6LowPAN技术——报告.doc

6LoWPAN技术摘要：6LoWPAN，即IPv6 over IEEE 802.15.4,为低速无线个域网标准。本文介绍6LoWPAN的参考模型，底层的技术以及适配层的关键技术。然后简要介绍6LoWPAN的应用领域，IPSO联盟及一些基于6LoWPAN标准的产品。1. 何为6LoWPAN6LoWPAN 是IPv6 over Low power Wireless Personal Area Network的简写，即基于IPv6的低速无线个域网。IETF组织于2004年11月正式成立了IPv6 over LR_WPAN(6LoWPAN)工作组，着手制定基于IPv6的低速无线个域网标准，旨在将IPv6引入以IEEE802.15.4为底层标准的无线个域网。该工作组的研究重点为适配层、路由、包头压缩、分片、IPv6、网络接入和网络管理等技术。该工作组已经完成了两个RFC：概述、假设、问题陈述和目标（RFC4919：2007-08）和基于IEEE802.15.4的IPv6报文传送（RFC4944：2007-09）。6LoWPAN技术是一种在IEEE 802.15.4标准基础上传输IPv6数据包的网络体系，可用于构建无线传感器网络。6LoWPAN规定其物理层和MAC层采用IEEE 802.15.4标准，上层采用TCP/IPv6协议栈，其与TCP/IP对比的参考模型如下图1所示。图1 6LoWPAN与TCP/IP参考模型对比LoWPAN协议栈参考模型与TCP/IP的参考模型大致相似，区别在于6LoWPAN底层使用的IEEE 802.15.4标准，而且因低速无线个域网的特性，在6LoWPAN的传输层没有使用TCP协议。2. IEEE 802.15.4技术概述2.1 IEEE 802.15.4简介IEEE 802.15.4工作组2000年12月成立。IEEE 802.15.4规范是一种经济、高效、低数据速率（低于250kbit/s）、工作在2.4GHz的无线技术（欧洲868MHz，美国915MHz），用于个域网和对等网状网络。支持传感器、远端控制和家用自动化等，不适合传输语音，通常连接距离小于100m。802.15.4不仅是ZigBee应用层和网络层协议的基础，也为无线HART、ISA100、WIA-PA等工业无线技术提供了物理层和MAC层协议。同时802.15.4还是传感器网络使用的主要通信协议规范。IEEE802.15.4定义的是PHY和MAC层，其体系结构如图2所示，该标准定义了低速无线个域网络(LoWPAN)的物理层和MAC层协议。物理层包括射频模块和物理层控制机制。MAC子层提供物理信道的访问控制方式及帧的封装。在MAC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-SSCS和LLC-实现连接。图2 IEEE802.15.4协议层次2.2 IEEE 802.15.4主要特征1）工作频段和数据速率 2.4GHz、868M、915M3个频段对应250kb/s、20kb/s和40kb/s速率不同的数据速率能为不同的应用提供较好的选择例如，对于有些计算机外围设备与互动式玩具，能需要250 kbit/s，而对于其他许多应用，如各种感器、智能标记和家用电器等，20 kbit/s这样的速率就能满足要求。 2）支持简单器件在802.15.4中定义了14个物理层基本参数和35个媒体接入控制层基本参数，总共为49个，仅为蓝牙的三分之一。这使它非常适用于存储能力和计算能力有限的简单器件。3）信标方式和超帧结构 IEEE 802.15.4网可以工作于信标使能方式或非信标使能方式。在信标使能方式中使用超帧结构，超帧结构的格式由协调器来定义 4）数据传输在802.15.4中，有三种不同的数据转移:从器件到协调器;从协调器到器件;在对等网络中从一方到另一方。为了突出低功耗的特点，把数据传输分为以下三种方式：直接数据传输、间接数据传输和有保证时隙(GTS)数据传输。5) 低功耗，在待机模式下可使用2节5号干电池驱动6个月以上。6) 低成本，一般采用硬件资源非常有限的底端嵌入式设备或更小的特殊设备。