基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究[圖]

隨著互聯(lián)網(wǎng)在人們生活中的廣泛應(yīng)用，Internet已經(jīng)成為人們生活中不可缺少的一部分�，F(xiàn)在的無線網(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(tǒng)(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世界融合在一起，改變了人與自然交互的方式，滿足了人們對“無處不在”的網(wǎng)絡(luò)的需求。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，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(tǒng)，具有廣闊的應(yīng)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)融入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，采用分層結(jié)構(gòu)構(gòu)建開發(fā)式的網(wǎng)絡(luò)體系，不僅能解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)間、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet間的互連互通問題，同時解決了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)固有的缺點，如需要數(shù)量巨大的地址資源、需要實現(xiàn)有效地址管理機制、缺乏應(yīng)有的安全機制等問題。文章就IPv6技術(shù)在無線傳感網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的應(yīng)用，概述了相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)及重點解決問題。

1 IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通方式

IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)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

采用移動終端直接與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通信的方式進行互聯(lián)，簡化了網(wǎng)絡(luò)接入的模型，不需要特殊的中間節(jié)點或者網(wǎng)關(guān)進行轉(zhuǎn)發(fā)，直接接入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，成為網(wǎng)絡(luò)終端，實現(xiàn)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的無縫融合。IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通的直接接入方式如圖1所示。

(2)網(wǎng)關(guān)接入方式

IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，將采集的數(shù)據(jù)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議匯聚到網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)對數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)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(yīng)的接入模塊即可。服務(wù)器端對監(jiān)測信息進行處理和分析，并存儲到數(shù)據(jù)庫中。用戶終端通過現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議訪問服務(wù)器，獲取IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的信息，實現(xiàn)對設(shè)備的訪問、控制以及有效的管理網(wǎng)關(guān)接入方式如圖2所示。

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(xiàn))協(xié)議、ICMPv6(因特網(wǎng)控制報文)協(xié)議和IPv6地址的自動配置協(xié)議等。IPv6基本描述協(xié)議：IPv6數(shù)據(jù)包的發(fā)送、接收、處理等基本功能。ND(鄰居發(fā)現(xiàn))協(xié)議：鄰居發(fā)現(xiàn)的地址解析功能，實現(xiàn)鄰居請求和鄰居通告。CMPv6(因特網(wǎng)控制報文)協(xié)議：主要實現(xiàn)控制報文的消息處理，以及對網(wǎng)絡(luò)診斷功能的回應(yīng)請求和回應(yīng)答復(fù)。IPv6地址自動配置協(xié)議：根據(jù)IPv6地址格式的要求，主要實現(xiàn)IPv6鏈路本地地址的配置和請求節(jié)點多播地址的配置。

2 路由算法

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(shè)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(diào)用地址解析程序解析下一跳IP地址對應(yīng)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。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，內(nèi)部節(jié)點只有一個接口，為簡化下一跳的選擇過程，做如下處理：前綴表中按照前綴長度遞減排序，并加上鏈路本地前綴和默認路由，默認路由前綴長度設(shè)置為0，是表中的最后一條記錄。這樣在選擇下一跳時，可順序查找前綴表，第一個找到的就是最長前綴匹配，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程。目的地址緩存的目的是提高下一跳選擇的效率，在內(nèi)部節(jié)點上的前綴記錄實際上只有三條記錄：鏈路本地地址前綴對應(yīng)的記錄；全球弛址前綴對應(yīng)的記錄；默認路由。如果還使用目的地址緩存，不僅消耗內(nèi)存空間和代碼空間。而且實際的查詢效率也得不到有效提高。

IPv6的優(yōu)點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(zhuǎn)發(fā)可能定向到Internet上的任何節(jié)點的數(shù)據(jù)包。通過其聚合地址能力，IPv6支持靈活的尋址方式，大大減小了路由表的規(guī)模。在這一新的尋址結(jié)構(gòu)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?shù)剞D(zhuǎn)發(fā)消息。

鄰居發(fā)現(xiàn)提供以下一些功能：

(1)路由器發(fā)現(xiàn)。這允許主機標識本地路由器。

(2)地址解析。這允許節(jié)點為相應(yīng)的下一躍點地址解析鏈路層地址(替代地址解析協(xié)議)。地址自動配置。這允許主機自動配置站點一本地地址和全局地址。鄰居發(fā)現(xiàn)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(chǔ)上或響應(yīng)路由器請求由路由器發(fā)送。IPv6路由器使用路由器廣告來公布其可用性、地址前綴和其他參數(shù)。

(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(jié)點發(fā)送，以用于地址解析、重復(fù)地址檢測，或用于確認鄰居是否仍可訪問。

(6)鄰居廣告。由節(jié)點發(fā)送，以響應(yīng)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(jié)點指示指向特定目標的更好的下一躍點地址。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)交互及穩(wěn)定性

