（通信与信息系统专业论文）优化的ipv6低速无线个域网路由协议o_lwrp设计与实现.pdf

生室撞叠 中文摘要 摘要：低速无线个域网( l r - w p a n ) 是指在个人操作空间( p e r s o n a lo p e r a t i o n s p a c e , p o s ) 内低速率、低功耗、低成本的设备之间建立无线通信、实现各种信息 交互的一种区域性联网技术，在智能家居、远程医疗和工业控制等领域具有广阔 的应用前景。将口v 6 技术应用在l r - w p a n 中，不仅可以为每一个节点提供一个 i p 地址，有利于对节点进行端对端远程控制，而且便于l r w p a n 接入i p v 6 互联 网，从而对无所不在的m 2 m ( m a c h i n et om a c h i n e ) 通信产生巨大的推动作用。 i e e e 8 0 2 1 5 4 工作组已经制订并逐步完善低速无线个域网的物理层和m a c 层 协议，以保证l r w p a n 设备之间的互联和数据传输。i e t f 成立6 l o w p a n 工作 组用于研究低速无线个域网如何支持m v 6 通信的问题，然而i p v 6l r - w p a n 路由 协议标准仍处于研究和讨论阶段，提出的个人草案并不完善。本论文依托国家自 然科学基金项目“动态变化网络路由协议理论与关键技术”，深入研究i p v 6 低速无 线个域网动态变化路由协议，综合现有路由协议优点，提出一种考虑节能、对硬 件资源要求低、收敛速度快的优化路由协议ol w r p ( o p t i m i z e dl r - w p a n r o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 。 鉴于现有i p v 6 低速无线个域网路由协议均是对a dh o e 网络路由协议a o d v 的简化和改进，文章对a o d v 进行了深入分析。在总结现有l r w p a n 路由协议 l o a d 优缺点基础上，根据“束波捕获效应”思想，创新性地提出单播广播混合 路由查询方式，采用“双扩展环搜索”技术，有效地限制了广播包扩散范围，并 利用单播查询的“穿透性”实现快速收敛，很好解决了带宽和收敛速度的矛盾。 另外，协议有效解决了路由修复过程中的单播回流问题。 对ol w r p 进行了编码实现、运行和测试，并与其他同类协议进行了对比。 实验结果表明，与其他同类协议相比，ol w r p 协议在存储资源消耗、链路修复、 带宽占用等方面具有优势。更加符合低速无线个域网需求。最后，对论文所做工 作进行总结，并对下一步工作提出展望。 关键词：低速无线个域网；i e e e 8 0 2 1 5 4 ；路由协议；a o d v ；i p v 6 分类号：t n 9 1 5 4 j e 塞窑遒盍兰亟论塞 a b s t r a c t ： l o w - r a t ew i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r ki s 缸i n t e r c o n n e c t i n gt e c h n o l o g yu p o n w h i c hl o w - r a t e , l o w - p o w e ra n dl o w - c o s td e v i c e sc o m m u n i c a t ew i t l le a c ho t h e ra n d e x c h a n g ei n f o r m a t i o n i th a sp r o m i s i n ga p p l i c a t i o na s p e c ti na r e a ss u c ha ss m a r th o m e , , t e l e m e d i c i n ea n di n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m i n t e g r a t i n gi p v 6i n t ol r _ w p a n w e 锄 a s s i g ne a c hb o d ea ni pm d r e s s ，w h i c hf a c i l i t a t e sp o i n t t o 学i n tc o n t r o la n dl r - w p a n s 觚侧st o 口v 6i n t o m c t s o i t sp r e d i c t e dt h a tt h i st e c h n o l o g yw i l lg i v eg r e n ti m p e t u st o u b i q u i t o u sm 2 m ( m a c h i n e t om a c h i n e ) c o m m u n i c a t i o n i no r d e rt oi n t e r c o n n e c tl r w p a nd e v i c e sa n da s s u r et h e q u