首個融入IP協(xié)議的無線通信標(biāo)準(zhǔn)——6LoWPAN

 近年來集成了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式技術(shù)和傳感器技術(shù)的低速率無線個域網(wǎng)(LR-WPAN)技術(shù)成為了研究熱點(diǎn)。LR-WPAN是為短距離、低速率、低功耗無線通信而設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)，可廣泛用于智能家電和工業(yè)控制等領(lǐng)域。IETF組織于2004年11月正式成立了IPv6 overLR-WPAN(簡稱6LowPan)工作組，著手制定基于IPv6的低速無線個域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，即IPv6over IEEE 802.15.4，旨在將IPv6引入以IEEE 802.15.4為底層標(biāo)準(zhǔn)的無線個域網(wǎng)。其出現(xiàn)推動了短距離、低速率、低功耗的無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。IEEE 802.15.4是LR-WPAN的典型代表，其應(yīng)用前景非常廣闊，以其為基礎(chǔ)的研究方興未艾。

但是，IEEE802 15.4只規(guī)定了物理層 (PHY)和媒體訪問控制(MAC)層標(biāo)準(zhǔn)，沒有涉及到網(wǎng)絡(luò)層以上規(guī)范，而IEEE 802 15.4設(shè)備密度很大，迫切需要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化。同時為了滿足不同設(shè)備制造商的設(shè)備間的互聯(lián)和互操作性，需要制定統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)層標(biāo)準(zhǔn)。IPv6以其規(guī)模空前的地址空間及開放性，對LR-WPAN產(chǎn)生7極大的吸引力。

1、IEEE 882.15.4技術(shù)概述

IEEE 802.15.4定義的是PHY和MAC層。

IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的主要特征：①低速率，對于2.4GHz、828MHz、915MHz 3個頻段分別對應(yīng)250Kb/s、20Kb/s和40Kb/s3種速率;②低功耗，在待機(jī)模式下可使用2節(jié)5號干電池驅(qū)動6個月以上;③低成本，一般采用硬件資源非常有限的底端嵌入式設(shè)備或更小的特殊設(shè)備;④短距離，節(jié)點(diǎn)信號覆蓋范圍有限，一般為10-100m;⑤低復(fù)雜度，比現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)低;⑥短幀長，最大幀長度為127字節(jié);⑦多拓?fù)?，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)豐富，支持星型拓?fù)浜忘c(diǎn)對點(diǎn)拓?fù)?種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其混合組網(wǎng)。

2、6LowPan技術(shù)概述

2.1 6LowPan技術(shù)簡介

6LowPan工作組的研究重點(diǎn)為適配層、路由、報頭壓縮、分片、IPv6、網(wǎng)絡(luò)接入和網(wǎng)絡(luò)管理等技術(shù)，目前已提出了適配層技術(shù)草案.其他技術(shù)還在探討中。

6LowPan技術(shù)底層采用IEEE 802.15.4規(guī)定的PHY層和MAC層，網(wǎng)絡(luò)層采用IPv6協(xié)議。由于IPv6中，MAC支持的載荷長度遠(yuǎn)大干6LowPan底層所能提供的載荷長度，為了實(shí)現(xiàn)MAC層與網(wǎng)絡(luò)層的無縫鏈接，6Low-Pan工作組建議在網(wǎng)絡(luò)層和MAC層之間增加一個網(wǎng)絡(luò)適配層，用來完成包頭壓縮、分片與重組以及網(wǎng)狀路由轉(zhuǎn)發(fā)等工作。

2.2 6LowPan技術(shù)的優(yōu)勢

(1)普及性：IP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用廣泛，作為下一代互聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)的IPv6，也在加速其普及的步伐，在LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)中使用IPv6更易于被接受。

(2)適用性：IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧架構(gòu)受到廣泛的認(rèn)可，LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)完全可以基于此架構(gòu)進(jìn)行簡單、有效地開發(fā)。

(3)更多地址空間：IPv6應(yīng)用于LR-WPAN最大亮點(diǎn)就是龐大的地址空間。這恰恰滿足了部署大規(guī)模、高密度LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的需要。

(4)支持無狀態(tài)自動地址配置：IPv6中當(dāng)節(jié)點(diǎn)啟動時。可以自動讀取MAC地址，并根據(jù)相關(guān)規(guī)則配置好所需的IPv6地址。這個特性對傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，非常具有吸引力，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，不可能對傳感器節(jié)點(diǎn)配置用戶界面，節(jié)點(diǎn)必須具備自動配置功能。

