第5章6LoWPAN技术.ppt

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无线传感器网络技术及应用无线传感器网络技术及应用第5章6LoWPAN技术主要内容n6LoWPAN技术的发展n6LoWPAN网络核心协议n轻量级IPv6无线传感网协议栈n6LoWPAN传感网设备开发平台n6LoWPAN无线传感网系统实验5.16LoWPAN技术的发展IETF在2005年成立了6LoWPAN工作组制定适用于IPv6的低功耗、无线Mesh网络标准。

6LoWPAN旨在IEEE802.15.4的网络中传输IPv6报文，但是底层标准并不局限于IEEE802.15.4标准，也支持其他的链路层标准。

与6LoWPAN相关的IETF工作组的主要研究内容5.16LoWPAN技术的发展6LoWPAN具有以下技术优势：

地址空间方面，6LoWPAN网络基于IPv6地址，拥有广阔的地址空间，可以满足海量节点的部署需要。

网络互联方面，6LoWPAN网络为每个设备配置了IP地址，可以方便地与其他基于IP的网络互联，构建异构网络，实现互相通信。

重用和基础验证方面，IP网络可以保证6LoWPAN重用其他IP网络的设施和IP调试、诊断工具，并且IP技术已经稳定运行多年，为6LoWPAN标准提供了基础验证。

标准开放性方面，6LoWPAN是IETF制定的开放标准，应用广泛，全世界的开发人员都可以为其改进和完善而努力，为其快速发展、完善提供了保障。

5.26LoWPAN网络核心协议适配层协议n为了在基于IEEE802.15.4底层的无线传感器网络中实现IPv6数据的有效传输，解决两种技术的差异性，6LoWPAN适配层协议主要定义了分片重组、IPv6报头压缩以及路由转发三种机制。

n适配层还具备子网组建与管理、地址分配、组播支持等功能。

5.26LoWPAN网络核心协议n报文格式典型的LoWPAN封装头栈5.26LoWPAN网络核心协议适配层头部封装共定义了四种类型的LoWPAN头部：

nMesh寻址头部：

用于支持数据在适配层进行路由转发n广播头部：

用于对广播数据或者多播数据提供支持n分片头部：

用于数据的分片和重组nIPv6压缩头部：

用于IPv6报文头部压缩使用头部的首字节作为头部类型说明字段（Dispatch值）以区分标识不同的LoWPAN头。

Dispatch类型值LoWPAN头分配描述0000000000111111NALP非LoWPAN封装帧01000001IPv6未压缩的标准IPv6报头01000010LOWPAN_HC1采用LOWPAN_HC1方式压缩的IPv6报头01010000LOWPAN_BC0广播头0110000001111111LOWPAN_IPHC采用LOWPAN_IPHC方式压缩的IPv6报头01111111ESC扩展其他头类型说明100000010111111MESHMesh寻址报头110000011000111FRAG1第一个分片报头111000011100111FRAGN后续分片报头5.26LoWPAN网络核心协议分片和重组分片和重组nIPv6标准RFC2460规定所使用底层链路的最大传输单元MTU至少为1280字节。

nIEEE802.15.4标准报文的最大长度仅为127字节，其最大MAC报头长度为25字节，MAC层所提供的payload可能只有102字节。

若MAC帧使用安全机制，将进一步减小负载长度。

n必须在适配层中引入分片重组机制，将超过MAC层payload长度的IPv6报文分割成多个较小的报文，再递交给IEEE802.15.4MAC层传输，并在接收端重组恢复为完整的IPv6报文。