7) 短距离，节点信号覆盖的范围有限，一般为10-100m。3. 6LoWPAN技术3.1 6LoWPAN技术概述6LowPAN技术底层采用IEEE802.15.4规定的PHY层和MAC层，网络层采用IPv6协议。由于IPv6中，MAC支持的载荷长度远大于6LowPAN底层所能提供的载荷长度，为了实现MAC层与网络层的无缝连接，6LowPAN工作组建议在网络层和MAC层之间增加一个网络适配层，用来完成包头压缩、分片与重组以及网状路由转发等工作。6LoWPAN技术具有以下几个方面的优势：(1)普及性：IP网络应用广泛，作为下一代互联网核心技术的IPv6，也在加速普及的步伐，在LR-WPAN网络中使用IPv6更易于被接受。(2)适用性：IP网络协议栈架构受到广泛的认可，LR-WPAN网络完全可以基于此架构进行简单、有效地开发。(3)更多地址空间：IPv6应用于LR-WPAN最大的亮点是庞大的地址空间，这恰恰满足了部署大规模、高密度LR-WPAN网络设备的需要。(4)支持无状态自动地址配置： IPv6中当节点启动时，可以自动读取MAC地址，并根据相关规配置好所需的IPv6地址。这个特性对传感器网络来说，非常具有吸引力，因为在大多数情况下，不可能对传感器节点配置用用户界面，节点必须具备自动配置功能。(5)易接入：LR-WPAN使用IPv6技术，更易于接入其他基于IP技术的网络及下一代互联网，使其可以充分利用IP网络的技术进行发展。(6)易开发：目前基于IPv6的许多技术已比较成熟，并被广泛接受，针对LR-WPAN的特性需进行适当的精简和取舍，简化协议开发的过程。尽管6LoWPAN技术存在许多优势，但仍然需要解决许多问题，如IP连接、网络拓扑、报文长度限制、组播限制以及安全特性，以实现LR-WPAN网络与IPv6网络的无缝连接。3.2 6LoWPAN关键技术为了更好地实现IPv6网络层与IEEE 802.15.4 MAC层之间的连接，所以在他们之间加入适配层以实现屏蔽底层硬件对IPv6网络层的限制。6LoWPAN的参考模型如下图3所示。图3 6LoWPAN协议栈参考模型适配层是IPv6网络和IEEE 802.15.4MAC层间的一个中间层，其向上提供IPv6对IEEE 802.15.4媒介访问支持，向下则控制LoWPAN网络构建、拓扑及MAC层路由。6LoWPAN的基本功能，如链路层的分片和重组、头部压缩、组播支持、网络拓扑构建和地址分配等均在适配层实现。3.2.1适配层基本功能由于最大MTU、组播及MAC层路由等原因，IPv6不能直接运行在IEEE 802.15.4MAC层之上，适配层将起到中间层的作用，同时提供对上下两层的支持，其主要功能如下：(1) 链路层的分片和重组：IPv6规定数据链路层最小MTU为1280字节，对于不支持该MTU的链路层，协议要求必须提供对IPv6透明的链路层的分片和重组。因此，适配层需要通过对 IP报文进行分片和重组来传输超过IEEE 802.15.4MAC层最大帧长（127字节）的报文。(2) 组播支持：组播在IPv6中有非常重要的作用，IPv6特别是邻居发现协议的很多功能都依赖于IP层组播。此外，WSN的一些应用也需要MAC层广播的功能。IEEE 802.15.4 MAC层不支持组播，但提供有限的广播功能，适配层利用可控广播共泛的方式来在整个WSN中传播IP组播报文。(3) 头部压缩：在不使用安全功能的前提下，IEEE 802.15.4 MAC层的最大payload为102字节，而IPv6报文头部为40字节，再除去适配层和传输层(如UDP)头部，将只有50字节左右的应用数据空间。为了满足IPv6在IEEE 802.15.4 传输的MTU，一方面可以通过分片和重组来传输大于102字节的IPv6报文，另一方面也需要对IPv6报文进行压缩来提高传输效率和节省节点能量。为了实现压缩，需要在适配层头部后增加一个头部压缩编码字段，该字段将指出IPv6头部哪些可压缩字段将被压缩，除了对IPv6头部以外，还可以对上层协议(UDP、TCP及ICMPv6)头部进行进一步压缩。