（计算机系统结构专业论文）6lowpan适配层与nd协议的研究和实现.pdf

华东师范人学2 0 0 7 届研究生硕十学位论文 论文摘要 随着传感器与无线网络技术的迅速发展，无线传感器网络( w s n ) 已经逐 渐成为当前网络界最热门的研究领域之一。为了实现“传感整个世界”的目标， 人们开始将数量巨大的传感器节点接入i n t e m e t 。然而，由于地址空问逐渐耗尽 并且仅提供极其有限的自动配置功能等原因，传统的i p v 4 协议并不适合w s n 的特殊需求。为了解决这些问题，人们开始将目光转向将下一代的i p 协议一i p v 6 协议。对w s n 来说，i p 、，6 协议的新特性如1 2 8 位的巨大地址空间、内建的安 全机制、移动性、即插即用等功能将是非常有吸引力的。在这种背景下，i e t f 于2 0 0 4 年末正式成立了6 l o w p a n ( i p v 6o v e rl o wp o w e r w p a n ) 协议工作组， 该工作组将致力于研究如何使i p v 6 协议能够运行于l o w p a n 设备上。总之，i p v 6 与w s n 的结合必将极大地推动无线传感器网络的发展。 本文首先介绍了了无线传感器网络的基本概念和发展现状，并从中引出 6 l o w p a n 的基本思想以及一些相关的技术背景如i p v 6 、i e e e8 0 2 1 5 4 标准和 邻居发现协议等。在这些介绍的基础上，本文给出了适配层的详细功能描述，定 义了适配层帧格式、适配层分片和重组、组播支持以及头部压缩格式。接着，文 章分析了标准的n d 协议不能直接运行于l o w p a n 网络上的主要原因，提出了 相应的解决方案- - 6 l o w p a nn d 扩展，并给出该方案的主要算法和协议处理流 程。 根据6 l o w p a n 的协议设计，本文随后给出了一个模块化的6 l d w p a n 协 议栈的设计框架，介绍了网络接口层、适配层和6 l o w p a nn d 扩展的主要实现 细节。最后，文章介绍了6 l o w p a n 协议栈的测试方案，测试环境和一个基于已 实现的6 l o w p a n 协议栈的无线传感器网络w e b 应用，从多种角度验证了 6 l o w p a n 协议的正确性，一致性和实用性。 关键字：6 l o w r a n 、适配层、邻居发现协议、w s n 、i p v 6 华东师范人学2 0 0 7 届研究生硕f + 学位论文 a b s t r a c t w n ht h ep r o g r e s so fs e n s o ra n dw i r e l e s sn e t w o r k st e c h n i q u e w i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k s ( w s n lh a sb e c o m eo n eo ft h eh o n e s tf i e l di nn e t w o r ka r e a t o “s e n s o rt h ew o r l d ”，p e o p l es t a r tt oc o n n e c tt h el a r g ea m o u n to fs e n s o r n o d e sj n t oi n t e r n e t h o w e v e r , t h et r a d i t i o n a i i p v 4p r o t o c o li s n ts u i t a b l ef o r w s nd u et oi t se x h a u s t i n ga d d r e s ss p a c ea n dl i m i t e da u t o c o n f i g u r a t i o na b i l i t y , i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e ma b o v e ，t h en e x tg e n e r a t i o ni n t e r n e tp r o t o c o l ，i p v 6 i st a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n t h en e wf e a t u r eo fi p v 6s u c ha s1 2 8 一b i t sa d d r e s s s p a c e s e c u r i t y , m o b i l i t ya n dp l u g & p l a yw o u l db eag r e a ta t t r a c t i o nt ow s n u n d e rt h i sc i r c u m s t a n c e ，i e f te s t a b l i s h e d6 l d w p a n ( i p v 6o v e rl o wp o w e r w f ，a n lw o r k i n gg r o u pw h i c hf o c u so ne n a b l i