毕业设计（论文）-椭圆曲线密码算法在6Lowpan中的应用研究.doc

南京邮电大学 毕 业 设 计（论 文） 题 目椭圆曲线密码算法在 6Lowpan 中的应用研究 专 业网络工程(通信) 学生姓名王朝阳 班级学号B100113 B10011315 指导教师汪胡青 评阅教师 指导单位南邮通院通信技术实验教学中心 日期： 2013 年 11 月 22 日至 2014 年 6 月 11 日 毕业设计（论文）原创性声明 本人郑重声明：所提交的毕业设计（论文） ，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容外，本毕业设计（论文） 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本研究做出过重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明并表示了谢意。 论文作者签名： 日期： 2014 年 6 月 11 日 摘摘 要要 当今无线传感器网络技术正飞速地发展，越来越多的传感器应用被投入 到生产和生活中，如何使得这些传感器节点能够有效地通信则是影响无线传感 器网络（WSN）发展的一个关键问题；但是由于 WSN 数量巨大的节点需要一一 对应一个地址，由此可知现有的 IPv4 已无法满足其要求，而被寄予厚望的下 一代网际协议 IPv6，其近乎天文数字的地址空间彻底解决了地址枯竭的问题， 为无线传感网络带来了曙光。 6LoWPan 的英文全称是 IPv6 over Low power Wireless Personal Area Network 的简写，即基于 IPv6 的低速无线个域网。6LoWPan 协议是一种 将 IP 协议引入无线通信网络的低速率的无线个域网标准，旨在将无线传感器 网络技术和 IPv6 技术结合到一起，而且在未来无线传感网中，一些机密信息 的传输势必会遭到窃听的可能，所以我们必须研究一些加密体制，以防我们的 信息被窃取。我们进而去研究椭圆曲线 ECC（Elliptic Curves Cryptography）在 6LowPan 协议体系中应用以及实现，其依据就是定义在椭圆 曲线点群上的离散对数问题的难解性。 本文首先介绍了 6LowPan 的相关背景以及 IPv6 和 IEEE 802.15.4 的相关 知识，阐述了 6LowPan 的关键技术及优势。接下来介绍椭圆曲线由来以及各参 数的选取规则，阐述密码学领域中的椭圆曲线，详细介绍应用于加密、解密的 倍乘、点加、模逆等算法。并给出椭圆曲线加密、解密算法的 C 语言实现。 并在基于 Contiki 操作系统下的实现通信的 Cooja 仿真，在传输层与网络层间 设置一适配层，进行数据的加密、解密过程并进行验证。最后讨论椭圆曲线密 码体制 ECC 在 6LowPan 中的适用性、前景及其优势，以及在未来的无线传感网 中应用的优势以及未来发展的方向。 关键字： 6LowPan;无线传感网;ECC;C 语言;Contiki;Cooja 仿真平台 ABSTRACT Nowadays, the wireless sensor network technology is developing rapidly. More and more sensors applications are put into production and life.how to make these sensor nodes communicate effectively is affecting the development of wireless sensor network (WSN),which is a key problem. But because of the huge number of WSN nodes .They need a correspondence address each other. then the IPv4 has been unable to meet its requirements, and the expecting next generation Internet protocol IPv6 has very largely numbers of the addresses,which thoroughly solved the problem of address exhaustion. It has brought the dawn for wireless sensor network. The meaning of 6LowPan is IPv6 over IEEE 802.15.4 .It is a kind of low rate of wireless personal sensor network standard leading IP protocol in the wireless communication network,which make the IPv6 and wireless sensor network technology together. Then in the future wireless sensor network, some confidential