摘要  基于TPv6 over IEEE802．15．4的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是目前研究的一個熱點(diǎn)。其中,，設(shè)計適合傳感器節(jié)點(diǎn)的嵌入式IPv6協(xié)議棧是一個關(guān)鍵,。本文在分析了 IEEE802．15．4和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)后，針對這些特點(diǎn)提出一種嵌入式IPv6協(xié)議棧的設(shè)計方案,；并在本文的最后,，總結(jié)了設(shè)計時要考慮的關(guān)鍵因 素。
關(guān)鍵詞 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)IPv6協(xié)議棧 IEEE802．15．4 6LowPan

引 言
    隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及,，Internet對人們生活方式的影響越來越巨大,，并將繼續(xù)在未來的各領(lǐng)域持續(xù)發(fā)揮其影響力。集成了網(wǎng)絡(luò)技術(shù),、嵌入式技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS)及傳感器技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(shí)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(wǎng)絡(luò)的需求,。2000年12月IEEE成立了IEEE802．15．4工作組,，致力于定義一種供廉價、固定,、便 攜或移動設(shè)備使用的,，復(fù)雜度、成本和功耗極低的低速率無線連接技術(shù),。產(chǎn)品的方便靈活,、易于連接、實(shí)用可靠及可繼承延續(xù)是市場的驅(qū)動力,。一般認(rèn)為短距離的無 線低功率通信技術(shù)最適合傳感器網(wǎng)絡(luò)使用,，傳感器網(wǎng)絡(luò)是IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的主要市場對象。

    一方面,，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有“無處不在”和節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大等特點(diǎn),，部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要數(shù)量巨大的IP地址資源；另一方面,，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域 往往對安全性要求較高,，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織的先天性缺乏應(yīng)有的安全機(jī)制。IPv6作為下一代網(wǎng)絡(luò)協(xié)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(yōu)點(diǎn),，可以滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在地址和安全方面的需求,。所以IETF于2004年11月成立了一個6LowPan(IPv6 overIEEE 802．15．4或IPv6 over LR_PAN)工作組。它規(guī)定了6LowPan技術(shù)在底層采取IEEE 802．15．4．MAC層以上采取IPv6協(xié)議棧,，致力于如何將IPv6與IEEES02．15．4展開,，實(shí)現(xiàn)IPv6數(shù)據(jù)包在IEEE 802．15．4上的傳輸，研究基于IPv6 over IEEE802．15．4的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問題,。目前這方面研究成為了一個很活躍的方向,。其中，通過分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對IPv6協(xié)議?；拘枨?， 借助協(xié)議工程學(xué)理論和軟件工程的方法，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)體積小,，功能全,、效率高，適用于IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的嵌入式IPv6協(xié)議棧,，已經(jīng)成為一個很關(guān)鍵 的問題,。

    本文在分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和IPv6 overIEEE802．15．4的技術(shù)特點(diǎn)之后，重點(diǎn)提出了一種能夠適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò),，且底層采用IEEE802．15．4的嵌入式IPv6協(xié)議棧 設(shè)計方案,。最后，還總結(jié)了基于IPv6 overIEEE802．15．4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧設(shè)計的核心原則,。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和IPV6 over IEEE 802．15．4的技術(shù)特點(diǎn)
1．1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡介
    無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量低功耗,、低速率、低成本,、高密度的微型節(jié)點(diǎn)組成,，節(jié)點(diǎn)通過自我組織、自我愈合的方式組成網(wǎng)絡(luò),。圖1給出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作原理,，圖 中分散的無線傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織方式形成傳感器網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集周圍的相關(guān)信息,，并采用多跳方式將這些信息通過Internet或其他網(wǎng)絡(luò)傳遞到遠(yuǎn)端 的監(jiān)控設(shè)備,。