n gi p v 6c o m m u n i c a t i o nb e t w e e n l o w p a nd e v i c e si n2 0 0 4 a taw o r d t h ec o m b i n a t i o no ff p v 6a n dw s nw o u l d d e f i n i t e l yf o r w a r d st h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s t h i st h e s i sb e g i n sw i t ht h ec o n c e p t sa n dc u r r e n ts i t u a t i o no fw s n t h e nj t i n t r o d u c e st h eb a s i ci d e a o f6 l d w p a na n di i l u s t r a t e st h eb a c k g r o u n d t e c h n i q u ei n c l u d i n gi p v 6 i e e e8 0 2 1 5 4a n dn e i g h b o rd i s c o v e r yp r o t o c 0 1 b a s e so nt h ea b o v ew o r k s ，t h i st h e s i sd e f i n e st h ed e t a l i e df u n c t i o no f a d a p t a t i o nl a y e r , w h i c ha r ef r a m ef o r m a t ，a d a i p t a t i o nf r a g m e n t a t i o na n d r e a s s e m b l y , m u l t i c a s ts u p p o s i n ga n d h e a d e rc o m p r e s s i o n t h e n ，a f t e r a n a l y s i n gw h yn d pu n a b l et ow o r ko nl o w p a n sd i r e c t l y , i tp r o p o s e st h e s o l u t i o nf o rs u c hs c e n a r i oa n dd e s c r i b e st h ea l g o r i t h m sa n dp r o c e s s e si n 6 l o w p a nn de x t e n t i o n s b a s e do nt h ed e s i g no f6 l o w p a np r o t o c o l ，t h i st h e s i sp r e s e n t st h e a r c h i t e c t u r eo fam o d u l a r i z e d6 l d w p a np r o t o c o is t a c ka n dg i v e st h e i m p l e m e n t a t i o n d e t a i l sf o rn e t w o r ki n t e r f a c e l a y e r , a d a p a t i o nl a y e r a n d 6 l o w p a nn de ) c l e n s i o n s a ti a s t ，t h i st h e s i si i l u s t r a t e st h et e s tp l a n 。t e s t e n v i r o n m e n ta n daw s nw e ba p p l i c a t i o nb a s e do nt h ei m p l e m e n t e d 6 l o w p a ns t a c kt oi n d i c a t et h ec o r r e c t n e s s c o n f o r m a n c ea n df e a s i b i l i t yo f 6 l o w f ，a np r o t o c 0 1 、 k e yw o r d s ：6 l o w p a n ，a d a p a t i o nl a y e r , n d p , w s n ，i p v 6 2 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工作及取得 的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，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：圣窒皇 日期：型z ：! ：! 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：乞柳 ， 导师签名：弓长2 日期：迎2 ：! ：! ； 华东师范大学2 0 0 7 届研究生硕十学位论文 第1 章引言 无线传感器网络( w s n l l 】) 技术目前处于计算机网络研究领域的前沿，具有 非常广泛的应用前景，并有可能发展成为一个新的巨大经济规模的高科技市场。 