information are bound to be hacked in the transmission process.So we must study the some encryption system, to prevent our information being stolen.We study application and implementation of the Elliptic curve ECC (Elliptic Curves Cryptography) in 6LowPan agreement system .It depends on the intractability the discrete logarithm problem in Elliptic curve point group. At first,this paper introduces the background of 6LowPan and IPv6 and the related knowledge of IEEE 802.15.4 and expounds the key technologies and advantages of 6LowPan. Then the paper introduces the origin of elliptic curve and each parameter selection rules and elliptic curve in the field of cryptography.The article represents some algorithms used in encryption and decryption such as point to add and multiply, inverse algorithm,etc. And the thesis presents C program language implementation of elliptic curve encryption and decryption algorithm. It shows the communication cooja simulation under the contiki operating system . Between the transport layer and network layer we set up the adapter layer.We can carry on data encryption and decryption process and validating process. Finally we discuss the applicability of the elliptic curve cryptography and prospects and its advantages in 6LowPan.And the application advantages, and the direction of development in the future wireless sensor network. Key words：6LowPan; wireless sensor network; ECC;C program language; Contiki ;Cooja simulation platform 目 录 第一章 绪论- 1 - 1.1. 研究背景- 1 - 1.2. 研究意义及文章架构- 3 - 第二章 6LOWPAN 知识的概述 - 4 - 2.1. 6LOWPAN 产生背景 .- 4 - 2.2. IEEE 802.15.4 技术简介.- 4 - 2.3. 6LOWPAN 概念 .- 6 - 2.4. 6LOWPAN 关键技术 .- 8 - 2.5. 6LOWPAN 优势概要 - 11 - 2.6. 6LOWPAN 的应用领域及前景 - 13 - 第三章 椭圆曲线密码算法的知识概述.- 14 - 3.1. 椭圆曲线的由来- 14 - 3.2. 椭圆曲线的定义- 15 - 3.3. 椭圆曲线密码体制- 17 - 3.4. 椭圆曲线密码算法- 19 - 第四章 椭圆曲线密码体制在 6LOWPAN 中的实现 .- 25 - 4.1. 椭圆曲线密码算法实现- 25 - 4.2. 椭圆曲线密码算法在 6LOWPAN 中的运行结果- 32 - 结束语.- 36 - 致 谢.- 37 - 参考文献 .- 39 - 南京邮电大学 2014 届本科生毕业设计（论文） - 0 - 第一章第一章 绪论绪论 1.1. 研究背景 无线传感器网络是发展迅速的新一代的传感器网络,它是集信息采集、信 息传输、信息处理于一体的综合的多功能智能信息系统,具有广阔的应用前景, 目前，国内外各大研究机构、学术院校都话费大量精力、财力对无线传感网络 进行研究、仿真。