基于6LOWPAN的IPv6傳感器網(wǎng)絡報頭壓縮方案的設計與實現(xiàn)

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的資源非常有限，如果能夠?qū)Pv6報頭進行壓縮可以在較大程度上減小數(shù)據(jù)傳輸量，提高IPv6傳感器網(wǎng)絡的整體性能。通過對6LoWPAN報頭壓縮方案的研究，并結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡的特點和實際需求，在已有無線傳感器網(wǎng)絡底層協(xié)議和基本IPv6協(xié)議?；A上，設計并實現(xiàn)了一種支持對跳教限制壓縮的IPv6報頭壓縮方法。實驗結(jié)果表明，報頭壓縮可以有效節(jié)省網(wǎng)絡能耗，降低丟包率，減小數(shù)據(jù)傳輸時延。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；IPv6；報頭壓縮；6LoWPAN

0 引言
    無線傳感器網(wǎng)絡是由大量按需隨機分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的微型節(jié)點以自組織方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡。傳感器網(wǎng)絡具有成本低、能耗代、靈活性高等優(yōu)點，可以應用于國防軍事、環(huán)境監(jiān)測、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、反恐抗災等領(lǐng)域，具有重要的研究價值和應用前景。無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的資源非常有限，因此需要一個輕量級的無線通信規(guī)范。IEEE 802．15．4標準定義了一個短距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率的介質(zhì)訪問控制層(MAC)和物理層(PHY)規(guī)范，該標準的技術(shù)特點決定了它特別適合傳感器網(wǎng)絡、智能家庭網(wǎng)絡、工業(yè)控制網(wǎng)絡等節(jié)點眾多、數(shù)據(jù)率較低的應用環(huán)境。IPv6作為下一代網(wǎng)絡協(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，可以滿足無線傳感器網(wǎng)絡在地址、安全、移動及與現(xiàn)有網(wǎng)絡融合等方面的需求。因此，IPv6與IEEE 802．15．4在傳感器網(wǎng)絡上的結(jié)合有著無可比擬的應用前景。
    2004年11月IETF成立了6LoWPAN(IPv6 overLow power WPAN)工作組，研究IPv6在IEEE 802．15．4網(wǎng)絡上的應用方案。6LoWPAN工作小組對適配層技術(shù)、報頭壓縮技術(shù)、路由技術(shù)、IPv6技術(shù)等提出了相應的解決辦法。IPv6要求支持1 280 B的MTU，而IEEE802．15．4標準規(guī)定的物理層最大幀為127 B，除去物理層25 B的幀負載，在無安全機制的情況下MAC層最大幀長度為102 B，因此需要在網(wǎng)絡層之下引入適配層來協(xié)調(diào)二者的關(guān)系。由于IPv6標準報頭是40 B，為了在IEEE 802．15．4上更加有效的傳輸IPv6數(shù)據(jù)包，提高凈荷的傳輸效率，報頭壓縮是一個很好的解決辦法。
    本文以北京交通大學下一代互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)設備國家工程實驗室自主開發(fā)和研制的微型傳感路由器所構(gòu)建的IPv6無線傳感器網(wǎng)絡為基礎，設計并實現(xiàn)了一種更為高效的IPv6報頭壓縮方法，并對壓縮性能進行了分析。

1 平臺簡介
    本文基于IPv6無線傳感器網(wǎng)絡平臺的拓撲結(jié)構(gòu)及協(xié)議層次如圖1所示。IPv6無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設備可以自組織形成多跳Mesh網(wǎng)絡，將采集到的溫度、濕度、光強等環(huán)境信息發(fā)送給網(wǎng)關(guān)設備。網(wǎng)關(guān)設備通過以太網(wǎng)直連的方式與服務器進行通信，并把收到的來自傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)提交給服務器，服務器端完成對整個IPv6傳感器網(wǎng)絡的控制和環(huán)境信息的人性化顯示。