a l i t yo f d a t a c o m m u n i c a t i o n , i e e e 8 0 2 15 4w o r k g r o u ph a se s t a b l i s h e da n di sp e r f e c t i n gt h ep h y s i c a l a n dm a cl a y e rp r o t o c 0 1 i e t fe s t a b l i s h e d6 l o w p a nw o r k g r o u pt or e s e a r c hi p v 6 c o m m u n i c a t i o ni nl r w 测b u ti p v 6l r - w p a n r o u t i n gp r o t o c o ls t a n d a r di si nt h e s t a g eo fr e s e a r c ha n dd i s c u s s i o na n dt h ep r o p o s a li si m p e r f e c ls u p p o r t e db yn a t i o n a l n a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a , t h i sp a p e rd e e p l yr e s e a r c h e d1 p v 6l r w p a n d y n a m i cr o u t i n gp r o t o c o la n dp r o p o s e da ne n e r g y - a w a r ef a s tc o n v e r g e n c er o u t i n g p r o t o c o ln a m e do _ l w r p w i t hl o wr e q u i r e m e n t so f h a r d w a r er e s o u r c e s a sa l le x i s t i n gi p v 6l r w p a nr o u t i n gp r o t o c o l sa r ei m p r o v e m e n to fa o d v , t h i s p a p e rd e e p l yr e s e a r c h e da o d v a f t e rs u m m a r i z i n gt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s o fe x i s t i n gl r - w p a nr o u t i n gp r o t o c o ll o a d ，w ep r o p o s e da l li n n o v a t i v er o u t i n g q u e r ym e c h a n i s m - - d o u b l e r i n gs e a r c h , w h i c hl i m i t e dt h er a n g eo fb r o a d c a s tp a c k e t s a n dm a d en e t w o r kf a s t - c o n v e r g a n tu t i l i z i n gt h ep e n e t r a t i n gc h a r a c t e r i s t i co f u n i c a s t i ti s ac o m p r o m i s eo fb a n d w i d t ha n dc o n v e r g e n c es p e e d m o r e o v e r , t h ep r o t o c o lr e s o l v e d t h ep r o b l e mo f u n i c a s tr e f l u xi nt h ep r o c e s so f r o u t e r e p a i r 0 一l w r p i si m p l e m e n t e d , t e s t e da n dc o m p a r e d 嘶mo t h e rs i m i l a rp r o t o c o l s 愉 e x p e r i m e n tr e s u l ts h o w st h a to l w r ph a sa d v a n t a g ei nm e m o r ys a v e , l i n kr e p a i ra n d b a n d w i d t hu s a g e 1 1 1 el a s tp a r to f t h i sp a p e rp r e s e n t st h ec o n c l u s i o na n df u t u r ew o r k k e y w o r d s ：l r - w p a n ；i e e e 8 0 2 1 5 4 ：r o u t i n gp r o t o c o l ；a o d v ；i p v 6 c l a s s n o ：t n 9 1 5 4 独剑性童暇 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：纭：坎应- 签字日期：伽一年肛月2 1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：纯j 绂汐 签字只期：7 7 年n 月乙2 日 翩签碲舸 签字同期：山年7 蝴哆日 致谢 本论文的工作是在我的导师张宏科教授的悉心指导下完成的，张宏科教授严 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。