如今，由美国军方资助的学术研究机构、跨国公司和全球最大的i t 供应商们均 已将传感器网络列入研发计划并积极开展。随着无线传感器网络的深入研究和广 泛应用，无线传感器网络将逐渐深入到人类生活的各个领域。预计无线传感网络 将会在军事、空间探索、环境、气象、医疗护理、安全、物流、工业生产、智能 家居、智能楼宇、智能交通、高端消费电子产品、精密农业等领域将获得广泛应 用。 1 1 无线传感器网络技术概况 无线传感器网络是新一代的传感器网络，其发展和应用将会给人类的生活和 生产的各个领域带来深远影响。发达国家如美国，非常重视无线传感器网络的发 展，而i e e e 正在努力推进无线传感器网络的应用和发展，波士顿大学( b o s t o n u n v e r s i t y ) 还于最近创办了传感器网络协会( s e n s o rn e t w o r kc o n s o r t i u m ) ，期望 能促进传感器联网技术开发。除了波士顿大学，该协会还包括b p 、h o n e y w e l l 、 i n e t c os y s t e m s ，i n v e n s y s ，l - 3c o m m u n i c a t i o n s ，m i l l e n n i a ln e t ，r a d i a n s e ， s e n s i c a s ts y s t e m s 及t e x t r o ns y s t e m s 。美国的技术评论杂志在论述未来 新兴十大技术时，更是将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术，商业周刊 预测的未来四大新技术中，无线传感器网络也列入其中。 1 1 1 无线传感器网络特点 与传统的无线网络不同( 如w i _ a n 和蜂窝移动电话网络) 不同，在无线传 感器网络中，除了少数节点需要移动以外，大部分节点都是静止的。这些传感器 节点通常运行在人无法接近的恶劣环境中，能源无法替代，这就意味着能延长网 络生命期的设计策略将是无线传感器网络的核心问题。在早期的研究中，人们认 为成熟的i n t e r n e t 技术加上a d h o c 2 机制是能够满足无线传感器网络的。但深入 的研究表明，传感器网络有着与传统的无线网络明显不同的技术要求： 1 无线传感器网络以数据为中心，而传统网络以传输数据为目的。为了适 应广泛的应用程序，传统网络的设计遵循着“端到端”的边缘论思想， 强调将一切与功能相关的处理都放在网络的端系统上，中间节点仅仅负 华东师范人学2 0 0 7 届研究生硕i ：学位论文 责数据分组的转发，对于传感器网络这未必是一种合理的选择。 2 无线传感器网络中节点更为密集，相邻节点间的距离非常短，在这种情 况下，选择低功耗的多跳通信模式可以节省功耗，同时增加了通信的隐 蔽性，避免了长距离的无线通信易受外界噪声干扰的影响。 3 无线传感器网络中的节点一般不进行快速移动，但节点可能会随时加入 或离开，因而网络的拓扑变化可能比传统网络更为频繁。 4 无线传感器网络中节点的电池能量、计算能力和存储能力相当有限。 1 1 2 无线传感器网络研究现状与z i g b e e 无线传感器网络因为上述的特点及其与现有网络的区别，导致现有网络中的 许多技术并不能直接应用到无线传感器网络中，无线传感器网络的研究领域存在 着许多新的挑战。目前对传感器网络的研究主要集中在m a c 层技术、路由技术 以及节点技术三个方面。 m a c 层是无线传感器网络协议堆栈中的一个重要层次，它实现网络的自组 织和节能。目前研究者已经提出了很多m a c 层设计的建议方案，大致可以划分 为两大类：固定分配类和基于竞争类。其代表协议分别为s m a c s 和s m a c 。 这些协议实现节点间链路的建立，保证所有的节点可以公平、有效地利用有限的 带宽。另外，网络的节能也由m a c 层协议实现。 路由发现和维护是无线传感器网络中的另一项关键技术，由网络层负责。其 主要任务是在传感器节点间建立路由，可靠地传递数据。无线传感器网络中资源 严重受限，因此路由协议设计的首要原则是节省能量，延长网络系统的生存期。 协议不能太复杂、不能在节点保存太多的状态信息、节点间不能交换太多的路由 信息；同时应尽量避免发送冗余信息，减少能量的浪费。现已提出的路由协议可 分为以下几个类别：以数据为中心的路由协议、分层次的路由协议、基于位置的 路由协议、基于网络流的路由协议。其代表有f l o o d i n g 、l e a c h 、g a f 、s p e e d 等。 节点是组成无线传感器网络的基本单位，是构成无线传感器网络的基础平 台。因此节点技术的进步与无线传感器网络的发展有着密切的联系。节点的设计 在不同应用中各不相同，节点中的传感、数据处理、通信及电源各模块技术的进 步对节点技术的发展都有着深刻的影响，其基本组成如图1 所示。在目前出现 的多种节点设计方案中，各方案的实现原理都相当相似，只是分别采用了不同的 微处理及无线通信协议，如自定义协议、8 0 2 ，1 1 协议、z i g b e e 协议、蓝牙协议 以及u w b 通信方式等。