基于IPv6的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )關(guān)鍵技術(shù)

隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)在人們生活中的廣泛應用，Internet已經(jīng)成為人們生活中不可缺少的一部分�，F在的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)集成了網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、嵌入式技術(shù)、微機電系統(MEMS)及傳感器技術(shù)并將Internet從虛擬世界延伸到物理世界，從而將信息世界與人們生活的真實(shí)世界融合在一起，改變了人與自然交互的方式，滿(mǎn)足了人們對“無(wú)處不在”的網(wǎng)絡(luò )的需求。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(Wireless SensorNetwork，WSN)是集信息采集、信息處理、信息傳輸于一體的綜合智能信息系統，具有廣闊的應用前景。IPv6傳感器網(wǎng)絡(luò )是一種新興的網(wǎng)絡(luò )形態(tài)，它把IPv6技術(shù)融入無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，采用分層結構構建開(kāi)發(fā)式的網(wǎng)絡(luò )體系，不僅能解決無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )間、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )與Internet間的互連互通問(wèn)題，同時(shí)解決了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )固有的缺點(diǎn)，如需要數量巨大的地址資源、需要實(shí)現有效地址管理機制、缺乏應有的安全機制等問(wèn)題。文章就IPv6技術(shù)在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )組網(wǎng)的應用，概述了相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)及重點(diǎn)解決問(wèn)題。

IPv6無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )與現有網(wǎng)絡(luò )的互聯(lián)互通主要有兩種：直接接入方式、網(wǎng)關(guān)接入方式。

(1)直接接入方式

采用移動(dòng)終端直接與無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)通信的方式進(jìn)行互聯(lián)，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò )接入的模型，不需要特殊的中間節點(diǎn)或者網(wǎng)關(guān)進(jìn)行轉發(fā)，直接接入現有網(wǎng)絡(luò )，成為網(wǎng)絡(luò )終端，實(shí)現與現有網(wǎng)絡(luò )的無(wú)縫融合。IPv6無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )與現有網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)互通的直接接入方式如圖1所示。

圖1 直接接入方式

(2)網(wǎng)關(guān)接入方式

IPv6無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧，將采集的數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議匯聚到網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)對數據的轉發(fā)處理，接入各種承載網(wǎng)絡(luò )將信息發(fā)送到服務(wù)器，網(wǎng)關(guān)只需配置相應的接入模塊即可。服務(wù)器端對監測信息進(jìn)行處理和分析，并存儲到數據庫中。用戶(hù)終端通過(guò)現有網(wǎng)絡(luò )的協(xié)議訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器，獲取IPv6無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )設備的信息，實(shí)現對設備的訪(fǎng)問(wèn)、控制以及有效的管理網(wǎng)關(guān)接入方式如圖2所示。

圖2 網(wǎng)關(guān)接入方式

IPv6基本協(xié)議棧核心協(xié)議的最基本功能：

IPv6基本描述協(xié)議、ND(鄰居發(fā)現)協(xié)議、ICMPv6(因特網(wǎng)控制報文)協(xié)議和IPv6地址的自動(dòng)配置協(xié)議等。IPv6基本描述協(xié)議：IPv6數據包的發(fā)送、接收、處理等基本功能。ND(鄰居發(fā)現)協(xié)議：鄰居發(fā)現的地址解析功能，實(shí)現鄰居請求和鄰居通告。CMPv6(因特網(wǎng)控制報文)協(xié)議：主要實(shí)現控制報文的消息處理，以及對網(wǎng)絡(luò )診斷功能的回應請求和回應答復。IPv6地址自動(dòng)配置協(xié)議：根據IPv6地址格式的要求，主要實(shí)現IPv6鏈路本地地址的配置和請求節點(diǎn)多播地址的配置。

