IPv6传输协议在基于低速WPAN的无线传感器网络节点中的应用研究

摘 要： 基于低速6WPAN，对IPv6传输协议在无线传感器网络节点中的应用进行研究。详细设计6WPAN传感器节点方案，分析讨论传感器节点软件和硬件设计。通过一个小型试验平台测试传感器的通信性能，确保IPv6节点的正常使用，随机设置11个传感器节点，通信范围为22 in。电池具有2 J的能量，数据源传输速率范围为128～1 024 b/s。传感器节点平均延迟时间、数据包接收率表明，IPv6节点和传感器节点能保持通信连续性。平均能量消耗表明，IPv6节点的全IP通信通过传感器节点以较低功耗得到实现。传感器节点通过IPv6节点和IPv6协议能够发挥出全IP通信功能，实现效率的显著提升和能量消耗水平的降低。

关键词： 网络节点； 传感器； 数据包； 低速WPAN； IPv6； 通信

中图分类号： TN925?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）19?0089?04

Abstract： The 6WPAN sensor node scheme is designed in detail to study the application of low?speed 6WPAN （IPv6 over LR?WPAN） in wireless sensor network node of IPv6 transport protocol， and the software design and hardware design of sensor node are discussed. A small test platform is used to test the communication performance of the sensor to ensure the normal use of IPv6 nodes， in which eleven sensor nodes are randomly set up， the communication range is 22 in， the battery has the energy of 2 J， and the data source transmission rate is within 128～1 024 b/s. The average delay time and data packet reception rate of the sensor nodes show that the IPv6 node and sensor node can keep the continuity of communication. The average energy consumption indicates that the full IP communication of IPv6 nodes can be realized with low?power consumption by means of sensor nodes， the sensor nodes can play the full IP communication function through the IPv6 node and IPv6 protocol， and the improvement of efficiency and reduction of energy consumption are realized.

Keywords： network node； sensor； data packet； low?speed WPAN； IPv6； communication

计算机技术的发展要求重视传感器网络和Internet二者的连通性，此过程需多元化技术协同参与。IEEE 802.15.4设备具有距离短、速率低、成本少等优势决定了其被采用频率较高[1?3]。IPv6数据包在6WPAN（IPv6 over LR?WPAN）的作用下与传感器网络相衔接，从而广泛应用于各个领域中[4]。处于全IP通信状态时，传感器网络和IPv6网络要实现IPv6协议[5]，传感器节点受到限制，因此需简化IPv6协议，从而与传感器节点相适应[6?7]。

本文基于6WPAN，以IEEE 802.15.4帧格式链接路为基础，构建传感器网络体系结构，对IPv6传输协议在无线传感器网络节点中的应用进行了研究。传感器节点特征在于两方面：需要实现精简的IPv6网络协议；在IEEE 802.15.4帧的传输中，需要实现IPv6数据报文。

1 6WPAN的体系结构

传感器网络数据链路层采用IEEE 802.15.4标准以满足低功耗要求[8]。IEEE 802.15.4设备的频带为2.4 GHz。传感器网络将IP技术应用在网络层，满足一物一地址的需求标准。这个过程对IP地址资源的需求量非常大，而该需求可以在IPv6的支持下得到满足。在6WPAN体系结构中，物理层和网络层之间还存在MAC层，其作用为对信道访问进行管理，得到准确的传输设备间数据帧。MAC层在IEEE 802.15.4标准下的帧分为4种，分别为ACK确认帧、命令帧、信标（Beacon）帧和数据帧。用于IEEE 802.15.4网络的建立和管理的为前3种帧，用于封装实时业务数据的为数据帧[9]。IEEE 802.15.4标准的特点是成本低、效率高、类型多。通常使用的硬件资源属于中低端嵌入式设备，电池工作时间可持续数年，短距离信号覆盖范围为10～100 m；设备通常包括精简功能设备、全功能设备，传输模式包括非信标使能模式和信标使能模式[10]。

1.1 6WPAN传感器节点硬件设计

传感器节点的MCU采用的处理器为ATmega 128L，该过程使用CC2420作为射频芯片。该芯片的工作模式是以4线SPI总线为基础设计传感器节点。SI，CSn，SCLK，SO是構成SPI总线的4个部分，辅助完成各项任务和操作，确保硬件能够在IEEE 802.15.4数据帧格式的支持下正常运行，即二者相互适应、相互协调，对数据帧进行发送或接收，并将其送入RAM的缓存区，进行帧的封装与拆除。对于CC2420而言，当ATmega 128L要发送数据时，首先要在TXFIFO寄存器中写入需求字段的数据包，通过无线信道结合STXON或寄存器STXONCCA等结构发送出去。当CC2420成功接收数据包，此时RXFIFO接收缓存区将存入相应数据，并改变其引脚状态，以FIFOP的引脚中断读RXFIFO寄存器，数据包重点数据按照先后顺序被处理器读取。

