基于IPv6的無線自組網(wǎng)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

摘 要：通過對(duì)基于IPv6的無線自組網(wǎng)的介紹和研究，將傳感網(wǎng)和承載網(wǎng)共同組網(wǎng)，可以更好的發(fā)揮各自的優(yōu)勢，同時(shí)彌補(bǔ)各自的不足。這種網(wǎng)絡(luò)搭配具有很廣泛的應(yīng)用場景。

關(guān)鍵詞：IPv6，自組織無線網(wǎng)絡(luò)；物聯(lián)網(wǎng)

The Research on the Application of

the IPv6 based Smart Ad-hoc Network System

Fan Xiaofeng1 Liu Weichao2 Liu Penghui2 Xiao Wentao2 Tian Jianyu2（1.Waterway Bureau of Jiangsu Transportation Department，Nanjing 211800，China；2.Nanjing Nymtek Intelligent Technologies Co.，Ltd，Nanjing 211800，China）

Abstract：By doing researches on the IPv6 based smart ad-hoc networking system， we can apply both wireless sensor network and wireless bearer network to the scenes to take fully advantages of each network and avoid their disadvantages. Both networks have an expansive application prospects.

Key words：IPv6；SANS（Smart Ad-hoc Network System）；IOT（Internet of Things）

數(shù)據(jù)信息的采集和傳輸是物聯(lián)網(wǎng)的重要內(nèi)容。從目前的應(yīng)用來看，大部分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸依賴于無線網(wǎng)絡(luò)。無線網(wǎng)絡(luò)具有架設(shè)便利維護(hù)方便的優(yōu)勢。同時(shí)，無線網(wǎng)絡(luò)也會(huì)受到外界條件的限制。本文通過對(duì)新型無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及路由協(xié)議的研究和學(xué)習(xí)，提出一種改進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方案。通過將IPv6引入基于IEEE802.15.4的傳感網(wǎng)，再結(jié)合基于IEEE 802.11s的承載網(wǎng)結(jié)合使用，一方面旨在解決當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中遇到的覆蓋范圍不能擴(kuò)展的問題；另一方面這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有很大的靈活性，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景靈活調(diào)整。

1 IPv6的優(yōu)勢

IPv6是Internet Protocol Version 6的縮寫，它是IETF（Internet Engineering Task Force，互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組）設(shè)計(jì)的用于替代現(xiàn)行IPv4的下一代IP協(xié)議。到目前為止，IPv4已經(jīng)使用了30多年。隨著電子技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)遍布人們的日常生活，人們身邊的每個(gè)設(shè)備都需要接入互聯(lián)網(wǎng)，包括家用電器、傳感器、汽車等。IPv4面臨著越來越不容忽視的危機(jī)，地址匱乏是其中比較顯著的一個(gè)。雖然目前有網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換和無類別域間路由等技術(shù)可以有效延緩網(wǎng)絡(luò)IP匱乏的問題，但是為了從根本上解決問題，互聯(lián)網(wǎng)工程研究團(tuán)隊(duì)通過公布互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（RFC 2640）的方式定義出臺(tái)了IPv6。與IPv4相比，IPv6具有明顯的優(yōu)勢：

⑴IPv6具有更大的地址空間。IPv6 地址長度為128位，地址空間是IPv4的296倍。

⑵IPv6使用更小的路由表；這大大減小了路由器中路由表的長度，提高了路由器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的速度。

⑶IPv6增加了增強(qiáng)的組播（Multicast）支持以及對(duì)流的控制（Flow Control）。

⑷IPv6加入了對(duì)自動(dòng)配置（Auto Configuration）的支持，使得管理更加方便和快捷。

⑸IPv6具有更高的安全性。在使用IPv6的網(wǎng)絡(luò)中用戶可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密并對(duì)IP報(bào)文進(jìn)行校驗(yàn)。極大的增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的安全性。

⑹IPv6允許協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)充。

⑺更好的頭部格式，簡化和加速了路由選擇過程。

⑻增加了一些新的選項(xiàng)來實(shí)現(xiàn)附加的功能。

2 無線自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)

基于IPv6的無線自組網(wǎng)分為傳感網(wǎng)和承載網(wǎng)。

傳感網(wǎng)由一些基于IEEE 802.15.4的低功耗無線自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)組成。802.15.4定義了物理層（PHY）和媒體接入控制層（MAC）標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要特征如下：

⑴低速率，對(duì)于2.4GHz、828MHz、915MHz3個(gè)頻段分別對(duì)應(yīng)250Kb/s、20Kb/s、40Kb/s 3種速率。

