（通信与信息系统专业论文）无线传感器网络6lowpan路由协议设计与实现.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e 呐o r k s ，w s n s ) 是由大量的具有信息采 集、处理和传输功能并且资源受限的传感器节点组成，通过自组织的方式形成特 定应用的网络。6 l o w p ：a n 工作组致力于研究如何使m v 6 协议运行在i e e e8 0 2 1 5 4 设备之上。同时提出适配层技术、报头压缩等技术以解决两种协议不相兼容的问 题。此外针对6 l o w p a n 路由协议，工作组提出两种架构思想，m e s hu n d e r 和 r o u t eo v e r 。m e s hu n d e r 路由工作在数据链路层，便于实现，适合小规模组网；然 而如何实现r o u t eo v e r 的网络层路由以支持大规模组网是亟待解决的关键问题。 论文首先深入研究6 l 0 w p a n 功能模块的技术细节，包括超长数据包分片功 能、数据包m e s hu n d e r 转发功能和高层数据类型适配功能以及p v 6 和u d p 报 头压缩技术，并对其进行工程实现。然后从存储开销、能耗开销、丢包率和平均 时延四个方面对6 l o w w 州功能模块进行性能分析。在实现6 l o w 心功能模块和 深入分析6 l o w p a n 现有路由协议( 包括l o a d 、d o 1 0 w 、h i l o w 以及，l ) 的基础上，并综合评判m e s hu n d e r 和r o u t eo v 盯路由协议的优缺点之后，提出一 种基于地址编制的i p v 6 无线传感器网络r o u t eo v e r 路由协议( i pb a s e dm i c r o s e n s o rr o u t i n gp r o t o c o l ，i p m s r p ) ，详细描述了其设计的主要思想、报文格式以及 路由拓扑建立过程，并给出了关键机制的方案设计和核心算法的实现过程。 随后，在北京交通大学下一代互联网互联设备国家工程实验室自主研发的微型 传感路由器m s r 6 6 8 0 上成功实现p m s i 冲路由协议，并在室内小型网络规模下对 其进行功能验证，通过s n i 脑无线探嗅器抓包验证了微型传感路由器加入网络过 程、路由拓扑建立过程、数据包在网络层转发过程以及出现链路故障后路由协议 的修复机制。根据测试结果说明i p m s r p 路由协议能够在简单网络环境下正常稳 定运行。最后，对本文的工作进行总结，并指出下一步需要改进的工作。 关键词：6 l o w p a n ；r 0 u t eo v e r ；路由协议；无线传感器网络 分类号：t n 9 15 0 4 ；1 p 2 1 2 0 9 a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i r c l e s ss e n s o rn 咖o r k s ( w s n s ) ，a r ec o m p o s do fal a 玛e 锄o u n to f r e s o u r c e - c o n s 仃a i l l c ds e n s o r1 1 0 d e s ，w kc _ hh a v em en m c t i o n so fi n f o m a t i o nc o u e c t i o n ， p r o c e s s i n ga i l d 衄l s m i s s i o n a 1 1 廿l e s en o d e sf o ma i la p p l i c a t i o n - s p e c i 6 cn e 俩o r kb y t l l ew a yo fs e l o r g 乏u l i z a t i o n 6 l o w p an w o d d n gg r o l l pm a l ( e sm ee 筋r t st od e v e l 叩 w a y st om a k em ei p v 6p r o t o c o lr u l 】血n go nt o po fi e e e8 0 2 15 4d e v i c e s a 1 s oi t s u g g e s t sa d a p t a t i o nl a y e rt e c h l l 0 1 0 9 ya n dh e a d e rc o m p r e s s i o nt e c h n o l o g yt os 0 1 v em e p r o b l c i i lt l l a tt l l et 、) l r op r o t o c o l sa r en o tc o m p a t i b l e h 1a d d i t i o n ，f o rm ea r c m t e c t u r e so f 6 l o w r p ：a nr o u t i n gp r o t o c o l ，m ew o r k i n gg r o u pp r o p o s e sc w oi d e 勰，m e s hu