（计算机系统结构专业论文）6lowpan适配层的研究与实现.pdf

华东师范大学2 0 0 7 届硕士学位论文 论文摘要 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 发展的一个关键问题；已有的i p v 4 网络协议虽然在过去的若干年内取得了显著 的成功，但是其i p 地址的局限性使其无法满足无线传感器网络海量节点的部署 需求，逐渐成为了无线传感器网络迸一步发展的绊脚石。而i p v 6 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，为无线传感网络带来了曙光。6 l o w p a n 技术的提出正是基于以上两种技术， 旨在将无线传感器网络技术和i p 、，6 技术结合到一起，同时i e t f 也成立了相应 的研究小组对其进行研究，6 l o w p a n 正成为网络界最前沿的研究领域之一。 本文结合i e e e8 0 2 1 5 4 标准和i p v 6 协议各自的特性，讨论了6 l o w p a n 在设计过程中遇到的问题，并从实现角度针对这些问题提出了对应的解决方案， 并实现了适配层的相关功能，包括适配层网络拓扑的管理、适配层地址分配及树 状路由算法，最后针对网关多接口的需求设计并实现了基于a r m 和h c s 0 8 系 列c p u 的双c p u 网关构架。 首先，本文讨论了无线传感器网络的发展概况，进而引出了6 l o w p a n 。在 介绍了6 l o w p a n 所涉及到的相关技术后，对6 l o w p a n 的关键技术适配层进 行了讨论，并定义了适配层需要实现的功能：网络拓扑管理、适配层地址管理、 适配层路由、分片重装、头部压缩及组播支持。 其次，本文结合i e e e8 0 2 1 5 4 标准的特点分析了适配层网络拓扑的特点， 并讨论了以省电为目的的b e a c o n 机制。提出了树状拓扑的构想，并定义了节点 的基本协议行为，同时根据三种不同类型的节点给出了各自的协议状态机。 。然后，本文分析了6 l o w p a n 无线多跳的特点，并考虑到低功耗低开销的设 计目的，我们结合树状拓扑提出了树状地址分配方式，并在以上两种技术基础上 设计了树状路由机制。 最后，本文提出了基于a r m 和h c s 0 8 系列c p u 的双c p u 网关构架。文 章分析了网关对于6 l o w p a n 的必要性，同时定义了网关所要实现的功能，并给 出了双c p u 网关构架的设计细节，包括硬件构架、协议构架以及双c p u 问数 据和原语的交互方式等。 关键字：6 l o w p a n ，适配层，路由，无线传感器网络，i p v 6 2 华东5 | i t i 范大学2 0 0 7 届硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y st h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki sd e v e l o p i n gv e r yf a s t 。m o r ea n d m o r es e n s o r sa r ed e p l o i e di nt h er e a lw o d d 。w h i c he x i s ti no u rd a i l yi f i e b u ti t i sab i gp r o b l e mh o wt om a k et h ec o m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e s es e n s o r s e f f e c t i v e l y a l t h o u g hi p v 4h a sa c h i e v e df a n t a s t i cs u c c e s si nt h ep a s t2 0y e a r s i tc a nn o tp r o v i d ee n o u g hi pa d d r e s sf o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka n dt h e l i m i t a t i o no fi p v 4a d d r e s sd w a r f 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 f o r t u m a t l y , a st h en e x tg e n e r a t i o nn e t w o r kp r o t o c o l ，i p v 6p r o v i d e se x t r e m e l a r g en u m b e ro fi pa d d r e s sw h i c hb n n g st h eh o p et ow i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k 6 l o w p a ni sb a s e do nt h e s et w ot e c h n o l o g i e sw h o s ea i mi st oc o m b i n et h e s e t w ot e c h n o l o g i e st o g e t h e nad i s c u s s i o ng r o u ph a sb e e nf o u n d e di ni e t ft o m a k er e l a t e ds t a n d a r da n dn o w6 l o w p a ni s b e c o m i n go n eo ft