在此衷心感谢三年来 张宏科老师对我的关心和指导。 张宏科教授悉心指导我们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，在此向张宏科老师表示衷心的谢意。 张思东老师、郜帅老师、高德云老师、秦雅娟老师、周华春老师以及刘颖老 师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，牛延超博士、霍宏伟博士、任彦博士、梁玉 芬硕士、刘晨曦硕士、许广红硕士、徐晓羽硕士、邵蒙晋硕士、龚颖莹硕士、冯 威硕士等同学对我的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。 l引言 本章介绍口v 6 低速无线个域网( l o w - r a t ew i r e l 髂sp e r s o n a la r e an e t w o r k ， l r - w p a n ) 及其路由协议研究背景、国内外现状及选题意义，并概括了论文的主 要工作和组织结构。 1 1 研究背景 随着便携式产品技术的发展和应用需求的迅速增长，继无线局域i 碉( w l a n ) 之后，无线个域网( w p a n ) 技术应运而生，无线接入产业链更加完善。在网络构成 上，w p a n 位于整个网络链的末端，用于实现同一地点终端与终端问的连接。该 网络工作在个人操作环境，相互通信的装置构成一个网络，而无需任何中央管理 装置。这种专用网最重要的特性是，拓扑动态变化以适应网络节点的移动性。其 优点是：按需建网、容错、连接不受限制。 1 9 9 8 年3 月，i e e e8 0 2 1 5 - 1 - 作组成立，主要致力于研究w p a n 网络物理层 ( p h y ) 和介质访问控制层( m a c ) 标准化问题。根据数据速率、功耗以及对服 务质量要求的不同， i e e e8 0 2 1 5 工作组定义了3 种不同类型的无线个域网标准， 它们分别是传输速率高于2 0m b s 的高速无线个域网( h r w p a n ) 、传输速率lm b s 的中速无线个域网( m r w p a n ) 和传输速率比较低的低速无线个域网( l r - w p a n ) 。 l r - w p a n 适用于工业监测、办公和家庭自动化以及农作物监测等场合。在工 业应用方面，主要用于建立传感器网络、紧急状况监测、机器检测：在办公和家 庭自动化方面，用于提供无线办公解决方案，建立类似传感器的疲劳程度监测系 统，用无线替代有线连接v c r ( 盒式磁带像机) 、p c 外设、游戏机、安全系统、 照明和空调系统。在农作物监测方面，用于建立数千个l r w p a n 装置构成的网 状网，收集土地信息和气象信息，农民利用这些信息可获取较高的农作物产量。 2 0 0 3 年7 月，i e e e 为l r - w p a n 推出了i e e e 8 0 2 1 5 4 i l 】技术标准，专注于低 速率、低功耗的短距离无线连接，最高速率仅为2 5 0 k b p s ，电池寿命长达6 个月到 2 年，是一种经济高效、低复杂度、低功耗、低数据速率和低成本的无线网络技术。 然而，i e e e 并没有为l r - w p a n 制定路由层协议标准，各商业和研究组织在 i e e e 8 0 2 1 5 4 基础上分别发展自己的协议体系，著名的有z i g b e e 9 2 】和6 l o w p a n e 3 i 。 z i g a e e 是一种基于i e e e 8 0 2 1 5 4 的低功耗、低传输速率、架构简单的短距离 无线通信技术，它在自动控制领域的应用正越来越引起业界的瞩目，目前z i g o e e 联盟已经拥有i n v e n s y s 、三菱电子、摩托罗拉和飞利浦等1 5 0 多家国际知名的成 j e 塞蛮夔太堂亟主j 金塞 员企业，并在迅速发展壮大【4 l 。z i g b e e 传输距离为数十米，使用频段为免费的 2 4 g h z 与9 0 0 m h z 频段，传输速率为2 0 k b p s 至2 5 0 k b p s 。相对于现有的各种无线 通信技术，z i g b e e 技术的低功耗、低速率是最适合作为传感器网络的标准，这将 成为未来z i g b e e 技术主要的发展方向。