n d e r 觚d r o u t eo v e lm e s hu n d e rr o u t i n gp r o c e s si sf i l l i s h e di i lm ed a t al i n kl a y e r ，w 1 1 i c hi sj u s t as i m p l ep a c k e tf o 刑a r d i n gm e c h a n n i s ma ts e c o n df l o o r ，0 1 1 1 ys u i t d b l ef o rs m a l ls c a l e s e n s o rn e 呐o r k s w 1 1 i l e ，h o wt oi l n p l e i l l e n tt l l er o u t eo v e rr o u t i n ga tm en e 觚o r kl a y e r t os u p p o r tl a 曙es c a l es e n s o rn e 觚o r k si sak e yq u e s t i o ni nr e c e n ty e a r s 1 1 1t l l i sp a p e r ，f i r s t l y ，t 1 1 et e c h n i c a ld e t a i l so f6 l o w p a nm o d u l e sw e r ed e 印i y r e s e a r c h e d ，i n c l u d i n gt h el o n g p a c k e t行a g m e n t a t i o n 向n c t i o n ，p a c k e tf o r w 莉i n g m e c h a n i s mo fm e s hu n d e ra i l da d a p a t a t i o nf o rm eh i 曲- l e v e l l a y e r sd a t at y p e w h a t s m o r e ，i p v 6a 1 1 du d ph e a d e rc o m p r e s s i o nt e d m i q u e sa r ea l s or e s e 锄c h e d a r e rt h a tw e i m p l e i l l e n tt h ep r o t o c o la 1 1 da n a l y z e dm ep e r f b m l a i l c eo ft 1 1 e 如n c t i o n a lm o d u l e s 肋m s t o r a g eo v 砷e a d ，e n e r 鲥c o l l s u n l p t i o no v 曲e a d ，p a c k e tl o s sr a t e 柚da v e m g ed e la y f u r c h e r l o r e ，w ea i l a l y z et h ee x i s t i n gr o u t i n gp r o t o c o l s ，s u c ha sl o a d ，d y m o l o w ， h i l o wa 1 1 di ol b a s e do na l lm e s ew o r k sa b o v e ，w ep r o p o s ea i lp b a s e d1 1 1 i c r 0s e n s o r r o u t i n gp r o t o c o l ( i p m s r p ) f o ri p v 6w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r s ，a i l dd e s c r i b e l em a i n i d e a so fi t sd e s i 朗，m e s s a g ef i o n i l a t 锄dr o u t i n gt o p o l o g yb u i l d i n gp r o c e s si nd e t a i l s u b s e q u e n t l mi p m s i 冲i si m p l 锄e n t e di nm i c r os e n s o rn o d em s i 冲6 6 8 0 ，w k c hi s ap l a t f - o md e s i 印e db yo u rl a b t h e 缸l c t i o n so fi p m s i 冲a r ev 嘶6 e da 1 1 da 1 1 a l y z e db y b u i l d i n ga j li n d o o rt e s te n v i r o n m e n t w ev 谢母t h ep r o c e s so f j o i n i n gi nan e t w o r k ，t h e 、 r o u t i n gt o p 0 1 0 9 yb u i l d i n gp r o c e s s ，m ep a c k e tf o 州a r d i n gp r o c e s si nt