6LoWPAN调研报告V4.docx
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6LoWPAN调研报告V4
重庆邮电大学通信学院
题目：
基于IPv6的6LoWPAN无线传感器
网络调研报告
调研人员：
李晴川
王震华
贺力军
方正波
陈式
胡燕清
徐孝娜
指导导师：
雒江涛教授
2011.9.23
前言
无线传感器网络（WSN）集信息采集、信息传输、信息处理于一体，具有广阔的应用前景，是当前无线网络领域研究的热点之一。
随着无线传感器网络的应用领域不断拓展，数量巨大的传感器节点接入Internet，使得地址空间逐渐耗尽的IPv4协议难以满足无线传感器网络的需求。
而IPv6协议所具有的128位巨大地址空间、内建的安全机制、移动性、即插即用等优势能很好地解决这些问题。
IPv6协议与WSN的结合必将极大地推动无线传感器网络的发展。
6LoWPAN是一种研究如何使IPv6协议在LoWPAN设备上运行的技术。
本次调研重点介绍6LoWPAN的无线传感器网络技术，研究如何实现传感器网络节点与外部IPv6网络直接通信。
本文首先阐述了6LoWPAN低功耗无线个域网的基本概念、研究现状和发展趋势，然后深入研究了6LoWPAN的技术基础：
IPv6技术和IEEE802.15.4协议标准。
参考6LoWPAN发布的协议草案，对6LoWPAN的核心技术：
适配层的详细功能，适配层帧格式、适配层分片和重组、报头压缩、进行了研究，并且分析了6LoWPAN地址分配技术、路由技术、网络接入技术、网络（拓扑）管理技术、邻居发现技术等。
基于6LoWPAN技术的庞大优势，最后讨论了它在智能家居、工业和环境控制等方面的应用及未来研究热点。
一、6LoWPAN概述
1.1、何为6LoWPAN
6LoWPAN是IPv6overLowpowerWirelessPersonalAreaNetwork的简写，即基于IPv6的低速无线个域网。
IETF组织于2004年11月正式成立了IPv6overLR_WPAN（6LoWPAN）工作组，着手制定基于IPv6的低速无线个域网标准，旨在将IPv6引入以IEEE802.15.4为底层标准的无线个域网。
工作组的研究重点为适配层、路由、包头压缩、分片、IPv6、网络接入和网络管理等技术。
该工作组已经完成了两个RFC：
《概述、假设、问题陈述和目标》（RFC4919：
2007-08）和《基于IEEE802.15.4的IPv6报文传送》（RFC4944：
2007-09）。
6LoWPAN技术是一种在IEEE802.15.4标准基础上传输IPv6数据包的网络体系，可用于构建无线传感器网络。
6LoWPAN规定其物理层和MAC层采用IEEE802.15.4标准，上层采用TCP/IPv6协议栈，其与TCP/IP对比的参考模型如下图1.1所示。
图1.16LoWPAN与TCP/IP参考模型对比
6LoWPAN协议栈参考模型与TCP/IP的参考模型大致相似，区别在于6LoWPAN底层使用的IEEE802.15.4标准，而且因低速无线个域网的特性，在6LoWPAN的传输层没有使用TCP协议。
1.2、6LoWPAN需求
1.2.1、LoWPAN网络特点
LoWPAN网络是由符合802.15.4标准的设备组成的，具有低速率、低功耗、低成本等特点，根据802.15.4标准，LoWPAN网络具有以下特点：
a）传输报文小；
b）支持IEEE16比特短MAC地址和64比特扩展MAC地址；
c）传输带宽窄；
d）网络拓扑结构为网状或星型；
e）设备功耗低；
f）设备成本低；
g）设备数量大；
h）设备位置不确定或不易到达；
i）设备可靠性差；
j）设备可能长时间处于睡眠状态。
1.2.2、6LoWPAN的需求
1）、IP连通性
LoWPAN网络需要大量的网络地址，同时网络设备能够自动配置地址，并与其他IP网络实现互通。