通常的路由算法是：首先在目的地址緩存中查找與發(fā)送報文目的地址匹配的記錄，找不到再在前綴列表中查找與之匹配的記錄，還找不到再看是否有默認路由；其中之一匹配成功，得到下一跳地址，如果都不成功，目的地址設為下一跳地址。再查找鄰居表，如果有與下一跳地址匹配的記錄，用該記錄中的MAC地址發(fā)送報文；否則，調用地址解析程序解析下一跳IP地址對應的MAC地址，解析成功，更新鄰居表，發(fā)送報文，解析失敗，返回錯誤。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，內部節點(diǎn)只有一個(gè)接口，為簡(jiǎn)化下一跳的選擇過(guò)程，做如下處理：前綴表中按照前綴長(cháng)度遞減排序，并加上鏈路本地前綴和默認路由，默認路由前綴長(cháng)度設置為0，是表中的最后一條記錄。這樣在選擇下一跳時(shí)，可順序查找前綴表，第一個(gè)找到的就是最長(cháng)前綴匹配，即使在真正的前綴中找不到匹配的下一跳，最后一條記錄是默認路由，肯定能匹配成功。刪去目的地址緩存及其匹配過(guò)程。目的地址緩存的目的是提高下一跳選擇的效率，在內部節點(diǎn)上的前綴記錄實(shí)際上只有三條記錄：鏈路本地地址前綴對應的記錄；全球弛址前綴對應的記錄；默認路由。如果還使用目的地址緩存，不僅消耗內存空間和代碼空間。而且實(shí)際的查詢(xún)效率也得不到有效提高。

IPv6的優(yōu)點(diǎn)之一就是提供靈活的路由機制。由于分配IPv4網(wǎng)絡(luò )ID所用的方式，要求位于Internet中樞上的路由器維護大型路由表。這些路由器必須知道所有的路由，以便轉發(fā)可能定向到Internet上的任何節點(diǎn)的數據包。通過(guò)其聚合地址能力，IPv6支持靈活的尋址方式，大大減小了路由表的規模。在這一新的尋址結構中，中間路由器必須只跟蹤其網(wǎng)絡(luò )的本地部分，以便適當地轉發(fā)消息。

鄰居發(fā)現提供以下一些功能：

(1)路由器發(fā)現。這允許主機標識本地路由器。

(2)地址解析。這允許節點(diǎn)為相應的下一躍點(diǎn)地址解析鏈路層地址(替代地址解析協(xié)議)。地址自動(dòng)配置。這允許主機自動(dòng)配置站點(diǎn)一本地地址和全局地址。鄰居發(fā)現將Internet控制消息協(xié)議用于IPv6(ICMPv6)消息，這些消息包括：

(3)路由器廣告。在偽定期的基礎上或響應路由器請求由路由器發(fā)送。IPv6路由器使用路由器廣告來(lái)公布其可用性、地址前綴和其他參數。

(4)路由器請求。由主機發(fā)送，用于請求鏈路上的路由器立即發(fā)送路由器廣告。

(5)鄰居請求。由節點(diǎn)發(fā)送，以用于地址解析、重復地址檢測，或用于確認鄰居是否仍可訪(fǎng)問(wèn)。

(6)鄰居廣告。由節點(diǎn)發(fā)送，以響應鄰居請求或通知鄰居鏈路層地址中發(fā)生了更改。

(7)重定向。由路由器發(fā)送，從而為某一發(fā)送節點(diǎn)指示指向特定目標的更好的下一躍點(diǎn)地址。

本文提出通信網(wǎng)絡(luò )采用有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )相融合拓撲模型，如圖3所示。用現有專(zhuān)用光纖，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )具有網(wǎng)絡(luò )自愈功能，且每個(gè)節點(diǎn)都是一個(gè)傳感器，可采集相關(guān)信息數據，同時(shí)充當無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )路由器傳輸數據。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )通過(guò)接入節點(diǎn)(AccessPoint，AP)接入有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，將數據通過(guò)專(zhuān)用光纖傳輸至中心監控系統。AP節點(diǎn)是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )同有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )交互的網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)，同時(shí)運行無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信和有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信雙協(xié)議。

圖3無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )和有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議交換

在IPv6協(xié)議族中，有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )數據傳輸使用硬件地址(MAC)進(jìn)行識別設備，其中地址解析協(xié)議(ARP)完成IP地址和數據鏈路層使用的硬件地址之間的轉換，因此為了保證無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)關(guān)在有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中的通信，必須要實(shí)現ARP協(xié)議功能。無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)都還擁有自己唯一的MAC地址，參考TCP/IP下的實(shí)現機制，實(shí)現Zigbee協(xié)議中的適配層和ARP，實(shí)現IP地址到Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)地址的映射。協(xié)議轉化如上圖所示，完成數據在Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )和TCP/IP有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )之間的協(xié)議轉換過(guò)程。

開(kāi)發(fā)互聯(lián)互通下行物理層/鏈路層支持802.15.4等協(xié)議，其中802.15.4支持多頻段，包括780 MHz和2.4 GHz。物理層是通過(guò)中繼器或集線(xiàn)器在電纜之間復制比特流。如圖4所示。