    傳感器節(jié)點采用ATmega128作為處理器、使用CC2420作為射頻芯片，能量供應模塊可以使用9 V直流穩(wěn)壓電源或使用9 V干電池直接供電，同時配備溫濕度傳感器和光強傳感器對環(huán)境信息進行采集。節(jié)點通信協(xié)議分為5層，物理層采用IEEE 802．15．4通信規(guī)范，使用OQPSK方式進行調(diào)制，發(fā)送頻段使用2．4 GHz，傳輸速率可達250 Kb／s。適配層實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的分片和重組、報頭壓縮以及Mesh路由等功能。網(wǎng)絡層運行精簡的微型IPv6協(xié)議棧，該協(xié)議棧代碼量小、簡易輕型并且可以與使用完整的IPv6協(xié)議棧的對等節(jié)點進行通信。應用層主要運行傳感器網(wǎng)絡應用級程序，比如數(shù)據(jù)采集、環(huán)境監(jiān)控等。節(jié)點的層次協(xié)議設計完全遵守RFC4919和RFC4944中定義的規(guī)范。

2 IPv6報頭壓縮
2．1 現(xiàn)有方案分析
    到目前為止，6LoWPAN報頭壓縮方案主要有兩種。其中一種是RFC4944中定義的方案。該方案在最理想的情況下可以將IPv6完整的40 B壓縮到2 B(HC1字節(jié)和跳數(shù)限制字節(jié))，同時支持UDP，TCP，ICMP下一個報頭的壓縮，HC1字節(jié)編碼IPv6報頭中各字段的壓縮方式，IPv6報頭中未經(jīng)壓縮的內(nèi)容按順序存放在未壓縮字段中。

    如圖2所示，版本、傳輸類型和流標簽(全部為零)、凈荷長度(可以從IEEE 802．15．4 MAC頭中凈荷長度字段推斷出來)均可以壓縮掉，下一個報頭字段攜帶在HC1字節(jié)中，跳數(shù)限制字段不壓縮，存放在未壓縮字段中。標準中規(guī)定IPv6地址采用無狀態(tài)的配置式，地址由64位前綴和64位接口標識符(Interface ID，IID)生成。IEEE 802．15．4定義了兩種尋址模式：IEEE 64位擴展地址和16位短地址。每一個IEEE802．  15．4設備都有一個分配的EUI-64標識符，該標識符用作64位擴展地址進行尋址，具有全球惟一性，并且通過該EUI-64標識符可以生成一個IPv6接口標識符，實現(xiàn)IPv6地址的自動配置。16位短地址是在節(jié)點成功加入網(wǎng)絡后，由節(jié)點所在PAN內(nèi)的協(xié)調(diào)者動態(tài)分配，只能保證在該PAN內(nèi)的惟一性，不能用作實現(xiàn)IPv6地址的自動配置。因此如果IPv6地址為本地鏈路地址(前綴為fe80：：／64)，并且IEEE 802．15．4尋址模式為64位擴展地址，就可以將IPv6地址壓縮掉，否則就要將其在未壓縮字段中攜帶。
    圖3為HC1字節(jié)具體編碼格式。

    另一種是現(xiàn)有報頭壓縮草案中定義的方案。該方案提出了對本地鏈路地址、全球單播地址、多播地址等IPv6地址的壓縮方法，同時解決了源壓縮方案不具有協(xié)議層次性的弊端。而且該壓縮方案支持IPv6擴展報頭的壓縮和流標簽、服務類型的區(qū)分。但是這種壓縮方案過于復雜，對于處理能力有限、能量受限、硬件資源匱乏并且以環(huán)境監(jiān)測為主要應用的傳感器節(jié)點來說并不實用。因此本文提出一種基于RFC4944的IPv6報頭壓縮改進方案。
2．2 改進方案
    雖然RFC4944中提到的壓縮方案已經(jīng)很精簡，但是這種方法仍然存有冗余。方案中對于IPv6報頭的跳數(shù)限制字段并沒有壓縮，而是始終占用1 B存放在未壓縮字段中。但是在實際中，1，64，255這三種跳數(shù)限制已經(jīng)可以滿足大部分的應用需求，因此本文提出一種支持對跳數(shù)限制壓縮的IPv6報頭壓縮方法，最理想情況下可以將IPv6報頭壓縮到1B。
    如果將跳數(shù)限制壓縮，就要從HC1字節(jié)中節(jié)省出兩個比特，用來標識跳數(shù)限制的4種狀態(tài)(未壓縮、1、64、255)，HC1字節(jié)中前4個比特都用來描述IPv6源地址和目的地址的壓縮狀態(tài)，存在一定的冗余性。因為根據(jù)上文的分析，不需要1個比特來專門標識IPv6接口標識符的壓縮狀態(tài)，如果IEEE 802．15．4尋址模式為64位擴展地址，接口標識符可以直接壓縮掉，如果尋址模式為16位短地址，接口標識符不可以壓縮，需要攜帶在未壓縮字段中。因此HC1字節(jié)中只需要2個比特標識IPv6地址前綴的壓縮狀態(tài)，可以節(jié)省下2個比特用來標識跳數(shù)限制的壓縮狀態(tài)。具體壓縮方案如圖4所示。