(4) 网络拓扑构建和地址分配：IEEE 802.15.4标准对物理层物和MAC层做了详尽地描述，其中MAC层提供了功能丰富的各种原语，包括信道扫描、网络维护等。但MAC层并不负责调用这些原语来形成网络拓扑并对拓扑进行维护，因此调用原语进行拓扑维护的工作将由适配层来完成。另外，6LowPAN中每个节点都是使用EUI-64地址标识符，但是一般的LoWPAN网络节点能力非常有限，而且通常会有大量的部署节点，若采用64-bits地址将占用大量的存储空间并增加报文长度，因此，更适合的方案是在PAN内部采用16-bits短地址来标识一个节点，这就需要在适配层来实现动态的16-bits短地址分配机制。(5) MAC层路由：现网络拓扑构建和地址分配相同，IEEE 802.15.4标准并没有定义MAC层的多跳路由。适配层将在地址分配方案的基础上提供两种基本的路由机制树状路由和网状路由。适配层是整个6LowPAN的基础框架，6LowPAN的其它一些功能也是基于该框架实现的。整个适配层功能模块的示意图如图4所示。图4适配层功能块3.2.2适配层帧格式由于LowPAN网络有报文长度小、低带宽、低功耗的特点，为了减小报文长度，适配层帧头部分为两种格式，即不分片和分片，分别用于数据部分小于MAC层MTU(102字节)的报文和大于MAC层MTU的报文。当IPv6报文要在802.514.链路上传输时，IPv6报文需要封装在这两种格式的适配层报文中，即IPV6报文作为适配层的负载紧跟在适配层头部后面。特别地，若”M”或“B”bit被置为1时，适配层头部后面将首先出现MB或Broadcast字段，IPv6报文则出现在这两个字段之后。1） 不分片报文格式不分片头部格式的各个字段含义如下：l LF：链路分片(Link Fragment)，占2bits。此处应为00，表示使用不分片头部格式。l prot_type：协议类型，占8bits。指出紧随在头部后的报文类型。l M：Mesh Delivery字段标志位，占1 bit。若此位置为1，则适配层头部后紧随着的是”Mesh Delivery”字段。l B：Broadcast标志位，占1 bit。若此位置为1，则适配层头部后紧随着的是”Broadcast”字段。l rsv：保留字段，全部置为0。2） 分片报文格式若一个包括适配层头部在内的完整负载报文不能够在一个单独的 IEEE 802.15.4帧中传输时，需要对负载报文进行分片，此时适配层使用分片头部格式封装数据。分片头部格式如下：分片头部格式的各个字段含义如下：l LF：链路分片(Link Fragment)，占2bits。当该字段不为0时，指出链路分片在整个报文中的相对位置，其中具体定义如下表所示。LF链路分片位置00不分片01第一个分片10最后一个分片11中间分片l prot_type：协议类型，占8 bits，该字段只在第一个链路分片中出现。l M： Mesh Delivery字段标志位，占1 bit。若此位置为1，则适配层头部后紧随着的是”Mesh Delivery”字段。l B：Broadcast标志位，占1 bit。若此位置为1，则适配层头部后紧随着的是”Broadcast”。若是广播帧，每个分片中都应该有该字段。l datagram_size：负载报文的长度，占11 bits，所以支持的最大负载报文长度为2048字节，可以满足IPv6报文在IEEE 802.15.4上传输的1280字节MTU的要求。l datagram_tag：分片标识符，占9 bits，同一个负载报文的所有分片的datagram_tag字段应该相同。l fragment_offset：报文分片偏移，8 bits。该字段只出现在第二个以及后继分片中，指出后继分片中的payload相对于原负载报文的头部的偏移。3.2.3分片和重组当一个负载报文不能在一个单独的IEEE 802.15.4帧中传输时，需要对负载报文进行适配层分片。此时，适配层帧使用4字节的分片头部格式而不是2字节的不分片头部格式。另外，适配层需要维护当前的fragment_tag值并在节点初始化时将其置为一个随机值。1) 分片当上层下传一个超过适配层最大payload长度的报文给适配层后，适配层需要对该IP报文分片进行发送。