    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由許多個功能相同或不同的無線傳感器節(jié)點(diǎn)組成。每個傳感器節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集模塊(傳感器,、A／D轉(zhuǎn)換器),、數(shù)據(jù)處理和控制模塊(微處理器、存 儲器)、通信模塊(無線收發(fā)器)以及供電模塊(電池,、DC/DC能量轉(zhuǎn)換器)等組成,。節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中可以充當(dāng)數(shù)據(jù)采集著、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站或著簇頭節(jié)點(diǎn) (cluster-head node)的角色,。作為數(shù)據(jù)采集者,，數(shù)據(jù)采集模塊收集周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)(如溫度和濕度)，通過通信路由協(xié)議直接或間接將數(shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)方基站(base station)或匯節(jié)點(diǎn)(sink node),；作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站,，節(jié)點(diǎn)除了完成采集任務(wù)外，還要接收鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù),，將其轉(zhuǎn)發(fā)給距離基站更近的鄰居節(jié)點(diǎn)或者直接轉(zhuǎn)發(fā)到基站或匯節(jié)點(diǎn),；作為簇頭 節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集該類內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù),，經(jīng)數(shù)據(jù)融合后,，發(fā)送到基站或匯節(jié)點(diǎn)。與傳統(tǒng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)相比,，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有一些明顯的特征：①網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度高,，傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，單位面積所擁有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò),；②傳感器節(jié)點(diǎn)由電池供電,，節(jié)點(diǎn)能量有限；③網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁,；④網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備容錯能力。正是由于以上特點(diǎn)．IPv6與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合對 IPv6提出了一些新的要求,，如IPv6地址自動分配機(jī)制和IPv6包頭壓縮機(jī)制,；另外，還有一些管理問題,、與無線數(shù)據(jù)鏈路層接口問題等,。因此，設(shè)計 IPv6微型協(xié)議棧時,，除了要實(shí)現(xiàn)功能完整,、高效實(shí)用、占用的存儲資源少以外,，如上所述的一些新要求也應(yīng)考慮進(jìn)來,。

1.2 IPv6 over IEE 802 15．4的技術(shù)特點(diǎn)
    IEEE 802．15．4是2004年提出的無線標(biāo)準(zhǔn)的安全網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要定義物理層和MAC層的協(xié)議,，其余協(xié)議主要參照和采用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn),，主要應(yīng)用場合是讀表自 動化、自動化控制和傳惑器網(wǎng)絡(luò)。IEE802．15．4針對的就是低復(fù)雜度,、低功耗,、低數(shù)據(jù)速率的短距離網(wǎng)絡(luò)，目標(biāo)是將普通小型電池的使用壽命延長到幾 年,。當(dāng)芯片批量生產(chǎn)時,，每個802．15．4設(shè)備的銷售價格最終不到3美元，將很好地滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求,。IEEE802．15．4定義了兩個物理 層標(biāo)準(zhǔn),，即2．4GHz物理層和868／9l5MHz物理層。這兩個物理層都基于直接序列擴(kuò)額DSSS(Direct SequenceSpread Spectrum),，使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式,；區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術(shù),、擴(kuò)頻碼片長度和傳輸速率,。2．4 GHz波段為全球統(tǒng)一、無須申請的ISM頻段．有助于15．4設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低,。2.4GHz的物理屢通過采用高階調(diào)制技術(shù)能夠提供 250kb／s的傳輸遵率,，有助于獲得更高的吞吐量、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，915MHz是美國的ISM頻段,，這兩個頻段的引入避免了2．4GHz附近各種無線通信設(shè)備的相互干擾,。868MHz的傳輸速 率為20kb／s，915 MHz是40 kb/s,。由于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(jī)靈敏度的要求，獲得較遠(yuǎn)的有效通信距離,，從而可以用較少的設(shè)備覆蓋給定的隈域,，這 些特點(diǎn)使其非常符臺傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用要求。如前所述,，IEEE802．15．4只規(guī)定了物理層和MAC層,，并且其市場目標(biāo)主要是無竣傳感器網(wǎng)絡(luò)，所以在選 擇網(wǎng)絡(luò)層標(biāo)準(zhǔn)時,，考慮到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對地址和安全性等方面的要求,，以及下一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議1Pv6的不斷發(fā)展和完善，在嵌入式設(shè)備中引入IPv6協(xié)議也將 成為一種必然趨勢,。因此,，6LowPan組織建議采取如圖2所示的嵌入式IPv6協(xié)議棧,，在設(shè)計時要充分考慮資源受限與功能相對完善之間的折中。

