（计算机系统结构专业论文）6lowpan适配层与nd协议的仿真与研究.pdf

华东师范入学2 0 0 8 届研究生硕：学位论文 论文摘要 无线传感器网络已经成为当今的热门研究领域之一，而如何将i p v 6 与传感 器网络结合也成为其中的一个重要议题。i e t f 成立的6 l o w p a n 工作组，专门 从事基于i e e e8 0 2 1 5 4 标准的i p v 6 协议栈的研究工作。其中，对协议性能的研 究与评估是重要的研究内容之一。本文采用流行的网络协议模拟软件n s 2 对 6 l o w p n 进行仿真与研究。 首先，本文概述了无线传感器网络技术和i e e e8 0 2 1 5 4 标准，介绍了 6 l o w p a n 适配层的主要功能和n d 协议，并简单描述了n s 2 软件以及美国 s a m s u n g 实验室和c u n y 合作开发的n s - 28 0 2 1 5 4 模拟器的各个功能模块。 其次，讨论了如何对已有的8 0 2 1 5 4n s 2 模拟器进行扩展，实现6 l o w p a n 适配层和n d 协议扩展的仿真。详细论述了n s 2 仿真6 l o w p a n 适配层树状拓 扑和路由、分片和重组、头部压缩和解压缩、组播支持等功能与6 l o w p a nb i d 协议扩展中的路由器动态通告算法的核心算法和设计思路。 然后，利用本文实现的仿真，分析了6 l o w p a n 适配层的网络自组织能力、 树状路由的性能、头部压缩对减轻网络负载的作用、将i p v 6 组播转化为适配层 广播后对广播风暴的控制，以及路由器动态通告算法如何平衡对能量的节省和对 网络变化的敏感性两方面的要求等方面的内容。 最后，总结了本文所做的工作，依据仿真结果给出6 l o w p a n 协议性能分析 的结论，并提出展望与意见。 关键字：6 l o w p a n ，适配层，邻居发现协议，w s n ，n s 一2 华东师范人学2 0 0 8 届研究生颈 ：学位论文 a b s t r a c t t h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kh a sb e e no n eo ft h eh o tr e s e a r c h e da r e a s ，a n d h o wt oi n t e g r a t ei p v 6a n ds e n s o rn e t w o r kh a sa l s ob e e na ni m p o r t a n tt o p i c i e t fh a ss e tu paw o r kg r o u pc a l l e d6 l o w p a nt h a tw o r k so nt h er e s e a r c ho f l p v 6p r o t o c o ls u i t eb a s e do ni e e e8 0 2 15 4s t a n d a r d t h ep e r f o r m a n c es t u d y a n de v a l u a t i o nf o rt h ep r o t o c o ls u f f ei so n eo ft h ei m d o r t a mp a r t so ft h e r e s e a r c hc o n t e n t s t h i sp a p e rc h o o s e sn s 2w h i c hi sw i d e l yu s e dt os i m u l a t e n e t w o r kp r o t o c o lf o r6 l d l p a np e r f o r m a n c es i m u l a t i o na n dr e s e a r c h f i r s to fa 1 1 t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kt e c h n o l o g ya n d i e e e8 0 2 15 4s t a n d a r d i n t r o d u c e s 价em a i nf u n c t i o n so f6 l d w p a n a d a p t a t i o nk l y e ra n dn e i g h b o rd i s c o v e r y p r o t o c o l ，a n dg i v e sab r i e f d e s c r i p t i o no fn s 2a n dt h e8 0 2 1 5 4n s - 2s i m u l a t o rd e v e l o p e da tt h ej o i n t l a bo fs a m s u n ga n dt h ec i t yu n i v e r s i t yo fn e wy o r k s e c o n d mi t f o c u s e so nh o wt oi m p l e m e n tt h es i m u