h en e t w o r kl a y e r a 1 1 dt 1 1 er o u t i n gr e p a i rm e c h a n i s m t h er e s u l t si n d i c a t ei p m s r pr o u t i n gp r o t o c o lc a i lb e n o n n a l l ya 1 1 ds t a b l e l yo p e r a t e di nas i m p l en e t 、) l ，o r ke n v i r o l l i i l e n t a t1 a s tw es 硼 1 1 1 1 a r y t h et h e s i sa n d 百v eo u tt l l ew o r ki nm e 允t l l r e k e y w o r d s ：6 l o w p a n ；r o u t eo v e r ；r o u t i n gp r o t o c o l ；w s n s c l a s s n o ：t n 9 15 0 4 ：t p 2 1 2 0 9 v l l 致谢 本论文的工作是在我的导师周华春教授的悉心指导下完成的，周华春教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 周华春老师对我的关心和指导。 高德云教授和秦亚娟教授悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和 生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向高德云老师表示衷心的谢意。 梁露露博士、张琳娟博士和郑涛博士对于我的科研工作和论文都提出了许多 的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，崔英、赵旭、元男、朱琳、王建国等同学对 我论文中的路由协议研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人和朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 绪论 1 绪论 本章首先概述本文所做工作的研究背景，然后介绍无线传感器网络( w i r e l e s s s e n s o rn e 咐o r k s ，w s n s ) 及其路由协议的国内外研究现状，之后论述本文的选题 意义与目的，最后概括论文的主要工作及结构。 1 1 研究背景 物联网【l j 是指依据现实社会以及个人的需求，结合传感器技术、互联网技术、 无线通信技术实现人与人、人与客观实物、客观实物与客观实物之间的信息采集、 传输、感知、利用、控制、存储等服务，具有很强的环境感知能力和适应能力， 可以为人类社会提供广泛的、全面的、及时的信息服务和应用。物体与物体之间 将能够自主的交互信息，人在网络互联中不再是必须的要素。随着物联网技术的 发展，它已经被公认为是世界信息产业的又一次浪潮。 无线传感器网络【2 】是物联网感知延伸层最重要的技术之一。现有无线传感器网 络的组网技术主要包括两种，一种是非口技术，如z i g b e e 协议栈；另一种是口 技术，如u i p v 6 协议栈。采用口技术有助于实现端到端的部署和管理，无需协议 转换即可实现无线传感器与现有i p 网络的互联互通。在物联网网络环境下，实现 感知终端的“物物互联”，每个“物”都要求有自己的标签，将需要大量的i p 地址 资源。然而，现有的i p v 4 地址资源空间耗竭，无法提供更多的地址，i p v 6 由于其 巨大的地址资源成为无线传感器网络组网的首选技术。此外，i p v 6 的即插即用、 安全性、服务质量、移动性等方面的特性使得p v 6 技术除满足物联网巨大地址需 求之外，也能更加有效的实现物联网各种智能终端的互联。 i p v 6 无线传感器网络【3 】是一种新兴的网络形态，它把i p v 6 技术融入无线传感 器网络，采用分层的网络体系结构和层次化的开发构建模型，在解决无线传感器 网络与其他现有网络( 例如互联网) 互联互通的同时，还解决了传统意义上无线 传感器网络的一些缺陷和不足。例如需要大量的地址资源实现全球统一管理、需 要高层安全机制的支撑、需要较为完善的网络管理协议实现网络管理和故障诊断。 将i p v 6 技术应用在无线传感器网络中有以下优点： 1 节约开发及应用成本。可以借鉴使用已有成熟的i p v 6 互联网技术及其网络 基础设施，实现基于i p 的传感网络应用，能够大大减少开发成本和应用 成本。 2 不受知识产权保护的制约。口v 6 协议是由i e t f 标准化的开放协议，i p 网 北京交通大学硕士学位论文 络的普遍性使得i p v 6 组网技术相对其他专用或新型组网技术更容易被人 们接受。 3 可以与现有互联网实现无缝隙通信。i p v 6 无线传感器网络在网络层及以上 采用与互联网相同的协议及i p 技术。因此i p v 6 无线传感器网络可以很容 易实现与现有口网络的互联互通。 4 应用前景广阔。口v 6 技术与传感技术的结合将会使i p v 6 无线传感器网络 在安全监控、农业、医疗、智能交通等领域有广泛的应用。 