2 嵌入式IPv6協(xié)議棧的設(shè)計
2.1 嵌入式IPv6協(xié)議棧的設(shè)計思想
    由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般都是嵌入式設(shè)備,，所以嵌入式IPv6協(xié)議棧的設(shè)計主要應(yīng)突出“微型化”的思想,。TCP／TP協(xié)議最先是在Uuix系統(tǒng)里實(shí)現(xiàn) 的，由于嵌入式系統(tǒng)與PC機(jī)的差別很大,，在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議與在操作系統(tǒng)巾的實(shí)現(xiàn)有很大不同,，所以這是設(shè)計的核心環(huán)節(jié)。嵌入式系統(tǒng)的 IPv6微型協(xié)議棧,，直接面對硬件,，沒有一個多任務(wù)操作系統(tǒng)平臺；MCU中的程序結(jié)構(gòu)一般是順序執(zhí)行和硬件中斷相配合的方式,，與高級操作系統(tǒng)中多線程并發(fā) 執(zhí)行的方式截然不同,。因?yàn)閱纹瑱C(jī)上系統(tǒng)的各種資源是有限的，例如CPU的處理速度,、字長,，RAM、ROM存儲器的容量以及接口的數(shù)量等與通用計算機(jī)相比有 很大差距,，所以如何使協(xié)議棧做到精細(xì),、通信可靠、功能相對完善,，而且又能發(fā)揮單片機(jī)的特點(diǎn)成為IPv6微型協(xié)議棧設(shè)計的關(guān)鍵問題,。“微型化”思想主要體現(xiàn) 在設(shè)計方案核心應(yīng)著眼于設(shè)計體積小,，但又不影響運(yùn)行的協(xié)議棧,，所以要對協(xié)議棧的裁剪方面進(jìn)行深入研究，去掉不必要的組件,、傳統(tǒng)的復(fù)雜調(diào)度機(jī)制和額外的擴(kuò)展 功能,，甚至可以去除操作系統(tǒng)等。

    綜合研究以上多方面因素,，提出了能夠適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的嵌入式IPv6微型協(xié)議棧的設(shè)計要求。
    ①協(xié)議棧運(yùn)行于單片機(jī)系統(tǒng)上,，具有較強(qiáng)的兼容性,。可以在以太網(wǎng)上正確運(yùn)行,，同時在此基礎(chǔ)上可以借助IEEE802．15．4 MAC的無線數(shù)據(jù)傳輸功能來傳送數(shù)據(jù)包,。
    ②實(shí)現(xiàn)IPv6基本協(xié)議棧核心協(xié)議的最基本功能、包括IPv6基本描述協(xié)議,、ND(鄰居發(fā)現(xiàn))協(xié)議,、ICMPv6(因特網(wǎng)控制報文)協(xié)議和IPv6地址的自動配置協(xié)議等,。
    ◆IPv6基本描述協(xié)議：IPv6數(shù)據(jù)包的發(fā)送、接收,、處理等基本功能,。
    ◆ND(鄰居發(fā)現(xiàn))協(xié)議：鄰居發(fā)現(xiàn)的地址解析功能，實(shí)現(xiàn)鄰居請求和鄰居通告,。
    ◆ICMPv6(因特網(wǎng)控制報文)協(xié)議：主要實(shí)現(xiàn)控制報文的消息處理,，以及對網(wǎng)絡(luò)診斷功能的回應(yīng)請求和回應(yīng)答復(fù)。
    ◆IPv6地址自動配置協(xié)議：根據(jù)IPv6地址格式的要求,，主要實(shí)現(xiàn)IPv6鏈路本地地址的配置和請求節(jié)點(diǎn)多播地址的配置,。
    ③利用對校驗(yàn)和字段的汁算與處理來提高ICMPv6、TCP等協(xié)議運(yùn)行的正確性,。
    ④實(shí)現(xiàn)簡單的應(yīng)用層協(xié)議(如TELNET/SNMP協(xié)議),，利用遠(yuǎn)程終端可以登錄到運(yùn)行嵌入式IPv6協(xié)議棧的單片機(jī)系統(tǒng)，以及進(jìn)行簡單的控制和管理操作,。

2．2 嵌入式IPv6協(xié)議棧的分層與模塊化設(shè)計
    嵌入式IPv6協(xié)議棧采用分層結(jié)構(gòu)進(jìn)行沒計,，將整個協(xié)議棧(包括TCP及上層應(yīng)用)分為4個層次：事件觸發(fā)接口層、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層,、NIC網(wǎng)絡(luò)接口核心層和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動接口層,。