现有的典型的节点有b e r k e l e ym o t e s 、s e n s o r i aw i n s 、 b e r k e l e yp i c o n o d e s 、s m ar t m e s hd u s tm o t e 等。 2 华东师范人学2 0 0 7 届研究生硕l ：学位论文 存储器 传感器u 加转换器i - 一无线收发器 z_ 一徽处理器i - 数据采塞模块 数据通信模块 数据处理模块 千 电器 图1 传感器节点结构 这里需要特别提到的是z i g b e e 3 协议。z i g b e e 协议由z i g b e e 联盟提出制 定，该联盟成立于2 0 0 2 年8 月，由英国i n v e n s y s 公司、日本三菱电气公司、 美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司组成，如今已经吸引了上百家芯片 公司、无线设备公司和开发商的加入。 z i g b e e 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双 向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中， 同时支持地理定位功能。z i g b e e 协议栈结构紧凑简单，实现要求非常低，具体 上由高层应用规范、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成，网络层以 上的协议由z i g b e e 联盟负责，i e e e 则制定物理层和链路层标准。应用汇聚层 把不同的应用映射到z i g b e e 网络上，主要包括安全属性设置和多个业务数据流 的汇聚等功能。网络层将采用基于a dh o c 技术的路由协议，包含通用的网络层 功能外并与底层的i e e e8 0 2 1 5 4 标准同样省电。另外，还应实现网络的自组织 和自维护，以最大程度方便消费者使用，降低网络的维护成本。 z i g b e e 技术的主要特点如下： 功耗低：由于工作周期很短、收发信息功耗较低、并且采用了休眠模式， z i g b e e 技术可以确保两节五号电池支持长达6 个月到2 年左右的使用 时，当然不同的应用功耗是不同的。 可靠：采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专 用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。m a c 层采用了完全确认的 数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。 成本低：模块的初始成本估计在6 美元左右，很快就能降到1 5 美元到 2 5 美元之间，且z i g b e e 协议是免专利费的。 网络容量大：一个z i g b e e 网络可以容纳最多2 5 4 个从设备和一个主设 备j 一个区域内可以同时存在最多1 0 0 个z i g b e e 网络。 华东师范大学2 0 0 7 届研究生硕l ：学位论文 安全：z i g b e e 提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用 a e s 1 2 8 4 ，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。 工作频段灵活：使用的频段分别为2 4g h z ，8 6 8m h z ( 欧洲) 及9 1 5 m h z ( 美国) ，均为免执照频段。 1 1 3 无线传感器网络的应用 微小传感器技术和节点间的无线通信能力为无线传感器网络赋予了广阔的 应用前景，其主要应用领域如下： 军事应用：在军事领域中，与独立的卫星和地面雷达系统相比，传感器 网络的潜在优势表现在以下几个方面：分布节点中多角度和多方位信息 的综合有效地提高了信噪比；低成本、高冗余的设计原则为整个系统提 供了较强的容错能力；传感器节点与探测目标的近距离接触大大消除了 环境噪声对系统性能的影响；多节点联合形成覆盖面积较大的实时探测 区域；可以有效地消除探测区域内的阴影和盲点。 环境科学：随着人们对于环境的日益关注，环境科学所涉及的范围越来 越广泛。通过传统方式采集原始数据是一件困难的工作，传感器网络为 野外随机性的研究数据获取提供了方便。 医疗健康：利用传感器网络，医生将能随时了解被监护病人的病情，还 可以利用传感器网络长时间地收集人的生理数据，这些数据在研制新药 品的过程中是非常有用的。此外，在药物管理等诸多方面它也有新颖而 独特的应用，为未来的远程医疗提供了更加方便、快捷的技术实现手段。 空间探索：借助于航天器布撒的传感器网络节点可以实现对星球表面长 时间的监测，应该是一种经济可行的方案。n a s a 的j p l ( j e tp r o p u l s i o n l a b o r a t o r y ) 实验室研制的s e n s o rw e b s 就是为将来的火星探测进行技 术准备的，已在佛罗里达宇航中心周围的环境监测项目中进行测试和完 善。 