IPv6傳輸協議在基于低速WPAN的無線傳感器網絡節點中的應用研究

摘 要： 基于低速6WPAN，對IPv6傳輸協議在無線傳感器網絡節點中的應用進行研究。詳細設計6WPAN傳感器節點方案，分析討論傳感器節點軟件和硬件設計。通過一個小型試驗平臺測試傳感器的通信性能，確保IPv6節點的正常使用，隨機設置11個傳感器節點，通信范圍為22 in。電池具有2 J的能量，數據源傳輸速率范圍為128～1 024 b/s。傳感器節點平均延遲時間、數據包接收率表明，IPv6節點和傳感器節點能保持通信連續性。平均能量消耗表明，IPv6節點的全IP通信通過傳感器節點以較低功耗得到實現。傳感器節點通過IPv6節點和IPv6協議能夠發揮出全IP通信功能，實現效率的顯著提升和能量消耗水平的降低。

關鍵詞： 網絡節點； 傳感器； 數據包； 低速WPAN； IPv6； 通信

中圖分類號： TN925?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）19?0089?04

Abstract： The 6WPAN sensor node scheme is designed in detail to study the application of low?speed 6WPAN （IPv6 over LR?WPAN） in wireless sensor network node of IPv6 transport protocol， and the software design and hardware design of sensor node are discussed. A small test platform is used to test the communication performance of the sensor to ensure the normal use of IPv6 nodes， in which eleven sensor nodes are randomly set up， the communication range is 22 in， the battery has the energy of 2 J， and the data source transmission rate is within 128～1 024 b/s. The average delay time and data packet reception rate of the sensor nodes show that the IPv6 node and sensor node can keep the continuity of communication. The average energy consumption indicates that the full IP communication of IPv6 nodes can be realized with low?power consumption by means of sensor nodes， the sensor nodes can play the full IP communication function through the IPv6 node and IPv6 protocol， and the improvement of efficiency and reduction of energy consumption are realized.

Keywords： network node； sensor； data packet； low?speed WPAN； IPv6； communication

計算機技術的發展要求重視傳感器網絡和Internet二者的連通性，此過程需多元化技術協同參與。IEEE 802.15.4設備具有距離短、速率低、成本少等優勢決定了其被采用頻率較高[1?3]。IPv6數據包在6WPAN（IPv6 over LR?WPAN）的作用下與傳感器網絡相銜接，從而廣泛應用于各個領域中[4]。處于全IP通信狀態時，傳感器網絡和IPv6網絡要實現IPv6協議[5]，傳感器節點受到限制，因此需簡化IPv6協議，從而與傳感器節點相適應[6?7]。

本文基于6WPAN，以IEEE 802.15.4幀格式鏈接路為基礎，構建傳感器網絡體系結構，對IPv6傳輸協議在無線傳感器網絡節點中的應用進行了研究。傳感器節點特征在于兩方面：需要實現精簡的IPv6網絡協議；在IEEE 802.15.4幀的傳輸中，需要實現IPv6數據報文。

1 6WPAN的體系結構

傳感器網絡數據鏈路層采用IEEE 802.15.4標準以滿足低功耗要求[8]。IEEE 802.15.4設備的頻帶為2.4 GHz。傳感器網絡將IP技術應用在網絡層，滿足一物一地址的需求標準。這個過程對IP地址資源的需求量非常大，而該需求可以在IPv6的支持下得到滿足。在6WPAN體系結構中，物理層和網絡層之間還存在MAC層，其作用為對信道訪問進行管理，得到準確的傳輸設備間數據幀。MAC層在IEEE 802.15.4標準下的幀分為4種，分別為ACK確認幀、命令幀、信標（Beacon）幀和數據幀。用于IEEE 802.15.4網絡的建立和管理的為前3種幀，用于封裝實時業務數據的為數據幀[9]。IEEE 802.15.4標準的特點是成本低、效率高、類型多。通常使用的硬件資源屬于中低端嵌入式設備，電池工作時間可持續數年，短距離信號覆蓋范圍為10～100 m；設備通常包括精簡功能設備、全功能設備，傳輸模式包括非信標使能模式和信標使能模式[10]。