如图1.2：
图1.2
2）、拓扑结构
LoWPAN网络能够支持各种网络拓扑，包括网状和星型拓扑。
无论是多跳路由的网状拓扑还是星型拓扑，其中的部分节点设备要具有包转发能力，并与采用其他技术的网络实现无缝整合。
因此，优先考虑使用IP协议。
3）、包长
由于802.15.4帧长的限制，LoWPAN网络要求减少过多的报文分片和重组，要求控制/协议报文能够在一个独立的802.15.4格式的帧上承载。
4）、配置和管理
由于LoWPAN网络设备数量多、性能有限且位置可能不易到达，因此要求协议配置要简单，易于启动，并具有自我诊断能力。
网络管理要尽可能少的开销，并具有管理大量设备的能力。
5）、业务发现
LoWPAN网络需要简单的业务发现协议去发现、控制和维护设备提供的业务。
6）、安全
LoWPAN网络需要一个全面的安全解决方案，而不仅仅是IEEE802.15.4中要求的AES技术。
二、IEEE802.15.4协议技术介绍
IEEE802.15.4描述了低速率无线个人局域网的物理层和媒体接入控制协议。
IEEE802.15.4规定了物理层（PHY）和媒体接入控制子层（MAC）与固定、便携式及移动设备之间的低数据率无线连接的规范，这些设备都没有电池，或者电池电量和功耗要求都很小。
一般在10m的个人操作空间内运行。
根据应用的不同，也可以采取更大的范围和更低的数据率来作为一个权衡方案。
2.1、IEEE802.15.4标准概述
随着通信技术的迅速发展，人们提出了在人自身附近几米范围之内通信的需求，这样就出现了个人区域网络（personalareanetwork,PAN）和无线个人区域网络（wirelesspersonalareanetwork,WPAN）的概念。
WPAN网络为近距离范围内的设备建立无线连接，把几米范围内的多个设备通过无线方式连接在一起，使它们可以相互通信甚至接入LAN或Internet。
1998年3月，IEEE802.15工作组致力于WPAN网络的物理层（PHY）和媒体访问层（MAC）的标准化工作，目标是为在个人操作空间（personaloperatingspace,POS）内相互通信的无线通信设备提供通信标准。
POS一般是指用户附近10米左右的空间范围，在这个范围内用户可以是固定的，也可以是移动的。
在IEEE802.15工作组内有四个任务组（taskgroup,TG），分别制定适合不同应用的标准。
这些标准在传输速率、功耗和支持的服务等方面存在差异。
下面是四个任务组各自的主要任务：
（1）任务组TG1：
制定IEEE802.15.1标准，又称蓝牙无线个人区域网络标准。
这是一个中等速率、近距离的WPAN网络标准，通常用于手机、PDA等设备的短距离通信。
（2）任务组TG2：
制定IEEE802.15.2标准，研究IEEE802.15.1与IEEE802.11（无线局域网标准，WLAN）的共存问题。
（3）任务组TG3：
制定IEEE802.15.3标准，研究高传输速率无线个人区域网络标准。
该标准主要考虑无线个人区域网络在多媒体方面的应用，追求更高的传输速率与服务品质。
（4）任务组TG4：
制定IEEE802.15.4标准，针对低速无线个人区域网络（low-ratewirelesspersonalareanetwork,LR-WPAN）制定标准。
该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，旨在为个人或者家庭范围内不同设备之音的低速互连提供统一标准。
任务组TG4定义的LR-WPAN网络的特征与传感器网络有很多相似之处，很多研究机构把它作为传感器的通信标准。
LR-WPAN网络是一种结构简单、成本低廉的无线通信网络，它使得在低电能和低吞吐量的应用环境中使用无线连接成为可能。
与WLAN相比，LR-WPAN网络只需很少的基础设施，甚至不需要基础设施。