其他商业应用 1 26 l o w p a n 的提出 无线传感器技术的发展使建立一种可以连接每个电子设备的无线网的愿望 成为可能，但这同时也会让相当大数量的节点要接入互联网，需要大量的i p 地 址。在目前i p v 4 5 1 地址逐渐耗尽的情况下，传统的i p v 4 协议将越来越不能满足 其应用的要求，人们将希望寄托于下一代的互联网协议- - i p v 6 1 6 。在这种情况下， 4 毕东师范大学2 0 0 7 届研究生硕l ：学位论文 i e t f 于2 0 0 4 年1 1 月设立了6 l o w p a n ( i p v 6 0 v e r l o w p o w e r w p a n ) 协议工 作组，专门对i p v 6 协议在i e e e 8 0 2 1 5 4 1 7 l 上的实现进行研究并已提出数份草案。 同z i g b e e 技术一样，6 l o w p a n 技术也采用的是i e e e8 0 2 1 5 4 规定的物 理层和m a c 层，不同之处在于6 l o w p a n 技术在网络层上使用i e t f 规定的 i p v 6 ，采用i p v 6 协议栈，其协议栈参考模型如图2 所示。 应用层 传输层 i p v 6 网络层 l a 删适配屡 i e 匪8 0 21 54 卧c 屡 i e e e8 0 2 1 5 4 物理层 图26 l o w p a n 协议栈参考模型 6 l o w p a n 技术的主要思想是在i p v 6 网络层和m a c 层之间加入一个适配 层，以提供对i p v 6 必要的支持。由于6 l o w p a n 技术支持i p v 6 技术和无线传感 器网络间的无缝连接，特别适合应用于嵌入式i p v 6 这一领域，它使大量电子产 品不仅可以在彼此之间组网，还可以通过i p v 6 协议接入下一代互联网。所以 6 l o w p a n 组织极力推荐6 l o w p a n 技术，并且致力于实现在i e e e8 0 2 1 5 4 上 传输i p v 6 数据包。 1 3 论文的主要工作 本论文的主要工作是在研究i e t f6 l o w p a n 协议工作组已有的草案、i p v 6 ( n d p ) 协议和i e e e8 0 2 1 5 4 规范的基础上，通过自己的研究和实验解决在低 功耗、低传输速率的无线传感器网络上实现i p v 6 协议栈关键技术问题，同时还 需要通过在无线传感器网络上实现完整的i p v 6 协议栈来对提出的协议进行测试 和验证。 在需要解决的关键技术中，很大一部分集中在适配层，由于最大m t u ，组 播及m a c 层路由等原因，i p v 6 不能直接运行在i e e e8 0 2 1 5 4m a c 层上，这 就需要一个中间层即适配层来提供对i p v 6 必要的支持，为其提供分片重组、受 控的广播泛洪等功能。另外，i p v 6 邻居发现协议的许多行为并不能很好的适应 l o w p a n 网络，这主要是由于使用i p 组播的邻居行为会造成大量的能量消耗。 同时，对邻居恳求和邻居通告报文的复杂处理需要大量的代码空间，这会对资源 华东师范大学2 0 0 7 届研究生硕 擘位论文 紧张的传感器节点带来较重的负担。因此，需要对标准的邻居发现协议的功能和 协议行为进行适当的简化和修改，使得邻居发现协议在完成其基本功能的同时也 能符合无线传感器网络的特点，这也是本论文的重要工作。 6 华东师范大学2 0 0 7 届研究生硕十学位论文 第2 章6 l o w p a n 技术背景 6 l o w p a n 的全称是i p v 6o v e rl o wp o w e rw i r e l e s sp e r s o n a la r e a n e t w o r k ，在给出详细的6 l o w p a n 协议之前，本章将首先介绍6 l o w p a n 的相 关技术背景，这主要包括i p v 6 协议、i e e e8 0 2 1 5 4 标准、适配层以及邻居发 现协议。 2 1i p v 6 协议 t c p i p 协议是当前互联网的基石，然而，随着i n t e r n e t 的爆炸性发展，传 统的l p 协议，也就是i p v 4 已经远远不能满足要求。这主要是由于i p v 4 采用3 2 位地址结构，只能提供1 6 7 0 万个网络设施，而所有这些网络可以包含4 0 亿个 主机。但实际上能被分配的i p 地址远远小于该数目，根据目前的增长速度，互 联网的i p 地址空问将在不远的将来消耗殆尽。 为了解决上述问题，i e t f 于1 9 9 5 年1 2 月提出了r f c 2 4 6 0 标准协议文档， 这标志着下一代的i p 协议- - i p v 6 的诞生。新的l p 、，6 协议将地址长度从3 2 扩展 到1 2 8 位，从根本上解决了i p v 4 地址即将枯竭的致命缺陷，并且在地址体系、 报文格式、安全性、q o s 、p l u g & p l a y 功能、移动性、i c m p 等诸多方面进行了 协议优化和更新，使之更加适应未来网络运行的发展需要。 2 1 1i p v 6 的地址体系 i p v 6 和i p v 4 相比一个最为显著的变化就是地址空间障】的极大扩展，从i p v 4 的3 2 位增加到1 2 8 位。