l a t i o nf o r6 l o w p a n a d a p t a 日o nl a y e ra n d6 l o w p a nn de x t e n t i o n so nt h eb a s eo ft h e8 0 2 1 5 4 n s - 2s i m u l a t o r , a n dp r e s e n t st h ec o r ea l g o r i t h m sa n dd e s i g n so ft h en s - 2 s i m u l a t i o nf o rt h ec l u s t e rt r e et o p o l o g yc o n s t r u c t i o na n dr o u t i n g ，a d a p t a t i o n f r a g m e n t a t i o na n dr e a s s e m b l y , h e a d e r f i e l dc o m p r e s s i o na n dd e c o m p r e s s i o n 。 a n dm u i t i c a s ts u p p o r t i n go f6 l o w p a na d a p t a t i o nl a y e r , a sw e l la st h er o u t e r d y n a m i ca d v e r t i s e m e n ta l g o r i t h mi r lt h e6 l o w p a nn d e x t e n t i o n s w i t ht h es i m u l a t o rd e v e l o p e d t h ef o l l o w i n gc o n t e n t sa r ea n a | y s e da n d r e s e a r c h e d ，i n c l u d i n gn e t w o r ks e r f - c o n f i g u r a t i o na b i l 吼c l u s t e rt r e er o u t i n g p e r f o r m a n c e ，t h en e t w o r kp a y l o a dr e l e a s i n gb yt h eh e a d e r f i e l dc o m p r e s s i o n o p e r a t i o n a n d 廿1 ea d a p t a t i o nb r o a d c a s tf l o o dc o n t r o lf o rt h ei p v 6m u l t i c a s t s u p p o r t i n go f 6 l o w p a na d a p t a t i o nl a y e r , a n dh o wt h er o u t e rd y n a m i c a d v e r t i s e m e n ta l g o r i t h mb a l a n c e st h er e q u i r e m e n t so fe n e r g yc o n s e r v i n ga n d t h es e n s i t i v i t yo fn e t w o r kt o p o l o g yf l u c t u a t i o n f i n a l l y , i ts u m m a r i z e st h em a i nw o r ko ft h i sp a p e r , c o n c l u d e st h ep e r f o r m a t i o n a n a l y s i sa n d6 l o w p a na c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s 。a n dg i v e st h e e x p e c t a t i o na n ds u g g e s t i o n k e yw o r d s ：6 l o w p a n 。a d a p t a t i o nl a y e r , n d p , w s n ，n s 2 i l 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究x - 作及取得 的研究成果据我所知，除文中已经注明弓l 用的内容外，本论文不包 含其他个人已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意 作者签名：五及盔日期：丝z ：! ! ：乡 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有 权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版 和纸质版有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进 