此外，z i g b e e 成本低、结构简单、耗电量 小等特点，使得利用z i g b e e 技术组成的网络具备省电、可靠、成本低、容量大、 安全、自愈性强等诸多优势，基于z i g b e e 技术的网状网结构在组网和选择网络路 径时更加灵活、自由。 基于z i g b e e 技术的传感器网络应用非常广泛，可以帮助人们更好地实现生活 梦想。z i g b e e 技术应用在数字家庭中，可使人们随时了解家里的电子设备状态， 并可用于对家中病人的监控，观察病人状态是否正常以便做出反应。z i g b e e 传感 器网络用于楼字自动化可降低运营成本。如：酒店里遍布空调供暖( h v a c ) 设备， 如果在每台空调设备上都加上一个z i g a 节点，就能对这些空调系统进行实时控 制，节约能源消耗。此外，通过在手机上集成z i g b e c 芯片，可将手机作为z i g b e e 传感器网络的网关，实现对智能家庭的自动化控制、进行移动商务( 利用手机购 物) 等诸多功能【”。惟一缺憾的是，z i g b e e 只考虑了网内节点的正常通信协议，而 没有考虑网内节点与互联网的互连互通，也就是说，还无法通过i n t e m e t 实现对 z i i g b e e 网络的远程访问。 z i g b e e 的影响力如此之大，以致于人们经常将z i g b e e 和i e e e 8 0 2 1 5 4 等同起 来。事实上，i e e e 8 0 2 1 5 4 只是低速无线个域网物理层和媒体访问控制层标准，而 z j i g b e e 是建立在这一标准之上的一个完整的协议体系架构。 i e e e 8 0 2 1 5 4 给上层协议留下了足够的发展空间，除z i g b e e 之外，6 l o w p a n 标准在i e e e 8 0 2 1 5 4 之上也展示了良好的发展前景。 i e t f6 l o w p a n 工作组的任务是利用i e e e8 0 2 1 5 4 链路支持基于口的通信， 遵守开放标准以及保证与其他i p 设备的互操作性。由于l p v 6 技术【6 】逐渐成熟，将 i p v 6 应用到i e e e 8 0 2 1 5 4 低速无线个域网将是一个很重要的研究方向，同时，随 着传感器网络技术【7 】的深入发展，基于6 l o w p a n 的传感器网将是传感器网络的重 要发展方向。 为了争夺行业主动地位，z i g b e e 和6 l o w p a n 两大组织都在制定标准上花费 了大量时间，z i 【g b e e 版本不断更新，6 l o w p a n 组织也不断提出自己的草案。随着 标准的完善，标准本身更加庞大，变更和维护的成本在增加，再加上抢占市场的 压力，各组织在技术细节改进上投入精力相应减少，除非有大的技术缺陷，标准 很难有大的变更和进步。单从技术上说，z i g b 和6 l o w p a n 的路由协议都存在 许多改进的空闻。 为此，本项目受到国家自然科学基金项目“可信传感器网络路由交换理论与 2 关键技术”的资助，重点研究以i e e e8 0 2 1 5 4 作为物理层和介质访问控制层标准 的低速无线个域网路由技术。本论文是该项目的重要成果之一，主要研究低速无 线个域网的路由需求和路由方法，旨在设计和实现更加符合低速个域网的较为完 善的路由协议。 1 2 国内外研究现状 尽管z i g b e e 和6 l o w p a n 是低速无线个域网最有前途的两大技术，但是它们 在路由协议方面并没有特别的建树，两者路由协议都是在a dh o c 网络经典路由协 议a o d v 的基础上改进和简化得来的。 z i g a e e 路由器可以使用树形路由选择，即在做路由选择决策时利用树形结构 选址。有了树形路由选择，设备不必保存占用庞大内存的路由表或进行任何额外 的空中下载技术( o v e rt h ea i r ) 操作来发现路径，因此极大减小网络流量。 为了保证树形路由得以有效运行，z i g b e e 提出独有的地址块分布式算法【s 】。该 算法使得各个路由器转发数据包时只根据目的短地址的数值就可以判断出目的节 点在树中相对于自己的层次位置，从而将数据包直接转发给自己的父或子节点。 但树形路由选择遵循树形结构，而不是采取最短路径，超过一定长度的路径 会产生额外的流量，并且更有可能发生故障。特别是当拓扑动荡比较厉害的时候， 树形结构特别难维护。从本质上说，树形路由不能算是真f 意义上自组织网路由 协议，它只是建立在某种地址特殊分配方式基础上的路由选择策略。这就类似于 互联网上的划分网段，根据目的主机i p 可以判断出主机所属的网段，进而可以将 m 数据包直接发往与该网段相连的接口【9 】。z i g b e e 的树形也只是根据已经分配的 地址来判断目地节点在哪个方向上，如果通过层次关系转发。可以说，短地址分 配方式是z i 曲具有创新性的地方，树形路由只是路由策略，不是路由协议。树 形路由严重依赖网络的树形地址分配和邻居关系，在网络经常发生动态变化的情 况下，网络的树形结构很难维护，树形路由也就面临巨大困难。所以说，树形路 由仅适合静态网络或者拓扑不经常变化的网络。 z i g b c e 并非完全依赖树形路由，它也有自己的路由协议，该协议属于z i g b e # 协议栈的一部分，但协议本身没有独立的命名。