本文提出通信網(wǎng)絡(luò)采用有線網(wǎng)絡(luò)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相融合拓撲模型，如圖3所示。用現(xiàn)有專用光纖，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)絡(luò)自愈功能，且每個節(jié)點都是一個傳感器，可采集相關(guān)信息數(shù)據(jù)，同時充當無線網(wǎng)絡(luò)路由器傳輸數(shù)據(jù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過接入節(jié)點(Access Point，AP)接入有線網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)通過專用光纖傳輸至中心監(jiān)控系統(tǒng)。AP節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)同有線網(wǎng)絡(luò)交互的網(wǎng)關(guān)節(jié)點，同時運行無線網(wǎng)絡(luò)通信和有線網(wǎng)絡(luò)通信雙協(xié)議。

在IPv6協(xié)議族中，有線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸使用硬件地址(MAC)進行識別設(shè)備，其中地址解析協(xié)議(ARP)完成IP地址和數(shù)據(jù)鏈路層使用的硬件地址之間的轉(zhuǎn)換，因此為了保證無線傳感器網(wǎng)關(guān)在有線網(wǎng)絡(luò)中的通信，必須要實現(xiàn)ARP協(xié)議功能。無線傳感網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點都還擁有自己唯一的MAC地址，參考TCP／IP下的實現(xiàn)機制，實現(xiàn)Zigbee協(xié)議中的適配層和ARP，實現(xiàn)IP地址到Zigbee無線傳感器節(jié)點地址的映射。協(xié)議轉(zhuǎn)化如上圖所示，完成數(shù)據(jù)在Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和TCP／IP有線網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換過程。

4 互聯(lián)互通下行物理層／鏈路層

開發(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。物理層是通過中繼器或集線器在電纜之間復(fù)制比特流。如圖4所示。

數(shù)據(jù)鏈路層是通過網(wǎng)橋或交換機在網(wǎng)段之間根據(jù)數(shù)據(jù)幀中的信息(MAC地址)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀。如圖5所示。網(wǎng)關(guān)用來連接不同體系結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。如圖6所示。

IEEE 802．1 5．4是2004年提出的無線標準的安全網(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(xiàn)有的標準。 802．15．4主要應(yīng)用于工業(yè)控制、遠程監(jiān)控和樓宇自動化領(lǐng)域，后期802.15.4的市場將轉(zhuǎn)向消費者和家庭用戶，主要應(yīng)用于家庭自動化、安全和交互式玩具。802．15．4網(wǎng)絡(luò)另一個充滿魅力的應(yīng)用領(lǐng)域是精作農(nóng)業(yè)。針對巨大的中國市場和2008年國際奧林匹克運動會，802．15．4技術(shù)產(chǎn)品將在中國的環(huán)境監(jiān)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，特別是各工廠廢水，廢氣的排放口進行實時監(jiān)測控制，在每個排放口安裝相應(yīng)感應(yīng)器，完成樣本的采集、分析和最終的流量測定。就目前的環(huán)境來說，污染源的數(shù)量大的驚人，僅北京地區(qū)的排污口就有幾萬個。基于IPv6的IEEE802．15．4的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是目前研究的一個熱點。其中，設(shè)計適合傳感器節(jié)點的嵌入式IPv6協(xié)議棧是一個關(guān)鍵。

802．15．4工作在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段，它定義了兩個物理層，即2．4 GHz頻段和868 MHz／915 MHz頻段物理層。免許可證的2．4 GHz ISM頻段全世界都有，而868 MHz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個具有3種速率的信道：2．4 GHz波段為全球統(tǒng)一、無需申請的ISM頻段，有助于15．4設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。2．4 GHz的物理層通過采用高階調(diào)制技術(shù)能夠提供250 Kb／s的傳輸速率，有助于獲得更高的吞吐量、更短的通信時延和工作周期，從而更加省電。在868 MHz頻段有1個20 Kb／s(或20 Ksymbol／s)的信道。

5 結(jié)語

IPv6傳感器網(wǎng)絡(luò)是IPv6技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的融合，具有兩者各自部分特征，同時也具有其獨特性。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)或無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，主要體現(xiàn)在：傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)不支持IPv6協(xié)議，無法實現(xiàn)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)中的各種問題，已經(jīng)形成一套功能強大、魯棒性好的協(xié)議體系，無法應(yīng)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)的特點和特殊性的前提下，重新構(gòu)建基于IPv6的傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)�；�于IPv6 over IEEE802．15．4的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一門新興的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，如將它應(yīng)用到家電的控制方面，把手機、PDA加入。同時因為IPV6替代IPV4以后，可以實現(xiàn)三網(wǎng)合一。同時可以把網(wǎng)格計算、高清晰電視、遠程醫(yī)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?nèi)藗兊纳�活和工作方式，具有十分重要的社會效益，將其�?yīng)用到各個信息行業(yè)并進行推廣后，將有巨大的市場潛力以及產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。

作者：李娜 來源：電子設(shè)計工程