5 良好的可扩展性。口v 6 协议能够支持巨大的地址空问，采用分层的地址结 构能够支持较大的网络规模，特别适合无线传感器网络的大规模应用。 此外，口v 6 协议的健壮性、灵活性以及协议分层的理念架构，使其能够支持 几乎所有的应用类型，包括远程设备控制等低速率、高可靠的应用，紧急信息传 输等延迟敏感的应用，以及文件分发等大量数据传输的应用等。因此，将i p v 6 技 术应用到无线传感器网络是当前物联网研究的一个热点。 1 2 国内外研究现状 1 2 1无线传感器网络国内外研究状况 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t 、) l ，o r k s ，w s n s ) 是由大量的具有信息采集、 处理和传输功能并且资源受限的传感器节点组成，通过自组织的方式形成特定应 用的网络p j 。随着无线通信技术、网络技术以及微电子技术的快速发展，无线传感 器网络已成为推动社会信息化的重要技术之一，图1 1 为一个典型的无线传感器 网络结构图。传感器网络节点设备具有处理能力有限、存储资源不足、能量受限 等特点。传感器网络节点自组织形成m e s h 网络，并将自己采集到的信息发送给 f f d 设备，f f d 设备通过传感器网关与i n t e n l e t 或其他网络互联，远程监控设备可 以通过连接到互联网或其他专用网络实现对传感器网络的监视和控制。 + 无线链路 图1 1 典型无线传感器网络结构 f i g u r e1 1 聊i c a la r c h i t e c t u r eo f w s n s 各 绪论 然而在无线传感器网络研究应用中，协议栈的设计直接决定着网络的互联方 式及通信性能，因而受到各研究机构的广泛重视。现有传感器网络协议栈可分为 两类：一类是基于i p 的协议栈设计，另一类是非基于i p 的协议栈设计。 基于非口的协议栈 在非基于m 的协议栈设计中，z i g b e e 协议和s e i l s o r - n e t 协议因各自的特点在 一定范围内得到了广泛的应用。 z i g b e e 是由z i g b e e 联盟【5 j 提出的低能耗、低功率、高可靠的无线网络标准。 它在i e e e8 0 2 1 5 4 物理层和m a c 层协议的基础上由z i g b e e 联盟制定了从网络层 到应用层的上层协议栈。其网络体系结构由i e e e8 0 2 1 5 4 物理层、i e e e8 0 2 1 5 4 凇c 层、网络层、应用支持子层以及应用层构成。z i g b e e 网络层协议由网络管理、 路由管理、网络消息代理、网络安全管理等部分组成，完成网络初始化，网络地 址的管理与分配，添加移除网络设备，路由发现以及网络安全等功能。应用层由 应用框架、z i g b e e 设备对象以及应用支持子层构成。应用支持子层为应用程序和 z i g b e e 设备模型提供数据服务。应用框架描述了在z i g b e e 协议栈内构建模型的方 法，并详细设定了一系列相关数据类型标准。而z i g b e e 设备对象则定义了网络中 设备的作用( 协调者，路由器以及终端设备) ，为设备建立安全的网络关系，并在 z i g b e e 设备模型中定义了一系列管理命令。在应用层中z i g b e e 协议栈定义了两类 应用模型。一种是公共应用模型，另一种是私有应用模型。公共应用模型是z i g b e e 联盟开发的互通应用软件，能够使不同厂商的设备进行相互通信，而私有应用模 型由各公司开发并在z i g b e e 设备上进行使用。 s e n s o r - n e t 协议栈是一种针对传感器网络设计的体系结构。该体系结构由物理 层，数据链路层，s e n s o 卜n e t 协议层和应用层组成，通过引入s e n s o r - n e t 协议层( s p ) 将整个网络结构分成了上下两部分，各层之间相对独立。s c i l s o n 叮e t 协议层在体系 结构中起到了连接应用层、网络层与数据链路层、物理层的桥梁作用。在s e n s o r - n e t 协议层的上层可支持多种网络协议，同时在s e i l s o r - n e t 协议层的下层可支持多种 链路层技术，上层协议与下层协议相互独立，互不影响。传感器网络根据不同的 应用场景可以选择相适应的网络层协议完成通信。在s e n s o r - n e t 协议栈中没有采 用固定的命名机制，一个名字可以代表一个单独的节点，也可以代表一个本地或 全局的范围，或者是一种通信结构。基于当前的协议及应用，在s e n s o r - n e t 协议 层之上存在两种网络层协议。一类是：无地址协议；另一类是基于名称的协议。 无地址协议无需涉及节点地址的概念，一般包括转发协议或泛洪协议等。而基于 名称的协议需要具有地址的节点来完成多跳通信。此类协议包括数据收集，数据 转发，数据融合以及点对点的路由协议等。 基于i p 的协议栈 3 北京交通大学硕士学位论文 尽管非基于p 的传感器网络协议栈在某些方面具有鲜明的特点，但在与基于 i p 的设备进行通信时，其先天缺陷便暴露无遗，常常需要在异构网络中间添加具 有双协议栈的网关来实现协议栈转换，大大限制了传感器网络与基于i p 的终端设 备尤其是移动设备通信的灵活性。