h em o s t p o p u l a rf i e l di nn e t w o r kr e s e a r c h r e g a r d i n gt ot h ef e a t u r eo ft h ei e e e8 0 2 1 5 4s t a n d a r da n dl p 、，6 w e a n a l y z e t h e p r o b l e m s w h i l ed e s i g n i n go f6 l o w p a na n dw ep r o p o s e c o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n st or e s o l v et h e m ，i n c l u d i n gm a n a g e m e n to fn e t w o r k t o p o l o g y a d d r e s sm a n a g e m e n ti na d a p t a t i o nl a y e r , r o u t ea l g o r i t h mi nt r e e m o d et o p o l o g ya n dd e s i g n i n go fm u l t i m c ub a s e do na r ma n dh c s 0 8 f i r s t ，w ei n t r o d u c et h ed e v e l o p e m e n to fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka n dg i v e ab r i e f d e s c r i p t i o n o f6 l o w p a n a f t e ri n t r o d u c i n gr e l a t e d b a c k g r o u n d k n o w l e d g e w eg i v et h em a i np i c t u r eo fa d a p t a t i o nl a y e ri n c l u d i n g c sm a i n f u n c t i o n s u c ha st h em a n a g e m e n to fn e t w o r kt o p o l o g ya n da d d r e s s ，r o u t e a l g o r i t h m ，s e 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 rc o m p r e s s i o na n dm u l t i c a s t s u p p o d s e c o n d ，w ea n a l y z et h ef e a t u r e o fn e t w o r k t o p o l o g y i n6 l o w p a n r e g a r d i n gt ot h ef e a t u r eo fi e e e8 0 2 1 5 4s t a n d a r da n dd e s c r i b et h r eb e a c o n t e c l = n o l o g ya i m e dt op o w e rs a v i n g t h e nw ep r o p o s et h ei d e ao ft r e e - m o d e t o p o l o g ya n dg i v et h ed e f i n a t i o n o fb a s i cb e h a v i o ro fn o d e si n6 l o w p a n i n c l u d i n gs t a t em a c h i n e so f3d i f f e r e n tt y p e so fn o d e s t h i r d ，w ep r o p o s ea d d r e s sa s i g n e m e n tb a s eo nt r e e m o d et o p o l o g yi n w h i c ht h ep o w e rs a v i n gi sf u l l c o n s i d e r e d a n dt h e nw ed e s i g nt r e e - m o d e r o u t ea l g o r i t h mb a s e do nt r e e - m o a et o p o l o g ya n da d d r e s sa s s i g n m e n t f i n a l l y , w ep r o p o s et h em u t i l - m c ug a t e w a ya r c h i t e c t u r eb a s e do na r m a n dh c s 0 8 w ea n a l y z et h en e c e s s i t yo fg a t e w a yi n6 l o w p a na n dd e s c r i b e 3 华东师范大学2 0 0 7 届硕士学垃论文 t h em a i nf u n c i t o no ft h eg a t e w a y t h e nw eg i v et h ed e s i g n i n go ft h eg a t e w a yi n d e t a i li n c l u d i n gh a r d w a r ea r c h i t e c t u r ea n dp r o t o c o la r c h i t e c t u r e ，a sw e l la st h e c o m m u n i c a t i o no fd a t aa n dp d m i t i v e sb e t w e e nm u t i l p l em c u s k e y w o r d ：6 l o w p a n ，a d a p t a t i o nl a y e r , r o u t e ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，i p v 6 4 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：日期：塑：! ：里 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 学雠文作者张舭 导师娩弓茜旦 日期：型：! ：堡 华东师范大学2 0 0 7 届硕土学位论文 第1 章引言 第1 章引言 无线传感器网络( w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k ，简称w s n ) 技术目前处于计 算机网络研究领域的前沿，其有非常广泛的应用前景，并极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相关 的研究工作。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 无线传惑器网络技术概况 无线传感器网络是新一代的传感器网络，它是集信息采集、信息传输、信息 处理予一体的综合智能信息系统，具有广阔的应用前景，受到了国内外各大研究 机构的热力追捧【1 l 。发达国家如美国，非常重视无线传感器网络的发展：2 0 0 0 年，美国国防部将传感器网络列为5 个国防尖端领域之一；2 0 0 2 年，美国0 a k 实验室预言：i t 时代正从“t h en e t w o r ki sc o m p u t e r ”向“t h en e t w o r ki ss e n s o r ” 转变；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；作为业界标准制定者的i e e e 也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 nu n e r s 耐) 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 - 3 c 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 n s 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 无线传感器网络的特点 然而各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 器网络还是面临着许多挑战。而且由于它的一些独特特性，使得无线传感器网络 的设计方法与现有无线网络的设诂方法有很大不同。例如，由于传感器网络中的 华东师范大学2 0 0 7 届硕士学位论文第1 章引言 传感器节点分布密集，所以需要大范围的数据管理和处理技术。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的区域，这就使传感器网络节点的维 护面临着很大的挑战。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，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外，业界 尚未有完整的6 l o w p a n 协议实现。 基于i e e e8 0 2 1 5 4 标准的无线传感器网络和常见的无线网络如移动通信 网、a dh o c 网络等有如下区别： 1 无线传感器网络中的节点数目更为巨大，密度更高，且节点不一定具有全球 唯一的地址标识( 使用i p v 6 协议除外) ； 2 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很快，某些关键节点的退出常常导致网络拓扑的重 构； 3 无线传感器网络大都采用点对点通信方式，对于不在信号范围内的节点，多 采用m a c 层多跳路由的方式； 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 无线传感器的应用领域 虽然无线传感器网络的大规模商业应用，由于技术等方面的制约还有待时 日，但是最近几年，随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小，已经有为 数不少的无线传感器网络开始投入使用。目前无线传感器网络的应用主要集中在 以下领域： 环境的监测和保护：随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要 采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数 据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵 入式破坏。比如，英特尔研究实验室研究人员曾经将3 2 个小型传感器连 进互联网，以读出缅因州“大鸭岛”上的气候，用来评价一种海燕巢的 条件。无线传感器网络还可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对 农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。