⑵低功耗，在待機(jī)模式下可使用2節(jié)干電池驅(qū)動(dòng)6個(gè)月以上。

⑶低成本，一般采用硬件資源非常有限的低端嵌入式設(shè)備或者更小的特殊設(shè)備。

⑷短幀長，最大幀程度為127字節(jié)。

傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)攜帶各種傳感器，最終目的是把傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送到承載網(wǎng)絡(luò)。如果這個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠直接和承載網(wǎng)的接入節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接通信，就把數(shù)據(jù)直接發(fā)送給承載網(wǎng)的接入節(jié)點(diǎn)；如果這個(gè)節(jié)點(diǎn)沒有在承載網(wǎng)接入節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍，就需要其他的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，通過節(jié)點(diǎn)接力的方式發(fā)送給承載網(wǎng)的接入節(jié)點(diǎn)。這就要求傳感網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)既可以發(fā)送數(shù)據(jù)，又可以作為路由轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間要相互覆蓋，保證節(jié)點(diǎn)在承載網(wǎng)的傳輸方向上傳輸路徑有合適的冗余，避免在某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障的時(shí)候?qū)е戮W(wǎng)絡(luò)癱瘓。傳感網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)傳輸速率低、傳輸距離近、傳輸功耗低等特點(diǎn)。

承載網(wǎng)基于IEEE 802.11s協(xié)議規(guī)范。802.11s定義了無線設(shè)備通過互聯(lián)而創(chuàng)建無線Mesh網(wǎng)絡(luò)。在傳統(tǒng)無線接入技術(shù)中，以接入點(diǎn)（AP）為中心，移動(dòng)終端（STA）在AP的控制下通信。802.11s定義了媒體介入控制（MAC）層和物理層協(xié)議以實(shí)現(xiàn)WLAN在多個(gè)AP之間通過自配置多條的方式組網(wǎng)，提高WLAN的覆蓋范圍。802.11s在物理層依賴于現(xiàn)有的802.11a/bg/n。

單信道無線自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)傳輸帶寬能達(dá)到150Mbps。802.11n協(xié)議定義了雙頻道通信標(biāo)準(zhǔn)，意味著將傳輸帶寬提高到了300Mbps。承載網(wǎng)高速的數(shù)據(jù)傳輸速率不僅能夠滿足感知網(wǎng)的傳輸要求，同時(shí)也能滿足其他對(duì)帶寬要求比較高的業(yè)務(wù)。承載網(wǎng)絡(luò)的主要任務(wù)是傳輸感知網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)能夠正確實(shí)時(shí)的傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。

承載網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)應(yīng)該具有如下特點(diǎn)：

⑴節(jié)點(diǎn)帶寬比較大，抗干擾和穿透能力比較大，傳輸距離遠(yuǎn)。承載網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)采用直流電源供電，可以具有較大的發(fā)射功率，能夠容忍較大的無線干擾和具有較強(qiáng)的穿透障礙物的能力，具有很大的傳輸帶寬。較大的傳輸距離可以減少節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，從而減少承載網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的傳輸延遲和丟包率。

⑵造價(jià)相對(duì)較高?？紤]到承載網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的功能比較全面，并且整個(gè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)承載網(wǎng)的依賴性比較大。因此，單個(gè)承載網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性要比較好，導(dǎo)致造價(jià)比較高。

基于IPv6的無線自組網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示：

無線網(wǎng)絡(luò)雖然擺脫了對(duì)實(shí)物銅線布線的依賴，但是依然會(huì)受到無線傳輸特性的限制，包括障礙物對(duì)無線電波的阻擋作用、其他系統(tǒng)無線電波的干擾等。在我們的新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，我們采取傳感網(wǎng)和承載網(wǎng)相結(jié)合的方式。一方面，承載網(wǎng)可以彌補(bǔ)傳感網(wǎng)在帶寬和傳輸距離上的缺陷；另一方面，傳感網(wǎng)是承載網(wǎng)的“觸角”，可以充分發(fā)揮傳感網(wǎng)收集數(shù)據(jù)的優(yōu)勢。

3 6LoWPAN

由于標(biāo)準(zhǔn)的IPv6協(xié)議不能直接構(gòu)建在IEEE 802.15.4 MAC層之上。IETF組織在2004年11月正式成立了6LoWPAN（IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks）工作組，著手制定基于IPv6的低速無線個(gè)域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。6LoWPAN工作組建議在網(wǎng)絡(luò)層和MAC層之間增加一個(gè)網(wǎng)絡(luò)適配層以實(shí)現(xiàn)屏蔽底層硬件對(duì)IPv6網(wǎng)絡(luò)層的限制。6LoWPAN的參考模型如圖2所示。