从理论上来说，i p v 6 拥有2 2 8 个地址，即1 0 之多， 即使考虑到地址分层使用造成的地址损耗，地球上每平方米也可以分到1 0 ”个 i p v 6 地址。这样巨大的地址空自】将彻底解决l p v 4 地址耗尽的问题。 由于i p v 6 使用超长的1 2 8 位地址，在i p v 4 中使用的二进制或点分十进制 都无法简洁、有效地表示i p v 6 地址。为此，l p v 6 新引入了冒号十六进制( c o l o n h e x a d e c i m a ln o t a t i o n ) 的网络地址文本表示法。其形式为x ：x ：x ：x ：x ：x ：x ， 其中x 是8 个1 6 位地址段的十六进制值。 除了地址空间的扩大，i p v 6 对网络地址的分类进行了改进。i p v 4 将地址分 为a 、b 、c 、d 、e 五类，其一般格式为m i n e t l h o s t l 。而新的i p v 6 地址分类和 m 为地址类号，n e t 为州络号，h o s t 为主机号。 7 华东师范人学2 0 0 7 届研究生硕士学位论文 i p v 4 有很大程度上的不同，尤其是增加了一种新的地址类型a n y c a s t 地址。 i p v 6 的地址类型主要分为以下三类： u n i c a s t 地址 m u l t i c a s t 地址 a n y c a s t 地址 i p v 6 的地址体系在层次结构、分配对象、聚合方式等诸多方面都与i p v 4 有 很大差异，另外，所有的i p v 6 地址都是被分配到接口而非i p v 4 中的节点，这也 是两者的区别之一。 2 1 2 报文格式 i p v 6 的基本报文格式比i p v 4 简单的多，原来在i p v 4 的中的1 0 个固定长度 字段和2 个地址空间被减少到i p v 6 中的6 个字段和2 个地址空间，其基本报文 格式如图3 所示。 i p v 6h e d e r 0s1 62 4 3 2 8 v e r s i o nt r a f f i cc l a s s i f l o wl a b e l p a y l o a dl e n g t h ih 嘲喇秘i h o pl i m 女 s 雌a d d r e l m d e s t i r 壤t i o na d d r e s s 图3 i p v 6 基本头部格式 从图中可以看出，原i p v 4 头部中的头部长度( h e a d e rl e n g t h ) 、服务类型 ( t o s ) 、标识( i d e n t i f i c a t i o n ) 、标志( f l a g ) 、分片偏移( f r a g m e n to f f s e t ) 和头部校验和( h e a d e rc h e c k s u m ) 这6 个字段被删除。报文长度( t o t a ll e n g t h ) 、 协议类型( p r o t o c o lt y p e ) 和生存时间( t t l ) 3 个字段的名称或部分功能被改 变，而i p 选项功能完全被改变，新增加了两个字段，即流量类别( t r a 仟i cc l a s s ) 和流标识( f l o wl a b e l ) 。经过这些改动，i p v 6 基本报文头部从i p v 4 的2 0 个字 节增加到4 0 个字节，但考虑到i p v 6 地址长度是i p v 4 的4 倍，需要处理的字段 实际是从1 4 个变为了8 个了，从而大大减少了路由器上软硬件处理的内容。 华东师范大学2 0 0 7 届研究生硕1 二学位论文 2 1 3 安全功能 i p v 6 协议族定义了有关安全性的基本信息，提供了两种安全机制；认证和 加密。i p v 6 的扩展报头之一的认证头( a u t h e n t i c a t i o nh e a d e r ，a h 9 1 ) 定义了 认证的应用方式，而封装安全负载( e n c a p s u l a t i n gs e c u r i t yp a y l o a d ，e s p 1 硼) 则定义了加密和可选认证的应用方法。实际应用中，可以同时使用这两种安全协 议或选择单独使用其中的一种。 有了内建的安全支持，个i p v 6 的端到端传送至少在理论上是安全的，传 输过程中对端的验证、核对以及数据的加密保护使得敏感数据可以在i p v 6 网络 上安全地传递。同时，由于l p 、6 地址可以唯一的标明每一个节点，这就避免了 n a t 对端到端安全性的破坏。 2 1 4p l u g & p l a y 功能 在传统的i p v 4 网络中，大部分时候仍需手动配置i p 地址，这对不熟悉网络 技术的门外汉、初学者，甚至是计算机专业人员来说都是件艰难的任务。因此， 在i p v 6 中发展了许多新技术，如邻居发现( n e i g h b o rd i s c o v e 1 1 ) 、地址自动 配置( a d d r e s sa u t o c o n f i g u r a t i o n 。