此外，它也可以应用 在精细农业中，来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。 2 华东师范大掌2 0 0 7 喁硕士学位论文第1 囊；l 言 医疗护理：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。 军事领域：由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非 常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物 资，判断生物化学攻击等多方面用途。美国国防部远景计划研究局已投 资几千万美元，帮助大学进行“智能尘埃”传感器技术的研发。哈伯研 究公司总裁阿尔门丁格预测：智能尘埃式传感器及有关的技术销售将从 2 0 0 4 年的1 0 0 0 万美元增加到2 0 1 0 年的几十亿美元。 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 n ) 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。 其他用途：无线传感器网络还被应用于其他一些领域。比如一些危险的 工业环境如井矿、核电厂等，工作人员可以通过它来实施安全监测。也 可以用在交通领域作为车辆监控的有力工具。 1 26 l o w p a n 的提出和研究现状 由于i e e e 8 0 2 1 5 4 的低功耗、低开销特性使其特别适合应用于嵌入式系统 和微处理器等领域，并大量的用于传感器网络中。当我们希望建立一种可以连接 每个传感器的无线网时，就会有相当数量的节点要接入互联网，因而需要大量的 i p 地址，i p v 4 则越来越不能满足这种需求，因此人们开始寄希望于i p v 6 。 6 l o w p a n 技术则正是基于这种需求提出的，它特别适合应用于嵌入式i p 、，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。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 ( i p v 6 0 v e r l r _ p a n ) 工作组，进行6 l o w p a n 的标准化工作。图1 为6 l o w p a n 的协议参考模型。 6 l o w p a n 同z i g b e e 技术一样，也采用的是| 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 技术使用i e t f 规定的i p v 6 协议的功能， 采用i p v 6 协议栈，而z i g b e e 则使用自己的应用层协议。然而i p v 6 协议更多的 是使用在p c 、路由器等计算资源较为丰富的设备上，并没有专门针对传感器等 计算资源稀缺设备进行设计，因此，直接将i p v 6 架设到8 0 2 1 5 4 m a c 层之上将 在硬件资源上遇到极大的限制。所以需要在i p 层和m a c 之间加入适配的机制， 3 华东师范大学2 0 0 7 届硕士学位论文第1 章引言 从而屏蔽掉底层硬件对于l p 层的限制。美国和韩国等国家的研究机构都对适配 层进行了研究，我国的研究机构也投入了大量的人力物力进行研究，本文便是以 中国科学院攻关计划为基础，对适配层进行了研究和实现。 1 3 论文的思路与主要工作 深入研究i e e e8 0 2 1 5 ，4 规范文档，以及6 l o w p a n 协议工作组已提出的相 关草案，并结合课题组的研究，针对6 l o w p a n 的相关方面提出并实现对应的协 议，最后通过在i e e e8 0 2 1 5 4 m a c 层之上实现i p v 6 协议栈来验证已提出的协 议。 6 l o w p a n 的设计目标在于在i e e e8 0 2 1 5 4 协议之上构架i p v 6 协议，然而 i e e e8 0 2 1 5 4 协议作为以低功耗低开销为目的的无线传感器网络协议，在报文 长度底层路由等若千方面都无法适应i p v 6 的需求，从而无法如在其他m a c 层 协议( 如以太网) 上那样直接构建i p v 6 协议，因此6 l o w p a n 在i e e e8 0 2 1 5 4 m a c 层和i p 、，6 网络层之间构建了适配层，通过适配层来弥补i e e e 8 0 2 1 5 4 m a c 层对i p v 6 网络层支持的不足。在适配层我们主要需要实现了网络拓扑管理、 p a n 内部地址管理、适配层路由、适配层分片和重装、头部压缩及组播支持等 功能。本文着重对网络拓扑管理、p a n 内部地址管理以及适配层路由等方面进 行了研究和设计，并实现了相关协议，最终从实现角度验证了设计的正确性。另 外，为了实现p a n 内部的传感器节点能够真正地与外部i n t e m e t 通信，同时避 免支持i e e e8 0 2 1 5 4 协议的m c u 往往计算资源有限，无法支持双接口的不足， 本文设计并实现了双c p u 网关构架，使得p a n 内部节点能够通过双c p u 网关 上的以太网接口同外部i n t e m e t 通信。 韩国三星电子美国微软等公司的研究人员正积援参与6 l o w p a n 相关标准的制定工作 4 华东师范大学2 0 0 7 届硕士学位论文第1 章引言 1 。4 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： 第一章介绍了项目的背景，并对无线传感器网络的特点和应用领域进 行了描述，同时分析了6 l o w p a n 的研究现状，最后介绍了本文的研 究思路和主要工作。 