许多发达国家如美国,非常重视无线传感器网络的研究与发 展：2000 年,美国国防部更将无线传感器网络列为 5 个国防尖端领域之一； 2002 年,美国的 OAK 实验室预言:IT 时代正在从”the network is computer” 向”the network is sensor”转变；2003 年,美国技术评论将无线传感 器网络技术列为未来改变人类生活的十大技术之首；作为网络界标准制定者的 IEEE 也正在努力推进无线传感器网络的应用和发展以及各项标准的制定；波 士顿大学（Boston University)还在几年前创办了传感器网络协会(Sensor Network Consortium),希望通过这个协会能促进传感器联网技术开发。除了发 起者波士顿大学,该协会还包括 BP、Honeywell、Inetco Systems、Invensys、L-3 Communications、MIllennial Net、Radianse、Sensicast Systems 及 Textron Systems。美国的技术评论 杂志在论述未来新兴的对未来生活具有革新意义的十大技术时,更是将无线传 感器网络列为第一项未来的新兴技术,商业周刊预测的未来四大新技术中, 无线传感器网络也被列入其中。 然而,无线传感器网络技术作为一种新兴出现的技术,建立一个运转良好、 鲁棒性好的无线传感器网络还是会面临着许多挑战性难题。而且由于它的一些 区别于无线网络的独特特性,使得无线传感器网络的设计方法与现有无线网络 的设计方法有很多不同之处。例如,由于无线传感器网络中的传感器节点分布 非常密集,而且数量巨大，所以需要大范围的数据管理、数据存储和处理技术， 然而传感器一般体积较小，而且结构简单，不可能有较强的处理能力、数据存 储和管理能力，这对于无线传感器网络也是一个机器矛盾的问题，也是一个急 需解决的问题，寻找一个平衡点。其次,无线传感器网络节点一般部署在人类 难以到达和接触或比较危险、对人体有伤害的区域,这就使传感器网络节点的 在维护方面面临着很大的挑战。除此之外,电源消耗也是一个很重要的问题,无 线传感器节点作为微小器件,只能配备有限的电源,在有些应用场合下,更换电 源是近乎不可能的。这使得传感器节点的寿命在很大程度上依赖于电池的寿命,所 以降低功耗以延长系统的寿命是无线传感器网络设计需要首要考虑的问题,显 南京邮电大学 2014 届本科生毕业设计（论文） - 1 - 然传统的 TCP/IP 协议由于适用在计算机网络中，而具有强大的功能，而且会 有一些无线传感器网络用不到的功能，但如果将 TCP/IP 协议运用在无线传感 器网络中，由于协议过于庞大致使传感器无法工作，而且也会耗费大量的能源， 这是我们都应该极力避免的。所以在协议设计、算法优化等方面都会以简洁、 低功耗为主要目标。许多无线传感器网络方面的研究人员都在着重研究新的节 约功耗的协议和算法,这些协议和算法都需要传感器网络平台进行实验和验证, 但就作者调查,除本项目实现的协议栈图 1.1 外,业界尚未有标准的 6LowPan 协 议实现，但目前有 IETF 以制定出 6LowPan 草案。 图 1.1 6LowPan 草案 6LowPan 组织研究的重点在于适配层技术、路由技术、报头压缩技术、分 片技术、IPv6 技术、网络接人技术、网络管理技术等。目前已经提出了关于 适配层的草案,其它技术都在不断的探讨中。6LowPan 技术底层采用的是 IEEE802.15.4 规定的 PHY 层和 MAC 层,网络层采用的是 IPv6 协议。由于在 IPv6 中,MAC 支持的载荷长度远远大于 6LowPan 底层所能提供的载荷长度,为了 实现 MAC 层与网络层的无缝链接,6LowPan 工作组建议在网络层和 MAC 层之间 增加一个网络适配层,用来完成报头压缩、分片与重组以及网状路由转发等工 作。 6LowPan 网络有着广阔的应用前景，但是要使 6LowPan 得到更加快速的 发 展和应用，就需要解决 6LowPan 网络的安全问题 。6LowPan 网络面临的攻 击 6LowPan 网络面临的攻击从不同的角度可以分为不同的种类。从攻击者与 6LowPan 网络的关系可分为外攻击和内攻击。 所谓外攻击是指攻击者不是 66LowPan 网络的一部分，主要通过窃听信号、篡改网络数据包、向网络发送 攻击数据包等手段进行攻击。所谓内攻击是指攻击者伺机成为 6LowPan 网络 的一部分，它通过分析从网络上收集的数据，获得用于认证、鉴权、保密的各 种加密算法。当前关于 6LowPan 网络安全问题的研究还不是很多，主要针对 6LowPan 中密钥算法以及防止 IP 碎片攻击。而且本文主要对密钥算法进行研 究。下节详细说明在 6LowPan 中应用椭圆曲线密码算法的必要性及意义，简单 南京邮电大学 2014 届本科生毕业设计（论文） - 2 - 介绍一下本文架构。 1.2. 研究意义及文章架构 讨论当下最时兴、最安全的公钥算法，椭圆曲线密码算法就是一种高效的、 高安全性的公钥加密算法。椭圆曲线公钥密码体制有着其他公钥密码体制所无 法比拟的优点，在相同的安全强度下，密钥尺寸比较小，选择余地比较大等， 这使得椭圆曲线公钥密码可以适用于各种受限环境，因而深入研究椭圆曲线公 钥密码具有很大的现实意义。它有以下的性质，加密解密算法相同，但使用不 同的密钥，发送方拥有加密或解密密钥，而接收方拥有另一个密钥安全性要求: 两个密钥之一必须保密，无解密密钥，解密不可行，知道算法和其中一个密钥 以及若干密文不能确定另一个密钥。椭圆曲线密码算法就是通过一基点和密钥 相乘得到一个公钥而使双方在传输信息的时候进行加密、解密以达到秘密传输 的目的，利用椭圆曲线的离散对数难解性的数学难题。 