第5章6LoWPAN技术.ppt

1、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5.1 6LoWPAN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5.1 6LoWPAN技术的发展

2、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。5.2 6LoWPAN网络核心协议适配层协议n为

3、了在基于IEEE 802.15.4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。5.2 6LoWPAN网络核心协议n报文格式典型的LoWPAN封装头栈5.2 6LoWPAN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

4、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00 00000000 111111NALP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01 10000001 111111LOWPAN_IPHC采用LOWPAN_IPHC方式压缩的IPv6报头01111111ESC扩展其他头类型说明10 0000010 111111MESHMesh寻址报头11 0000011 000111FRAG1第一个分片

5、报头11 1000011 100111FRAGN后续分片报头5.2 6LoWPAN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1 280字节。nIEEE 802.15.4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IEEE 802.15.4 MAC层传输，并在接收端重组恢复为完整的IPv6报文。5.2 6LoW

6、PAN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。5.2 6LoWPAN网络核心协议n标准IPv6报文头部格式5.2 6LoWPAN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。n RFC6282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

7、态压缩。5.2 6LoWPAN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5.2 6LoWPAN网

8、络核心协议TF的压缩方式HLIM的压缩方式5.2 6LoWPAN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。5.2 6LoWPAN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。5.2 6LoWPAN网络核心协

9、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IETF ROLL工作组负责制定。n LLN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。5.2 6LoWPAN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P

10、2MP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P2P 5.2 6LoWPAN网络核心协议DODAG n RPL指定了如何在一个LLN中构造DODAG的过程。n DODAG在构造时需确定一个目标函数，使用一系列的度量和约束（m etrics/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：(DODAG Information Solic

11、itation)nDIO：(DODAG Information Object)nDAO：(DODAG Destination Advertisement Object)5.2 6LoWPAN网络核心协议DODAG拓扑建立的过程5.2 6LoWPAN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

12、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。5.2 6LoWPAN网络核心协议DIS的用法的用法 n DIS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。5.2 6LoWPAN网络核心协议DODAG下行构

13、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

14、有叶子节点的下行路由图。n下行路由也称为P2MP 5.2 6LoWPAN网络核心协议点到点通信点到点通信 n RPL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。nIETF ROLL工作组设计了专门的标准对P2P通 信进行优化。5.2 6LoWPAN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

15、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。5.2 6LoWPAN网络核心协议Rank n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。n Rank主要用于环避

16、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。5.2 6LoWPAN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。5.2 6LoWPAN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