5.26LoWPAN网络核心协议6LoWPAN分片重组流程图适配层对分片报文的格式进行了定义，包括数据报大小、数据报标签和数据报偏移量三个域。

5.26LoWPAN网络核心协议n标准IPv6报文头部格式5.26LoWPAN网络核心协议IPv6报头压缩报头压缩n数据报头部过长会造成大量分片的产生，将导致传输的效率非常低，增加了通信的负担和节点的能量消耗。

n有必要在适配层对IPv6报文的固定头部进行适当压缩，从而提高数据的传输效率。

nRFC6282提出了压缩效率更高的LOWPAN_IPHC压缩算法，来弥补和代替LOWPAN_HC1的不足之处。

LOWPAN_IPHC可以支支持有状态和无状态压缩持有状态和无状态压缩。

5.26LoWPAN网络核心协议LOWPAN_IPHC基本的帧格式如图nIPHC格式的前三位“011”用于表示为IPHC压缩算法nTF域表示IPv6头部中优先级和流标签的压缩nNH位用于判断下一头部是否压缩，如果NH位值为1，则采用NHC压缩算法对下一头部进行压缩。

nHLIM域用于压缩IPv6头部的跳数限制字段nCID位用于表示IPv6地址是否适用基于环境的压缩方法，如果该位为1，IPv6压缩头部后需带有SCI和DCI字段nSAC和DAC位表示源地址以及目的地址是否使用基于状态的压缩。

nSAM和DAM表示源地址和目的地址的模式。

M位表示目的地址是否为多播地址5.26LoWPAN网络核心协议TF的压缩方式HLIM的压缩方式5.26LoWPAN网络核心协议路由协议路由协议6LoWPAN路由分为两大类：

nMesh-under：

依靠Mesh头在适配层进行路由转发工作nRoute-over:

依靠IPv6头在网络层进行路由转发工作。

5.26LoWPAN网络核心协议Router-overn路由方式在网络层进行路由选择和转发，适配层不参与。

中间节点对转发数据的IPv6报头进行解析。

n节点的每一跳对应一跳IP链路，因此分片数据每转发一次就要重组一次。

nRouter-over是全IP化网络，因此可以较为容易地使用IPv6技术保障数据的安全性和服务质量。

5.26LoWPAN网络核心协议RPL路由协议nRPL专为低功耗有损网络设计，目标对象是使用了IP技术的智能物件，由IETFROLL工作组负责制定。

nLLN特点：

低带宽、有损耗、低功耗nRPL工作在IP层，遵循IP架构，但其并未限定特定的链路层，可以工作在多种链路层上。

5.26LoWPAN网络核心协议RPL传输模式传输模式RPL支持三种基本的数据传输模式:

n多点到点，Multipoint-to-Point（MP2P）n点到多点，Point-to-Multipoint（P2MP）n点到点，Point-to-Point（P2P）方法：

通过节点间构造DODAG来实现n为MP2P构造上行到DAG根节点的路径n为P2MP构造从DAG根节点出发的下行路径n通过DAG检查和避免路由环路n通过上行、下行之间的转换支持P2P5.26LoWPAN网络核心协议DODAGnRPL指定了如何在一个LLN中构造DODAG的过程。

nDODAG在构造时需确定一个目标函数，使用一系列的度量和约束（metrics/constraints）中的一个节点在同一时刻能够参与和加入多个graph，每个graph称为一个RPL实例DODAG的构造过程由根节点或LoWPAN边界路由器发起。

为了实现DODAG的构造，RPL基于ICMPv6，新增加了如下三条控制消息：

nDIS：

（DODAGInformationSolicitation）nDIO：

（DODAGInformationObject）nDAO：

（DODAGDestinationAdvertisementObject）5.26LoWPAN网络核心协议DODAG拓扑建立的过程5.26LoWPAN网络核心协议DODAG上行构造过程上行构造过程n根节点利用DIO消息广播DODAG的信息；n根节点的邻居节点收到DIO后，根据一定的准则，决定是否加入这个DODAG，这些准则包括：

