无线传感器网络ipv6overwsn协议实现与关键技术研究

无线传感器网络ipv6overwsn协议实现与关键技术研究内容摘要：

链路 (IP网 )。  接收过程：在协调器从网关接收到高速链路传送过来的数据包，送入压缩器进行报头压缩，之后送入低速本地链路 ，用户接收到数据包之后进行报头解压，还原原始 IPv6包，并交由上层处理。 如下图，给出了一个 IPv6 Over IEEE 简化和压缩 IP/UDP协议信息头的机制和方法： 广东移动 2020 年度“物联网”重大科技专项 项目结题报告 中国移动通信集团广东 有限公司 8 通过如上的压缩方式，基本上把 40字节的 IPv6信息头压缩成 2字节信息。 在此基础上，如何实现 UDP信息头压缩和分段是我们进一步需要考虑和解决的问题。 2)IPv6 Over IEEE （分片和重组 ) IPv6 Over IEEE ，即 6LowPAN协 议栈所提到的信息包的分片和重组。 当一个负载 IPv6报文，不能在一个单独的 IEEE 帧中传输时，需要对负载报文进行 6LowPAN适配层的分片。 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 FragmentTag值并在节点初始化时将其设置为一个随机值。 A、 分片 当上层递交一个超过适配层最大 Payfoad长度的报文给 6LowPAN适配层后， 6LowPAN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 :负载报文长度十不分片头部长度 +Meshnelivery字段长度 (或 Broadcast字段长度 )IEEE MAC层的最大 Payload长度。 在使用 16一 bits短地址并且不使用 IEEE ，负载报文长度最大为 95(102一 2一 5)字节。 6LowPAN适配层分片的具体过程下图所示。 6LowPAN的分片过程 对于第一个分片 : 将分片头部的 LF字段设置为 01表示第一个分片。 Prot_type字段设置为上层协议的类型，特别的，如果是 IPv6协议该字段设置为 1。 另外，由于是第一个分片， offset必定为 0，所以在该分片中不需要 fragment_offset字段。 用当前维护的 DatagramTag值来设置 datagram一 ag字段。 datagram_size字段填写原始负载报文的总广东移动 2020 年度“物联网”重大科技专项 项目结题报告 中国移动通信集团广东 有限公司 9长度。 如果需要在 Mesh网络中路由， MeshDelivery字段应该紧随在分片头部之后并在负载报文碎片之前。 对于后继分片 : 分片头部的 LF字段设置为 11或者 10表示中间分片或者最后一片。 fragment_offset字段则设置为当前碎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碎片长度也必须是 8字节边界对齐的，也就是说负载报文碎片的最大长度实际上只有 88字节。 datagram一 ag和 datagram_size字段的值和第一片中相同。 如果需要在 Mesh网络中路由， MeshDelivery字段应该紧随在分片头部之后并在负载报文碎片之前。 当一个被分片报文的所有分片都发送完成后 DatagramTag加 1，当该值超过 511后应该翻转为 0。 对于适配层广播帧，由于节点能量和资源方面的限制，对于一个较大的负载报文的多个分片的广播将给整个 LoWPAN网络带来严重的 负担。 因此，适配层可以选择禁止对需要进行适配层广播的报文 (如 IPv6组播报文 )进行分片操作，适配层将丢弃超过其最大 Pay10ad长度并且需要进行广播的负载报文。 B、 重组 当 6LowPAN适配层收到一个分片的帧后，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  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，其重组过程参见下图所示。 6LowPAN的重组过程 ①如果是第一次收到某负载报文的分片，节点记录下该分片的源 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，如果分片帧有 MeshDelivery字段的话，源 MAC地址应该是 MeshDelivery字段中的 originator Address字段。 ②如果已经收到该报文的其他分片，则根据当前分片帧的 fragment_offset字段进行重组。 如果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。 如果本分片和前后分片有重叠，则应该丢弃当前分片，这样做的目的主要是简化处理，认为如果出现这种情况一定是发送方 出现了错误，不应该继续接收。 ③如果成功接收到所有分片，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 1中记录的源 MAC地址和 datagram_tag字段信息。 3)IPv6核心机制在 6LowPAN 下的承载。 A、组播机制。 因为 IEEE 支持广播机制，因此可以实现所有节点的组播功能，但是其任何一件事情需要唤醒全部节点进行处理，不符合无线传感器网络低能耗、低速率等特点。 因为无线传感广东移动 2020 年度“物联网”重大科技专项 项目结题报告 中国移动通信集团广东 有限公司 10器网络的特点，要求所实现的支持 IPv6 协议的组播机制一方面必须符合无线传感器网络特点，另一方面必须具有组播机制的普通性。 基于 6LowPAN 的特点，我们需要设计和实现了一种低能耗、低带宽的IPv6 Over IEEE 组播机制。 B、无状态自动配置。 无状态自动配置是 IPv6的核心机制，其能够解决节点地址的自动配置，因此有效 地解决了网络管理问题。 IPv6的地址包括：（ 1)全局前缀或链路本地地址；（ 2)接口 ID。 而 IEEE ， MAC 子层设备地址存在两种不同的格式：（ 1)16 位短地址；（ 2)EUI64 地址，因此需要实现一种地址映射方法解决 IPv6所需要的 128位地址。 C、轻线程发现机制（邻居发现 )。 IPv6邻居发现具有很多重要的功能，包括路由发现、邻居发现、重复地址检测、不可达地址检测、前缀发现等，其能够有效地降低网络系统管理的要求。 针对无线传感器网络的特点，我们需要实现一种轻线程的邻居发现机制，其能够有 效地减低各节点的能量消耗。 技术的进步性 1）在 IPv6 Over IEEE IPv6协议信息头的机制和方法，实现 ipv6数据适应在。 传统的报头压缩机制，应用到传感器节点这样的设备上，会造成极大的系统开销，甚至是不可行的。 因此，为了在 IEEE MAC层传送 IPv6数据包，需要利用链路层和网络层之间的 6LowPAN适配层，提出适合 6LowPAN网络的报头压缩策略。 2）实现了 IPv6核心机制的 6LoWPAN低层承载， 在研究无线传感器网络特点、需求和 IPv6协议栈技术的基础上，设计精简的 IPv6微型协议栈，优化微型协议栈工作和调度机制； 3）研究基于 IPv6的无线传感器网络同 IPv6骨干网接入方式，实现该网络与现有网络基础设施（如Inter）的融合，实现了无线传感器网络和 IP通信网络的互联和统一管理。 技术的核心价值 1）研究并创建一种具有自主知识产权的 IPv6无线传感器网络新型体系结构形态； 2）通过对上层 IPv6协议报头压缩、信息包的分片与重组，实现 IPv6协议在 MAC层的正确传输 ，验证其实现的可行性； 3）为物联网系统中真正的端到端的智能通信模式提供技术实现手段； 4） IPv6协议融入无线传感器网络为海量的物联网节点提供足量的 IP地址空间； 三、标准化状况 无线传感器网络，旨在建立一种低速率、低价格、低功耗、短距离的无线通信而设计的网络 , 以满足对数据传输速率和时延要求不高的无线接人方式。 为了达此目的， IEEE 标准委员会在 2020 年 12 月正式批准并成立了 组，研究 IEEE 的技术标准。 IEEE 只制订了物理层与MAC层标准，至于 MAC层以上 的协议， 组并没有制定相关标准方案。 因此， IEEE 基于物理层与 MAC层的技术标准具有良好的可扩展性。 2020年 8月，由英国 Invensys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等，成立了 ZigBee 联盟，着力 ZigBee 协议标准的制定。 ZigBee 协议标准由应用层、应用汇聚层、网络层、 MAC 层和物理层组成。 网络层以上主要由 ZigBee 联盟负责， MAC 层与物理层基于 IEEE。 2020年 11月， IETF成立了一个 6LowPAN(IPv6 over IEEE 或 IPv6 over LR_PAN)工作组，致力于如何将 Ipv6 与 IEEE 展开，实现 Ipv6 数据包在 IEEE 上的传输，研究基于IPv6 over IEEE 的无线传感器网络的关键问题，从而形成了 6LowPAN协议栈模型。 它规定了6LowPAN技术底层采取 IEEE 层与物理层协议，网络层采用 IPv6协议栈。 随着无线传感器网络的发展， 将无线传感器网络统一纳入 IP体系中 ，可作为无线传感器大 规模应广东移动 2020 年度“物联网”重大科技专项 项目结题报告 中国移动通信集团广东 有限公司 11用的 关键的问题之一。 虽然，目前 IPv6 Over 标准已经基本制订，但到目前为止存在很多问题需要进一步解决 ： （ 1)IPv6 Over IEEE 标准还没有成熟的协议软件的具。