z i 【g b e e 必须具有m e s h 网络路由协 议，因为只有这样的协议才能优选路由并根据应用的需要查找到达目的地的最佳 路由。低速无线个域网非常关注低功耗，只有m e s h 路由才能选择出耗能最低的路 径。而且，低速无线个域网网络拓扑可能变化比较快，只有m e s h 路由才能使网络 具有良好的自愈性。 为了提高路由效率，提高自愈性，z i 班e e 算法也让路由器去发现捷径。希望 利用捷径的每一个路由器都必须保存一个( d ，n ) 表，其中d 是目的地址，而n 是通往该目的地路线上的下一跳设备的地址。在z i 【g b e e 中，借以发现捷径的简单 请求，响应协议来自一种叫做“按需距离矢量( a d h o c o n d e m a n d d i s t a n c e v e c t o r ) ” 的算法。 z i g b e e 网络安装简单，因为它们可以自动形成。此外，树形路由选择可和表 格驱动的路由选择相结合，为开发商提供了操作上的灵活性和各种性价比方案， 从而支持z i g b e e 联盟的低成本、可伸缩网络基础设施的目标。但是z i g b e e 的路由 协议并非完善，它是在a o d v 协议t 1 0 1 基础上考虑到低速无线个域网的特点进行了 简化和改进的一个协议，需要进一步的完善才能更好的符合无线个域网的需要。 例如，z i g b 中的一次路由请求会扩散到全网，如果网络规模很大，那么寻找路 由的代价过高，这对于对能耗敏感的低速个域网特别是无线传感器网来说是无法 容忍的。 6 l o w p a n 工作组一直通过对适配层的改进来解决在i e e e 8 0 2 1 5 4 之上传送 i p v 6 数据包的问题，这也是该工作组的首要问题，如果这一问题不能解决，那么 路由和应用等上层协议根本无法构建。幸运的是，该问题已经得到基本解决，而 且在动态路由协议方面，6 l o w p a n 已经提交了几个草案，如层次路由的h i l o w t 】， m e s h 路由协议d y m o 1 0 w 1 2 】和l o a d l l 3 l 。h i l o w 协议与z i g b e e 的树形路由有相 似之处，d y m o 1 0 w 是在i e t f 移动a dh o e 网络工作组( m a n e t ) 提出的协议 d y m o 协议【1 4 1 的基础上为6 l o w p a n 定制的一种协议，l o a d 协议是在经典a d h o e 网络按需路由协议a o d v 基础上的简化和改进协议。可以看出，6 l o w p a n 的 m e s h 路由都借鉴了m a n e t 的路由协议，因为从本质上说，低速个域网是自组织 网的一种。 目前6 l o w p a n2 e 作组正处于草案征集阶段，许多组织和个人已经提交了有 价值草案。但由于6 l o w p a n 是一个新兴网络技术，并没有多少公司投入大量精 力进行产品研发，大多数只是处于理论研究阶段，因此这些草案在技术细节和可 实现性方面存在不少缺陷，其中包括m e s h 路由协议d y m o - i o w 和l o a d 协议。 北京交通大学下一代互联网研究中心从2 0 0 3 年就开始紧密跟踪和研究低速无 线个域网的发展，并把基于i p v 6 的无线传感器网络作为实际应用的研究方向。2 0 0 5 年1 2 月2 7 日，由北京交通大学下一代互联网研究中心研制的我国首套具有完全 自主知识产权的新一代传感器网络核心设备b j t ui p v 6 微型传感路由器，在京通 过教育部组织的科技成果鉴定。专家鉴定委员会认为，该项目在口v 6 传感器网络 技术的核心领域，研制成具有自主知识产权的口v 6 微型传感路由器，达到国际先 进水平。此路由器拥有完善的口v 6 低速无线个域网路由协议ol w r p ，该协议自 愈性强、能耗低、带宽占用低，有很强的技术优势。 4 1 3 选题意义 低速无线个域网的节点一般基于电池供电，目前的技术水平下电池容量难以 有大幅度提高，而且在许多应用中，更换电池是不现实的，因此必须尽量减少节 点的能量消耗，有效延长节点的工作时间和网络的整体寿命。根据网络的特点， 设计新的协议、算法和节能策略来减少网络的能耗是当前低速无线个域网最重要 的研究内容之一，其中设计优化的路由协议是减少能量消耗的重要手段。 目前几乎所有的低速无线个域网路由协议都并不完善，在网络自愈性、节能、 减少路由开销等方面都存在改进空间，特别是在节能方面，现有的路由协议都不 能很好的适应低速无线个域网的需求。 路由协议是网络通信的核心技术，没有良好路由协议的支撑，低速无线个域 网稳定性很难保证，整体节能也难以实现，其低功耗市场竞争优势便不复存在。 因此设计符合低速无线个域网的高效低功耗路由协议是低速无线个域网亟待解决 的问题，是关系到低速无线个域网能否在众多个域网标准中立足的核心关键技术。 本文根据低速无线个域网需求，设计并实现了一种优化的路由协议。哪。 