1.1 6WPAN傳感器節點硬件設計

傳感器節點的MCU采用的處理器為ATmega 128L，該過程使用CC2420作為射頻芯片。該芯片的工作模式是以4線SPI總線為基礎設計傳感器節點。SI，CSn，SCLK，SO是構成SPI總線的4個部分，輔助完成各項任務和操作，確保硬件能夠在IEEE 802.15.4數據幀格式的支持下正常運行，即二者相互適應、相互協調，對數據幀進行發送或接收，并將其送入RAM的緩存區，進行幀的封裝與拆除。對于CC2420而言，當ATmega 128L要發送數據時，首先要在TXFIFO寄存器中寫入需求字段的數據包，通過無線信道結合STXON或寄存器STXONCCA等結構發送出去。當CC2420成功接收數據包，此時RXFIFO接收緩存區將存入相應數據，并改變其引腳狀態，以FIFOP的引腳中斷讀RXFIFO寄存器，數據包重點數據按照先后順序被處理器讀取。

圖1為平臺硬件模塊，整個系統采用的是無線模塊設計和嵌入式微型控制器（MCU）的通信系統。由于無線傳感器網絡具有低功耗的特點，系統在確定MCU時選擇MSP430X，而選擇外界存儲器時，使用8 Mbit FLASH加強系統存儲容量。不同類型的傳感器模塊均可被MSP430X連接，讀寫采集信息需通過控制模塊端口進行。系統運行狀態的指示過程可由LED信號燈實現，選擇雙向選擇的數據發送編程，并將射頻芯片無線模塊CC2420作為系統結構。數據轉換器CP2102通過系統USB轉UART，完成USB數據轉化為平臺內串行數據，從而完成與PC的通信。軟件系統的下載安裝過程可在USB接口處實現，并實現控制無線傳感器網絡和PC監測。

圖2為傳感器網絡拓撲圖。傳感器網絡中包含多個傳感器節點，ATmega 128L處理器是處理傳感器節點信息主要手段。在CC2420射頻芯片的作用下，可實現多個傳感器節點間通信。

1.2 6WPAN傳感器節點軟件設計

圖3為6WPAN傳感器節點軟件結構框架。應用層實現精簡IPv6網絡協議；適配層負責IPv6數據包的處理過程；硬件抽象層負責接收、發送數據包。

1.2.1 硬件抽象層的設計

硬件抽象層功能包括：IEEE 802.15.4數據幀通過無線接口進行接收，隨后傳遞給適配層處理幀實體，并完成封裝和傳送。

1.2.2 適配層的設計

與IEEE 802.15.4幀相比，IPv6數據包所支持的字節數最小值更大[11]。因IPv6頭部在6WPAN中開銷較大，本研究將IPv6分片信息放置在適配層相應位置。適配層由不分片適配層頭部和分片適配層頭部構成，而后者又分為第一分片適配層頭部和后續適配層頭部，見表1～表3。

在標識不分片適配層頭部格式中，5 bit=11000；在確定是否存在適配層負載IPv6頭部壓縮情況時，可以通過Pro_Type來實現，結果分別用0和1代表，前者代表未壓縮，后者則相反。在標識分片適配層頭部格式中，1 bit鏈路分片為LF，0，1分別表示第一分片和后續分片；每個IPv6數據包分片Identification均被表示，其值完全一致。相對于第一分片，F_Offset為分片偏移量。適配層功能包括：從應用層接收數據，若無需對數據包進行分片，則數據包采用不分片適配層頭部封裝，反之，對分片數據包分別采用后續適配層頭部和第一分片適配層頭部封裝，當完成數據封裝，硬件抽象層和適配層先后對其順位接收，對適配層頭部結構進行全面分析。分片重組過程需要報文完整后方可進行，應用層是IPv6報文處理過程中不可或缺的重要內容。

1.2.3 應用層的設計

將控制域與IPv6報文相融合，其中控制域分別由IPv6報文載荷和IPv6頭部構成。表4，表5分別為精簡IPv6報文格式和控制域。

對于IPv6頭部控制域而言，Version，Traffic Class，Flow Label分別表示不同的bit位，其中3個字段的報文存在時可表示為0，若不存在時則用1表示，默認值為Version=6，Traffic Class=0，Flow Label=0。Next Header?00：在Payload中，01表示不存在Next Header域，且ICMPv6報文為IPv6載荷；10表示Next Header域不存在，且IPv6載荷是UDPv6報文；11表示預留，一般情況下無線傳感器網絡無法落實TCP。