(5)易接入：LR-WPAN使用IPv6技術(shù)，更易于接入其他基于IP技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)及下一代互聯(lián)網(wǎng)，使其可以充分利用IP網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)進(jìn)行發(fā)展。

(6)易開發(fā)：目前基于IPv6的許多技術(shù)已比較成熟，并被廣泛接受，針對LR-WPAN的特性對這些技術(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)木喓腿∩?，簡化了協(xié)議開發(fā)的過程。

由此看見，IPv6技術(shù)在LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用具有廣闊發(fā)展的空間，而將LR-WPAN接入互聯(lián)網(wǎng)將大大擴(kuò)展其應(yīng)用，使得大規(guī)模的傳感控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)成為可能。

2.3 6LowPan關(guān)鍵技術(shù)分析

對于IPv6和IEEE805.15.4結(jié)合的關(guān)鍵技術(shù)，6LowPan工作組進(jìn)行了積極的研究與討論，目前在IEEE 802.15.4上實(shí)現(xiàn)傳輸IPv6數(shù)據(jù)包的關(guān)鍵技術(shù)如下：

(1)IPv6和IEEE 802.15.4的協(xié)調(diào)。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義的最大幀長度是127字節(jié).MAC頭部最大長度為25字節(jié)，剩余的MAC載荷最大長度為102 字節(jié)。如果使用安全模式，不同的安全算法占用不同的字節(jié)數(shù)，比如AES-CCM-128需要21字節(jié)，AES-CCM-64需要13字節(jié)，而AES- CCM-32需要8字節(jié)。這樣留給MAC載荷最少只有81個字節(jié)。而在IPv6中。MAC載荷最大為1280字節(jié)。IEEE 802.15.4幀不能封裝完整的IPv6數(shù)據(jù)包。因此，要協(xié)調(diào)二者之間的關(guān)系，就要在網(wǎng)絡(luò)層與MAC層之間引入適配層，用來完成分片和重組的功能。

(2)地址配置和地址管理。IPv6支持無狀態(tài)地址自動配置，相對于有狀態(tài)自動配置的來說，配置所需開銷比較小，這正適合LR-WPAN設(shè)備特點(diǎn)。同時，由于LR-WPAN設(shè)備可能大量、密集地分布在人員比較難以到達(dá)的地方，實(shí)現(xiàn)無狀態(tài)地址自動配置則更加重要。

(3)網(wǎng)絡(luò)管理。網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)對LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)很關(guān)鍵。由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，而一些設(shè)備的分布地點(diǎn)又是人員所不能到達(dá)的，因此LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有自愈能力，要求LR-WPAN的網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)能夠在很低的開銷下管理高度密集分布的設(shè)備。由于在IEEE802.15.4上轉(zhuǎn)發(fā)IPv6數(shù)據(jù)提倡盡量使用已有的協(xié)議，而簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(SNMP)又為lP網(wǎng)絡(luò)提供了一套很好的網(wǎng)絡(luò)管理框架和實(shí)現(xiàn)方法，因此，6LowPan傾向于在LR-WPAN上使用 SNMPv3進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理。但是，由于SNMP的初衷是管理基于IP的互聯(lián)網(wǎng)，要想將其應(yīng)用到硬件資源受限的LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)中。仍需要進(jìn)一步調(diào)研和改進(jìn)。例如：限制數(shù)據(jù)類型、簡化基本的編碼規(guī)則等。

(4)安全問題。由于使用安全機(jī)制需要額外的處理和帶寬資源，并不適合LR-WPAN設(shè)備，而IEEE802.15.4在鏈路層提供的AES安全機(jī)制又相對寬松，有待進(jìn)一步加強(qiáng)，因此尋找一種適合LR-WPAN的安全機(jī)制就成為6LowPan研究的關(guān)鍵問題之一。

作為當(dāng)今信息領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)，6Low-Pan還有非常多的關(guān)鍵技術(shù)有待發(fā)現(xiàn)和研究，比如：服務(wù)發(fā)現(xiàn)技術(shù)、設(shè)備發(fā)現(xiàn)技術(shù)、應(yīng)用編程接口技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)等。