此外，传感器网络采集的数据通常不能直接使 用，需要通过i n t e n l e t 网络发送到功能更为强大的计算机终端中进行分析，处理或 远程控制。因此基于i p 的传感器网络协议栈研究应运而生并成为协议栈研究的主 要方向，其中i e t f 的6 l o w p a n ( p v 6o v c rl o wp o w e rw i r d e s sp e r s o n a la r e a n e 俩o r k s ) 【6 】工作组为主要的研究热点。该工作组致力于解决i p v 6 在i e e e8 0 2 1 5 4 协议上的应用，包括适配层技术、报头压缩技术、m e s h 路由技术等，具体内容将 在本文第二章中讨论。下面将概述现有的基于i p 的无线传感器网络协议栈。 n a n o s t a c k 是由s e l l s i n o d e 公司主持设计的基于6 l o w p a n 的嵌入式传感器网 络软件协议栈，该协议栈包括i e e e8 0 2 15 4 物理层、i p v 66 l o w p a n 适配层、 u d p i c m p 网络传输层以及a p i 应用接口层。6 l o w p a n 协议是由i e t f 工作组提 出的应用于口v 6 低速无线个域网的通信标准。其主要解决i p v 6 分组在i e e e 8 0 2 1 5 4 低速率、低功耗的网络中进行传输。通过设计适配层，实现v 6 超长数 据包的分片和重组，以满足i e e e8 0 2 1 5 4 网络最大帧长度的限制，并且采用i p v 6 和u d p 报头压缩技术来提高数据的传输效率。 a r c hr o c ki p 6 l o w p a n 协议栈是一个完全按照i e t f 工作组6 l o w p a n 标准 制定的，能够在无线个域网环境下实现m 通信的产业化标准方案。该时c hr o c k i p 6 l o w p a n 体系结构由i e e e8 0 2 1 5 4 物理层、i e e e8 0 2 1 5 4m a c 层， i p 6 l o w p a n 层以及应用层构成。通过支持i p 协议，节点在通信时能够很自然地 使用u d p 、t c p 、i c m p 等协议机制，并且根据6 l o w p a n 标准对i p 包头进行压 缩，从数据链路层的头文件中提取相应的有用信息来实现正常的通信。为保证网 络良好的通信质量，在c hr o c k 路由协议中每个节点保留了3 条可靠的通信路由。 此外，由于在传感器节点上引入了休眠的节能机制，节点问的同步管理也尤为重 要。 u m 是由瑞典计算机科学学院( 网络嵌入式系统小组) 的a d 锄d u n k e l s 开发 的专为8 位和1 6 位的嵌入式微控制器设计的微型t c p i p 协议栈，它支持a i 冲、 s l i p 、i p 、u d p 、i c m p 、t c p 等协议，其中t c p 和i p 协议遵循r f c 标准，包括 流控制，片断分割和重传超时估算。由于u i p 协议栈只提供网络通信所必须的协议 而并非全部t c p i p 协议栈，因此代码量很少，在编译阶段只占用很少的内存。 而由a d 锄d u i l l ( e l s 等开发的1 w i p 协议栈是一套用于嵌入式系统的开放源代码 t c p i p 轻量协议栈，并且支持t c p 拥塞控制以及基于i h t 估算的快速转发和恢复 机制，包括u d p 协议，i c m p 协议以及d h c p 协议。同时u i p 协议栈支持多端口 4 绪论 模式下的i p 转发，提供回调接口提高协议栈的整体性能。在新版本中，1 w i p 协议 栈还增加了对口分片和p p p 的支持。 2 0 0 5 年1 2 月北京交通大学下一代互联网与互联设备国家工程实验室成功研制 i p v 6 无线传感器网络微型路由器，是我国第一台具有自主知识产权的传感器网络 核心设备，路由器上运行自主开发的微型i p v 6 协议栈。该协议栈支持p v 6 、 i c m p v 6 、n d 、t c p v 6 、u d p v 6 协议，同时支撑6 l o w p a n 的m e s h 路由以及报文 分片等功能。通过该设备可以实现下一代互联网中“人与物”、“物与物”之间随时随 地的通信，具有体积小、成本低、功耗低、组网简单方便等特点，这项成果解决 了传感器网络的一系列关键技术问题，部分技术达到国际领先水平。 1 2 2 无线传感器网络路由技术研究现状 无线传感器网络路由协议设计【。7 】与传统的无线a d - l l o c 网络有很多不同，无线 传感器网络路由设计的重要目标是降低节点能源损耗，提高网络生命周期；而传 统的无线a d - h o c 网络的路由协议设计的首要任务是移动条件下高服务质量的提 供。 依据无线传感器网络路由表建立过程和维护方式的不同，路由协议可以划分 为先验式路由协议、反应式路由协议和混合式路由协议。在先验式路由协议中， 每个节点都有到其他所有节点的路由拓扑信息，一旦有节点检测出网络拓扑结构 的变化，节点将发起更新消息，节点收到更新消息之后将完成对自己路由表的更 新，以保证路由表在整个网络内统一、同步。