适配层分片的判断条件为：负载报文长度+不分片头部长+Mesh Delivery(或Broadcast)字段长度 IEEE 802.15.4 MAC层的最大payload长度。在使用16-bits短地址并且不使用IEEE 802.15.4安全机制的情况下，负载报文的最大长度为95(127-25(MAC头部)-2(不分片头部)-5（MD的长度）)字节。适配层分片的具体过程如下所示：对于第一个分片：l 将分片头部的LF字段设置为01表示是第一个分片。l Prot_type字段置为上层协议的类型。若是IPv6协议该字段置为1。另外，由于是第一个分片，offset必定为0，所以在在该分片中不需要fragment_offset字段。l 用当前维护的datagram_tag值来设置datagram_tag字段；datagram_size字段填写原始负载报文的总长度。l 若需要在Mesh网络中路由，Mesh Delivery字段应该紧随在分片头部之后并在负载报文小分片之前。对于后继分片：l 分片头部的LF字段设置为11或10，表示中间分片或最后一分片。l fragment_offset 字段则设置为当前报文小分片相对于原负载报文起始字节的偏移，需要注意的是这里的偏移是以8字节为单位的，因此每个分片的最大负载报文小分片长度也必须是8字节边界对齐的，也就是说负载报文小分片的最大长度实际上只有88字节。当一个被分片报文的所有小分片都发送完成后datagram_tag加，当该值超过511后应该翻转为0。2) 重组当适配层收到一个分片后，根据以下两个字段判断该分片是属于哪个负载报文的：源MAC地址和适配层分片头部的datagram_tag字段。对于同一个负载报文的多个分片，适配层使用如下算法进行重组，其重组过程如下所示。a. 如果是第一次收到某负载报文的分片，节点记录下该被分片的源MAC地址和datagram_tag字段以供后继重组使用。需要注意的是，这里的源MAC地址应该是适配层分片帧源发地址，若分片帧有Mesh Delivery字段的话，源MAC地址应该是Mesh Delivery字段中的Originator Address字段。b. 若已经收到该报文的其它分片，则根据当前分片帧的fragment_offset字段进行重组。若发现收到的是一个重复但不重叠的分片，应该使用新收到的分片进行替换。若本分片和前后分片有重叠，则应该丢弃当前分片，这样的目的主要是简化处理，认为若出现这种情况一定是发送方出现了错误，不应该继续接收。c. 若成功收到所有分片，将所有分片按offset进行重组，并将重组好的原始负载报文递交给上层。同时，还需要删除在步骤(a)中记录源MAC地址和datagram_tag字段信息。重组一个分片的负载报文时需要使用一个重组队列来维护已经收到的分片以及其他一些信息(源MAC地址和datagram_tag字段)。同时，为了避免长时间等待未达到的分片，节点还应该在收到第一个分片后启动一个重组定时器，重组超时时间为15s，定时器超时后节点应该删除该重组队列中的所有分片及相关信息。3.3 6LoWPAN应用领域随着无线传感器的大规模商业应用，6LoWPAN技术能应用于多个领域：(1)设施管理、楼宇自动化和智能家居:利用6LoWPAN，使设施、楼宇、家居能进行智能化管理，让人们的生活更加舒适、安全、有效和高效节能。(2)医疗保健：无线传感器网络在医疗研究、健康保健领域扮演着越来越重要的角色。利用6LoWPAN技术可高效地处理必要的信息从而方便接受医疗与处理。(3)环境监测：随着人们对环境问题的密切关注，6LoWPAN技术为各种环境的监测与保护带来方便。(4)工业自动化：6LOWPAN的特性为工业自动化带来更大的方便。另外，6LoWPAN在安全防卫、资产管理、先进计量基础设施和个人运动与娱乐等方面也会得到广泛的应用。3.4 IPSO联盟IPSO即IP for Smart Objects。支持在传感网络中使用互联网协议(IP)。IPSO开始工作的第一个目标是，在IEEE 802.15.4标准上实现IPv6的互操作性。 IPSO联盟的智能物体的含义：智能物体定义为一个小型计算