关键词： 无线传感器网络 IPv6协议栈 IEEE802.15.4 6LowPan
引言
随着互联网的普及，Internet对人们生活方式的影响越来越巨大，并将继续在未来的各领域持续发挥其影响力。集成了网络技术、嵌入式技术、微机电系统（MEMS）及传感器技术的无线传感器网络将Internet从虚拟世界延伸到物理世界，从而将逻辑上的信息世界与真实物理世界融合在一起，改变了人与自然交互的方式，满足了人们对“无处不在”的网络的需求。2000年12月IEEE成立了IEEE802.15.4工作组，致力于定义一种供廉价、固定、便携或移动设备使用的，复杂度、成本和功耗极低的低速率无线连接技术。产品的方便灵活、易于连接、实用可靠及可继承延续是市场的驱动力。一般认为短距离的无线低功率通信技术最适合传感器网络使用，传感器网络是IEEE802.15.4标准的主要市场对象。
一方面，无线传感器网络具有“无处不在”和节点数量庞大等特点，部署无线传感器网络需要数量巨大的IP地址资源；另一方面，由于无线传感器网络的应用领域往往对安全性要求较高，而无线传感器网络自组织的先天性缺乏应有的安全机制。IPv6作为下一代网络协议，具有地址资源丰富、地址自动配置、安全性高、移动性好等优点，可以满足无线传感器网络在地址和安全方面的需求。所以IETF于2004年11月成立了一个6LowPan（IPv6 over IEEE 802.15.4或IPv6 over LR_PAN）工作组。它规定了6LowPan技术在底层采取IEEE 802.15.4，MAC层以上采取IPv6协议栈，致力于如何将IPv6与IEEE802.15.4展开，实现IPv6数据包在IEEE 802.15.4上的传输，研究基于IPv6 over IEEE802.15.4的无线传感器网络的关键问题。目前这方面研究成为了一个很活跃的方向。其中，通过分析无线传感器网络对IPv6协议栈基本需求，借助协议工程学理论和软件工程的方法，设计并实现体积小、功能全、效率高，适用于IPv6无线传感器网络节点的嵌入式IPv6协议栈，已经成为一个很关键的问题。
本文在分析了无线传感器网络和IPv6 over IEEE802.15.4的技术特点之后，重点提出了一种能够适用于无线传感器网络，且底层采用IEEE802.15.4的嵌入式IPv6协议栈设计方案。最后，还总结了基于IPv6 over IEEE802.15.4无线传感器网络协议栈设计的核心原则。
1 无线传感器网络和IPv6 over IEEE 802.15.4的技术特点
1.1 无线传感器网络简介
无线传感器网络由大量低功耗、低速率、低成本、高密度的微型节点组成，节点通过自我组织、自我愈合的方式组成网络。图1给出了无线传感器网络的工作原理，图中分散的无线传感器节点通过自组织方式形成传感器网络。节点负责采集周围的相关信息，并采用多跳方式将这些信息通过Internet或其他网络传递到远端的监控设备。
无线传感器网络由许多个功能相同或不同的无线传感器节点组成。每个传感器节点由数据采集模块（传感器、A／D转换器）、数据处理和控制模块（微处理器、存储器）、通信模块（无线收发器）以及供电模块（电池、DC／DC能量转换器）等组成。节点在网络中可以充当数据采集者、数据中转站或者簇头节点（clusterhead node） 的角色。作为数据采集者，数据采集模块收集周围环境的数据（如温度和湿度），通过通信路由协议直接或间接将数据传输给远方基站（base station）或汇节点（sink node）；作为数据中转站，节点除了完成采集任务外，还要接收邻居节点的数据，将其转发给距离基站更近的邻居节点或者直接转发到基站或汇节点；作为簇头节点，节点负责收集该类内所有节点采集的数据，经数据融合后，发送到基站或汇节点。与传统Ad Hoc网络相比，无线传感器网络具有一些明显的特征： ① 网络节点密度高，传感器节点数量众多，单位面积所拥有的网络节点数远大于传统的Ad Hoc网络；② 传感器节点由电池供电，节点能量有限；③ 网络拓扑变化频繁；④ 网络应具备容错能力。正是由于以上特点，IPv6与无线传感器网络的结合对IPv6提出了一些新的要求，如IPv6地址自动分配机制和IPv6包头压缩机制；另外，还有一些管理问题、与无线数据链路层接口问题等。因此，设计IPv6微型协议栈时，除了要实现功能完整、高效实用、占用的存储资源少以外，如上所述的一些新要求也应考虑进来。