IEEE802.15.4标准为LR-WPAN网络制定了物理层和MAC子层协议。
IEEE802.15.4标准定义的LR-WPAN网络具有如下特点：
（1）在不同的载波频率下实现了20kbps、40kbps和250kbps三种不同的传输速率；
（2）支持星型和点对点两种网络拓扑结构；
（3）有16位和64位两种地址格式，其中64位地址是全球惟一的扩展地址；
（4）支持冲突避免的载波多路侦听技术（carriersensemultipleaccesswithcollisionavoidance,CSMA-CA）；
（5）支持确认（ACK）机制，保证传输可靠性。
2.2、IEEE802.15.4网络简介
IEEE802.15.4网络是指在一个POS内使用相同无线信道并通过IEEE802.15.4标准相互通信的一组设备的集合，又名LR-WPAN网络。
在这个网络中，根据设备所具有的通信能力，可以分为全功能设备（full-device,FFD）和精简功能设备（reduced-device,RFD）。
FFD设备之间以及FFD设备与RFD设备之间都可以通信。
RFD设备之间不能直接通信，只能与FFD设备通信，或者通过一个FFD设备向外转发数据。
这个与RFD相关联的FFD设备称为该RFD的协调器（coordinator）。
RFD设备主要用于简单的控制应用，如灯的开关、被动式红外线传感器等，传输的数据量较少，对传输资源和通信资源占用不多，这样RFD设备可以采用非常廉价的实现方案。
IEEE802.15.4网络中，有一个称为PAN网络协调器（PANcoordinator）的FFD设备，是LR-WPAN网络中的主控制器。
PAN网络协调器（以后简称网络协调器）除了直接参与应用以外，还要完成成员身份管理、链路状态信息管理以及分组转发等任务。
无线通信信道的特征是动态变化的。
节点位置或天线方向的微小改变、物体移动等周围环境的变化都有可能引起通信链路信号强度和质量的剧烈变化，因而无线通信的覆盖范围不是确定的。
这就造成了LR-WPAN网络中设备的数量以及它们之间关系的动态变化。
2.3、IEEE802.15.4网络拓扑结构及形成过程
根据应用的需求，IEEE802.15.4LR-WPAN可以有两种网络拓扑结构：
星型的拓扑结构和点对点的拓扑结构，这两种拓扑结构如图2.1所示。
星型拓扑结构由一个叫做PAN主协调器的中央控制器和多个从设备组成，主协调器必须为一个具有完整功能的设备，从设备既可为完整功能设备也可为简化功能设备，在实际应用中，应根据具体应用情况，采用不同功能的设备，合理地构造通信网络。
在网络通信中，通常将这些设备分为起始设备或者终端设备，PAN主协调器既可以作为起始设备、终端设备，也可以作为路由器，是PAN网络的主控制器。
在任何一个拓扑网络上，所有设备都有一个唯一的64位长地址码，该地址可以在PAN中用于直接通信，或者当设备之间已经存在连接时，可以将其转变为16位短地址码分配给设备。
PAN主协调器是主要的耗电设备，而其他从设备经常采用电池供电。
星型拓扑结构通常在家庭自动化、PC外围设备、玩具、游戏以及个人健康检查方面得到应用。
图2.1星型和点对点拓扑结构实例
在点对点拓扑网络结构中，同样也存在一个PAN主设备，但该网络不同于星型拓扑网络结构，该网络中的任何一个设备都可以与其通信范围内的其他设备进行通信。
点对点拓扑网络结构能够构成较为复杂的网络结构，例如网状拓扑网络结构。
这种点对点拓扑网络结构在工业监测和控制，无线传感器网络、供应物资跟踪、农业智能化以及安全监控等方面都有广泛的应用。
一个点对点网络路由协议可以是基于adhoc技术、也可以是自组织式的和自恢复式的，并且，在网络中各个设备之间发送消息时，可通过多个中间设备中继的传输方式进行传输，即通常称为多跳的传输方式。