z j ) 、路由器恳求( r o u t e rs o l i c i t a t i o n ) 、路 由器通告( r o u t e ra d v e r t i s e m e n t ) 、组成员资格查询( g r o u pm e m b e r s h i p i n q u i r e ) 和最大传输单元发现( m t ud i s c o v e r y ) 等。这些新技术将能实现i p v 6 网络的自动发现和自动配置等诸多功能，从而简化了网络的配置、维护和管理。 2 1 5 移动性 移动i p v 6 并不是一个全新的协议，实际上，移动i p v 6 继承了移动i p v 4 中 的很多思想，但i p v 6 中的许多新技术使其比i p v 4 更成功地进行了移动方面的计 算和提高。与移动i p v 4 只采用隧道技术不同的是，移动i p v 6 同时结合采用了隧 道技术和信源路由技术来向连接在外地链路上的移动节点传输报文。此外，i p v 6 中定义的新功能如邻居节点搜索等可以直接提供移动i p v 6 所需的一些功能。 2 1 6i c m p 在i p v 6 中，i c m p 协议已经有了很大的改进和变化。新的i c m p 协议被称 为i c m p v 6 1 13 】( i n t e m e tc o n t m lm e s s a g ep r o t o c o lv e r s i o n6 ) ，即i n t e r n e t 控制 消息协议版本6 。作为论文的工作重点，本文的2 5 节将对i c m p ，主要是邻居 发现协议( n d p ) 进行较为详细的介绍。 9 华东师范大学2 0 0 7 届研究生硕l ：学位论文 2 2i e e e8 0 2 15 4 i e e e 标准委员会在2 0 0 0 年1 2 月份正式批准并成立了8 0 2 ，1 5 4 工作组， 其任务就是开发一个低数据率的w p a n ( l r - w p a n ) 标准。它具有复杂度低、成 本极少、功耗很小的特点，能在低成本设备( 固定、便携或可移动的) 之间进行低 数据率的传输。2 0 0 3 年，i e e e 推出了i e e e8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 标准，这一标准构 成了z i g b e e 协议和众多无线传感器网络的基础。 2 2 1i e e e8 0 2 1 5 4 网络构成 一个符合i e e e8 0 2 1 5 4 标准的系统由多个部件组成，其中最基本的就是 d e v i c e 。i e e e8 0 2 1 5 4 有两种d e v i c e = r f d ( r e d u c e d f u n c l i o nd e v i c e ) 和 f f d ( f u l l f u n d i o nd e v i c e ) 。多个在同一信道上的d e v i c e 组成一个w p a n ， 其中，一个w p a n 需要至少一个f f d 来充当p a nc o o r d i n a t o r 2 的角色。 2 2 2 网络拓扑 根据应用的不同，i e e e8 0 2 1 5 4 支持两种拓扑：单跳星型或多跳对等拓扑。 星型拓扑由一个充当中央控制器的p a nc o o r d i n a t o r 和一系列的f f d 和 r f d 组成，其拓扑形状如图4 所示。网络中的d e v i c e 可以使用唯一的6 4 位长 地址也可以使用p a nc o o r d i n a t o r 分配的1 6 位短地址。在这种拓扑中，除了p a n c o o r d i n a t o r 以外的d e v i c e 大部分都由电池供电的且只与p a nc o o r d i n a t o r 通 信，星型拓扑实现较为简单，可以最大限度的节省f f d 和r f d 的能量消耗。 r f d 图4i e e e8 0 2 1 5 4 星型拓扑 2 c o o r d i n a t o r 指个经过特别配置的伞功能设各( f f d ) ，该设各通过定期发送b e a c o n 来向其它设备提供 同步服务。如果该c o o r d i n a t o r 是一个p a n 内的土控制器的话，该c 0 0 r d j n a 肼就被称为p a nc o o r d i n a t o r 。 l o 华东师范人学2 0 0 7 届研究生硕f ：学位论文 对等拓扑如图5 所示，这种拓扑也需要一个p a nc o o r d i n a t o r ，但与星型拓 扑不同的是，对等拓扑中的每个d e v i c e 均可与在其范围内的其它d e v i c e 进行通 信。对等拓扑允许实现更复杂的网络构成，如树状拓扑、网状拓扑等。同时，在 网络层支持的情况下，对等拓扑还可以实现d e v i c e 间的多跳路由。 图5i e e e8 0 2 1 5 4 对等拓扑 2 2 3i e e e8 0 2 1 5 4d e v i c e 构架 一个l r - w p a nd e v i c e 遵循o s i 七层模型，其构架如图6 所示。i e e e 8 0 2 1 5 4 - 2 0 0 3 标准定义了其中的两层，即物理层( p h y ) 和m a c 子层( m a c ) 。 