入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检 索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在解密 后适用本规定 学位论文作者签名：乃数丢导师签名： 弓咨卫( ) 日期：型211 ：z 、 o r i g i n a l i t yn o t i c e i np r e s e n t i n gt h i st h e s i si np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o r t h em a s t e r sd e g r e ea te a s tc h i n an o r m a lu n i v e r s i t y , 1w a r r a n tt h a tt h i s t h e s i si so r i g i n a la n da yo ft h et e c h n i q u e sp r e s e n t e di nt h et h e s i sh a v e b e e nf i g u r e do u rb ym e a n yo ft h er e f e r e n c e st ot h ec o p y r i g h t ，t r a d e m a r k , p a t e n t ，s t a t u t o r yr i g h t ，o rp r o p r i e t yr i g h to fo t h e r sh a v eb e e ne x p l i c i t l y a c k n o w l e d g e da n di n c l u d e di nt h er e f e r e n c e ss e c t i o na t t h ee n do ft h e t h e s i s ，葶 s i g n a t u r e ：越益d a t e ：丝互2 ：丝 c o p y r i g h tn o t i c e ih e r e i na g r e et h a tt h el i b r a r yo fe c n us h a l lm a k ei i t sc o p i e sf r e e l y a v a i l a b l ef o ri n s p e c t i o n if u r t h e ra g r e et h a te x t e n s i v ec o p y i n go ft h e t h e s i si sa l l o w a b l eo n l yf o rs c h o l a r l yp u r p o s e s ，i np a r t i c u l a r , s t o r i n gt h e c o n t e n to ft h i st h e s i si n t or e l e v a n td a t a b a s e s ，a sw e l la sc o m p i l i n ga n d p u b l i s h i n gt h et i t l ea n da b s t r a c to ft h i st h e s i s ，c o n s i s t e n tw i t h “f a i ru s e a s p r e s c r i b e di nt h ec o p y r i g h tl a wo ft h ep e o p l e sr e p u b l i co fc h i n a s i g n a t u r e ：亟盔d a t e ：丛型 华东师范大学2 0 0 8 届研究生顾l r 学位论文 第1 章绪论 无线传感器网络1 1 1 ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，以下简称w s n ) 是集传感器、 微机电系统和网络三大技术于一体的综合智能信息系统，具有广阔的应用前景， 能广泛应用于军事、环境、医疗保健、空间探索以及各种商业应用。2 0 0 0 年1 2 月i e e e 成立了i e e e8 0 2 1 5 4i 作组，致力于定义一种便于安装，具有可靠的数 据传输，近距离操作，低成本，具有合理的电池使用寿命，同时还保持简单和灵 活的低速率无线连接技术。w s n 便成为了i e e e8 0 2 1 5 4 ( 以下简称8 0 2 1 5 4 ) 标 准i z l 的主要市场对象。 i e t f 于2 0 0 4 年1 1 月成立了6 l o w p a n ( i p v 6o v e rl o wp o w e rw i r e l e s s p e r s o n a la r e an e t w o r k ) 【3 l 工作组，致力于如何将i p v 6 4 l 与8 0 2 1 5 4 契合，实现、r 6 数据包在8 0 2 1 5 4 上的传输。