对于以上椭圆曲线密码算法的大致介绍以及它的诸多优点，和它良好的适用性， 密码的小尺寸也正好符合 6LowPan 网络节点处理能力有限的问题。目前椭圆曲 线密码体制以及 6LowPan 技术都是新兴的课题，也是广大研究者看好的比较有 前景的能给世界带来变革的课题，而且做着认为椭圆曲线密码算法在 6LowPan 中应用也是非常适合的有一定的发展前景和研究价值，所以一下就要详细阐述 一下椭圆曲线密码算法在 6LowPan 的应用。 下面介绍一下本文的组织架构： 第一章简单介绍一下本课题研究的相关国内外背景以及开展此项研究的必 要性及意义。 第二章首先介绍了 6LowPan 的相关背景以及 IPv6 和 IEEE 802.15.4 的相 关知识，说明他们的应用场景，阐述了 6LowPan 的关键技术及优势。 第三章接下来介绍椭圆曲线由来以及各参数的选取规则，阐述密码学领域 中的椭圆曲线，详细介绍应用于加密、解密的倍乘、点加、模逆等算法。 第四章给出椭圆曲线加密、解密算法的 C 语言实现。并在基于 Contiki 操作系统下的实现通信的 Cooja 仿真，在传输层与网络层间设置一适配层，进 行数据的加密、解密过程并进行验证。最后讨论椭圆曲线密码体制 ECC 在 6LowPan 中的适用性、前景及其优势，以及在未来的无线传感网中应用的优势 以及未来发展的方向。 南京邮电大学 2014 届本科生毕业设计（论文） - 3 - 第二章第二章 6LowPan6LowPan 知识的概述知识的概述 2.1. 6LowPan 产生背景 近年来，无线网络技术已经开始渗透到人们的日常生活和工作中，无线网 络技术是一种集成了传感器技术、嵌入式技术和网络技术的低速率个域网 （LR-WPAN） 。LR-WPAN 是一种为低价格、低功耗、短距离、大密度的无线通信 设计的网络，用来满足对数据传输速率和延迟要求不高的无线接入网。为了满 足低功耗、低成本的无线网络要求，IEEE 标准委员会在 2000 年 12 月份正式 批准成立了 802.15.4 组，任务就是开发一个低速率 WPAN(LR-WPAPN)标准，在 IEEE 802.15 工作组内有四个任务组（task group, TG） ，其中任务组（task group, TG）TG4：制定 IEEE 802.15.4 标准，针对低速无线个人区域网络 （low-rate wireless personal area network, LR-WPAN）制定标准。该标准 把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，旨在为个人或者家庭范围 内不同设备之间的低速互连提供统一标准。任务组 TG4 定义的 LR-WPAN 网络的 特征与传感器网络有很多相似之处，很多研究机构把它作为传感器的通信标准。 IEEE802.15.4 是 LR-WPAN 的典型代表，其应用领域包括了：工业、农业、 车载电子系统、家用网络、医疗传感器和私服执行机构等。然而，由于 IEEE802.15.4 标准具有可扩展性，只规定了物理层（PHY）和媒体访问控制 （MAC）层标准，并没有涉及到网络层以上规范，因此就产生了多种不同的技 术,主要有 ZigBee 和 6LowPan 等。6LowPAN 就是其中的一种，6LowPAN 应用的 IPv6 技术，而 IPv6 协议作为被寄予厚望的下一代网际协议，其近乎天文数字 的地址空间彻底解决了地址枯竭的问题，几乎可以为地球上的每一粒沙子提供 一个唯一的地址，以其非常充裕的地址空间和开放性，对 LR-WPAN 产生了极大 的吸引力，带来了曙光。下面对基于 IPv6 的 6LowPan 协议的定义及其关键技 术进行具体介绍，为了更好地理解 6LowPan 协议以及 6LowPan 网络，现将 IEEE 802.15.4 技术简单介绍一下，具体内容详见下节。 2.2. IEEE 802.15.4 技术简介 南京邮电大学 2014 届本科生毕业设计（论文） - 4 - 随着通信技术的迅速发展，人们提出了在人自身附近几米范围之内通信的 需要和需求，这样就出现了个人区域网络（personal area network, PAN）和无 线个人区域网络（wireless personal area network, WPAN）的概念。WPAN 网络 为近距离范围内的设备建立无线连接，把几米范围内的多个设备通过无线方式 连接在一起，使它们可以相互协作通信甚至接入 LAN 或 Internet。1998 年 3 月，IEEE 802.15 工作组，这个工作组致力于 WPAN 网络的物理层（PHY）和 媒体访问层（MAC）的标准化工作，目标是为在个人操作空间（personal operating space, POS）内相互通信的无线通信设备提供通信标准。POS 一般是 指用户附近 10 米左右的空间范围，在这个范围内用户可以是固定的，也可以 是移动的。 制定 IEEE 802.15.4 标准，针对低速无线个人区域网络（low-rate wireless personal area network, LR-WPAN）制定标准。该标准把低能量消耗、低速率传 输、低成本作为重点目标，旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间的低速互 连提供统一标准。 