该协议根据“束波捕获效应”思想，创新性地提出单播广播混合路由寻址方式， 采用“双扩展环搜索”技术，有效的限制了广播包的扩散范围，并利用单播查询 的“穿透性”实现快速收敛，很好解决了带宽和收敛速度的矛盾，即使在网络拓 扑经常变动的情况下也能够通过少量通信开销发现新的路由，而且协议通过对报 文的针对性设计，能够优先选择耗能最低的路径，从而延长整个网络的生命周期， 对低速无线个域网路由协议的发展和实施具有一定的指导意义。 1 4 主要工作及论文结构 本论文深入分析了a dh o c 网络路由协议a o d v ，讨论了低速无线个域网的网 络路由协议设计过程可以借鉴的优点和需要摒弃的缺点，在分析现有m v 6 低速无 线个域网路由协议l o a d 的基础上，提出更加适合低速个域网的高效路由协议 ol w r p ，并对其进行具体的编码实现，通过在实验环境中运行和测试，验证了该 协议的优越性，所做工作主要包括： 研究a dh o e 网络按需路由协议，分析a o d v 协议规范r f c 3 5 6 1 ，对其中低 速无线个域网可以借鉴的重要思想和应该放弃的特点做了重点讨论。之后，详细 分析现有i p v 6 低速无线个域网路由协议l o a d ，该协议具有代表性，因此讨论协 议技术细节上的优势和劣势对新协议的设计具有重要的参考价值。 在前述工作的基础上，提出了新的适合低速无线个域网的路由协议ol w r p , j e 宝銮通太堂亟主j 金塞 并进行代码实现。本文对新协议的优势进行客观描述，同时对新协议带来的问题 进行了深入分析，并提出详细的解决方案。 通过实验对ol w r p 进行了功能性验证，并且对运行效果进行了测试与性能 评估。 分析当前工作的不完善之处，为下一步工作指出方向。 论文的主要结构为： 第一章：引言，综述论文的研究背景、国内外研究现状和选题意义，列出论 文主要贡献和组织结构。 第二章：介绍低速无线个域网标准，对i e e e 8 0 2 1 5 4 下路由协议面临的机遇 和挑战提出看法；研究a dh o c 网络路由协议，指出低速无线个域网 可以借鉴的优点和需要摒弃的缺点；分析i p v 6 低速无线个域网路由 协议l o a d ，对新协议设计提出看法。 第三章：根据前述分析，设计更加适合i p v 6 低速无线个域网的路由协议 ol w r p ，给出了路由协议模型、报文格式以及算法实现流程，对新 协议存在的问题进行了深入分析。 第四章：实验与性能评测，通过具体的实验及测试，验证了ol w r p 在存储 资源消耗、链路修复、带宽占用等方面的优势。 第五章：结论，总结本论文所做的工作，针对现有方案的不完善之处，提出 了对下一步工作的展望。 6 低速玉线仝撼圆蹬由擅苤班究 2 低速无线个域网路由技术研究 本章分为以下三个部分： ( 1 ) 对i p v 6 低速无线个域网标准i e e e 8 0 2 1 5 4 协议规范进行简要介绍，分 析该物理层和m a c 协议规范对路由协议设计带来的机遇和挑战。 ( 2 ) 对a o d v 协议进行详细分析，从路由协议设计角度指出a o d v 存在的 问题以及低速无线个域网路由协议需要考虑改进的方面。 ( 3 ) 对具有代表性的m v 6 低速无线个域网路由协议l o a d 进行分析，以指 导新协议ol w r p 的设计。 2 1 低速无线个域网标准 2 1 1i e e e 8 0 2 1 5 4 基本描述 i e e e8 0 2 1 5 4 工作组致力于定义一种低成本的、便携的、适用于固定或移动 设备的无线网络接入技术。该组织定义的低复杂度、低功耗、低成本的无线m a c 和p h y 标准，体系结构如图2 - 1 所示。 图2 - 1l r - w p a n 体系结构 f i g2 - 1l r - w p a na r c h i t e ：c t u r e p h y 子层包含射频( r f ) 模块和物理层控制机制；m a c 子层提供物理信道 的访问控制方式和帧的封装。在m a c 子层上面，提供与上层的接口，可以直接与 网络层连接，或者通过中间子层s s c s & l l c 实现连接。 7 j 立銮通友堂亟土监塞 i e e e8 0 2 1 5 4 定义了两个物理层标准，分别是2 4g h z 物理层和8 6 8 9 1 5m h z 物理层。两个物理层都基于直接序歹 j 扩频( d s s s ) ，使用相同的物理层数据包格式， 区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。2 4g h z 频段为全球统 一的无须申请的i s m 频段，采用的是o q p s k 调制，8 6 8m h z 是欧洲的i s m 频段， 9 1 5m h z 是美国的i s m 频段，这两个频段采用b p s k 调制。标准定义三个频段共 分配2 7 个信道，其中8 6 8 m h z 分配一个信道，9 1 5 m h z 分配1 0 个信道，2 4 g h z 分配了1 6 个信道。 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的主要特征有【1 5 1 ： 1 ) 低速率：数据传输率低，对于2 4 g h z 、8 6 8 m h z 、9 1 5 m h z 三个频段，分 别对应2 5 0k b p s 、2 0k b p s 和4 0 k b p s 三种速率。 