2．3 實現(xiàn)流程
    為了實現(xiàn)IPv6報頭壓縮與解壓縮的功能，在適配層和網(wǎng)絡層之間加入壓縮控制層，網(wǎng)絡層的數(shù)據(jù)經(jīng)過壓縮控制層的處理之后交給適配層處理，同樣適配層的數(shù)據(jù)經(jīng)過壓縮控制層之后交給網(wǎng)絡層處理，處理流程如圖5所示。系統(tǒng)頭文件中定義一個預編譯開關(guān)來控制IPv6報頭是否要進行壓縮，當開關(guān)打開時，數(shù)據(jù)包將會進入壓縮器進行處理。壓縮器首先要完成節(jié)點本地環(huán)境的檢測，主要包括對IEEE 802．15．4地址模式、IPv6地址前綴類型、服務類型和流標簽狀態(tài)、下一個首部類型、跳數(shù)限制需求和下一個首部壓縮狀態(tài)的檢測，之后根據(jù)節(jié)點本地環(huán)境進行HC1字節(jié)和未壓縮字段的填充。
    數(shù)據(jù)包的解壓縮過程正好是數(shù)據(jù)包壓縮的逆程，解壓縮器首先要根據(jù)IEEE 802．15．4地址類型還原接口標識符，然后通過解碼HC1字節(jié)可以將IPv6報頭中壓縮掉的字段恢復出來，最后在配合未壓縮字段的內(nèi)容就可以還原完整的IPv6報頭。

3 功能測試及性能分析
3．1 功能測試
    該系統(tǒng)中節(jié)點使用64位擴展地址作為底層的尋址模式，6LoWPAN網(wǎng)絡的內(nèi)部使用IPv6本地鏈路地址進行通信，在單跳情況下使用Sniffer無線嗅探儀捕捉到的壓縮前后數(shù)據(jù)包內(nèi)容如圖6所示。根據(jù)具體的IPv6報頭格式并按照上文提到的IPv6報頭壓縮方案將原40 B的IPv6報頭壓縮到1 B，壓縮前總數(shù)據(jù)包長度為85 B，壓縮后總數(shù)據(jù)包長度為46 B，壓縮效率為(85-46)／85=45．9％，對于多跳情況下，適配層會增加一個Mesh頭部，該頭部長度為17 B，因此對應于多跳情況下壓縮效率為[(85+17)-(46+17)]／(85+17)=38．2％?；谝陨鲜聦崳挛耐ㄟ^存儲開銷、網(wǎng)絡生存時間、丟包率、平均時延4個方面對報頭壓縮進行性能分析。
3．2 存儲開銷
    節(jié)點的程序代碼存放在ATmega128的ROM中，大小為128 KB，數(shù)據(jù)空間為ATmega128的RAM，大小為4 KB。在把報頭壓縮開關(guān)打開和關(guān)閉的情況下，使用AVR Studio4工具分別對同一序進行編譯，軟件輸出結(jié)果如表1所示。