因此，通过路由表可以正确的推算 出整个网络的拓扑结构。当节点有数据需要发送的时候，通过自己的路由表可以 直接推算出数据转发路径，因此这种路由协议的时延较小，但是路由协议的开销 较大；反应式路由协议，又称为按需路由协议，是一种当需要发送数据时才查找 路由的路由算法。在这种路由协议中，节点不需要维护及时准确的路由信息，只 有源节点有数据需要发送时，才会在网络中发起路由建立过程，寻求到达目的节 点的路由，与先验式路由协议相比，反应式路由协议的开销较小，但是数据报传 送的时延较大。、 根据现有无线传感器网络路由协议实现方法的特点，路由协议通常有四种分 类方法：洪泛式路由协议，层次式路由协议，以数据为中心的路由协议，以及基 于位置信息的路由协议。 洪泛式路由协议：为了减少路由的计算开销和路由表的存储开销，洪泛式 路由协议直接将收到的数据包广播给所有的邻居节点。因此洪泛式路由协议无需 维护网络的拓扑结构和路由计算。但是洪泛式这种直接的实现方式会造成网络内 北京交通大学硕士学位论文 大量的数据冗余，尤其是当多个节点同时发送数据时会造成网络瘫痪，并且洪泛 式路由协议并没有考虑到能量的因素，会有资源盲点的问题。其代表协议有 f 1 0 0 d i n g 。 层次式路由协议：又称为分簇路由协议，通过分簇算法实现传感器节点的 层次化。簇内节点将数据都转发给簇头节点，簇头节点对接收到的数据包进行融 合和压缩处理来减少信息的传输量，最后簇头节点把聚合后的数据传送给s i l l l ( 节 点。层次路由协议具有较好的可扩展性，并且通过设计簇头选举算法可以有效的 均衡网络的能量消耗，从而延长网络的生存时间。代表协议有l e a c h 哺j 等。 以数据为中心的路由协议：协议中通过特定的描述方式对传感器网络中的 数据重新命名，因此节点在传输数据的时候不在以某个节点为中心，而是依赖于 网络中的数据，可以有效的将数据通信限制在一定范围之内。因此以数据为中心 的路由协议可以有效的减少网络中的数据冗余，免去了一些不必要的数据传输开 销，节省了网络能量，从而延长了网络的生存时间。代表协议有d i r e c t e d d i f m s i o n 【圳、r u m o rr o u t i n 毋1 u 1 等。 基于位置信息的路由协议：该协议的主要思想是通过缩减数据的传输范围 而有效减少网络的能量消耗。该思想主要利用节点的位置信息来实现，依据查询 的结果将数据转发给特定位置的需要该信息的节点。在实际的应用中，多数情况 下节点的位置信息都是固定的，因此很容易根据地理位置将节点划分为不同的区 域。正因为这种设计可以减小数据的传输距离，因此可以有效的延长网络生存时 间。代表协议有g e a r 【1 1 】、g e m 等。 本文以北京交通大学i p v 6 无线传感器网络研究成果为基础，深入研究基于 6 l o w p a n 的路由协议，具体相关协议的研究现状将在第二章中进行分析介绍。 1 3 选题意义与目的 路由协议对于无线传感器网络的性能起着至关重要的作用，路由协议的好坏 直接决定着传感器网络的鲁棒性、可扩展性和可靠性。传感器网络节点一般都由 电池供电，部署的时候节点数量巨大，同时传感器网络节点的处理以及存储能力 都很有限。然而传统的无线传感器网络路由协议一般都是为某种特定应用而设计 的，例如洪泛式路由协议的设计理念就是简单，适用于资源配置很低的传感器网 络节点，层次式路由的设计目的是为了均衡网络中节点能量的消耗从而提高网络 的整体生存时间，同样以数据为中心的路由协议和基于位置信息的路由协议都是 以节能并且提高网络生存时间为出发点，只是应用在不同的场景。 根据上文的分析不难发现，传统的传感器网络路由协议都是以简单、节能为 绪论 设计目标，对于网络的可扩展性支持较差。当网络达到一定规模以后因为无法维 护庞大的路由表项以及不能支持过多的路由跳数，路由协议将会处于瘫痪状态。 同时传统的传感网路由协议不便于整个传感器网路的维护和故障诊断，并且传统 的路由协议也使得传感器网络与现有其他网络( 例如i n t e m e t ) 的互操作性变得很 差。因此急需设计一种低功耗并且支持大规模组网，同时对节点的处理能力和存 储能力要求不高的路由协议。 6 l o w p a n 相关技术【6 j 的提出使得上述路由需求的实现成为可能，6 l o w p a n 工作组致力于解决口v 6 技术在i e e e8 0 2 1 5 4 协议上的应用，6 l 0 w p a n 取得的突 破是得到一种非常紧凑、高效的口实现，消除了以前造成各种专门标准和专有协 议的因素。通过引入口v 6 技术传感器网络可以方便的使用现有的i p 网络架构和网 络管理及故障诊断工具，因此设计一种基于6 l o w p a n 的路由协议是传感器网络 规模化的迫切需求。 本文所设计的无线传感器网络6 l 0 删路由协议使得传感器网络具有i p 化、 网络化特征。路由在i p 层进行因此m v 6 安全性高、移动性好、服务质量支持等优 势在传感器网络中得以充分利用。每个传感器网络节点都可视为一个独立的i p v 6 对等节点，可以无缝隙的与全球任何一台i p v 6 主机进行通信，真正意义上实现传 感器网络与现有网络的互联互通，为传感器网络的大规模应用铺平了道路。 