基於IEEE802.15.4無線感測器網路的IPv6協議棧

　隨著互聯網的普及，Internet對人們生活方式的影響越來越巨大，並將繼續在未來的各領域持續發揮其影響力。集成了網路技術、嵌入式技術、微機電系統（MEMS）及感測器技術的無線感測器網路將Internet從虛擬世界延伸到物理世界，從而將邏輯上的信息世界與真實物理世界融合在一起，改變了人與自然交互的方式，滿足了人們對“無處不在”的網路的需求。2000年12月IEEE成立了IEEE802.15.4工作組，致力於定義一種供廉價、固定、便攜或移動設備使用的，複雜度、成本和功耗極低的低速率無線連接技術。產品的方便靈活、易於連接、實用可靠及可繼承延續是市場的驅動力。一般認為短距離的無線低功率通信技術最適合感測器網路使用，感測器網路是IEEE802.15.4標準的主要市場對象。
    一方面，無線感測器網路具有“無處不在”和節點數量龐大等特點，部署無線感測器網路需要數量巨大的IP地址資源；另一方面，由於無線感測器網路的應用領域往往對安全性要求較高，而無線感測器網路自組織的先天性缺乏應有的安全機制。IPv6作為下一代網路協議，具有地址資源豐富、地址自動配置、安全性高、移動性好等優點，可以滿足無線感測器網路在地址和安全方面的需求。所以IETF於2004年11月成立了一個6LowPan（IPv6 over IEEE 802.15.4或IPv6 over LR_PAN）工作組。它規定了6LowPan技術在底層採取IEEE 802.15.4，MAC層以上採取IPv6協議棧，致力於如何將IPv6與IEEE802.15.4展開，實現IPv6數據包在IEEE 802.15.4上的傳輸，研究基於IPv6 over IEEE802.15.4的無線感測器網路的關鍵問題。目前這方面研究成為了一個很活躍的方向。其中，通過分析無線感測器網路對IPv6協議棧基本需求，藉助協議工程學理論和軟體工程的方法，設計並實現體積小、功能全、效率高，適用於IPv6無線感測器網路節點的嵌入式IPv6協議棧，已經成為一個很關鍵的問題。
　本文在分析了無線感測器網路和IPv6 over IEEE802.15.4的技術特點之後，重點提出了一種能夠適用於無線感測器網路，且底層採用IEEE802.15.4的嵌入式IPv6協議棧設計方案。最後，還總結了基於IPv6 over IEEE802.15.4無線感測器網路協議棧設計的核心原則。

1  無線感測器網路和IPv6 over IEEE 802.15.4的技術特點
1.1  無線感測器網路簡介
　無線感測器網路由大量低功耗、低速率、低成本、高密度的微型節點組成，節點通過自我組織、自我癒合的方式組成網路。圖1給出了無線感測器網路的工作原理，圖中分散的無線感測器節點通過自組織方式形成感測器網路。節點負責採集周圍的相關信息，並採用多跳方式將這些信息通過Internet或其他網路傳遞到遠端的監控設備。
 
圖1  無線感測器網路工作原理
　無線感測器網路由許多個功能相同或不同的無線感測器節點組成。每個感測器節點由數據採集模塊(感測器、A／D轉換器)、數據處理和控制模塊(微處理器、存儲器)、通信模塊(無線收發器)以及供電模塊(電池、DC／DC能量轉換器)等組成。節點在網路中可以充當數據採集者、數據中轉站或者簇頭節點(cluster head node) 的角色。作為數據採集者，數據採集模塊收集周圍環境的數據(如溫度和濕度)，通過通信路由協議直接或間接將數據傳輸給遠方基站(base station)或匯節點(sink node)；作為數據中轉站，節點除了完成採集任務外，還要接收鄰居節點的數據，將其轉發給距離基站更近的鄰居節點或者直接轉發到基站或匯節點；作為簇頭節點，節點負責收集該類內所有節點採集的數據，經數據融合后，發送到基站或匯節點。與傳統Ad Hoc網路相比，無線感測器網路具有一些明顯的特徵：
① 網路節點密度高，感測器節點數量眾多，單位面積所擁有的網路節點數遠大於傳統的Ad Hoc網路；
② 感測器節點由電池供電，節點能量有限；
③ 網路拓撲變化頻繁；
④ 網路應具備容錯能力。
    正是由於以上特點，IPv6與無線感測器網路的結合對IPv6提出了一些新的要求，如IPv6地址自動分配機制和IPv6包頭壓縮機制；另外，還有一些管理問題、與無線數據鏈路層介面問題等。因此，設計IPv6微型協議棧時，除了要實現功能完整、高效實用、佔用的存儲資源少以外，如上所述的一些新要求也應考慮進來。