任务组 TG4 定义的 LR-WPAN 网络的特征与传感器网络有很多相似之处， 很多研究机构把它作为传感器的通信标准。 LR-WPAN 网络是一种结构简单、成本低廉的无线通信网络，它使得在低 电能和低吞吐量的应用环境中使用无线连接成为可能。与 WLAN 相比，LR- WPAN 网络只需很少的基础设施，甚至不需要基础设施。IEEE 802.15.4 标准 为 LR-WPAN 网络制定了物理层和 MAC 子层协议。 IEEE 802.15.4 标准定义的 LR-WPAN 网络具有如下特点： （1）在不同的载波频率下(868M、915M、2.4G)实现了 20kbps、40kbps 和 250kbps 三种不同的传输速率，不同的应用范围需要有不同的传输速率进行 匹配，这样才能在不同的场景网络环境进行数据传输，例如，对于各种各样的 感应器、传感器、智能标记和智能家用电器等，20kbit/s 这么大的速率就能完 全满足要求，但是对于一些计算机外围设备与交互式、互动式玩具就要需要大 一点的传输速率 250kbit/s 来满足需求； （2）支持分布式星型和点对点直接相连两种网络拓扑结构； （3）IEEE 802.15.4 标准定义的 LR-WPAN 网络中节点可以有协调器分配 的 16 位网络内部地址和 64 位全球唯一地址两种地址格式，其中 64 位地址是 全球惟一的扩展地址，由于地址的唯一性使网络中路由到达目的节点更加快速； （4）在数据发送下一节点前使用支持冲突避免的载波多路侦听技术 （carrier sense multiple access with collision avoidance, CSMA-CA） ，避免了网络 拥塞造成数据传输延时以及丢弃的问题，大大改善了数据传输延迟问题； （5）在数据发送之后，下一节点或目的节点发送确认信息表明数据发送、 南京邮电大学 2014 届本科生毕业设计（论文） - 5 - 接收成功或者失败并要求重发，支持确认（ACK）机制，保证传输可靠性。 （6）在 IEEE 802.15.4 中定义了 14 个物理层基本的参数和 35 个媒体接 入控制层（MAC）基本参数，总共为 49 个，仅为蓝牙(IEEE 802.15.1)的三分 之一。这使它非常适用于协调能力、存储能力和计算能力有限的简单的网络器 件。 （7）在 IEEE 802.115.4 网络中可以有两种工作的使能方式，分别为信标 使能方式和非信标使能方式。在信标使能方式中可以使用高效率的超帧结构， 并且可以用网络中的协调器来确定超帧结构。 IEEE 802.15.4 是 6LowPan，ZigBee，WirelessHART，MiWi 等规范的基础， 描述了低速率无线个人局域网的物理层和媒体接入控制协议，属于 IEEE 802.15 工作组。在 868/915M、2.4GHz 的 ISM 频段上，数据传输速率最高可达 250kbps。其低功耗、低成本的优点使它在很多领域获得了广泛的应用。在打 包提供的免费协议栈代码中，TI 公司的协议栈部分以库的形式提供，限制了 其应用范围即只能应用于其公司所生产的单片机芯片上，不方便扩展、修改； 而 Microchip 尽管提供了源代码，但在编程风格、多任务操作系统上运行考虑 欠周。鉴于此，设计实现结构清晰、层次分明、移植方便、能运行在多任务环 境上的 IEEE802.15.4 协议代码，可为架构上层协议及应用扩展建立良好的基 础。根据以上 IEEE802.15.4 协议的良好的可扩展性与可移植性优点，下面重 点介绍以 IEEE802.15.4 协议为底层协议的 6LowPan 技术及其 6LowPan 协议栈。 2.3. 6LowPan 概念 随着无线通信、集成电路、传感器以及微机电系统（MEMS）等技术的飞速 发展，推动了低成本、低功耗、多功能的无线传感器的大量生产。无线传感器 是一种集传感数据采集功能、计算能力、无线通信能力于一体的资源受限的嵌 入式设备。而无线传感器网络则是由大量无线传感器构成的无线自组织网络， 其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域内感知对象的信息，并将信息 传送给需要的用户。 TCP/IP 协议的广泛成功应用已使其成为当前有线网络事实上的标准，并 且其应用范围正逐步向无线领域拓展，因此，如何实现无线传感器网络与现有 IP 网络的互联通信是无线传感器网络所需解决的关键问题之一。无线传感器 网络的网络层采用 IP 技术，要实现“一物一地址，万物皆在线” ，需要大量的 IP 地址资源，只有 IPv6 能够提供足够的地址资源，满足端到端的通信和管理 需求。由于无线传感器网络节点的资源有限，要在储存器和处理器极其有限的 南京邮电大学 2014 届本科生毕业设计（论文） - 6 - 传感器节点上实现 IPv6 协议就必须对 IPv6 协议进行适当的精简，以适合无线 传感器网络的使用。 IETF 组织于 2004 年 11 月正式成立了 IPv6 over LR_WPAN(6LoWPAN)工作 组，目前正致力于解决 IPv6 与 WSN 的融合问题，并已经制定了 6LowPan 草案。 其目的就是要实现 WSN 与现有 IP 网络的无缝互联。