第二章介绍了本文所涉及到的主要的技术及其相关背景，包括i e e e 8 0 2 1 5 4 协议、i p v 6 协议、z i g b e e 协议以及开发过程中用到的软硬 件环境等。 第三章从6 l o w p a n 遇到的闯题引出了适配层的作用，并从总体上描 述了适配层在协议栈中的位置以及其相关功能，同时介绍了涉及到的 相关报文结构等。 第四章提出了m a c 层树状拓扑的构建方法，并详尽描述了三类节点 在拓扑构建过程中的协议行为和数据收发形式，介绍了节省能耗为目 的的b e a c o n 机制，设计并实现了b e a c o n 冲突避免的方法。 第五章在树状拓扑基础上实现了树状拓扑地址分配方案，同时也比较 了i e t f 提出了h i l o w 地址分配方案，并基于以上两种机制实现了 树状路由算法。 第六章提出并实现了基于a r m 和h c s 0 8 系列的双c p u 网关构架， 为上层提供了包括i e e e8 0 2 1 5 4 和以太网接口在内的双接口支持。 第七章描述了协议的测试过程，通过测试证明了协议设计的正确性。 第八章对本文所做的工作进行了总结，并对进一步的工作做了相应的 展望。 1 5 小结 本章主要介绍了无线传感器网络的概况，由此引出了6 l o w p a n 技术及本文 的立论依据，并对6 l o w p a n 的提出和研究现状进行了简要的描述，然后介绍了 本文的研究思路及主要进行的工作，最后介绍了本文的组织结构。 5 华东师范大学2 0 0 7 届硕士学位论文 第2 章主要技术背景 第2 章主要技术背景 2 1i e e e8 0 2 1 5 4 简介 为了满足低功耗、低成本的无线网络要求，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，任务就是开发一个低数据率的w p a n ( l rp 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 的设备之间进行低数据率的传输，以下为i e e e8 0 2 1 5 4 的部分特点： 1 允许传输的报文长度偏短。m a c 层允许的最大报文长度为1 2 7 字节， 除去m a c 头部2 5 字节后，仅剩下1 0 2 字节的m a c 数据。如果在m a c 加入安全机制闭，则另外需要最大2 1 字节的安全相关字段，因此提供给 上层的报文长度将仅剩下8 1 字节。 2 支持两种地址。6 4 b i t 的标准e u l 6 4 长m a c 地址，以及1 6 b i t 短m a c 地址，可以视协议实现选用两种地址。 3 低带宽。8 0 2 1 5 4 协议在不同的工作频率下提供不同的数据速率： 2 5 0 k b i t s ( 2 4 g h z ) ，4 0 k b i t j s ( 9 1 5 m h z ) ，2 0 k b i t s ( 8 6 8 m h z ) 4 网络拓扑简单，支持星型网络、树状网络以及m e s h 网络，可以在拓扑 中进行多跳路由的操作。 5 低耗电量。一般运行8 0 2 1 5 4 的节点都要求使用低功耗的硬件设备， 通常使用电池供电。 6 低开销。通常无线节点上都会附着某些传感器( 如温度传感器、湿度传 感器等) ，而控制这类传感器所采用的m c u 通常都是低速率的，内存空 间也相当有限。 7 网络内部署的节点数量巨大。根据具体的应用需求，一般来讲，传感器 网络都会部署大数量的传感器，以达到数据采集的目的。 “ 8 无法预知传感器节点的物理位置。通常情况，传感器节点是通过随机布 撒的方式进行部署，而且某些部署的地方是人类难以触及的地方。同时， 节点也有一定的移动性，但是其移动性并未有8 0 2 1 1 协议要求高。 9 为了达到省电的目的，节点通常具有休眠模式，绝大部分时候处于休眠 模式，并通过一定方式来与其他节点进行同步。 6 华东师范大学2 0 ( ) 7 届硕士学也论文 第2 章主要技术背景 2 1 1 物理特性 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 5 m h z 物理层。两个物理层都基于直接序列扩频( 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 频段同，有助于低功耗无线设备的推广和生产成 本的降低。2 4g h z 频段有1 6 个信道，能够提供2 5 0k b i u s 的传输速率；8 6 8m h z 是欧洲的l s m 频段，9 1 5m h ：是美国的i s m 频段，这两个频段的引入避免了2 4 g h z 附近各种无线通信设备的相互于扰。8 6 8m h z 频段只有一个信道，传输速 率为2 0k b i t s = 9 1 6m h z 频段有1 0 个信道，传输速率为4 0k b i t s 。由于这两个 频段上无线信号传播损耗较小，因此可以降低对接收机灵敏度的要求，获得较远 的有效通信距离，从而可以用较少的设备覆盖给定的区域。2 4g h z 频段物理层 采用的是0 一q p s k 调制，8 6 8 ，9 1 5m h z 频段采用b p s k 调制。另外m a c 层采 用c s m a - c a 机制1 5 】，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙( g t s ) ， 避免了发送数据时的竞争和冲突。这些都很有效地提高了传输的可靠性嘲。 2 1 2 节点类型 8 0 2 1 5 4 标准针对不同的应用定义了两种不同的节点类型： a f f d ( f u l lf u n c t i o nd e v i c e ) ：功能完备节点。它具备i e e e8 0 2 1 5 4 标准规定的所有特性，一般计算能力较强，甚至有独立供电能力，可以 作为网络协调器( c o o r d i n a t o r ) 。