圖4物理層

數據鏈路層是通過(guò)網(wǎng)橋或交換機在網(wǎng)段之間根據數據幀中的信息(MAC地址)轉發(fā)數據幀。如圖5所示。網(wǎng)關(guān)用來(lái)連接不同體系結構的網(wǎng)絡(luò )。如圖6所示。

圖5數據鏈路層

圖6網(wǎng)關(guān)

IEEE 802.15.4是2004年提出的無(wú)線(xiàn)標準的安全網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，主要定義物理層和MAC層的協(xié)議，其余協(xié)議主要參照和采用現有的標準。802.15.4主要應用于工業(yè)控制、遠程監控和樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域，后期802.15.4的市場(chǎng)將轉向消費者和家庭用戶(hù)，主要應用于家庭自動(dòng)化、安全和交互式玩具。802.15.4網(wǎng)絡(luò )另一個(gè)充滿(mǎn)魅力的應用領(lǐng)域是精作農業(yè)。針對巨大的中國市場(chǎng)和2008年國際奧林匹克運動(dòng)會(huì )，802.15.4技術(shù)產(chǎn)品將在中國的環(huán)境監測和保護領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。利用該技術(shù)可以對污染源，特別是各工廠(chǎng)廢水，廢氣的排放口進(jìn)行實(shí)時(shí)監測控制，在每個(gè)排放口安裝相應感應器，完成樣本的采集、分析和最終的流量測定。就目前的環(huán)境來(lái)說(shuō)，污染源的數量大的驚人，僅北京地區的排污口就有幾萬(wàn)個(gè)�；�于IPv6的IEEE802.15.4的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。其中，設計適合傳感器節點(diǎn)的嵌入式IPv6協(xié)議棧是一個(gè)關(guān)鍵。

802.15.4工作在工業(yè)科學(xué)醫療(ISM)頻段，它定義了兩個(gè)物理層，即2.4GHz頻段和868MHz/915 MHz頻段物理層。免許可證的2.4GHz ISM頻段全世界都有，而868MHz和915 MHz的ISM頻段分別只在歐洲和北美有。在802.15.4中，總共分配了27個(gè)具有3種速率的信道：2.4 GHz波段為全球統一、無(wú)需申請的ISM頻段，有助于15.4設備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。2.4GHz的物理層通過(guò)采用高階調制技術(shù)能夠提供250Kb/s的傳輸速率，有助于獲得更高的吞吐量、更短的通信時(shí)延和工作周期，從而更加省電。在868MHz頻段有1個(gè)20Kb/s(或20Ksymbol/s)的信道。

IPv6傳感器網(wǎng)絡(luò )是IPv6技術(shù)與無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的融合，具有兩者各自部分特征，同時(shí)也具有其獨特性。這種獨特性，決定了IPv6傳感器網(wǎng)絡(luò )不適合直接采用IPv6網(wǎng)絡(luò )或無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的傳統體系結構，主要體現在：傳統的傳感器網(wǎng)絡(luò )體系結構不支持IPv6協(xié)議，無(wú)法實(shí)現與下一代互聯(lián)網(wǎng)的直接融合，不支持端到端通信，可擴展性不高。IPv6作為下一代互聯(lián)網(wǎng)的核心協(xié)議，充分考慮了網(wǎng)絡(luò )中的各種問(wèn)題，已經(jīng)形成一套功能強大、魯棒性好的協(xié)議體系，無(wú)法應用在存儲資源和處理資源受限的傳感器網(wǎng)絡(luò )中。因此，必須在充分考慮到此網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)和特殊性的前提下，重新構建基于IPv6的傳感器網(wǎng)絡(luò )體系結構�；�于IPv6over IEEE802.15.4的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是一門(mén)新興的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，應用領(lǐng)域廣泛，如將它應用到家電的控制方面，把手機、PDA加入。同時(shí)因為IPV6替代IPV4以后，可以實(shí)現三網(wǎng)合一。同時(shí)可以把網(wǎng)格計算、高清晰電視、遠程醫療等整合在一起，使網(wǎng)絡(luò )真正成為信息高速公路。這對改變人們的生活和工作方式，具有十分重要的社會(huì )效益，將其應用到各個(gè)信息行業(yè)并進(jìn)行推廣后，將有巨大的市場(chǎng)潛力以及產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。