中国科学院0 9 攻关计划中自勺传感网超轻量化i p v 6 协议栈研究”项目，参考6 l o w p a ni 作组草案，实现了6 l o w p a n 适配层和超 轻量化的i p v 6 协议栈。w s n 具有节点数量庞大和节点分布广泛的特点。部署实 际的网络系统，进一步对性能进行分析和研究往往是代价较高或是不现实的。在 这种情况下，模拟就成了最佳可供选择的测试、评估和验证手段之一美国 d a r p a 支持的项目v i n t ( v i r t u a li n t e r n e tt e s t b e d ) 开发了针对网络技术的、源 代码公开的、免费的通用多协议网络模拟软件n s 2 【绷。美国s a m s u n g 实验室和 c u n y ( c i t y u n i v e r s i t y o f n e w y o r k ) 合作开发了n s 28 0 2 1 5 4 模拟器1 6 1 。本文对 n s 28 0 2 1 5 4 模拟器进行了扩展，用于仿真6 l o w p a n 适配层和针对8 0 2 1 5 4 环境进行过裁减和修改的i p v 6 邻居发现( n e i g h b o rd i s c o v e r y ，以下简称n o ) 协 议1 7 1 ，并对其性能进行分析和研究。 1 1 无线传感器网络技术的概况 2 0 0 3 年，美国技术评论将无线网络技术列为未来改变人类生活的十大 技术之首。基于8 0 2 1 5 4 标准，可以在数千个微小的无线传感器之自j 实现相互协 调通信。w s n 由大量的这种低成本、高密度、低功耗、低速率的无线传感器节 点组成。w s n 的工作原理如图1 - 1 所示，传感器节点通过自我配置、自我组织 的方式组成一个w s n 后，节点负责采集周围相关的信息数据，采用接力的方式， 通过无线电波将数据从一个节点传到另一个节点，最终通过i n t e r n e t 或其他网络 将数据传递到远端的监控设备。 华东师范人学2 0 0 8 届研究生硕l 学位论文 监控设备 o 精简功能设备( r e d u c e df m c t i o nd e v i c e ，r f d ) 全功能设备( f u l lf u n c t i o nd e v i c e f f l 3 ) 无线链路 幽1 1w s n 工作原理 目前，w s n 的应用主要集中在军事应用、环境的监测和保护、医疗护理、 空间探索以及其他商业应用等领域。与传统网络相比，w s n 具有以下特点： 1 网络拓扑 w s n 采用无线传感器节点自我配置、自我组织的成网技术。网络拓扑结构 有星型和p e e r - t o - p e e r 等形式。至于采用哪种拓扑结构，取决于节点数目、数据 量、传输速率、传输距离、电池寿命要求以及节点变化的频率和灵活性等因素。 2 能量问题 w s n 的节点数目众多、分布广泛，并且需要进行监测、数据处理等活动。 采用电池供电，可使用的电量非常有限，并且对成千上万的节点更换电池十分困 难，甚至是不可能的。在【8 】中将能量问题列为w s n 所面临的挑战之一。如何在 不影响功能的前提下，尽可能的节省w s n 的电池能量，保证w s n 的生存周期， 成为w s n 技术软硬件设计中的核心问题和研究热点。【9 】从系统设计的各个层面 提出了一些降低w s n 的能量消耗的技术。【1 0 针对w s n 提出了一种出于能量 节省考虑的路由算法。 3 容错机制 在实际应用中，由于传感器节点经常处于非常恶劣的自然环境中，同时，传 感器多为嵌入式系统装置，自身出现故障的可能性较高，此外，w s n 节点数量 大、分布广的特点也使网络的维护十分困难甚至无法维护。为了保障系统性能， w s n 必须具有很强的容错机制，例如采用局部恢复、多径备份以及利用编码技 术等。 4 安全问题 6 l o w p a n 工作组发布的草案【l l j 中一直将安全性考虑列为其设计目标之。 由于w s n 的应用领域往往对安全性要求较高，而w s n 自组织的先天性缺乏应 2 一 掘 i 一o 磊oo一；一 供 墓 华东师范人学2 0 0 8 届研究生硕i 。学位论文 有的安全机制，因此需要上层应用提供安全保证。需要考虑的安全问题包括安全 路由、密钥管理、安全组播等。【1 2 】为w s n 设计了一种被称为部署确认 ( d e p l o y m e n tk n o w l e d g e ) 技术的密钥管理机制。以安全著称的c e r t i c o m 公司也 为w s n 提出了利用基于e c c ( 椭圆曲线) 密码技术的公钥算法进行动态密钥建 立的协议1 1 3 1 。 【1 4 】专门针对6 l o w p a n 的安全性进行了分析和设计。 1 26 l o w p a n 的提出和研究现状 8 0 2 1 5 4 标准主要定义了物理层和m a c 层的协议，其余协议主要参照和采 用现有的标准。由于其主要的市场对象是w s n ，所以在选择网络层标准时，一 方面，考虑到w s n 具有“无处不在”和节点数量庞大等特点，部署网络需要数 量巨大的地址资源；另一方面，由于w s n 的应用领域往往对安全性要求较高， 而w s n 自组织的先天性缺乏应有的安全机制，需要上层应用提供安全保证。