每个独立的PAN都有一个唯一的标识符，利用PAN标识符，可以使用短位地址进行网络设备间的通信，并且可激活PAN网络设备之间的通信。
2.3.1、星型网络的形成
图2.1描述了星型网络的基本结构。
当一个具有完整功能的设备被激活之后，它就会建立一个自己的网络，将自身成为一个PAN主协调器。
所有星型网络的操作独立于当前其他星型网络的操作，这就说明了在星型网络结构中只有一个唯一的PAN主协调器，通过选择一个PAN标识符确保网络的唯一性。
一旦选定了PAN标识符，PAN主协调器就会允许其它设备加入到它的网络中，无论是具有完整功能的设备还是简化功能的设备都可以加入到这个网络中。
2.3.2、点对点网络拓扑结构的形成
在点对点拓扑结构中，每个设备都可以与在无线通信范围内的其他任何设备进行通信。
任何一个设备都可以定义为PAN主协调器，例如，可将信道中第一个通信的设备定义为PAN主协调器。
未来的网络结构可能不仅仅局限为点对点拓扑结构，对拓扑结构进行限制也是可能的。
例如，树簇拓扑结构是点对点网络拓扑结构的一种应用形式，在点对点网络中的设备可以为完整功能设备，也可以为简化功能设备。
而在树簇中的大部分设备是FFD，RFD只能作为一个叶结点连接在树簇拓扑结构树枝的末尾处，这主要是由于RFD一次只能连接一个FFD。
任何一个FFD都可以作为主协调器，并且，为其他从设备或主设备提供同步服务。
在整个PAN中，只要该设备相对于PAN中的其他设备具有更丰富的计算资源，这样的设备都可以成为该PAN的主协调器。
在建立一个PAN时，首先，PAN主协调器将自身设置为一个簇标识符（CID）为0的簇头，然后，选择一个没有使用的PAN标识符，并向邻近的其它设备以广播的方式发送信标帧，从而形成第一簇网络。
接收到信标帧的候选设备可以在簇头中请求加入该网络，如果PAN主协调器允许该设备加入，那么主协调器会将该设备作为结点加入到邻近表中，成为该网络的一个从设备，同时，请求加入的设备将PAN协调器作为它的父结点加到邻近列表中，成为该网络的一个从设备，开始发送周期性的信标帧；其他的候选设备也可以在这台刚加入的设备上加入该网络。
如果原始的候选不能加入到该网络中，那么它将寻找其它的父结点。
最简单的网络结构是只有一个簇的网络，但是多数网络结构由多个相邻的网络构成。
一旦第一簇满足预定的应用或网络需求时，PAN主协调器将会指定一个从设备为另一簇新网络的簇头，使得该从设备成为另一个PAN的主协调器，随后其他的从设备将逐个加入，形成一个多簇网络，如图2.2所示。
图中的直线表示设备间的父子关系而不是通信流。
多簇网络结构的优点在于增加网络的覆盖范围，但随之而来的缺点是会增加传输信息的延迟时间。
图2.2树簇拓扑结构网络
2.4、IEEE802.15.4结构
IEEE802.15.4结构分成多个模块来定义，这些模块称为层。
每层负责完成所规定的任务，并且向上层提供服务。
模块的划分基于开放式系统互联七层模式。
各层之间的接口通过所定义的逻辑链路来提供服务。
LR-WPAN设备包含物理层和MAC层，物理层包括伴随着低等控制机制的射频收发机，MAC层为各种传输提供到达物理通道的接口。
图2.3给这些模块的图解。
图2.3低速无线PAN设备结构
图3所示的高层，包括网络层和应用层，其中，网络层提供网络配置，操作信息路由，应用层提供设备的既定功能。
IEEE802.2I类型逻辑链路控制层（LLC）能通过服务协议汇聚层（SSCS）访问MAC层。
LR-PAN体系结构可以作为嵌入式设备或者要求外部设备（如个人计算机）支持的设备实现其功能。
每一层的服务主要完成两种功能：
根据它的下层服务要求，为上层提供相应的服务；另一种是根据上层的服务要求，对它的下层提供相应的服务。
各项服务是通过服务原语来实现的，图2.4描述了原语的概念，在图中，描述了一个具有N个用户的网络中，两个对等用户以及他们与M层（或子层）对等协议实体建立连接的服务原语。
图2.4服务原语