这两层以上的层次不由i e e e8 0 2 1 5 4 定义，用户可以使用各种技术来实现( 如 z i g b e e 和6 l o w p a n ) 。 = 8 0 彳2 1 5 4m a c 爹ii l 鼹。 。， 躺矧 图6l r - w p a nd e v i c e 构架 i e e e8 0 2 1 5 4 物理层支持两种工作频段，即8 6 8 ，9 1 5 m h z 和2 4 g h z ，并 提供信道选择、无线收发器的使能以及物理信道上的报文传输等功能。而m a c 子层则实现了b e a c o n 管理、信道访问、帧传输等功能，此外，m a c 子层还支 持实现适合不同应用的安全机制。 华东师范大学2 0 0 7 届研究生硕十学位论文 2 2 4 功能概述 i e e e8 0 2 1 5 4 网络可以工作两种不同的模式：b e a c o n e n a b l e d 模式和 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 模式中，c o o r d i n a t o r 定期广播 b e a c o n ，以达到相关d e v i c e 同步及其他目的。在n o n b e a c o n - e n a b i e d 模式中， c o o r d i n a t o r 不采用定期广播b e a c o n 的方式，而是在d e v i c e 主动请求b e a c o n 时再向它单播b e a c o n 。 在i e e e8 0 2 1 5 4 中，有三种不同的数据传输方式：从d 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d e v i c e ；在对等网络中从一方到另一方。为了 实现低功耗，又把数据传输分为以下三种方式： 直接数据传输：这适用于以上所有三种数据转移。采用非时隙c s m a - c a 或时隙c s m a - c a 的数据传输方法，视使用b e a c o n - e n a b l e d 模式还是 n o n b e a c o n - e n a b l e d 模式而定。 间接数据传输：这仅适用于从c o o r d i n a t o r 到d e v i c e 的数据传输。在这 种方式中，数据帧由c o o r d i n a t o r 保存在事务处理队列中，等待相应的 d e v i c e 来提取。通过检查来自c o o r d i n a t o r 的b e a c o n 帧，d e v i c e 就能 发现在事务处理队列中是否挂有一个属于它的数据分组。在确定有属于 自己的数据时，d e v i c e 使用非时隙c s m a - c a 或时隙c s m a c a 来进 行数据传输。 有保证时隙( g t s ) 数据传输：适用于d e v i c e 与其c o o r d i n a t o r 之间的数 据传输。在g t s 传输中不需要c s m a c a 。 低功耗是i e e e8 0 2 1 5 4 最重要的特点。i e e e8 0 2 1 5 4 在数据传输过程中 引入了几种延长d e v i c e 电池寿命或节省功率的机制。多数机制是基于 b e a c o n - e n a b l e d 模式的，主要是限制d e v i c e 或c o o r d i n a t o r 的收发器的开通时 间，或者在无数据传输时使它们处于休眠状态。 安全性是i e e e8 0 2 1 5 4 考虑的另个重要问题。为了提供灵活性和支持简 单器件，8 0 2 1 5 4 在数据传输中提供了三种安全模式。第一种实际是无安全性 方式，这是考虑到某些安全性并不重要或者上层已经提供了安全保护的应用。对 于第二种安全模式，器件可以使用访问控制列表( a c l ) 来防止非法获取数据， 在这一级不采取加密措施。第三种安全模式则在数据传输中使用高级加密标准 ( a e s ) 来进行对称加密保护。 2 3i p v 6o v e rl o w p a n 将i p v 6 和无线传感网技术结合是目前国内外一个较为热门的研究方向，从 1 2 华东师范人学2 0 0 7 届研究生硕十学位论文 2 0 0 4 年起i e t f 设立了6 l o w p a n 协议工作纠1 川专门对i p v 6 协议在i e e e 8 0 2 1 5 4 上的实现进行研究。一方面，i p v 6 的一些新技术如无状态的地址自动 配置等使构建i p v 6 环境下l o w p a n 网络要相对容易一些；但同时，l o w p a n 本身的一些特点又会带来了许多新的问题。 2 3 1l o w p a n 网络特性 l o w p a n 网络主要有以下一些特性： 报文长度小。i e e e8 0 2 1 5 4 支持最大长度1 2 7 字节的物理层帧，这就 意味着m a c 层的最大数据长度为1 0 2 字节，如果除去m a c 层安全所 用到的额外空间，将只剩下8 1 字节数据空间。 同时支持1 6 b i t s 短地址和6 4 一b i t s 扩展地址，支持星型和m e s