【《6LoWPAN协议栈概述》2600字】

LoWPAN协议栈概述目录TOC\o"1-3"\h\u177576LoWPAN协议栈概述 11201.16LoWPAN协议栈简介 134411.2LoWPAN的分片重组、路由、多播和拓扑控制 240541.36LoWPAN的首部格式 3国际互联网工程任务组针对TCP/IP协议栈不能在资源限制型设备使用的问题，6LoWPAN协议栈就因此诞生了。在6LoWPAN协议栈中有一种应用层协议就是CoAP（TheConstrainedApplicationProtocol），6LoWPAN允许在以IEEE801.15.4官方公认形式的低能耗网络中使用IPv6发送接收信息[3]。在图1.1中，我们可以大概了解这个协议的结构。CoAPUDPIPv6IPv6-6LoWPAN适配层801.15.4MAC801.15.4PHY图1.16LoWPAN协议栈如图1.1所示，它的最底层往上两层配备了801.15.4PHY和801.15.4MAC以及一个IPV6-6LoWPAN放在中间。在应用层的是COAP协议，当我们在通信主机中借助COAP协议去接入网络的时候，可以实现一个稳固的体系结构，就可以完成传感器节点无线连入互联网。1.16LoWPAN协议栈简介先看一下RFID标签，其使用64~96b，需扩至128b。有方案建议将IPv6地址的后64b用于RFID标签，而前64b定义RFID系统和物联网间的网关。一个新IPv6包的有效负载将包含标签产生的信息，同时通过网关ID(复制到IPv6地址的网络前缀部分)和RFID标签ID(复制到IPv6地址的接口ID部分)二者的连接，生成源地址。网关可类似处理来自因特网并去往特定RFID标签的IPv6包。具体的RFID标签表示的是目的地址，它的标识会与IPv6地址的接口ID相连接，易于识别。而具体信息大多表示一个指定操作的要求，将被通知给相关的RFID阅读器。而针对标识符长96b的RFID，有方案建议使用代理将96b映射到64b，代理需要维持更新IPv6地址和RFID标签ID间的映射，可将RFID信息和头文件包含在IPv6包的负载数据中，如图1.2所示。针对低功率WPAN和WSN，学术界和产业界倾向于物联网添加一个网络适配层6LoWPAN，从而达成了6LoWPAN和IEEE801.15.4通信协议与IPv6互联网的有效联结。图1.3是为6LoWPAN层次模型。版本流量类型流量签有效载荷长度下一包头跳数限制源地址（128b）目标地址（128b）下一首部首部长度选项类型选项长度RFID类型报文类型保留位RIFD编码（96b）报文数据图1.2将RFID信息封装到IPv6包的建议应用层传输层IP网络层IPv6-6LoWPAN适配层802154MAC80215.4PHY图1.36LoWPAN协议层次参考模型1.2LoWPAN的分片重组、路由、多播和拓扑控制6LoWPAN和IPv6的发送和接收单元上限的是1280字节，并且ieee801.15.4的发送和接收单元上限大小是127B，即便单独的IPv6报文不可以被IEEE801.15.4帧所容纳。如果IP数据包的MTU大于WPAN的MTU，需对数据包予以分片发送和接收重组。6LoWPAN与上下层都能够完成平衡顺滑连接的操作，它不仅要满足ieee801.15.4的低能耗、小内存、速度不高这些特点，而且要满足以往的IP网络的大规模路由的这些特点。多播是对于IPv6来说是很关键的方法。所以说，一个数据包有多个目的地址。不过可以发现在IEEE801.15.4中没有多播的这一功能，其MAC只有广播这种形式。这就要求适配层支持多播，多播功能的出现可以让6LoWPAN协议更加能契合现在的网络外部环境，也将多播技术间接应用于下层的WPAN中。IEEE801.15.4不仅可以实现星型拓扑的这种结构而且还能完成节点到节点的这种结构，星型拓扑和点对点拓扑都使用协调器操作，所以它能量消耗限制较大，并且它的可靠性需要改进。6LoWPAN的位置在MAC层的上面，并且其能够操作网络拓扑的构造和修改，新增加的功能的作用可以降低了IEEE801.15.4于拓扑创建和后期维护的压力，对网络不断更新换代有好处。1.36LoWPAN的首部格式6LoWPAN协议对应于分层模型，它的每层头的格式和图1.4所表示的一样。