1.2 IPv6 over IEEE 802.15.4的技术特点
IEEE 802.15.4是2004年提出的无线标准的安全网络技术，主要定义物理层和MAC层的协议，其余协议主要参照和采用现有的标准，主要应用场合是读表自动化、自动化控制和传感器网络。IEEE802.15.4针对的就是低复杂度、低功耗、低数据速率的短距离网络，目标是将普通小型电池的使用寿命延长到几年。当芯片批量生产时，每个802.15.4设备的销售价格最终不到3美元，将很好地满足无线传感器网络的要求。IEEE802.15.4定义了两个物理层标准，即2.4 GHz物理层和868/915 MHz物理层。这两个物理层都基于直接序列扩频DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum），使用相同的物理层数据包格式；区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。2.4 GHz波段为全球统一、无须申请的ISM频段，有助于15.4设备的推广和生产成本的降低。2.4 GHz的物理层通过采用高阶调制技术能够提供250 kb/s的传输速率，有助于获得更高的吞吐量、更短的通信时延和工作周期，从而更加省电。868 MHz是欧洲的ISM频段，915 MHz是美国的ISM频段，这两个频段的引入避免了2.4 GHz附近各种无线通信设备的相互干扰。868 MHz的传输速率为20 kb/s，915 MHz是40 kb/s。由于这两个频段上无线信号传播损耗较低，因此可以降低对接收机灵敏度的要求，获得较远的有效通信距离，从而可以用较少的设备覆盖给定的区域，这些特点使其非常符合传感器网络的应用要求。如前所述，IEEE 802.15.4只规定了物理层和MAC层，并且其市场目标主要是无线传感器网络，所以在选择网络层标准时，考虑到无线传感器网络对地址和安全性等方面的要求，以及下一代互联网协议IPv6的不断发展和完善，在嵌入式设备中引入IPv6协议也将成为一种必然趋势。因此，6LowPan组织建议采取如图2所示的嵌入式IPv6协议栈，在设计时要充分考虑资源受限与功能相对完善之间的折中。
图2 嵌入式IPv6协议栈
2 嵌入式IPv6协议栈的设计
2.1 嵌入式IPv6协议栈的设计思想
由于无线传感器网络节点一般都是嵌入式设备，所以嵌入式IPv6协议栈的设计主要应突出“微型化”的思想。TCP/IP协议最先是在Uuix系统里实现的，由于嵌入式系统与PC机的差别很大，在嵌入式系统中实现TCP/IP协议与在操作系统中的实现有很大不同,所以这是设计的核心环节。嵌入式系统的IPv6微型协议栈，直接面对硬件，没有一个多任务操作系统平台;MCU中的程序结构一般是顺序执行和硬件中断相配合的方式，与高级操作系统中多线程并发执行的方式截然不同。因为单片机上系统的各种资源是有限的，例如CPU的处理速度、字长，RAM、ROM存储器的容量以及接口的数量等与通用计算机相比有很大差距，所以如何使协议栈做到精细、通信可靠、功能相对完善，而且又能发挥单片机的特点成为IPv6微型协议栈设计的关键问题。“微型化”思想主要体现在设计方案核心应着眼于设计体积小，但又不影响运行的协议栈，所以要对协议栈的裁剪方面进行深入研究，去掉不必要的组件、传统的复杂调度机制和额外的扩展功能，甚至可以去除操作系统等。
综合研究以上多方面因素，提出了能够适用于无线传感器网络的嵌入式IPv6微型协议栈的设计要求。
① 协议栈运行于单片机系统上，具有较强的兼容性。可以在以太网上正确运行，同时在此基础上可以借助IEEE802.15.4 MAC的无线数据传输功能来传送数据包。
② 实现IPv6基本协议栈核心协议的最基本功能，包括IPv6基本描述协议、ND（邻居发现）协议、ICMPv6（因特网控制报文）协议和IPv6地址的自动配置协议等。
◆ IPv6基本描述协议： IPv6数据包的发送、接收、处理等基本功能。
◆ ND（邻居发现）协议： 邻居发现的地址解析功能，实现邻居请求和邻居通告。
◆ ICMPv6（因特网控制报文）协议： 主要实现控制报文的消息处理，以及对网络诊断功能的回应请求和回应答复。