2 ) 低功耗：在低耗电待机模式下可使用2 节5 号干电池驱动6 个月以上。 3 ) 低成本：一般采用硬件资源非常有限的嵌入式设备或者更小的特殊设备。 4 ) 短距离：设备信号覆盖范围有限，一般为1 0 m 一1 0 0 m 。 5 ) 低复杂度：比现有的标准低。 6 ) 短帧长：最大帧长度为1 2 7 字节。 7 ) 多拓扑：网络拓扑结构丰富，支持星型拓扑和点对点拓扑两种基本拓扑结 构，并支持两种基本拓扑的混合组网。 8 ) 多设备类型：一般称为全功能设备( f u l lf u n c t i o nd e v i c e ，f f d ) 和有限功 能( r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e ，r f d ) 设备。f f d 功能比较强大，适合星型 拓扑和点对点拓扑，可与r f d 和f f d 直接通信；r f d 用于星型拓扑，只 能和f f d 直接通信，功能简单，只需极少的计算和存储资源。 9 ) 多模式：m a c 层，定义了两种传输模式，一种是信标使能模式( 即同步 模式，b e a c o n - e n a b l e dm o d e ) ，另外一种是信标不使能模式( 即非同步模式， n o n - b e a c o n - e n a b l e dm o d e ) 。信标不使能模式简单来说就是直接使用 c s m a c a 的机制，避免传输碰撞，而信标使能模式则通过超帧结构进行 同步，采用基于时隙的c s m a c a 机制，使不工作的设备进入低功耗的睡 眠状态，有效地节约电能。 2 1 2 物理层规范和原语 物理层的主要功能是通过射频固件以及射频硬件，在m a c 层与物理射频信道 之间提供接口。物理层主要完成如下任务： 1 ) 无线收发机的激活与关闭 2 ) 当前信道的能量检测 8 低速无线仝撼圈蹬由拉苤班究 3 ) 接收数据包的链路质量标识 4 ) 清除信道标志 5 ) 信道频率选择 6 ) 数据发送和接收 i e e e8 0 2 1 5 4 规定物理层包格式如2 - 2 所示。 o c t e t s ：4 llv a r i a b l e f r a m el e n g t hr e s e r v e d p r e a m b l es f dp s d u ( 7 b i t )( 1 b i t ) p h y s h rp h r p a y l o a d 图2 - 2 p h y 层数据包格式 f i g2 - 2f o r m a to f p p d u 表2 1 分别说明图中各字段含义： 表2 - 1p h y 层数据包字段说明 1 h b2 if i l e d so f p p d u 字段说明 p r e a m b l e同步码，保证符号同步，3 2 位 s f d帧开始分隔符，指示同步字段的结束和包数据的开始，8 位 f r a m el e n g t h帧汝度，指示p s d u ( 物理层服务数据单元) 的度，7 位 p s d u 物理层的载荷，包括m a c 子层的帧，k 度值不定，小t - 1 2 7 个字节 物理层是m a c 子层和物理射频之间的接口，包括一个物理层管理实体( p h y l a y e rm a n a g e m e n te n t i t y ，p l m e ) ，可以提供层管理服务接口，用来调用层管理函 数。p l m e 维护有一个p h y 层的管理对象数据库，称为物理层p i b 。 物理层包括两种服务类型：p h y 数据服务和p h y 管理服务。 p h y 数据服务用于在p h y 和m a c 之间传输m a c 协议数据单元( m a c p r o t o c o ld a t au n i t ，m p d u ) ，使用p d d a t a 完成服务。 1 ) p d - d a t a r e q u e s t ：m a c 层请求向本地p h y 层传输m p d u 。 2 ) p d d a t a c o n f i r m ：p h y 层向本地m a c 层发送其对于请求命令的响应。 3 ) p d d a t a i n d i c a t i o n ：p h y 层接收到m p d u 后，向本地m a c 层做出指示。 p h y 管理服务用于管理命令的传输，该服务包括五种原语：p l m e - c c a 、 p l m e s e t 、p l m e - g e t 、p l m e t r x s 姗、p l m e e d 。如表2 2 所示。 