目标函数、DAG特性、各种自定义的本地策略等n当某个邻居节点加入所广播的DODAG后，它就建立了一条到达DODAG根节点的路径。

根节点被称为该节点的“父节点”，这种通信模式称为MP2P，也称为上行路由。

n如果新加入图的节点类型是路由器，它将向自己的邻居节点继续广播包含DODAG信息的DIO消息。

n如果新加入图的节点是“叶子节点”，则只是完成入网动作，不广播DIO消息。

n邻居节点不断重复上述广播和加入动作，直至到达网络的所有叶子节点。

5.26LoWPAN网络核心协议DIS的用法的用法nDIS消息用于节点主动向邻居节点中的路由器请求DODAG图的信息。

n路由器收到DIS后，会回复DIO消息。

nDIS主要在稳定的环境中使用，例如DODAG已基本形成后，节点由于某种原因想再次获取图信息时，可主动发送DIS消息。

5.26LoWPAN网络核心协议DODAG下行构造过程下行构造过程n下行路由与上行路由相反，由根节点到达叶子节点或上级节点到达下级节点n下行路由的构造通过DAO消息来完成。

n每个节点加入DODAG后，在网络发起上行路径构造指令后，将发送DAO消息到它的父节点。

DAO消息中含有前缀、前缀的有效时间等信息，用于表征节点所在前缀的可达性。

n当一个节点收到DAO消息后，将对前缀信息进行处理，并在路由表中添加路由表项。

然后将该前缀信息进一步通过DAO上传给自己的父节点。

n一个节点也可以将收到的前缀可达性信息进行汇集后，再发给自己的父节点n前缀上传过程一直进行，直至前缀信息到达父节点。

n每个节点都完成前缀上传后，整个网络将建立起一个从根节点到达所有叶子节点的下行路由图。

n下行路由也称为P2MP5.26LoWPAN网络核心协议点到点通信点到点通信nRPL也支持DODAG中的P2P通信模式。

n当LLN中的一个源节点发送数据包到目标节点时，该数据包将首先沿着“上行”路由到达源节点与目标节点共同的祖先节点，然后再从祖先节点处转为向下传输，通过“下行”路由到达目标节点。

nIETFROLL工作组设计了专门的标准对P2P通信进行优化。

5.26LoWPAN网络核心协议路由中的环路问题路由中的环路问题n在路由协议中，需要尽量避免在MESH图中生成环路。

如果生成了环路，则应该能够有效检测到环路并及时进行处理。

n传统路由协议中，环路的产生一般是由于网络拓扑发生变化，或节点之间发生了同步问题。

n环路出现后，需要尽快的检测处理，否则会导致数据包拥塞和超时丢弃，同时需采用各种优化机制来避免环路的出现。

n在LLN中，环路的发生经常是临时的，而且由于LLN一般速率较低，环的影响比传统网络要小，所以网络对环路应该适当反应。

如果过度反应，可能会引起路由的振荡，浪费额外的能量来进行控制报文交互。

5.26LoWPAN网络核心协议Rankn每个新加入图的节点需根据Metric和目标函数，用一定方法计算与该图根节点之间的Rank值。

Rank用于表示DODAG中某个节点的相对位置，即该节点与根节点之间相对距离的值。

nRank主要用于环避免。

nRPL并没有指定Rank的计算方法，其具体计算由目标函数及相应的策略决定，但需要满足相对位置的性质。

5.26LoWPAN网络核心协议环路的避免策略RPL采用两种策略避免环的出现，这些方法都用到rank值。

n策略1：

最大深度策略n策略2：

一个节点在邻居中选择父节点时，不能选择rank值比它自己的rank值大一定程度的节点，即rank值超过node-rank+max_depth的节点，不能选择作为父节点。

至于超过多少深度才不能选择（max_depth的大小），由根节点确定。

这种策略主要是防止选比自己还深的节点作为父节点一个节点不能过度贪婪（greedy），不能为了增加父节点数，而移动自己在图中的深度，使深度值加大。

5.26LoWPAN网络核心协议路由的修复路由的修复路由的修复是任何路由协议都需关注的核心特性。

在RPL中，当节点或链路失效时，需要对图进行修复。

RPL需避免由于临时短暂的失效而导致过大的修复开销。

RPL中定义了两种修复方法：

n局部修复：

当一个节点发现其链路或邻居节点失效，并且在上行路径上没有其它路由器可供中转时，将启动局部修复过程。

该节点会快速寻找一