脚6 作为下一代互联网协议，具有地址资源丰富、地址自动配置、安全性高、移动性 好等特点，可以满足w s n 对地址和安全性等方面的需求。 i e t f 于2 0 0 4 年1 1 月专门成立了6 l o w p a n 工作组，进行6 l d w p a n 的标 准化工作。图1 2 为6 l o w p a n 的协议参考模型。目前，6 l 0 w p a n 工作组已经 提出数份草案，为6 l o w p a n 协议栈的实现提供了可供参考的方案。 应用层 传输层 i p v 6 层 6 l o w p a n 适配层 i e e e8 0 2 1 5 4m a c 层 i e e e8 0 2 1 5 4 物理层 图1 - 26 l o w p a n 协议参考模型 “传感网超轻量化i p v 6 协议栈研究”项目参考6 l o w p a n 工作组草案，实 现了6 l o w p a n 适配层和超轻量化的1 p v 6 协议栈。本文以该项目为基础，对 6 l o w p a n 适配层和针对8 0 2 1 5 4 环境进行过裁减和修改的i p v 6n d 协议进行仿 真和研究。 1 3n s - 2 的简介 网络模拟是进行网络技术研究的一种基本手段，具有周期小、成本低等特点， 而且可以使研究者更容易利用他人的研究成果，从而更专注于自己所研究的部分 3 华东师范大学2 0 0 8 届研究生硕l 。学位论文 而不必为系统的其他部分耗费过多的精力。 n sj 下是这样一种针对网络技术的、源代码公丌的、免费的软件模拟平台。 研究者使用它可以很容易地进行网络技术的丌发。而且发展到今天，它所包含的 模块已经非常丰富，几乎涉及到了网络技术的所有方面。所以，n s 成为了目前 学术界广泛使用的一种网络模拟软件。 n s 起源于早在1 9 8 9 年的r e a l 网络模拟器。在过去的几年中，n s 发生了 实质性的演进。1 9 9 5 年，n s 的开发获得了d a r p a 的支持，通过v i n t 项目， 由l b l 、x e r o xp a r c 、u c b 和u s c 且s i 合作进行。目前n s 的开发由d a r 队 的s a m a n 项目和n s f 的c o n s e r 项目支持。 在r e a l 模拟器的基础上，l a w r e n c eb e r k e l e yn a t i o n a ll a b o r a t o r y 的网络研 究组开发了n s 的第1 个版本n s 1 。在n s 1 不断改进的基础上，u cb e r k e l e y 发布了n s 版本2 。n s 2 经历了不断改进，已经发布了许多次更新的版本。从 n s2 1 b 6 版本开始，n s 加入对无线移动节点的支持。这使得n s 的构件库变得 越来越丰富，功能越来越强大。 目前，n s 还在发展当中，还不是一个完善的产品。虽然n s 所包含的构件 库已经相当丰富，但是不可能包括所有特定用户所需要的模块。而且，软件中的 b u g 还在不断的发现和改正。因此，对于从事网络研究的用户来说，在现有n s 版本的基础上，进行源代码的修改和再开发将是不可避免的。 关于n s 最详细最完整的文档就是n s 手册【1 5 1 。但是i s i s 手册的一个很大的 问题在于不适合初学者入门。初学者面对这个长这几百页的手册，经常是不知从 何入手，理不出头绪。在n s 发布包里附带了m a r cg r e i s 的n st u t o r i a l t l 6 1 ，可供 n s 的初学者使用。在国内，【1 7 】结合了具体的实例以及大量的源代码分析，讲 述了网络模拟的基本研究方法、n s 的基本知识以及使用n s 进行网络模拟的方 法和技巧，既可作为学习n s 的入门书籍，又可以作为使用n s 时的参考书。 本文使用n s2 2 6 版本进行仿真。图l - 3 是通过a l l i n o n e 方式安装的n s2 2 6 的目录结构： 4 华东师范人学2 0 0 8 届研究生顿i ：学位论文 图1 3 通过a l l i n o n e 方式安装的n s2 2 6 的目录结构 1 4 论文的思路与主要工作 本文针对“传感网超轻量化l p v 6 协议栈研究”项目实现6 l o w p a n 适配层 和超轻量化的i p v 6 协议栈进行仿真与研究，重点集中在6 l o w p a n 所提出的新 思想和对i p v 6n d 协议的扩展。分析和研究的主要工作内容包括： 1 适配层利用8 0 2 1 5 4m a c 层进行组网和路由的能力。 2 适配层对i i ) v 6 层的支持能力，包括分片，重组、头部压缩解压缩、组播 支持等的性能。 3 n d 协议扩展中的路由器动态通告算法的验证和评价。 首先，以l i n u xr e dh a t9 操作系统和n s2 2 6 为平台，依据“传感网超轻量 化i p v 6 协议栈研究硕目中6 l o w p a n 适配层和超轻量化的i p v 6 协议栈的实现， 对已有的8 0 2 1 5 4n s 2 模拟器进行扩展，实现6 l o w p a n 适配层树状拓扑和路 由、分片重组、头部压缩，解压缩、组播支持等功能和n d 协议扩展中的路由器 动态通告算法的n s 2 仿真。 