S_Addr_00的bit值為128，其源地址沒有被壓縮；若源地址被壓縮，則表示為01，其bit值為0，則想要獲得其源地址，則可從源鏈路地址處實現；10表示其被壓縮，此時字節長度為8。D_Addr_00的bit值為128，未壓縮目的地址；若目的地址被壓縮，則表示01，其bit值為0，可直接從目的鏈路地址獲取其目的地址；若目的地址被壓縮，則表示為10，字節長短為8。

1.2.4 IPv6地址配置

圖4為IPv6地址配置過程。用簇首節點標記孤立傳感器節點之后，獲取IPv6地址的步驟為：以既定簇首節點為范圍，傳播至鄰居簇首節點，從而得到PANID請求數據包和全局路由前綴。在鄰居簇首節點獲取IPv6地址并收到數據包請求后，接入節點跳數，再反饋至相應位置。在特定時間內選擇跳數最小的鄰居簇首節點作為父節點，引入PAN最近節點，然后結合PANID、全局路由前綴、初始ID號，構成IPv6地址。當簇內節點獲取IPv6地址后，將IPv1地址PANID、全局路由前綴、簇首ID號相結合，從而形成IPv6地址。

1.3 傳感器節點與IPv6節點的通信過程

精簡的IPv6協議通過傳感器節點得到實現，IPv6節點對傳感器節點發送請求數據包，從而得到所需數據和相對應的地址，并實現數據包的傳輸和接收，IPv6地址分片被發送到下一跳節點；在硬件抽象層，當目的傳感器節點接收全部分片后，在適配層對所有分片進行重組，IPv6數據包重組后的頭部精簡處理過程由應用層負責，將IPv6負載提交到上一層完成處理過程；應用層對所采集得到的控制域和IPv6頭部等相關信息進行處理，并封裝節點數據傳遞至適配層，適配層對相應數據進行分片和封裝，由硬件抽象層接收數據在數據幀的作用下進行封裝，在無限接口處傳遞至下一跳節點，隨后在接入節點展開重組，最終由IPv6網絡進行接收。

2 IPv6節點的通信性能分析

本研究在小型試驗平臺的輔助下檢測相應節點的通信性能，例如傳感器節點和IPv6節點等。在實驗平臺中，隨機分布傳感器節點11個，通信范圍為22 in。在初始狀態下，電池具有2 J的能量。實驗數據源傳輸速率范圍為128～1 024 b/s。本文通過實證分析確定了傳感器節點平均延遲時間、數據包接收率、平均能量消耗。平均延遲時間是指數據發送方和接收方之間產生的時間間隔的平均值；數據包接收率是數據接收方成功接收的概率；平均能量消耗是在每個輪回中，傳感器節點消耗能量的平均值，輪回指傳感器節點的一個工作周期，包括初始化、穩定接收/傳送數據、休眠。本實驗中，每個輪回設定傳感器傳送/接收數據總量為5 120 B，見圖5。

由圖5可知，在本研究中，通過IPv6協議、IPv6節點和傳感器節點能實現點到點的通信。平均延遲時間、數據包接收率表明，IPv6節點和傳感器節點能保持通信連續性。平均能量消耗表明，IPv6節點的全IP通信通過傳感器節點以較低功耗能得到實現；采用IPv6節點和IPv6協議，傳感器節點能夠發揮出全IP通信功能，不需要采取其他技術方法，就能實現效率的顯著提升和能量消耗水平的降低。

3 結 論

本文基于低速6WPAN，對IPv6傳輸協議在無線傳感器網絡節點中的應用進行了研究。通過對基于6WPAN傳感器節點方案的詳細設計，分析討論了傳感器節點軟件和硬件設計。本研究在小型試驗平臺的輔助下檢測相應節點的通信性能，例如傳感器節點和IPv6節點等，隨機設置11個傳感器節點，通信范圍為22 in，電池具有2 J的能量，數據源傳輸速率范圍為128～1 024 b/s。傳感器節點平均延遲時間、數據包接收率、平均能量消耗分析結果表明，IPv6節點和傳感器節點能實現點到點的通信。

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