着手制定基于 IPv6 的低速 无线个域网标准，旨在将 IPv6 引入以 IEEE802.15.4 为底层标准的无线个域网。 该工作组的研究重点为适配层、路由、包头压缩、分片、IPv6、网络接入和网 络管理等技术。 6LoWPan 的英文全称是 IPv6 over Low power Wireless Personal Area Network 的简写，即基于 IPv6 的低速无线个域网。 目前，WSN 无线传感器网络与 Internet 网络的互联沟通、融合主要有两 种方式：一种方式是在无线传感器网络的边界部署应用层网关，网关可以是一 套功能强大的个人计算机，也可以是一台小型的嵌入式设备，他们负责向终端 用户提供无线传感器网络的数据转发。Internet 网络与 WSN 无线传感器网络 互联融合的另一种方式是基于无线传感器节点的 IP 化。实现的方法是在无线 传感器网络的节点上移植嵌入式的支持 IP 的网络协议栈。有这两种融合方式 可以得出，WSN 无线传感器网络与 Internet 的互联融合也可以使用 IP 化的传 感器节点，使无线传感器网络与 Internet 直接互联和通信。 。 鉴于无线传感器网络（WSN）的节点具有数量很大的特点，这就需要相应 地要部署数以万计个无线传感器节点需要数量巨大的 IP 地址资源。而 IPv4 显 然不能满足日益巨大数量的 IP 地址需求以及数量巨大的无线传感器节点的需 求，而 IPv6 作为下一代网络协议具有数量非常巨大的地址空间。同时具有无 状态地址自动配置性能、有较高的安全性、有较为完善的移动性功能支持等一 系列特点。这恰好可以满足无线传感器网络对地址一群队员和移动性支持等方 面的需求。 所以，IETF 组织中的 6LowPan 工作组规定了 6LowPan 技术底层采用符合 IEEE 802.15.4 标准协议的物理层和数据链路层，并且网络层使用了新一代的 IPv6 协议。它同时还致力于解决如何将 IPv6 协议与符合 IEEE 802.15.4 标准 协议的底层协议相结合、相互兼容，实现 IPv6 数据包在基于 IEEE 802.15.4 标准无线传感器网络中的进行正常传输的问题，这样就产生了基于 6LowPan 技 术的无线传感器网络。此外，由于 IPv6 数据包支持的数据报大小远大于 IEEE802154 帧所能包含的字节数（127bytes） ，需在网络层与数据链路层 间引入了一个适配层来完成数据分片与数据重组等功能。 6LoWPAN 技术是一种在 IEEE 802.15.4 标准基础上传输 IPv6 数据包的网 络体系，可用于构建无线传感器网络。6LoWPAN 规定其物理层和 MAC 层采用 IEEE 802.15.4 标准，上层采用 TCP/IPv6 协议栈，其与 TCP/IP 对比的参考模 南京邮电大学 2014 届本科生毕业设计（论文） - 7 - 型如下图 2.1、图 2.2 所示。 TCP/IP Protocol Stack 6LowPan Protocol Stack Application Transport Network Data Link Phycical 图 2.1TCP/IP 参考模型 图 2.2 6LowPan 参考模型 从上图 1.1 与图 1.2 可以明显看出，TCP/IP 的参考模型与 6LoWPAN 协议 栈参考模型基本是相似的，它们的最大区别在于 6LoWPAN 底层使用的 Shiite IEEE 802.15.4 协议标准，而且因为具有低速无线个域网的特性，在 6LoWPAN 的传输层没有使用 TCP 协议，而只使用了 UDP 协议。 2.4. 6LowPan 关键技术 以下介绍一下 6LowPan 适配层基本功能 ，由于最大 MTU、组播及煤质访 问层（MAC）路由等原因，IPv6 网络层不能直接运行在 IEEE 802.15.4MAC 层 之上，需要有适当的中间层，适配层将起到中间层的过渡作用，同时提供对上 下两层的服务支持，从而使 IPv6 网络层和 IEEE 802.15.4MAC 层相互不可见， 其主要功能如下所示： (1) 数据链路层的分裂割片和重新组装：IPv6 规定每层都有最大传输单元 MTU，数据链路层最小的 MTU 的帧长为 1280 字节，对于不支持和不适宜支 持该 MTU 的数据链路层，中间适配层协议要求必须提供对 IPv6 透明的数据链 路层的分裂割片和重新组装。因此，适配层需要通过将 IP 报文进行分片和重 HTTP RTP TCP UDP ICMP IP Ethernet MAC Ethernet PHY Application UDP ICMP IPv6 with LowPan IEEE 802.15.4 MAC IEEE 802.15.4 PHY 南京邮电大学 2014 届本科生毕业设计（论文） - 8 - 组来传输超过 IEEE 802.15.4 MAC 层最大帧长（127 字节）的数据报文。如图 2.3， 图 2.3 适配层分片重组过程 (二) 组播支持：组播在 IPv6 网络中具有非常重要的作用，IPv6 特别是邻 居节点发现协议的很多功能都依赖于 IPv6 层组播功能。此外，无线传感器网 络（WSN）的一些应用也会需要 MAC 层广播转发的功能。 IEEE 802.15.4 MAC 层不支持组播，但也会提供有限的广播转发功能，适配层 可以利用可控广播洪泛的方式来在整个无线传感器网络（WSN）中传播 IPv6 组播数据报文。 (三) 头部的冗余信息压缩：在网络不使用安全功能的前提下， IEEE 802.15.4 MAC 层的最大载荷（payload）为 102 个字节，而 IPv6 数据报 文头部为 40 个字节，再除去适配层和传输层(如 UDP、ICMP)头部，将只剩有 50 字节左右的可应用数据空间。为了满足 IPv6 报文在 IEEE 802.15.4 MAC 层 传输的 MTU，其中一方面可以通过分裂割片和重新组装来传输大于 102 字节 的 IPv6 层数据报文，而另一方面也需要对 IPv6 层数据报文进行压缩以用来提 高传输效率、传输速度和节省无线传感器网络节点能量。为了实现有效地数据 压缩，需要在适配层头部后增加一个用于头部压缩编码的字段，该字段的功能 是将指出 IPv6 头部哪些可压缩字段将被压缩，除了对 IPv6 头部以外，还可以 对上层协议(UDP、TCP 及 ICMP)头部的冗余信息进行进一步压缩。 (四) 网络拓扑设计构建、管理和地址分配：IEEE 802.15.4 标准协议对物理 层物和煤质访问层（MAC）做了详尽地描述和总结，EIEE 802.15.4 MAC 协议 支持包括星型拓扑、树状拓扑及点对点的 Mesh 拓扑等多种网络拓扑结构，但 是 MAC 层协议并不负责这些拓扑结构的形成，其中煤质访问层（MAC）提供 南京邮电大学 2014 届本科生毕业设计（论文） - 9 - 了功能丰富、内容齐全的各种上下层服务原语，包括传输信道扫描、信道选择、 队 N 的启动、接受子节点加入请求、分配地址以及网络维护管理等原语。但 煤质访问层（MAC 层）仅仅提供相关的功能性原语，并不负责调用这些原语 来形成构建网络拓扑并对拓扑进行维护管理，因此调用服务原语进行拓扑维护 管理的工作，将由适配层来单独地完成。另外，6LowPan 中每个无线传感器网 络节点都是使用 EUI-64 地址标识符，但是一般常见的 LowPan 网络节点处理 能力是非常有限的，而且通常会部署有大量的部署分散节点，但是若采用 64- bits 地址将必会占用大量的存储空间并增加报文长度，这是我们所不愿看到的。 因此，更适合的方案就是在 PAN 网络的内部采用 16-bits 短地址标识符来标识 一个网络中的节点，这就需要在适配层来实现恰当的、动态的 16-bits 短地址 分配机制。 (五) 煤质访问层（MAC 层）路由：现在的网络拓扑构建机制和地址分配 机制相同，IEEE 802.15.4 标准并没有定义 MAC 层的多跳路由功能。适配层将 在地址分配可行方案的基础上提供两种基本的路由机制树状路由和网状路 由。 适配层是整个 6LowPan 草案协议的基础框架，6LowPan 的其它一些可行 功能也都是基于该框架开发实现的。整个适配层功能模块的示意图如图 2.4 所 示。 图 2.4 配层功能模块的示意图 以下详细介绍一下适配层的帧格式 ，由于 LowPan 网络有报文长度小、低 带宽、低功耗和低速率的特点，为了在传输过程中减小报文长度，适配层的帧 头部被分为两种格式，即分片格式和不分片格式，分别用于数据报文部分小于 等于煤质访问层（MAC 层）MTU(102 字节)的数据报文和大于煤质访问层 IPv6 网络层 头部压缩 移动性 链路层的分片与重组 异构网络互操作性 组播支持MAC 层路由 IPv6 报文的转发 网络拓扑构建和地址分配 6LowPan 其他功能 IEEE 802.15.4 MAC 层 南京邮电大学 2014 届本科生毕业设计（论文） - 10 - （MAC 层）MTU 的数据报文。当 IPv6 报文要在 802.15.4 链路层上传输时， IPv6 报文需要封装在这两种格式的适配层报文中，即 IPv6 报文作为适配层的 负载报文紧跟在适配层的头部后面。 当一个负载报文由于过大而不能在一个单独的 IEEE 802.15.4 帧中进行数 据传输时，需要对负载报文进行适当的适配层分片。与此同时，适配层帧使用 4 个字节的分片头部格式而不是 2 个字节的不分片头部格式。另外，适配层还 需要维护当前的 fragment_tag 值并在网络节点初始化时将其数值设置为一个随 机数值。当上层向下传一个超过适配层最大载荷（payload）长度的数据报文 给适配层之后，适配层需要对该 IP 报文分片依次进行发送。适配层分片的判 断条件为：负载报文长度+不分片头部长+Mesh Delivery(或 Broadcast)字段长度 IEEE 802.15.4 MAC 层的最大载荷 payload 长度。在使用 16-bits 短地址并且不 使用 IEEE 802.15.4 安全机制的情况下，负载报文的最大长度为 95(127- 25(MAC 头部)-2(不分片头部)-5（MD 的长度）)字节。 当适配层收到一个上层传来的分片后，根据以下的两个字段判断该报文分 片是属于哪个负载报文的：源 MAC 地址和适配层分片头部的 datagram_tag 字 段。 对于同一个负载报文的不同的多个分片，适配层使用如下重组算法进行 重组，重组一个分片的负载报文时需要使用一个重组队列来维护管理已经收到 的报文分片以及其他一些相关数据信息(源 MAC 地址和 datagram_tag 字段)。 