然后，利用利用本文实现的仿真，对6 l o w p a n 适配层的网络自组织能力、 树状路由的性能、头部压缩对减轻网络负载的作用、适配层广播风暴的控制进行 分析，并对路由器动态通告算法进行验证和评价。 最后，通过整理和分析仿真得到的数据，对“传感网超轻量化i p v 6 协议栈 研究”项目实现的6 l o w p a n 适配层和n d 协议的性能做出评价，为进一步研究 6 l o w p a n 以及无线传感器网络的实际应用提供实验数据和参考依据。 5 华东帅范人学2 0 0 8 届研究生坝t - 学位论文 1 5 论文各章节介绍 本文一共分为8 个章节以及附录，以下是各个章节的组织结构： 第一章介绍本文的研究意义与背景，包括无线传感器网络技术的概况、 6 l o w p a n 的提出和研究现状以及n s 2 的简介，最后介绍了本文的研究 思路和主要工作。 第二章介绍本文涉及到的主要技术背景，包括8 0 2 1 5 4 标准、6 l o w p a n 适配层以及n s 28 0 2 1 5 4 模拟器的主要功能模块。 第三章论述如何用n s 2 仿真6 l o w p a n 适配层利用8 0 2 1 5 4m a c 层提 供的服务进行网络拓扑构建和树状路由。 第四章论述如何用n s 2 仿真6 l o w p a n 适配层对i p v 6 访问8 0 2 1 5 4 m a c 层提供的支持，包括分片和重组、头部压缩和解压缩、组播支持 等功能。 第五章以路由器动态通告算法的仿真为重点，论述如何用n s 2 仿真 6 l o w p a n 对l p v 6n d 协议的扩展。 第六章依据对6 l o w p a n 适配层的仿真结果。分析6 l o w p a n 适配层的 性能，包括适配层的网络自组能力、树状路由的性能、头部压缩对减轻 网络负载的作用以及适配层广播风暴的控制。 第七章重点分析了6 l o w p a nn d 协议扩展中路由器动态通告算法在网 络拓扑结构稳定和变动两种情况下的运行情况，以及对能量的节省和对 网络变化的敏感性两方面的要求的平衡。 第八章对本文所做的工作进行了总结，并对6 i j d w p a n 的进一步发展做 展望。 1 6 小结 本章首先提出了本文的研究意义和立论依据，并概述了无线传感器网络技 术、6 l o w p a n 的提出和研究现状以及n s 2 软件等背景知识，然后介绍了本文 的研究思路和主要工作，最后介绍了本文的组织结构。 6 乍东师范人学2 0 0 8 届研究生硕i ：学位论文 第2 章主要技术背景 2 1 l e e r ：8 0 2 1 5 4 简介 8 0 2 1 5 4 标准为6 l o w p a n 定义了物理层( p i - n 0 和链路访问控制( m a c ) 予层的协议规范。6 l o w p a n 网络中的无线传感器节点的p o s ( p e r s o n a l o p e r a t i n gs p a c e ) 一般只有1 0 米甚至更小。8 0 2 1 5 4 定义了两种网络拓扑结构： 单跳的星型拓扑和多跳的p e e r - t o p e e r 拓扑( 当直线通信距离超过1 0 米时) 。然 而，p e e r - t o - p e e r 拓扑的逻辑拓扑结构则需要由网络层定义。6 l o w p a n 网络中 的节点可以使用“位的e u i 6 4 地址( 又称为长地址) ，也可以使用在加入网络 的过程中分配到的1 6 位的短地址。一个单独的8 0 2 1 5 4 网络最多可支持6 4 , 0 0 0 ( 2 1 6 ) 个节点。 在下面的几个小节中，将简要介绍8 0 2 1 5 4 标准中和本文相关的一些重要技 术，完整的协议规范请参考【2 】i e e es t a n d a r d s8 0 2 1 5 4 1 m 2 0 0 3 。 2 1 1 物理特性 8 0 2 1 5 4 标准定义了两个物理层标准，分别是2 4 g h z 物理层和8 6 8 9 1 5m h z 物理层。2 4 g h z 频段为全球统一的无须申请的i s m ( i n d u s t r i a l s c i e n t i f i c m e d i c a l ) 频段，而8 6 8m h z 和9 1 5m h z 频段分别是欧洲和北美所使用的i s m 频段。 8 0 2 1 5 4 中总共分配了2 7 个信道，分别工作在3 种不同的传输速率上：2 4g h z 频段有1 6 个信道，能够提供2 5 0k b s 的传输速率；8 6 8m h z 频段只有一个信道， 传输速率为2 0k b s ；9 1 6m h z 频段有1 0 个信道，传输速率为4 0k b s 。 2 1 2 节点类型 8 0 2 1 5 4 标准定义了1 4 个物理层原语和3 5 个m a c 层原语，针对不同的应 用定义了两种不同的节点类型：f f d ( f u l lf u n c t i o nd e v i c e ) 和r f d ( r e d u c e d f u n c t i o nd e v i c e ) 节点。