    由表1可知報頭壓縮使程序的代碼空間增加了1 742 B，只占節(jié)點ROM的1．32％，但是卻沒有增加額外的數(shù)據(jù)空間。AVR Studio 4工具給出的程序所使用的RAM大小只是程序中所使用的全局變量的大小，結(jié)果說明打開報頭壓縮選項并未增加全局變量的使用，經(jīng)計算報頭壓縮所需的局部變量不會超過20B。
3．3 網(wǎng)絡生存時間
    網(wǎng)絡生存時間對于傳感器網(wǎng)絡是一個非常重要的性能參數(shù)。然而傳感器網(wǎng)絡大部分的能量均消耗在數(shù)據(jù)包的發(fā)送和處理器的指令處理上。一方面，報頭壓縮可以減少數(shù)據(jù)包的長度，節(jié)省單位數(shù)據(jù)包的發(fā)送能耗。另一方面，報頭壓縮會增加處理器額外的指令處理，增加單位數(shù)據(jù)包的發(fā)送能耗。為了驗證報頭壓縮是否能夠增加網(wǎng)絡的生存時間，做如下實驗：采用同一節(jié)點，使用9 V干點池供電，分別在報頭壓縮和不壓縮的情況下單跳與網(wǎng)關(guān)通信(鏈路質(zhì)量很好，無其他無線設備干擾，發(fā)送功率均為1 mW)，在服務器端記錄當電池能量耗盡時壓縮和不壓縮兩種情況下節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包的總個數(shù)，實驗結(jié)果如表2所示。

    由表2可見節(jié)點啟用報頭壓縮發(fā)送的數(shù)據(jù)包總數(shù)要大于關(guān)閉報頭壓縮的情況，顯然報頭壓縮可以有效的提高網(wǎng)絡生存時間。
3．4 丟包率
    由于使用報頭壓縮會使節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包長度變短，因此在相同的節(jié)點發(fā)包速率下會減小MAC層的碰撞概率，理論上會減少丟包的發(fā)生。為了驗證上述結(jié)論，就要盡可能地減少無線信道對丟包率的影響，實驗方案如下：選取10個傳感器節(jié)點與網(wǎng)關(guān)組成星型網(wǎng)路，通信距離均在1 m以內(nèi)，發(fā)送功率均為1 mW。在不同的發(fā)包頻率下使節(jié)點發(fā)送100個數(shù)據(jù)包，在服務器統(tǒng)計總共收到的數(shù)據(jù)包個數(shù)，計算網(wǎng)絡的整體丟包率。實驗分為2組，分別采用壓縮和不壓縮的方式進行數(shù)據(jù)包發(fā)送，結(jié)果如圖7所示。

    由圖可見網(wǎng)絡的丟包率與節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包的頻率和長度有關(guān)，發(fā)送頻率越高、數(shù)據(jù)包越長，則網(wǎng)絡產(chǎn)生的信道沖突的可能性越大，丟包率也就越高。
3．5 平均時延
    節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包的速率為250 Kb／s，采用壓縮方案單個數(shù)據(jù)包可以節(jié)省39 B，因此單個數(shù)據(jù)包的發(fā)送時間可以減少39×8／250=1．24 ms。當然報頭壓縮和解壓縮需要額外的處理時間，本節(jié)點ATmega128工作頻率為8 MHz，處理性能為8 MIPS，處理1 000條指令的時間也僅需125μs，因此綜合來講報頭壓縮可以有效的減少網(wǎng)絡時延，尤其是在大規(guī)模網(wǎng)絡部署的情況下。本文中采用Ping6命令對網(wǎng)絡時延進行測試，實驗分為2組分別對應壓縮和不壓縮的情況，每組實驗使用5個節(jié)點組成5跳網(wǎng)絡，在服務器端對每跳節(jié)點進行100次ICMP響應請求，記錄平均返回時間，實驗結(jié)果如圖8所示。

    由圖可見網(wǎng)絡的平均延時基本與跳數(shù)為線性增加的關(guān)系，單跳情況下壓縮與不壓縮的網(wǎng)絡時延之差大概在2．5 ms左右。因為Ping命令測試的是往返時間，所以這與理論分析相吻合，隨著跳數(shù)的增加時延之差基本線性增長。

4 結(jié)語
    本文設計并實現(xiàn)了一種IPv6報頭壓縮機制，理想情況下可以將IPv6報頭壓縮到1 B，在節(jié)點單跳和多跳通信的情況下壓縮效率分別為45．9％和38．2％。實驗結(jié)果表明，本文所設計的報頭壓縮方案可以在占用較小額外存儲空間的情況下，減小丟包率、延長網(wǎng)絡生存時間、降低網(wǎng)絡時延。由于對下一個報頭(UDP，TCP，ICMP)的壓縮并不會給壓縮效率帶來很高的收益，因此本文中并未討論下一個報頭的壓縮方案，后續(xù)工作中可以考慮增加對下一個報頭的壓縮支持。