作頻率、調制技術、擴頻碼片長度和傳輸速率.2.4 GHz波段為全球統一、無須申請的ISM頻段.有助于15.4設備的推廣和生產成本的降低.2.4GHz的物理屢通過采用高階調制技術能夠提供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.由于這兩個頻段上無線信號傳播損耗較低,因此可以降低對接收機靈敏度的要求,獲得較遠的有效通信距離,從而可以用較少的設備覆蓋給定的隈域,這些特點使其非常符臺傳感器網絡的應用要求.如前所述,IEEE802.15.4只規定了物理層和MAC層,并且其市場目標主要是無竣傳感器網絡,所以在選擇網絡層標準時,考慮到無線傳感器網絡對地址和安全性等方面的要求,以及下一代互聯網協議1Pv6的不斷發展和完善,在嵌入式設備中引入IPv6協議也將成為一種必然趨勢.因此,6LowPan組織建議采取如圖2所示的嵌入式IPv6協議棧,在設計時要充分考慮資源受限與功能相對完善之間的折中.