6LoWPAN適配層向上提供IPv6網(wǎng)絡(luò)層對(duì)IEEE 802.15.4媒體訪問支持，向下控制LoWPAN網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建、拓?fù)湟约癕AC路由。6LoWPAN適配層的基本功能如下：

（1）鏈路層的分片和重組。IPv6規(guī)定數(shù)據(jù)鏈路層最小MTU為1280字節(jié)，而IEEE802.15.4最大102字節(jié)MAC幀長度顯然不能滿足這個(gè)要求。因此，適配層需要通過對(duì)IP報(bào)文進(jìn)行分片和重組來傳輸超過IEEE 802.15.4 MAC層最大幀長的報(bào)文。

（2）組播支持。IPv6的很多功能都依賴于IP層組播。此外，WSN（Wireless Sensor Network）的一些應(yīng)用也需要MAC層廣播的功能。IEEE 802.15.4 MAC層僅提供有限的廣播功能，適配層利用可控廣播共泛的方式來在整個(gè)WSN中傳播IP組播報(bào)文。

（3）頭部壓縮。在不使用安全功能的前提下，IEEE 802.15.4 MAC層的最大最大載荷為102字節(jié)，而IPv6報(bào)文頭部為40字節(jié)，再除去適配層和傳輸層（如UDP）頭部，將只有50字節(jié)左右的應(yīng)用數(shù)據(jù)空間。為了滿足IPv6在IEEE 802.15.4傳輸?shù)腗TU，一方面可以通過分片和重組來傳輸大于102字節(jié)的IPv6報(bào)文，另一方面也需要對(duì)IPv6報(bào)文進(jìn)行壓縮來提高傳輸效率和節(jié)省節(jié)點(diǎn)能量。為了實(shí)現(xiàn)壓縮，需要在適配層頭部后增加一個(gè)頭部壓縮編碼字段，該字段將指出IPv6頭部哪些可壓縮字段將被壓縮，除了對(duì)IPv6頭部以外，還可以對(duì)上層協(xié)議（UDP、TCP及ICMPv6）頭部進(jìn)行進(jìn)一步壓縮。

（4）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建和地址分配。IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)對(duì)物理層物和MAC層做了詳盡地描述，其中MAC層提供了功能豐富的各種原語，包括信道掃描、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)等。但MAC層并不負(fù)責(zé)調(diào)用這些原語來形成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳?duì)拓?fù)溥M(jìn)行維護(hù)，因此調(diào)用原語進(jìn)行拓?fù)渚S護(hù)的工作將由適配層來完成。另外，6LoWPAN中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是使用EUI-64地址標(biāo)識(shí)符，但是一般的LoWPAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能力非常有限，而且通常會(huì)有大量的部署節(jié)點(diǎn)，若采用64-bits地址將占用大量的存儲(chǔ)空間并增加報(bào)文長度，因此，更適合的方案是在PAN內(nèi)部采用16-bits短地址來標(biāo)識(shí)一個(gè)節(jié)點(diǎn)，這就需要在適配層來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的16-bits短地址分配機(jī)制。

（5）MAC層路由。IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)并沒有定義MAC層的多跳路由。適配層將在地址分配方案的基礎(chǔ)上提供兩種基本的路由機(jī)制——樹狀路由和網(wǎng)狀路由。

4 傳感網(wǎng)絡(luò)RPL路由協(xié)議

由于傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)內(nèi)存大小、處理能力和電源資源有限，導(dǎo)致傳感網(wǎng)通信可靠程度低，鏈路容易失效。因此，網(wǎng)絡(luò)需要有效的技術(shù)建立和保持有效的數(shù)據(jù)傳輸路徑。IETF RoLL工作組評(píng)估過目前已經(jīng)存在的路由協(xié)議，如OS-PF，IS-IS，AODV，OLSR，由于低功耗有損網(wǎng)絡(luò)（Low Power and Lossy Networks， LLN）的上述特點(diǎn)，導(dǎo)致目前已經(jīng)存在的路由協(xié)議不適合LLN。因此，該工作組制定了RPL（Routing Protocol for LLN）協(xié)議。該協(xié)議是一個(gè)距離矢量路由協(xié)議，節(jié)點(diǎn)通過交換距離矢量構(gòu)造一個(gè)有向無環(huán)圖（Directed Acyclic Graph，DAG），節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的鏈路有方向，DAG中有一個(gè)節(jié)點(diǎn)是根節(jié)點(diǎn)，因此每個(gè)節(jié)點(diǎn)。其根節(jié)點(diǎn)通過廣播方式與其余節(jié)點(diǎn)交互信息，然后節(jié)點(diǎn)通過路由度量來選擇最佳路徑。