1.2  IPv6 over IEEE 802.15.4的技術特點
　IEEE 802.15.4是2004年提出的無線標準的安全網路技術，主要定義物理層和MAC層的協議，其餘協議主要參照和採用現有的標準，主要應用場合是讀表自動化、自動化控制和感測器網路。IEEE802.15.4針對的就是低複雜度、低功耗、低數據速率的短距離網路，目標是將普通小型電池的使用壽命延長到幾年。當晶元批量生產時，每個802.15.4設備的銷售價格最終不到3美元，將很好地滿足無線感測器網路的要求。IEEE802.15.4定義了兩個物理層標準，即2.4 GHz物理層和868/915  MHz物理層。這兩個物理層都基於直接序列擴頻DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum），使用相同的物理層數據包格式；區別在於工作頻率、調製技術、擴頻碼片長度和傳輸速率。2.4 GHz波段為全球統一、無須申請的ISM頻段，有助於15.4設備的推廣和生產成本的降低。2.4 GHz的物理層通過採用高階調製技術能夠提供250 kb/s的傳輸速率，有助於獲得更高的吞吐量、更短的通信時延和工作周期，從而更加省電。868 MHz是歐洲的ISM頻段，915 MHz是美國的ISM頻段，這兩個頻段的引入避免了2.4 GHz附近各種無線通信設備的相互干擾。868 MHz的傳輸速率為20 kb/s，915 MHz是40 kb/s。由於這兩個頻段上無線信號傳播損耗較低，因此可以降低對接收機靈敏度的要求，獲得較遠的有效通信距離，從而可以用較少的設備覆蓋給定的區域，這些特點使其非常符合感測器網路的應用要求。如前所述，IEEE 802.15.4隻規定了物理層和MAC層，並且其市場目標主要是無線感測器網路，所以在選擇網路層標準時，考慮到無線感測器網路對地址和安全性等方面的要求，以及下一代互聯網協議IPv6的不斷發展和完善，在嵌入式設備中引入IPv6協議也將成為一種必然趨勢。因此，6LowPan組織建議採取如圖2所示的嵌入式IPv6協議棧，在設計時要充分考慮資源受限與功能相對完善之間的折中。
 
圖2  嵌入式IPv6協議棧

2  嵌入式IPv6協議棧的設計
2.1  嵌入式IPv6協議棧的設計思想
　由於無線感測器網路節點一般都是嵌入式設備，所以嵌入式IPv6協議棧的設計主要應突出“微型化”的思想。TCP/IP協議最先是在Unix系統里實現的，由於嵌入式系統與PC機的差別很大，在嵌入式系統中實現TCP/IP協議與在操作系統中的實現有很大不同,所以這是設計的核心環節。嵌入式系統的IPv6微型協議棧，直接面對硬體，沒有一個多任務操作系統平台;MCU中的程序結構一般是順序執行和硬體中斷相配合的方式，與高級操作系統中多線程併發執行的方式截然不同。因為單片機上系統的各種資源是有限的，例如CPU的處理速度、字長，RAM、ROM存儲器的容量以及介面的數量等與通用計算機相比有很大差距，所以如何使協議棧做到精細、通信可靠、功能相對完善，而且又能發揮單片機的特點成為IPv6微型協議棧設計的關鍵問題。“微型化”思想主要體現在設計方案核心應著眼於設計體積小，但又不影響運行的協議棧，所以要對協議棧的裁剪方面進行深入研究，去掉不必要的組件、傳統的複雜調度機制和額外的擴展功能，甚至可以去除操作系統等。
　綜合研究以上多方面因素，提出了能夠適用於無線感測器網路的嵌入式IPv6微型協議棧的設計要求。
　①  協議棧運行於單片機系統上，具有較強的兼容性。可以在乙太網上正確運行，同時在此基礎上可以藉助IEEE802.15.4 MAC的無線數據傳輸功能來傳送數據包。
　②  實現IPv6基本協議棧核心協議的最基本功能，包括IPv6基本描述協議、ND（鄰居發現）協議、ICMPv6（網際網路控制報文）協議和IPv6地址的自動配置協議等。