同时，为了避免由于网络阻塞、网络异常和传输延迟等原因从而造成长时间等 待未达到的报文分片，网络节点还应该在收到第一个报文分片后启动一个重组 定时器，重组超时时间设定为 15s，定时器超时后节点应该删除该重组队列中 的所有分片及相关信息。 2.5. 6LowPan 优势概要 6LowPan 技术的主要思想是在 IPv6 网络层和 MAC 层之间加入一个适配层， 以提供对 IPv6 网络层必要的支持。6LowPan 组织之所以极力推崇在 IEEE 802.15.4 上使用 IPv6 技术，是因为 IPv6 技术相对于 ZigBee、IEEE 1451 等 其他技术而言，具有非常多的优势。以下列举部分优势特点： 1、普及性：IP 网络应用非常广泛，深入人心，目前的 IPv4 技术已相当 成熟，作为下一代互联网核心技术的 IPv6，也在加速其在世界范围内普及的 步伐，在 LR-WPAN 网络中使用 IPv6 更容易被大家接受和认可。 2、开放性：IP 协议是个非常开放的协议，不牵扯复杂的产权问题和纠纷 问题，这是技术相对于 ZigBee 技术非常大的优势。 3、适用性：IP 网络协议栈架构收到了广泛的应用和认可，LP-WPAN 网 南京邮电大学 2014 届本科生毕业设计（论文） - 11 - 络完全可以基于此架构进行简单、有效和快捷的开发与应用。 4、更多的地址空间：IPv6 应用于 LR-WPAN 最大的亮点就是近乎天文数 字的庞大的地址空间，这也恰恰满足了部署大规模、高密度和低速率 LR- WPAN 网络设备节点的需要。 5、支持无状态自动地址配置：当 IPv6 网络中节点启动时节点可以自动读 取媒体接入层（MAC）网络地址，并根据相关规则配置好所需的 IPv6 网络地 址，这一个特性对于无线传感器网络来说，是非常具有吸引力的，因为在绝大 多数情况下，不可能对无线传感器网络节点配置用户界面，大多数节点必须 具有自动配置功能。 6、易接入：LR-WPAN 使用下一代 IPv6 编址技术，更易于轻松接入其他 的基于 IP 技术的网络以及下一代互联网络，使其可以充分利用现在的 IP 网络 技术进行镶嵌发展。 7、易开发：目前基于 IPv6 技术的网络技术都已经相当成熟，并且也被广 泛的开发研究者所接受，针对目前的 LR-WPAN 的一些特性，需要进行一些必 要的适当的精简与取舍，简化最新协议的开发的进程。 由此看见，IPv6 网络技术在低速率的 LR_WPAN 网络上的应用具有广阔 的开发和发展的空间，进而将 LR_WPAN 接入互联网将会大大扩展其应用， 使得大规模的传感控制网络的实现成为可能。 以上对 6LowPan 的技术优点的概述，以下详细介绍 6LowPan 关键技术的 具体问题。 IPv6 网络层直接与 IEEE 802.15.4 煤质访问层（MAC）直接上下交换信息 的话，会受到底层物理硬件的诸多限制，为了更好地实现 IPv6 网络层与 IEEE 802.15.4 煤质访问层（MAC）之间的融合连接、交换信息，所以在这两 层之间需要加入一个中间层，就是人们所说的 6LowPan 适配层，以实现屏蔽 底层物理硬件对 IPv6 网络层的实现及功能限制。6LoWPAN 的参考模型如下 图 2.5 所示。 应用层 传输层 IPv6 网络层 6LowPan 适配层 IEEE 802.15.4 层 IEEE 802.15.4 物理层 南京邮电大学 2014 届本科生毕业设计（论文） - 12 - 图 2.5 6LoWPAN 的参考模型 6LowPan 适配层是 IPv6 网络层和 IEEE 802.15.4MAC 层之间的一个中间 层，其向上提供 IPv6 网络层对 IEEE 802.15.4 媒介访问层的服务支持，并且向 下则控制 LowPan 网络的设计构建、网络拓扑以及 MAC 层的路由机制。 6LowPan 有如下的部分基本功能，如对链路层数据的分裂割片和重新组装、头 部冗余信息的压缩、组播功能支持、网络拓扑构建和地址分配等均是在 6LowPan 适配层实现的。 2.6. 6LowPan 的应用领域及前景 随着 LRWPAN 的飞速发展及下一代互联网技术的日益普及，无线传感 器网络的普及以及大规模商业应用，基于 IEEE 802154 的嵌入式 IPv6 技 术以其得天独厚的特点和优势，使人们通过互联网实现对大规模传感器网络的 控制和应用从天方夜谭成为可能，作为短距离、低速率、低功耗的无线个域网 领域的新兴技术。6LowPan 以其廉价、便捷、实用等特点，向人们展示了广阔 的市场前景。凡是要求设备具有价格低、体积小、省电、可密集分布等特征， 而不要求设备具有很高的传输率的应用，都可以应用 6LowPan 技术实现。比 如：建筑物状态监控、空间探索等方面。因此，6LowPan 技术的普及，必将给 人们的工作、生活带来极大的便利。6LowPan 技术能应用于很多个领域： (一)设施管理、楼宇自动化和智能家居：利用 6LowPan 技术，使基础设备、 大厦楼宇、室内家居能进行智能化、程序化管理，让人们的生活更加舒适、便 捷、安全、有效和高效、快速以及节能。 (二)医疗保健：无线传感器网络在医疗技术研究、健康保健康复领域扮演 着越来越重要且不可替代的角色和职能。利用 6LowPan 技术可高效快速地处 理必要的医疗信息从而方便接受医疗与处理。 (三)环境监测：随着人们对环境问题的密切