服务是由N用户和N层之间的信息流的描述来指定的。
该信息流由离散的瞬时事件构成，以提供服务为特征。
每个事件由服务原语组成，它将在一个用户的某一层，通过该层的服务接入点（SAP）与建立对等连接的用户的相同层之间传送。
服务原语通过提供一种特定的服务来传输必需的信息。
这些服务原语是一个抽象的概念，它们仅仅指出提供的服务内容，而没有指出由谁来提供这些服务。
它的定义与其他任何接口的实现无关。
由代表其特点的服务原语和参数的描述来制定一种服务。
一种服务可能有一个或多个相关原语，这些原语构成了与具体服务相关的执行指令。
每种服务原语提供服务时，可能不带有传输信息，也可能带有多个传输必须的信息参数。
原语通常分为如下面4种类型：
—Request：
请求原语从第N用户发送到它的第N层，请求服务开始。
—Indication：
指示原语是从第N层向第N用户发送，指示对于第N用户有重要意义的内部N层的事件。
该事件也许与一个远程服务请求逻辑相关，或者可能是由N层的内部事件引起。
—Response：
响应原语是从第N用户向它的第N层来表示对用户执行上一条原语调用过程的响应。
。
—Confirm：
确认原语是由第N层向第N用户发送，用来传送一个或多个前面服务请求原语的执行结果。
2.4.1、物理层
物理层提供两种类型的服务：
即通过物理层管理实体接口（PLME-SAP）对物理层数据和物理层管理提供服务。
物理层数据服务可以通过无线物理信道发送和接收物理层协议数据单元来实现。
物理层的特征是启动和关闭无线收发器、能力检测、链路质量、信道选择、清除信道评估（CCA），以及通过物理媒体对数据包进行发送和接收。
工作频率为下面不需申请的一个或多个频带上：
868–868.6MHz（e.g.,Europe）
868–868.6MHz（欧洲）
902–928MHz（e.g.,NorthAmerica）
902–928MHz（北美）
2400–2483.5MHz（worldwide）
2400–2483.5MHz（全球）
物理层负责以下工作：
—无线收发器的激活与释放
—当前信道的能量检测（ED）
—接收链路服务质量指示（LQI）
—冲突避免载波侦听多路接入（CSMA－CA）机制的清除信道评估（CCA）
—信道频率选择
—数据发送和接收
IEEE802.15.4定义了两个物理层标准，即2.4GHz物理层和868/915MHz物理层。
这两个物理层都基于直接序列扩频DSSS（DirectSequenceSpreadSpeCTRum），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。
2.4GHz波段为全球统一、无须申请的ISM频段。
2.4GHz的物理层通过采用高阶调制技术能够提供250kb/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。
868MHz是欧洲的ISM频段，915MHz是美国的ISM频段，这两个频段的引入避免了2.4GHz附近各种无线通信设备的相互干扰，868MHz的传输速率为20kb/s，915MHz和40kb/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。
2.4.1.1、物理层服务细则
物理层通过射频固件和RF硬件提供了一个从MAC子层到物理层无线信道的接口。
在物理层种，包含一个物理层管理实体（PLME），该实体通过调用物理层管理功能函数，为物理层管理服务提供接口。
同时，PLME也负责维护由物理层所管理的目标数据库，该数据库包含有物理层个域网络的基本信息（PIB）。
物理层的结构和接口如图2.5所示。
物理层通过两个服务接入点（SAP）提供两种服务：
通过物理层数据服务接入点（PD－SAP）为物理层数据提供服务；通过物理层管理实体（PLME）服务接入点（PLME－SAP）为物理层管理提供服务。