通常f f d 也作为中间路由的路由器， 为其他节点转发数据报文。 b r f d ( r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e ) ：部分功能节点。它仅具备i e e e 8 0 2 1 5 4 标准中规定的一部分功能，在p a n 中仅仅能作为端节点。通 常计算资源( c p u 主频、内存等) 比较少，且使用电池供电，通常在网 络拓扑中仅仅作为端节点，只有数据的发送和接收功能，不能作为路由 器为其他节点转发数据。 虽然f f d 和r f d 两种节点在功能上存在差别，但是他们在协议栈构架上均 遵从o s i ( o p e ns y s t e m si n t e r c o n n e c t i o n ) 标准构架【兀，采用分层次构架，每 层都为上层提供相应的服务。如图2 所示，每个6 l o w p a n 设备都包含物理层 ( p h y ) 、媒体访阔控制层( m a c ) 以及高层协议。其中物理层负责对r f 收发 器的操作；媒体访问层负责提供对物理信道的访问方法。上层协议一般包括网络 层和应用层。网络层负责网络的配置和维护，报文的路由，常见的如z i g b e e 和 7 华东师范大学2 0 0 7 届硕士学位论文 第2 章主要技术背景 6 l o w p a n ；应用层功能一般视具体的应用需求而定。 2 1 3 网络拓扑类型 如2 1 2 节点类型所述，6 l o w p a n 网路中的节点分为f f d 和r f d ，两个或 者多个节点在其信号范围内构成了一个w p a n ( w i r e l e s sp e r s o n a ja r e a n e t w o r k ) ，而每个p a n 都必须至少有一个f f d 节点作为网络的发起者( p a n c o o r d i n a t o r ) 。为了适应不同的网络应用，8 0 2 1 5 4 标准支持多种网络拓扑，常 见的有如下三种： a 单跳星型：由一个f f d 节点作为中心节点( p a nc o o r d i n a t o r ) ，发起 整个网络，其他节点( 包括f f d 和r f d ) 可以作为子节点加入到该网 络中，网络中任何两个节点之间的通信均需要通过中心节点路由。在网 络中各个节点可以使用6 4 位长地址，也可以使用由中心节点分配的1 6 位短地址。拓扑示意图如图3 所示。 咖一蛔t ” 咖e c n 嘶啦呲” 图3 单跳星型拓扑 8 华东帅范丈学2 0 0 7 届硕士学位论文第2 掌主安技术背景 b 多跳树型：由一个f f d 节点发起作为根节点( p a nc o o r d i n a t o r ) ，其 他节点( 包括f f d 和r f d ) 可以作为子节点加入，其中f f d 节点 ( c o m m o nc o o r d i n a t o r ) 可以作为父节点接受其他节点的加入，p a n c o o r d i n a t o r 和c o m m o nc o o r d i n a t o r 可以为自己的予节点分配地址， 可以使用6 4 位长地址也可以使用1 6 位短地址。由此将整棵树延伸下去。 r f d 节点只能作为叶节点加入树( e n dd e v i c e ) 。拓扑示意图如图4 所 示。 洲一一” o 咖脚t * 一；一” 围4 多跳树状拓扑 c 点对点m e s h 型：在该中拓扑中，节点间的通信方式不在局限于父子节 点间通信，节点可以和信号范围内的任何节点通信。拓扑中的节点为对 等节点，均可作为路由器为其他节点进行路由。拓扑示意图如图5 所示。 qp 箧 r 埘r 、 u e n dd e v i c e c 一妇研 围5 对等m e s h 拓扑 2 1 4 基于原语的i e e e8 0 2 1 5 4 m a c i e e e8 0 2 1 5 4 协议采用标准的分层次构架嘲，由低层向上层提供服务，并 相互独立。n 层用户和n 层服务提供者通过一系列的离散的事件来触发服务的 调用，每个事件通常包括一个或者多个服务原语的传递。如图6 所示。 广义上原语可以分为四类：r e q u e s t 、i n d i c a t i o n 、r e s p o n s e 和c o m f i r m ， 而在i e e e8 0 2 1 5 4 中则按照原语内容可分为三种i s l ： 9 华东师范大学2 0 0 7 届硕士学位论文第2 蕈主要技术背景 服务提供者 ( n 层) 田6 原语调用结构 m l m e 原语：命令相关的原语，如a s s o c i a t e 等 m c p s 原语：数据相关的原语，如d a t a - i n d i c a t i o n 等 a s p 原语：应用层特有的原语，如d o z e 等 在本协议实现中，我们主要使用m l m e 和m c p s 类型原语，现仅举几例， 如下所示： m l m ea s s o c i a t e ：a s s o c i a t e 原语定义了加入过程中父子节点各自的调 用接口，包括r e q u e s t ，i n d i c a t i o n 、r e s p o n s e 和c o m f i r m 四种子类型。 m l m es c a n ：s c a n 原语定义了节点如何扫描信道能量，以及如何发现 信道中业已存在的p a n ，包括r e q u e s t 和c o m f i r m 两种子类型。 m l m e s t a r t ：s t a r t 原语指示当前节点m a c 使用指定的s u p e r f r a m e 配 置来启动一个p a n ，包括r e q u e s t 和c o r r 讯r n l 两种子类型。 