物理层头部MAC头部适配层头部网络层头部传输层头部净数据图1.46LoWPAN协议栈中各层首部格式ieee801.15.4的最长帧是127B，而IPv6包40B的固定报头是127B。显然仅首部开销就使用了将近快要二分之一的有效负载，这样说来它的发送接收的效率比较低。所以需对此进行处理。6LoWPAN适配层会操作报文放置在适配层头部中，通过不同值表示具体通信类型。RFC4944中对6LoWPAN帧字段类型的定义见表1.5。首字节类型字段含义00xxxxxx010000010100001001000011～010011110101000001010001~011111100111111110xxxxxx11000xxx11001000～1101111111100xxx11101000～11111111非LoWPAN帧未经压缩的IPv6地址通过LoWPAN_HC1对IPv6地址进行压缩保留待将来使用该字节后为广播字段LoWPAN_BCO保留待将来使用额外分派字节后面使用Mesh字段后面为第一分片头部保留待将来使用后面为后续分片头部保留待将来使用图1.5RFC4944中规定的6LoWPAN分派值对应帧类型至今为止，典型的头压缩方案是lowpan_HC1、LoWPAN_IPHC两种IPv6报头压缩方案和相应的lowpan_HC2、LoWPAN_NHC压缩方案，以及通用的首部压缩方案6LoWPAN_GHC。1)LoWPAN_HC1首部压缩方案根据RFC4944，首部压缩考虑如下:IP版本为6;IPv6接口ID可从MAC地址中导出;报文长度可从IEEE801.15.4数据帧长字段导出或从分片头数据报大小字段导出;流量类型和流量符号的数值应为零；下一个头类型为UDP、TCP或者ICMP。HC1编码域(1B)和传输域组合生成HC1方案，如图1.6所示。字节0 123 位数01234567890123456789012345678901HCI编码区未压缩传输域图1.6LoWPAN_HC1压缩首部示意图中，编码域提供对IPv6基本首部中的压缩编码或指示，具体如下:(1)IPv6源地址，第0、1位。00:链路传输网络前缀和接口标识。01:网络前缀可以在链路上发送，接口证明可以省略。10:网络前缀在压缩后发送，接口标识符在链路上发送。11:网络前缀压缩之后运输，而接口标识可以省略不计。(2)IPv6目标地址，第2、3位。00:链路传输网络前缀和接口标识。01:网络前缀可以在链路上发送，接口证明可以省略。10:网络前缀在压缩后发送，接口标识符在链路上发送。11:网络前缀压缩之后运输，而接口标识可以省略不计。(3）版本/数据流类型/流标，第4位。0:全部8b数据流类型，20b流标不压缩，在链路上直接运输。1:数据流类型，流标号均为零。(4)下一首部，第5、6位。00:如果没有压缩，则下一个头中的完整字段将在链接上发送。01:上层是UDP协议而下一首部是UDP。10:上层是ICMP协议而下一首部是ICMP。11:上层是TCP协议而下一首部是TCP。HC2压缩编码指示，第7位。0:对上层协议不使用HC2压缩。1:根据HCI编码字段的下一个头值，在上层的相应协议上执行HC2压缩，在最大压缩时，将源/目的地址、版本/数据流类型/流标签字段和IPv6基头的下一部分压缩到HC1中，它的尺寸只有1B。无法压缩跳转数字段(1B)。整个IPv6基本首部的40B可压缩到2B长。LOWPAN_HC2首部压缩方案：我们来看一下UDP报头的HC2压缩方案，HC2可以压缩的UDP报头部分是源/目的端口和消息长度，检验与字段不能压缩，HC2的压缩结构与HC1类似，由两部分组成，HC_Cap_UDP编码域和传输域编码域长度8b，具体如下:(1)UDP源端口号(第0位)。0:直接传输，不压缩。1:源端口号被压缩为4B长的短端口号。计算过程如下:短端口号=16位源端口号P，其中P为61616(Oxfobo)，实际传输4b的短端口号。(2)UDP目标端口号(第1位)。0:直接传输，不压缩。1:将目标端口号压缩成一个长度为4B的短端口，压缩方法同上。(3）报文长度(第2位)。0:直接传输，不压缩。1:根据IPv6报头计算压缩传输，计算方法为:UDP报文