图2.5物理层参考模型
2.4.1.2、物理层协议数据单元的结构
物理层协议数据单元（PPDU）分组的结构中最左边的字段优先发送和接收。
在多字节的字段中，优先发送或者接收最低有效字节，而在每一个字节中优先发送最低有效位（LSB）。
同样，在物理层与MAC层之间的数据字段的传送也遵循这一规则。
每个物理层协议数据单元数据包都由以下几个基本的部分组成：
——同步包头（SHR）：
允许接收设备锁定在比特流上，并与比特流保持同步。
——物理层包头PHR：
包含帧长度的信息。
——物理层净荷：
长度变化的净荷，携带MAC层的帧信息。
物理层协议数据单元结构将按照图2.6所描述的方式被格式化。
图2.6物理层协议数据单元的格式
2.4.2、介质访问控制层
MAC层提供两种类型的服务：
MAC层管理实体服务接入点（MLME-SAP）向MAC层数据和MAC层管理提供服务。
MAC层数据服务可以通过PHY数据服务发送和接收MAC协议数据单元。
介质访问控制层的特征是：
信标管理，信道接入，时隙管理，帧确认，发送确认帧，联合与分裂。
此外，MAC层为应用合适的安全机制提供一些方法。
MAC层处理所有物理层无线信道的接入,其主要功能为：
—网络协调器产生网络信标；
—与信标同步；
—支持个域网（PAN）链路的建立和断开；
—为设备的安全提供支持；
—采用冲突避免的载波检测多路访问（CSMA-CA）机制访问信道；
—处理和维护保护时隙（GTS）机制；
—在两个同等的MAC层实体之间提供一个可靠的通信链路。
2.4.2.1、MAC层服务规范
MAC层在服务协议汇聚层和物理层之间提供了一个接口。
从概念上说，MAC层包括一个管理实体，通常称为MAC层管理实体（MLME），该实体提供一个服务接口，通过此接口可调用MAC层管理功能。
同时，该管理实体还负责维护MAC固有的管理对象的数据库。
该数据库包含了MAC层的个域网信息数据库（PIB）。
图2.7描述了MAC层的结构和接口。
图2.7MAC层参考模型
MAC层通过它的两个服务接入点提供两种不同的服务：
—MAC层数据服务,通过它的公共部分子层数据服务接入点（MCPS-SAP）接入；
—MAC层管理服务,通过MAC层管理实体服务接入点（MLME-SAP）接入。
这两种服务为服务协议汇聚层和物理层之间提供了一个接口，这个接口通过物理层数据服务接入点（PD-SAP）和管理实体服务接入点（PLME-SAP）来实现。
（见6.2）。
除了这些外部接口之外,在MAC层管理实体和公共部分子层之间还存在一个隐含的接口，MAC层管理实体通过此接口使用MAC层数据服务。
2.4.2.2、MAC层帧结构
通用MAC层帧结构，即MAC层协议数据单元（MPDU）。
每个MAC层帧由下列基本部分组成：
MAC层帧头，包括帧控制，序列号和地址信息。
可变长度的MAC层载荷，不同的帧类型有不同的载荷。
确认帧没有载荷。
MAC层帧尾，应包含帧校验序列（FCS）。
MAC层的帧按特定的序列组成。
MAC层帧的顺序与在物理层中传输的顺序相同，为从左到右，即首先传输最左边的数据位。
帧字段中的位按从0（最左边，最低有效位）到k－1（最右边，最高有效位），k为字段的比特位数。
在传输多于8位的字段时，由最低位到最高位传输字节。
对每个MAC层帧，所有的保留位在发送时都置0，并且在接收时忽略。
2.4.2.3、通用MAC层帧结构
MAC层帧结构由MAC层帧头，MAC层载荷和MAC层帧尾组成。
MAC层帧头的子字段顺序是固定的，然而，在所有的帧中，可以不应包含地址子字段。
通用MAC层帧结构在图2.8中描述。
图2.8通用MAC层帧结构
三、IPv6技术介绍
IPv6是“InternetProtocolVersio
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