• IPv6基本描述協議： IPv6數據包的發送、接收、處理等基本功能。
• ND（鄰居發現）協議： 鄰居發現的地址解析功能，實現鄰居請求和鄰居通告。
• ICMPv6（網際網路控制報文）協議： 主要實現控制報文的消息處理，以及對網路診斷功能的回應請求和回應答覆。
• IPv6地址自動配置協議： 根據IPv6地址格式的要求，主要實現IPv6鏈路本地地址的配置和請求節點多播地址的配置。

　③  利用對校驗和欄位的計算與處理來提高ICMPv6、TCP等協議運行的正確性。
　④  實現簡單的應用層協議（如TELNET/SNMP協議），利用遠程終端可以登錄到運行嵌入式IPv6協議棧的單片機系統，以及進行簡單的控制和管理操作。

2.2  嵌入式IPv6協議棧的分層與模塊化設計
　嵌入式IPv6協議棧採用分層結構進行設計，將整個協議棧（包括TCP及上層應用）分為4個層次: 事件觸發介面層、TCP/IP網路協議層、NIC網路介面核心層和網路設備驅動介面層。
　圖3是對整個協議棧的分層描述，在協議棧的工作過程中使用上層調用相鄰層的函數來實現相應的功能。 
 
圖3  協議棧分層對象時序圖
　各層的功能簡述如下：

1. 事件觸發介面層。該層對應於TCP/IP模型的應用層協議（OSI模型的高層協議），主要功能是定義網路數據的格式以及網路的應用。
2. TCP/IP網路協議層。該層對應於TCP/IP模型的傳輸層協議和網路層協議（OSI模型的3、4兩層），主要功能是定義數據如何傳輸到目的地的。使用TCP協議在兩台主機之間建立端到端的連接，保證可靠的傳輸；IP協議進行路由選擇和基於IP的定址。
3. NIC網路介面核心層。該層是整個網路介面的關鍵部位，其上層是具體的網路協議，下層是驅動程序。它為上層提供統一的發送介面，屏蔽各種各樣的物理介質；同時負責把來自下層的包向合適的協議發送。
4. 網路設備驅動介面層。該層是分層結構的最底層，其主要功能是控制具體物理介質，從物理介質接收和發送數據，並對物理介質進行諸如最大數據包之類的各種設置。

　結合對嵌入式IPv6協議棧設計要求和分層結構的全面分析，將設計實現劃分為4個模塊，如圖4所示。

圖4  各功能模塊及其關係示意圖
　各模塊的功能簡述如下：

1.  網路介面核心模塊。該模塊為網路協議提供統一的發送介面，屏蔽各種各樣的物理介質；同時負責把來自下層的包向合適的協議配送。
2.  事件介面模塊。嵌入式IPv6協議棧沒有採用BSD套介面，而是採用了事件驅動介面。當特定TCP/IP事件發生時，將調用應用程序；而當應用程序產生輸出數據時，也通過此介面發送出去。
3.  SNMP網管模塊。該模塊負責獲取IPv6無線感測器網路節點的相關MIB信息。
4.  配置顯示調試命令模塊。該模塊用於提供用戶配置和調試的界面，包括配置IP地址、子網掩碼、默認網關和MAC地址等。在程序正常運行前，由超級終端進入配置模式，由用戶進行配置管理。

結語
　基於IPv6 over IEEE802.15.4的無線感測器網路是一門新興的網路技術，人們對它的研究尚處於起步階段。本文針對基於IPv6 over IEEE802.15.4無線感測器網路自身特點，對其關鍵技術嵌入式IPv6協議棧進行了分析。筆者認為，現有的IPv6協議棧雖然在功能、性能等方面具有很大優勢，但由於代碼體積較大（幾MB~幾百MB），而無線感測器網路節點的存儲資源只有不到200 KB，因而無法運行在計算能力和存儲資源受限的無線感測器網路節點中。所以在設計適合感測器節點的嵌入式IPv6協議棧時，應充分分析和研究無線感測器網路對IPv6提出的新要求，考慮在性能和資源之間尋找一個折中的方案，充分運用協議工程學理論和軟體工程的方法，設計一種合理、高效的嵌入式IPv6微型協議棧。這對推動無線感測器網路和IPv6的發展，以及改變人們的生活和工作方式，具有十分重要的意義。