m c p sd a t a ：d a t a 原语定义了节点问如何传输数据，包括r e q u e s t 、 c o m f i r m 和i n d i c a t i o n 三种子类型。 协议使用s a p ( s e r v i c ea c c e s sp o i n t ) 来处理各类原语消息，m a c 定义了 6 种s a p 处理函数来分别处理三类不同的原语消息，如图7 所示： 田7 原语处理过程 1 0 华东师范大学2 0 0 7 届硕士学位论文第2 章主要技术背景 如图，由m a c 层( 服务提供者) 发送给上层的原语消息是由m i m em a i n 函数接收( 可能是通过某种中断，如接收中断) ，并调用相应的s a p 函数( 图中 阴影框) ，这三个s a p 函数需要由服务调用者( 适配层) 实现，主要功能是将相 应的消息放入上层消息队列( 如图m l m e 和m c p s 两个接收消息队列) ，适配 层将取出这些消息并进行处理；由适配层发送给m a c 层的消息则是通过 m s g _ s e n d 函数发送，并在该函数中调用相应的s a p 函数，这些函数把相应的 消息放入m a c 层消息队列，再由m i m e _ m a i n 函数从m a c 层消息队列中取出并 交给适配层处理。 一 正是由于i e e e8 0 2 1 5 4m a c 层服务的调用是通过原语消息传递的方式进 行，使得我们可以采用在多c p u 间交互m a c 层原语消息的方式来达到多c p u 分布式操作的设计目的，详细设计见第6 章所述。 2 1 5 功能概要 在i e e e8 0 2 1 5 4 无线网络中。拓扑通常分为b e a c o n - e n a b l e d 和 n o n - b e a c o n - e n a b l e d 两种。为了达到省电的目的，拓扑通常使用 b e a c o n - e n a b l e d 方式。在b e a c o n - e n a b l e d 的拓扑中，c o o r d i n a t o r 节点通过定 期发送b e a c o n 报文来和自己的子节点进行同步，并在该报文中包含描述整个 p a n 的信息。b e a c o n 报文将整个时间轴划分成等分的时槽，拓扑中的节点仅仅 在时槽中的某一部分时间可以打开收发器进行通信，从而达到省电的目的，具体 过程将在第4 章中详细描述。 在i e e e8 0 2 1 5 4 网络中有三种数据传输方式，一种是由父结点 ( c o o r d i n a t o r ) 传输给子节点，种是由子节点传输给父节点，还有一种是在 对等节点之间传输数据。在星型拓扑和树状拓扑中，通常只是使用前两种传输方 式：而在点对点的m e s h 网络中由于数据传输会发生在任意的相邻节点之间，因 此三种传输方式都有可能使用。 1 予节点传输到父节点：在b e a c o n - e n a b l e d 的网络中，当子节点需要发 送数据给父节点时，子节点首先侦听其父节点发送的b e a c o n 报文，当 侦听到b e a c o n 后，根据b e a c o n 描述的s u p p e r f r a m e ，在时槽中选取 合适的时间点使用s l o t t e dc s m a - c a 进行竞争并发送数据。而在 n o n b e a c o n - e n a b l e d 网络中，子节点直接采用u n s l o t t e dc s m a - c a 方 式发送数据。 2 父节点传输到子节点：在b e a c o n - e n a b l e d 模式的网络中，为了省电起 见，节点的收发器并非一直打开，因此如果采用直接方式发送报文，节 点往往无法正确收到，所以父节点采用间接方式向子节点发送数据：当 华东师范大学2 0 0 7 届硕士学位论文第2 章主要技术背景 父节点有数据发送给子节点时，首先将要发送的报文存储在自己的缓冲 区中，并将该子节点的地址放到b e a c o n 报文中作为p e n d i n g 地址，子 节点收到b e a c o n 后发现自己的地址在p e n d i n g 队列中时，再发送 d a t a r e q u e s t 报文向父节点索要报文，父节点收到d a t a r e q u e s t 后， 判断该请求是否合法，如果合法则将请求的报文发送给子节点，完成整 个数据的传输。在n o n b e a c o n - e n a b l e d 的网络中，子节点则需要定时 的询问父节点是否有自己的数据，并用同样的方法向父节点索取数据。 3 点对点的数据传输：在点对点的m e s h 拓扑中，任何节点都可以和其信 号范围内的节点通信。为了有效地进行通信，节点要么一直打开收发器， 要么以同步的方式进行通信。前者可以直接使用u n s l o t l e dc s m a c a 发送数据，后者则需要同步机制，如使用b e a c o n 报文等。 通常在使用8 0 2 1 5 4 协议的应用中，节点多为能量受限节点，他们一般为 电池供电，不会频繁的更换电池或者充电，因此能量的消耗也是8 0 2 1 5 4 协议 考虑的一个重要方面。8 0 2 1 5 4 协议为此制定了一系列机制来达到省电的目的： 对于电池供电的节点来讲，绝大部分时间处于休眠状态，仅周期性地侦听信道， 通过判断b e a c o n 的内容来确定是否有p e n d i n g 给自己的数据，只有在有数据的 情况下才发送d a t a - r e q u e s t 请求数据，这种方法需要把握好节省能耗和数据发 送延时之间的平衡；对于恒定电流供电的节点来讲，则可以直达开收发器，随 时收发数据。 由于8 0 2 1 5 4 协议旨在低功耗低开销的网络设备，在协议设计