9 j e 塞奎煎太堂亟：淦塞 表2 - 2 p h y 管理服务表 t a b2 - 2p l m e - s a p p r i m i t i v e s 名称作用 p u 咂c c a 对信道进行评估 p l 】蛐e s e r r 设置指定p i b 属性 p u 咂母l r r 查找指定p i b 属性 p 【 匝t r ) 【- s 1 = c 虹e 传输使能状态 p l m e e d 能量检测 2 1 3m a c 规范和原语 m a c 层提供了特定服务汇聚子层与物理层之间的接口，它处理所有接入到物 理射频信道的工作，并负责以下任务： 1 ) 当设备为协调者时，触发信标帧 2 ) 在同步网络中完成网络的同步 3 ) 支持个域网的关联与解关联 4 ) 支持设备安全 5 ) 支持c s m a c a 无线信道侦听访问机制 6 ) 处理和维护g t s 机制 7 ) 提供对等实体问可靠的链路连接 o c t e t s ：2lo 陀 眈8 o ，2o ? 2 sv a r i a b l e 2 d e s t n a t i o n d e s t j n a t i o n s o u r c 4 ： s o u r t ：e f r a r f t e s e q u e n c e p a np a n a d d r e s sf r a n l e i d e n t i f i e r a d d t e s s i d e n t i f i e ff c s c o n t r o ln u m b e r p a y l o a d a d d r e s s i n gf i e l d s m a c h 呶m f r p a y l o a d 图2 - 3 m a c 一般帧格式 f i g2 - 3f o r m a to f g e n e r a lm a cf r a m e i e e e8 0 2 1 5 4 规定m a c 帧格式如图2 3 所示，表2 3 对各个字段进行了说明。 每种m a c 帧均由三个基本部分组成： 1 ) m h r ( m a ch e a d e r ，m a c 头部) ，包括帧控制、序列号和寻址字段 2 ) m a cp a y l o a d ( m a c 净荷) ，长度不定，包括帧的具体信息 1 0 低丝玉线全域睡瑾由撞苤研究 3 ) m f r ( m a cf o o t e r ，m a c 尾部) ，包含f c s 表2 - 3 m a c 帧字段说明 t a b2 - 3f i e l d so f m a cf r a m e 字段说明 f r a m ec o n t r o l 帧控制，定义帧类型、地址字段和其它控制标记 s e q u e n c en u m b e r序列号，唯一标识帧的序列号 d e s t i n a t i o n 洲i d e n t i f i e r 目的p a ni d 1 6 位，唯一表示帧的接收节点 d e s t i n a t i o na d d r e s s 目的地址，1 6 位短地址或者6 4 位扩展地址 s o u r c e 蝴i d e n t i f i e r源p a ni d ，1 6 位，唯一表示帧的发送节点 s o u r c ea d d r 源地址，1 6 位短地址交者6 4 位扩展地址 f r a m ep a y l o a d 帧载荷，长度不定，不同类型帧内容不同 f c s 1 6 位i t u - t c r c ，根据m h r 和m a cp a y l o a d 计算校验和 i e e e8 0 2 1 5 4 定义了四种帧格式，b e a c o n 帧、数据帧、确认帧和m a c 命令 帧，都符合殷帧格式。b e a c o n 帧的主要功能是在网络中的同步作用；数据帧用 来传输数据：确认帧用来对命令进行确认回复；m a c 命令帧用来表示m a c 层的 各种命令。 m a c 子层包含管理实体( m a cl a y e rm a n a g e m e n te n t i t y ，m l m e ) ，当上层 需要m a c 提供服务时，由m l m e 调用相应的服务接口。m a c 子层的所有状态参 数构成一个数据库，称为m a cp i b ( p a ni n f o r m a t i o nb a s e ，p a n 信息库) ，山m l m e 统一管理。 m a c 层提供两种服务类型：m a c 数据服务和m a c 管理服务。数据服务包括 m c p s d a t a 和m c p s p u r g e 两种，其功能如表2 - 4 所示。 表2 4 m a c 数据服务表 t a b2 - 4m c p s - s a p p r i m i t i v e s 名称功能 m c p s d a t a 提供数据传输服务 m c p s p u r g e 数据传输队列管理 m a c 子层具有丰富的服务类型和参数类型，因此，管理功能十分重要。m a c 子层包括多种管理服务，各服务作用如表2 5 所示。 表2 - 5 m a c 管理服务表 t a b2 - 5s u m n m r yo f t h ep r i m i t i v e sa c a c e $ s e dt h r o u g ht h em l m e - s a p 名称功能 m l m e a s s o c 髓 加入网络 匝m e - d i s a s s o c i 皿 离开网络 知訇b - b e a c o n - n a