f f d 节点必须支持全部的4 9 个原语，而r f d 节点只需 要支持满足最小配置的3 8 个原语。f f d 节点可以作为c o o r d i n a t o r 或e n dd e v i c e 节点，可以同r f d 节点和其他f f d 节点通信，而r f d 节点只能作为e n dd e v i c e 节点，只能同f f d 节点通信。 7 华东师范人学2 0 0 8 届研究生硕i j 学位论史 2 1 3b e a c o n 模式和s u p e r f r a m e 结构 8 0 2 1 5 4 网络可以运行在b e a c o n e n a b l e d 模式或n o n b e a c o n e n a b l e d 模式。 在b e a c o n e n a b l e d 模式下，c o o r d i n a t o r 节点会定期的广播b e a c o n 来同步加入它 的子节点。在n o n b e a c o n e n a b l e d 模式下，c o o r d i n a t o r 节点不再定期的广播 b e a c o n 。但是，当收它到其他节点的b e a c o n 请求时( 例如节点启动进行信道扫 描的时候) ，它还是会发送一个b e a c o n 。 在b e a c o n e n a b l e d 模式中使用s u p e r f r a m e 结构。s u p e r f r a m e 的格式由 c o o r d i n a t o r 节点定义，并通过广播b e a c o n 进行通告。如图2 - 1 所示，s u p e r f r a m e 由a c t i v ep a r t 和i n a c t i v ep a r t 两部分组成，并且由b e a c o n 分隔。s u p e r f r a m e 的长 度( b e a c o ni n t e r v a l ，b d 和a c t i v ep a r t 的长度( s u p e r f r a m ed u r a t i o n ，s o ) 分别 由b e a c o no r d e r ( b 0 ) 和s u p e r f r a m eo r d e r ( s 0 ) 的值所决定。s u p e f f r a m e 的a c t i v e p a r t 被划分为a n u m s u p e r f r a m s l o t s ( 默认值为1 6 ) 个相等长度的时槽，b e a c o n 帧 在每个s u p e f f r a m e 的第一个时槽内发送。a c t i v ep a r t 还可以进一步被划分为两个 时期：一个竞争访问期( c o n t e n t i o n a c c e s sp e r i o d ，c a p ) 和一个可选的无竞争期 ( c o n t e n t i o nf r e ep e r i o d ，c f p ) 。可选的c f p 时期最多可以到达7 个g t s ( g u a r a n t e e dt i m es l o t ) 。其中，一个g t s 又可以占用多个时槽。在c a p 时期内， 节点使用基于时槽的c s m a c a ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o n a v o i d a n c e ) 机制访问信道。所有基于竞争机制的数据传输过程必须在c f p 时期 到来前完成。 b e a c o n- 圈 副 g t sg t s 一。 8 2 1 4 数据传输方式 在8 0 2 1 5 4 网络中，有3 种不同的数据传输种类： 从e n dd e v i c e 到c o o r d i n a t o r 从c o o r d i n a t o r 到e n dd e v i c e 8 华东帅范人学2 0 0 8 届碍f 究生硕 学位论文 多跳的p e e r - t o p e e r 拓扑中对等体之间的数据传输 针对不同的数据传输类型有不同的传输方式： 直接数据传输：上述的3 种数据传输类型都可以采用这种传输方式。在 b e a c o n e n a b l e d 模式下采用基于时槽的c s m a c a 机制竞争信道；而在 n o n b e a c o n e n a b l e d 模式下则采用非时槽的c s m c a 机制。 间接数据传输：只有从c o o r d i n a t o r 节点向e n dd e v i c e 节点传输数据时才可 以使用这种传输方式。c o o r d i n a t o r 节点把要发送的数据帧保存在一个p e n d i n g 列 表中，等待相应的e n dd e v i c e 节点的请求。