    圖3是對整個協(xié)議棧的分層描述，在協(xié)議棧的工作過程中使用上層調(diào)用相鄰層的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能,。

    各層的功能簡述如下：
    ①事件觸發(fā)接口層,。該層對應(yīng)于TCP/IP模型的應(yīng)用層協(xié)議(OSI模型的高層協(xié)議)，主要功能是定義網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的格式以及網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用,。
    ②TCP／IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層,。該層對應(yīng)于TCP／IP模型的傳輸層協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議(OSI模型的3、4兩層),，主要功能是定義數(shù)據(jù)如何傳輸?shù)侥康牡氐?。使用TCP協(xié)議在兩臺主機(jī)之間建立端到端的連接，保證可靠的傳輸,；IP協(xié)議進(jìn)行路由選擇和基于IP的尋址,。
    ③NIC網(wǎng)絡(luò)接口核心層。該層是整個網(wǎng)絡(luò)接口的關(guān)鍵部位,，其上層是具體的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,，下層是驅(qū)動程序。它為上層提供統(tǒng)一的發(fā)送接口,，屏蔽各種各樣的物理介質(zhì),；同時負(fù)責(zé)把來自下層的包向合適的協(xié)議發(fā)送。
    ④網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動接口層,。該層是分層結(jié)構(gòu)的最底層,，其主要功能是控制具體物理介質(zhì),，從物理介質(zhì)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，并對物理介質(zhì)進(jìn)行諸如最大數(shù)據(jù)包之類的各種設(shè)置,。

    結(jié)合對嵌入式IPv6協(xié)議棧設(shè)計要求和分層結(jié)構(gòu)的全面分析,，將設(shè)計實(shí)現(xiàn)劃分為4個模塊，如圖4所示,。

    各模塊的功能簡述如下：
    ①網(wǎng)絡(luò)接口核心模塊,。該模塊為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提供統(tǒng)一的發(fā)送接口，屏蔽各種各樣的物理介質(zhì),；同時負(fù)責(zé)把來自下層的包向合適的協(xié)議配送,。
    ②事件接口模塊。嵌入式IPv6協(xié)議棧沒有采用BSD套接口,，而是采用了事件驅(qū)動接口,。當(dāng)特定TCP/IP事件發(fā)生時，將調(diào)用應(yīng)用程序,；而當(dāng)應(yīng)用程序產(chǎn)生輸出數(shù)據(jù)時,，也通過此接口發(fā)送出去。
    ③SNMP網(wǎng)管模塊,。該模塊負(fù)責(zé)獲取IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的相關(guān)MIB信息,。
    ④配置最示調(diào)試命令模塊。該模塊用于提供用戶配置和調(diào)試的界面,，包括配置IP地址,、子網(wǎng)掩碼、默認(rèn)網(wǎng)關(guān)和MAC地址等,。在程序正常運(yùn)行前,，由超級終端進(jìn)入配置模式，由用戶進(jìn)行配置管理,。

結(jié)語
    基 于IPv6 over IEEE802．15．4的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一門新興的網(wǎng)絡(luò)技術(shù),，人們對它的研究尚處于起步階段。本文針對基于IPv6 over IEEE802．15．4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身特點(diǎn),，對其關(guān)鍵技術(shù)嵌入式IPv6協(xié)議棧進(jìn)行了分析,。筆者認(rèn)為，現(xiàn)有的IPv6協(xié)議棧雖然在功能,、性能等方面 具有很大優(yōu)勢,，但由于代碼體積較大(幾MB～幾百M(fèi)B)，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的存儲資源只有不到200KB,，因而無法運(yùn)行在計算能力和存儲資源受限的無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中,。所以在設(shè)計適合傳感器節(jié)點(diǎn)的嵌入式IPv6協(xié)議棧時,，應(yīng)充分分析和研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(yùn)用協(xié)議工程學(xué)理論和軟件工程的方法，設(shè)計一種合理,、高效的嵌入式IPv6微型協(xié)議棧,。這對推動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和IPv6的發(fā) 展，以及改變?nèi)藗兊纳詈蜕献鞣绞?，具有十分重要的意義,。