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基于树型拓扑的ipv6协议的研究 0 ipv6与无线传感网络的结合 无线传感器网络（wsd）是集成信息采集、处理、控制和传输于一体的智能信息系统。它以小型传感器和无线低能耗通信设备为中心，结合了信息采集、处理、控制和传输等功能。其中的节点是一种微型嵌入式系统设备,集成了传感器和无线通信器件,可以完成上述功能。其中,数据的传输是最基本最重要的功能之一。 IEEE 802.15.4-2003标准定义了低速率数据传输的物理层和媒体访问控制层,具有复杂度低、成本低、功耗低的特点,特别适用于嵌入式系统和微处理器等领域,大量用于无线传感器网络节点中,是众多无线传感器网络的基础。将IPv6和无线传感网络技术结合是目前国内外一个较为热门的研究方向。IETF在2004年设立了6LowPAN协议工作组,专门对IPv6协议在IEEE 802.15.4上的实现进行研究,其协议参考模型如图1所示。 无线传感器网络节点的硬件资源极其稀少,并且要求功耗很低。所以在设计和实现节点上的IPv6协议栈时,需要在IP层和MAC之间加入一个适配层,提供合理的功能,以屏蔽底层硬件对于IP层的限制。同时,还需要根据无线传感网络的特点,对IPv6协议做适当的裁剪,优化IP层的实现,尽可能减少代码量和降低协议自身的通信流量。 针对上述情况,本文合理地裁剪了IPv6协议,并且根据硬件资源的特点在代码的实现上做了有针对性的优化。 1 基于合适层的热设计 无线传感器网络的拓扑结构直接影响适配层功能的设计和实现。综合各种因素,本文的无线传感器网络使用树形的拓扑结构,并采用特定动态地址分配方案为节点分配16位短MAC地址,如图2所示。其中的节点主要分为三种类型:PAN coordinator,common coordinator和end device。PAN coordinator是整棵树的根节点,是整个PAN的发起者,在启动时选择PAN的工作信道,设置好PAN的相关参数,接受子节点的加入并为其分配16位MAC地址。Common coordinator是树的中间节点,在启动时加入PAN,得到父节点分配的16位MAC地址,也能够接受子节点的加入并为其分配16位MAC地址。这两种节点都可以在适配层转发MAC层的报文。End device是树的叶子节点,在启动时加入PAN,得到父节点分配的16位MAC地址,只能与父节点直接通信。任何节点在加入PAN时,尽可能选择通信时信道上能量消耗最小的父节点。随着子节点不停地加入PAN,通信连接逐渐形成一棵逻辑树。逻辑上相邻的节点可以直接通信,否则需要由共同的父节点转发。这种结构的主要优点在于节点的16位短MAC地址能够反映节点在拓扑中的位置,只要给定目的地址便可以计算出下一跳节点的地址,有效地简化了MAC层的路由,特别适用于无线传感器网络中。 适配层是IPv6网络层和IEEE 802.15.4 MAC层间的一个中间层,向上提供网络协议栈对IEEE 802.15.4媒体的访问支持,向下则控制LowPAN网络构建、拓扑及MAC层路由。主要功能有: 1)网络拓扑管理。包括信道扫描、信道选择、启动PAN、加入或退出PAN以及为子节点分配16位短MAC地址等。 2)MAC地址管理。使用自己管理并分配的16位短地址进行通信,可提高物理帧的有效负荷,可简化MAC层路由,可确保节点MAC地址的唯一性,避免重复地址探测的消耗。 3)MAC层的路由。由于采用树形的拓扑结构和特定的地址分配算法,节点的16位短地址能够反映节点在拓扑中的位置,给出目的地址就能计算出下一跳节点的地址,有效地简化了地址解析和MAC路由。 4)对IPv6报文的分片和重组。IEEE 802.15.4的物理帧最长为127字节,需要在源节点对IPv6报文分片,并在目的节点或网关节点进行重组。 5)对IPv6头部或上层头部的压缩和解压缩。无线发送一个字节与微处理器计算1 000个字节所消耗的能量相当,对头部的压缩可以有效提高物理帧的有效负荷,降低收发器的能耗。 6)支持组播。组播在IPv6协议中起着至关重要的作用,必不可少。 有了上述的适配层功能,在一个树形拓扑的无线传感器网络中,从IP层来看,所有的节点在逻辑上都是“一跳”可达的,可以看作是一个IPv6的局域网络。网络中的通信节点可以分为两类,根节点是网关,其他的节点暂且称之为内部节点,因为在IP层上,MAC层的路由功能屏蔽了物理上不直接相连的差别。 2 ipv6协议剪切 通过上面的分析,IPv6协议是可以架设在IEEE 802.15.4 MAC层之上的,中间由适配层来提供需要的服务接口。但是,如果完整实现IPv6协议,无线传感器网络中的节点很难满足代码空间和协议行为功耗的需求。下面通过对无线传感器网络的应用特点、节点的硬件特点以及具体协议行为的分析,对