e n dd e v i c e 节点通过检查从 c o o r d i n a t o r 节点收到的b e a c o n ，发现c o o r d i n a t o r 节点有数据需要传输，然后发 起数据请求。c o o r d i n a t o r 节点收到请求后才发送数据。有时，间接数据传输方式 也在n o n b e a c o n e n a b l e d 模式下使用( 例如在a s s o c i a t i o n 过程中) 。 g t s 数据传输：只有在e n dd e v i c e 节点和c o o r d i n a t o r 节点之间( 无论什么 方向) 传输数据时才可以使用这种传输方式。在g t s 数据传输过程中不使用 c s m a c a 机制，因为g t s 被分配给特定的节点独占使用。 2 1 5 自组织和o r p h a n 机制 为了支持传感器节点通过自我配置、自我组织的方式组网，8 0 2 1 5 4 标准在 m a c 层定义了a s s o c i a t i o n 和d i s a s s o c i a t i o n 功能。节点在加入某个c o o r d i n a t o r 之前，需要扫描信道来寻找存在的c o o r d i n a t o r 节点。8 0 2 1 5 4 标准定义了3 种扫 描方式：能量检测扫描( e n e r g yd e t e c t i o ns c a n ) 检测每个信道的质量，用于选择 合适的信道；在主动扫描( a c t i v es c a n ) 方式中，节点将发送一次b e a c o n 请求： 在被动扫描方式俾a s s i v es c a n ) 中，则不会发送b e a c o n 请求。扫描成功后，节 点选择一个合适的信道和p a ni d ，决定使用哪种b e a c o n 模式，并且根据所选择 的c o o r d i n a t o r 节点的b e a c o n 的内容设置b o 和s o 的值。然后，节点发送 a s s o c i a t i o n 请求帧要求c o o r d i n a t o r 节点为它分配一个1 6 位的短地址。该请求帧 里还包含了该节点的m a c 层p a n 基本信息( m a cl a y e rp a ni n f o r m a t i o nb a s e ， m p i b ) 。最后，c o o r d i n a t o r 节点用间接数据传输方式发送a s s o c i a t i o n 响应帧。该 相应帧里包含了分配给节点的1 6 位的短地址。 当一个节点错过它的c o o r d i n a t o r 节点广播的b e a c o n 的次数达到或超过 a m a x l o s t b e a c o n s ( 默认值为4 ) 时，它被认为是一个o r p h a n 节点。这时，节点 将进行o r p h a ns c a n ，并通过c o o r d i n a t o rr e a l i g n m e n t 过程重新定位它的 c o o r d i n a t o r 节点。o r p h a n 机制提供了一种检测链路或节点失效的方式。但是在 n o n b e a c o n e n a b l e d 模式下或者不跟踪b e a c o n 的b e a c o n e n a b l e d 模式下，将不 使用o r p h a n 机制。 9 毕东师范人学2 0 0 8 届研究生硕l ：学位论文 2 26 l o w p a n 适配层 i p v 6 协议作为流行的网络层协议大多部署在路由器、p c 等计算资源较为丰 富的设备上；而无线传感器节点采用8 0 2 1 5 4 标准，大多运行在计算资源稀缺的 无线设备上。由于两者在设计出发点上的不同，导致了i p v 6 协议不能像架构到 以太网那样直接地架构到8 0 2 1 5 4m a c 层上，需要一定的机制来协调这两层协 议之间的差异。在“传感网超轻量化i p v 6 协议栈研究”项目的实现中，在i p v 6 层和m a c 层之间引入了适配层来屏蔽m a c 层的差异，解决6 l o w p a n 遇到的 若干问题。 适配层的主要功能有： 1 6 l o w p a n 支持树状和网状等p e e r - t o - p e e r 的多跳拓扑。适配层为 6 l o w p a n 提供网络拓扑构建、地址分配和m a c 层路由等服务。在多跳拓扑中， 中间的节点作为适配层报文的转发者，为其他节点转发数据报文。适配层的路由 协议对于报文的开销必须小，且在路由过程中维护路由表所需要的内存和计算下 一跳路由所需要的资源必须小，以适应计算资源稀缺的无线设备。 2 。8 0 2 。1 4 。5 标准定义的m a c 层的最大m t u 为1 0 2 字节，而i p v 6 协议要 求的最小m t u 为1 2 8 0 字节。因此需要有特定的分片和重组机制使得i p v 6 报文 能够正常地在8 0 ；z 1 5 4m a c 层上传输：适配层对报文的头部字段进行压缩和解 压缩，使得协议控制报文能够在一个m a c 层报文中传输；并且对超过1 0 2 字节 的报文进行分片和重组