1 4 论文主要工作及结构 本文以国家重大专项“基于m v 6 的无线传感器网络的网络协议研发及验证” ( n o 2 0 1 2 z x 0 3 0 0 5 0 0 3 ) 为依托，在研究现有的无线传感器网络路由协议以及 6 l o w p a n 相关技术基础之上并结合i p v 6 无线传感器网络的特点和项目的实际需 求，提出了一种基于6 l o w p a n 的低功耗p v 6 无线传感器网络三层路由协议( i p b a s e dm a c r os e l l s o rr o u t i n gp r o t o c o l ，i p m s r p ) 。通过搭建实际网络环境对路由协 议进行运行和测试。 本文所做的主要工作包括： 1 介绍6 l o 岍a n 的一些关键技术，包括适配层技术、报头压缩技术以及 m e s h 路由技术，然后对现有基于6 l o w p a n 的传感器网络路由协议进行 比较和分析，指出他们的优缺点以及适用范围。 2 研究和实现6 l o w p a n 各功能模块，包括适配层的研究和实现以及i p 报头 压缩的研究与实现。之后，通过搭建特定的网络环境对适配层功能和i p v 6 报头压缩功能进行了测试和性能分析。 3 在对前面的6 l o w p a n 技术以及相关路由协议进行深入研究和实现的基础 北京交通大学硕+ 学位论文 上，提出了本文所涉及的路由方案：一种适用于d v 6 无线传感器网络的 r o u t eo v e r 路由协议口m s r p ，并对方案进行详细描述。 4 通过实际环境对路由方案进行功能验证。 本文的主要结构为： 第一章：绪论。概述无线传感器网络及其路由技术的研究背景和国内外研究 现状，指明本文的选题意义与目的以及论文的主要工作和结构。 第二章：6 l o w p a n 及其路由技术分析。首先概述6 l 0 w p a n 的产生背景， 及其现实意义，然后深入调研了6 l o w p ：a n 路由协议的研究现状，主要分析了现 有的m e s h u n d e r 和r o u t eo v e r 路由协议。 第三章：对6 l o w p a n 功能模块进行研究和实现，并对最后结果进行测试和 性能分析，包括适配层子模块和报头压缩子模块。实现6 l o w p a n 功能模块的设 计和实现基于6 l 0 w p a n 路由协议的前提和基础，因此本章有着至关重要的作用。 第四章：路由协议口m s i u 的设计与实现；设计适合传感器网络的三层路由 协议方案，在传感器节点i p v 6 地址编址方法基础之上，设计传感器网络r o u t eo v e r 路由协议，包括报文格式设计、双表项路由机制设计、路由拓扑构建方法以及路 由更新和维护机制。 第五章：路由功能验证：搭建实际的测试平台，使用s n i 脓无线嗅探器抓包 分析i p m s r p 工作过程，验证口m s r p 路由协议的有效性。 第六章：总结与展望；总结本论文所做的工作，针对现有方案的不完善之处， 对下一步的工作进行展望。 6 l o w p a n 及其路由技术 26 l o w p a n 及其路由技术 本章主要阐述6 l o 删的产生背景、体系结构及其技术优势，然后对现有 6 l o w p a n 路由协议进行深入调研。 2 16 l o w p a n 概述 i e t f 于2 0 0 4 年1 1 月正式成立6 l o w p a n ( i p v 6o v e rl o wp o w e r w p a n ) 工作 纠6 】，将m v 6 引入以i e e e8 0 2 1 5 4 【1 2 】为底层标准的无线个域网，任务是定义如何 利用i e e e8 0 2 1 5 4 链路支持口通信的同时，遵守开放标准以及保证与其他i p 设 备的互操作性。消除对多种复杂网关( 每一种网关对应一种本地8 0 2 1 5 4 协议) 以及专用适配器和网关之间转换安全与管理程序的需要。 i e e e8 0 2 1 5 4 是用于低速无线个域网( l r w p a n ) 的物理层和媒体接入控制 层m a c 规范，没有涉及到网络层以上规范，而i e e e8 0 2 1 5 4 设备密度很大，迫 切需要实现网络化，不同设备生产商的设备要实现互联互通，需要一致的网络层 规范，i e e e 设备的特点如下【1 3 】： 1 ) 速率低：数据传输率低，对于2 4 g h z 、8 6 8 m h z 、9 15 m h z 三个频段，分 别对应2 5 0k b s 、2 0 k b s 和4 0 k b s 三种速率； 2 ) 功耗低：在低功耗待机模式下使用2 节5 号干电池供电，可以工作半年以 上： 3 ) 成本低：一般使用存储能力、处理能力很低的单片机或嵌入式设备，甚至 针对某种特殊应用的更小设备； 4 ) 距离短：网络信号覆盖较短，通常1 0 n 卜1 0 0 m ； 5 ) 复杂度低：与现有的无线标准相比较，复杂度要低很多，例如i e e e8 0 2 1 1 ； 6 ) 帧长短：m a c 层最大帧长度只有1 2 7 字节； 7 ) 拓扑多样：支持星型网络和m e s h 网络两种拓扑，并支持这两种拓扑的混 、合组网。 