RPL協(xié)議位于OSI結(jié)構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò)層。如圖3所示。鏈路層和物理層使用IEEE 802.15.4協(xié)議。

5 RPL路由協(xié)議拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

低功耗易丟失網(wǎng)絡(luò)一般沒有預(yù)先定義好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此RPL路由協(xié)議需要去尋找節(jié)點(diǎn)并建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。RPL使用四個(gè)值來創(chuàng)建和維護(hù)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌?/p>

（1）RPLInstanceID。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)可能有多個(gè)RPLInstanceID，一個(gè)RPLInstanceID指定了一個(gè)或多個(gè)DODAG（Destination Oriented DAG）。相同RPLInstanceID的DODAG被稱為一個(gè)RPL 實(shí)例，這些節(jié)點(diǎn)使用相同的目標(biāo)函數(shù)。如圖4所示，一個(gè)DODAG，其中R1是DODAG根節(jié)點(diǎn)。

（2）DODAGID。DODAG的作用范圍是一個(gè)RPL實(shí)例。一個(gè)RPLInstanceID和一個(gè)DODAGID在網(wǎng)絡(luò)中唯一的確定了一個(gè)DODAG。一個(gè)RPL實(shí)例可能有多個(gè)DODAG，每個(gè)DODAG只有一個(gè)唯一的DODAGID。

（3）DODAGVersionNumber。DODAGVersionNumber的使用范圍是一個(gè)DODAG。有時(shí)候由于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的變化導(dǎo)致DODAG從DODAG根節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重建，此時(shí)DODAG就變成另外一個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，此時(shí)DODAGVersionNumber會(huì)加1。如圖5所示。

（4）節(jié)點(diǎn)的Rank值。Rank值的作用范圍是一個(gè)DODAG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。Rank值代表了節(jié)點(diǎn)距離DODAG根節(jié)點(diǎn)的距離，當(dāng)DODAG變化的時(shí)候，節(jié)點(diǎn)會(huì)重新計(jì)算Rank值。

6 RPL路由協(xié)議建立過程

⑴向上路由和DODAG的建立。一些節(jié)點(diǎn)被指定為DODAG根節(jié)點(diǎn)，有相應(yīng)的DODAG配置。這些節(jié)點(diǎn)向外廣播DIO消息，DIO消息中包含RPLInstanceID、DODAGVersionNumber、DODAGID、根節(jié)點(diǎn)RANK值、RPL路由協(xié)議工作的模式、DODAG的配置信息、路由代價(jià)以及通過根節(jié)點(diǎn)可以達(dá)到的地址等，其他節(jié)點(diǎn)接收到DIO消息，根據(jù)目標(biāo)函數(shù)和他們鄰居的RANK值來決定是加入一個(gè)新的DODAG（選擇一個(gè)新的父節(jié)點(diǎn)）還是保留在自己當(dāng)前的DODAG。不管是離開這個(gè)DODAG還是繼續(xù)保留在當(dāng)前的DODAG，該節(jié)點(diǎn)都會(huì)修改DIO中的路由信息和重新計(jì)算自己的RANK值向外發(fā)送DIO數(shù)據(jù)包。這樣通過DIO消息，所有的節(jié)點(diǎn)都找到自己的父節(jié)點(diǎn)，DODAG就建成了。

⑵向下路由表的建立。RPL使用DAO（Destination Advertisement Object）消息建立向下路由。RPL支持兩種向下路由模式：Storing Mode和Non-Storing Mode。

在Storing Mode下，所有節(jié)點(diǎn)都會(huì)保存向下的路由表。一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到父節(jié)點(diǎn)發(fā)來的DIO消息并選擇這個(gè)節(jié)點(diǎn)作為父節(jié)點(diǎn)時(shí)，會(huì)向父節(jié)點(diǎn)發(fā)送DAO消息。父節(jié)點(diǎn)收到DAO消息后在路由表中加入相應(yīng)的路由項(xiàng)。如此重復(fù)向下建立網(wǎng)絡(luò)。

在Non-Storing Mode，一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到DIO消息并選擇這個(gè)節(jié)點(diǎn)作為父節(jié)點(diǎn)后，通過父節(jié)點(diǎn)的中轉(zhuǎn)向DODAG根節(jié)點(diǎn)發(fā)送DAO消息。如此重復(fù)建立網(wǎng)絡(luò)。

7 結(jié)束語

通過對(duì)基于IPv6無線傳感網(wǎng)和無線承載網(wǎng)的研究，兩種網(wǎng)絡(luò)可以無縫對(duì)接，分工合作，可以更好的發(fā)揮各自的優(yōu)勢，同時(shí)避免每種網(wǎng)絡(luò)自身的不足。

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