i p v 6 【1 4 j 是i e t f ( 互联网工程任务组，i n t 锄e te n 西n e 甜n gt a s kf o r c e ) 设计的 用于替代现行版本i p 协议( 口v 4 ) 的下一代i p 协议。是下一代互联网的核心技术 也是下一代互联网的发展趋势和必然走向，1 p v 6 技术具有如下特点【l 5 】： ( 1 ) 超大地址空间，口v 6 地址空间为1 2 8 位，可以为全球每一台设备均分配一 个全球唯一地址； ( 2 ) 使用固定格式的扩展报头。i p v 6 中不再使用变长的扩展报文格式，每种扩 9 北京交通大学硕士学位论文 展报头格式固定，因此加快了中间路由器的处理速度和转发速度； ( 3 ) 更高的安全性。i p v 6 中可以选用i p s e c 扩展报头，增强了通信的安全性； ( 4 ) 更好的q o s 支持。p v 6 报头中使用流标签和传输类型字段支持更多的服务 类型； ( 5 ) 很好的扩展性。m v 6 报头的扩展报头的设计使其具有很好的扩展性和延续 性，可以很容易的添加网络新技术具有很强的扩展性。 由此可见，i p v 6 作为下一代网络协议，具有地址资源丰富、地址自动配置、 安全性高、移动性好等优点，可以满足无线传感器网络在地址、安全、移动及与 现有网络融合等方面的需求。因此，口v 6 与i e e e 8 0 2 1 5 4 在传感器网络上的结合 有着无可比拟的应用前景。 然而，i e e e8 0 2 1 5 4 定义最大帧长度是1 2 7 字节，m a c 头部最大长度为2 5 字节，剩余的m a c 载荷最大长度为1 0 2 字节。如果使用安全模式，不同的安全算 法占用不同的字节数，比如a e s c c m 1 2 8 需要2 1 字节，a e s c c m 6 4 需要1 3 字 节，而a e s c c m 3 2 需要8 字节，这样留给上层最少只有8 1 个字节。而在i p v 6 中m a c 载荷最大为1 2 8 0 字节。i e e e8 0 2 1 5 4 帧不能封装完整的i p v 6 数据包。因 此要协调二者之间的关系，就要在网络层与m a c 层之间引入适配层完成包头压 缩、分片和重组的功斛1 6 】，其体系结构如图2 1 所示。 传感器网络应用程序 i p v 6 微型协议栈 i e e e8 0 2 1 5 4m a c i e e e5 0 2 1 5 4p h y o q p s k ( 2 5 0 k b p s ) 应用层 网络层 适配层 数据链路层 物理层 图2 16 l o w p a n 协议体系结构 f i g u r e2 - 1a r c h i t e c t u r eo f6 l o w p a n p r o t o c o l 6 l o w p a n 技术具有如下优判1 。7 】 ( 1 ) 普及性：i p 网络发展迅速且应用广泛。i p v 6 作为卞一代i p 网络的关键技 术正在快速的普及，在l r w p a n 网络中应用i p v 6 更容易得到认可； ( 2 ) 通用性：i p 网络协议栈架构已经十分成熟并实践证明可用，基于此架构进 行l r w p a n 发开可以大大简化开发流程提高效率； ( 3 ) 广阔的地址空间：l r w p a n 具规模大、有密度高等特点，i p v 6 技术正好 可以满足此需求； 6 l o w p a n 及其路由技术 ( 4 ) 无状态的自动地址配置：l r w p a n 节点启动后，可以根据6 4 位前缀加 6 4 位接口i d 的方式直接配置全球单播口v 6 地址； ( 5 ) 易接入：使用m v 6 技术可以直接与现有的i p 网络互联互通，省去了网关 设备中间转化的麻烦； ( 6 ) 易开发：目前基于口v 6 的好多技术都已经十分成熟，应用到l r w p a n 网 络中只需做些必要的精简。 显然6 l o w p a n 网络有别于传统的无线传感器网络和p 网络，其结合了两者 的优点，然而由于m e e8 0 2 1 5 4 与p v 6 协议特性的不同导致传统的传感网络路由 协议和i p 网络路由协议不能直接应用到6 l o w p a n 网络中，下文对6 l o w p a n 网 络路由协议的最新研究进展做了深入研究。 2 26 l o w p a n 路由协议 i 心c 4 9 1 9 【1 8 】中指出6 l 0 w p a n 路由协议应当满足如下几点路由需划1 9 】：( a ) 对 数据包的低开销；( b ) 对路由过程的低开销；( c ) 较小的内存占用和处理能力需求； ( d ) 支持休眠机制以减少能量消耗。根据路由协议所在协议栈中位置的不同可以分 为两类。一类是路由协议在6 l o w p a n 的适配层中进行，利用m e s h 报头进行简单 的二层转发，统称为m e s hu n d e r 路由协议。另一类是路由协议在网络层中进行， 数据包利用i p 报头在三层进行转发，统称为r o u t eo v e r 路由协议。在本小节中将 重点介绍这两种路由机制以及与之相关的现有路由协议研究进展。 2 2 1m e s hu n d e r