图1为平台硬件模块，整个系统采用的是无线模块设计和嵌入式微型控制器（MCU）的通信系统。由于无线传感器网络具有低功耗的特点，系统在确定MCU时选择MSP430X，而选择外界存储器时，使用8 Mbit FLASH加强系统存储容量。不同类型的传感器模块均可被MSP430X连接，读写采集信息需通过控制模块端口进行。系统运行状态的指示过程可由LED信号灯实现，选择双向选择的数据发送编程，并将射频芯片无线模块CC2420作为系统结构。数据转换器CP2102通过系统USB转UART，完成USB数据转化为平台内串行数据，从而完成与PC的通信。软件系统的下载安装过程可在USB接口处实现，并实现控制无线传感器网络和PC监测。

图2为传感器网络拓扑图。传感器网络中包含多个传感器节点，ATmega 128L处理器是处理传感器节点信息主要手段。在CC2420射频芯片的作用下，可实现多个传感器节点间通信。

1.2 6WPAN传感器节点软件设计

图3为6WPAN传感器节点软件结构框架。应用层实现精简IPv6网络协议；适配层负责IPv6数据包的处理过程；硬件抽象层负责接收、发送数据包。

1.2.1 硬件抽象层的设计

硬件抽象层功能包括：IEEE 802.15.4数据帧通过无线接口进行接收，随后传递给适配层处理帧实体，并完成封装和传送。

1.2.2 适配层的设计

与IEEE 802.15.4帧相比，IPv6数据包所支持的字节数最小值更大[11]。因IPv6头部在6WPAN中开销较大，本研究将IPv6分片信息放置在适配层相应位置。适配层由不分片适配层头部和分片适配层头部构成，而后者又分为第一分片适配层头部和后续适配层头部，见表1～表3。

在标识不分片适配层头部格式中，5 bit=11000；在确定是否存在适配层负载IPv6头部压缩情况时，可以通过Pro_Type来实现，结果分别用0和1代表，前者代表未压缩，后者则相反。在标识分片适配层头部格式中，1 bit链路分片为LF，0，1分别表示第一分片和后续分片；每个IPv6数据包分片Identification均被表示，其值完全一致。相对于第一分片，F_Offset为分片偏移量。适配层功能包括：从应用层接收数据，若无需对数据包进行分片，则数据包采用不分片适配层头部封装，反之，对分片数据包分别采用后续适配层头部和第一分片适配层头部封装，当完成数据封装，硬件抽象层和适配层先后对其顺位接收，对适配层头部结构进行全面分析。分片重组过程需要报文完整后方可进行，应用层是IPv6报文处理过程中不可或缺的重要内容。

1.2.3 应用层的设计

将控制域与IPv6报文相融合，其中控制域分别由IPv6报文载荷和IPv6头部构成。表4，表5分别为精简IPv6报文格式和控制域。

对于IPv6头部控制域而言，Version，Traffic Class，Flow Label分别表示不同的bit位，其中3个字段的报文存在时可表示为0，若不存在时则用1表示，默认值为Version=6，Traffic Class=0，Flow Label=0。Next Header?00：在Payload中，01表示不存在Next Header域，且ICMPv6报文为IPv6载荷；10表示Next Header域不存在，且IPv6载荷是UDPv6报文；11表示预留，一般情况下无线传感器网络无法落实TCP。

S_Addr_00的bit值为128，其源地址没有被压缩；若源地址被压缩，则表示为01，其bit值为0，则想要获得其源地址，则可从源链路地址处实现；10表示其被压缩，此时字节长度为8。D_Addr_00的bit值为128，未压缩目的地址；若目的地址被压缩，则表示01，其bit值为0，可直接从目的链路地址获取其目的地址；若目的地址被压缩，则表示为10，字节长短为8。

1.2.4 IPv6地址配置

图4为IPv6地址配置过程。用簇首节点标记孤立传感器节点之后，获取IPv6地址的步骤为：以既定簇首节点为范围，传播至邻居簇首节点，从而得到PANID请求数据包和全局路由前缀。在邻居簇首节点获取IPv6地址并收到数据包请求后，接入节点跳数，再反馈至相应位置。在特定时间内选择跳数最小的邻居簇首节点作为父节点，引入PAN最近节点，然后结合PANID、全局路由前缀、初始ID号，构成IPv6地址。当簇内节点获取IPv6地址后，将IPv1地址PANID、全局路由前缀、簇首ID号相结合，从而形成IPv6地址。

1.3 传感器节点与IPv6节点的通信过程

精简的IPv6协议通过传感器节点得到实现，IPv6节点对传感器节点发送请求数据包，从而得到所需数据和相对应的地址，并实现数据包的传输和接收，IPv6地址分片被发送到下一跳节点；在硬件抽象层，当目的传感器节点接收全部分片后，在适配层对所有分片进行重组，IPv6数据包重组后的头部精简处理过程由应用层负责，将IPv6负载提交到上一层完成处理过程；应用层对所采集得到的控制域和IPv6头部等相关信息进行处理，并封装节点数据传递至适配层，适配层对相应数据进行分片和封装，由硬件抽象层接收数据在数据帧的作用下进行封装，在无限接口处传递至下一跳节点，随后在接入节点展开重组，最终由IPv6网络进行接收。

2 IPv6节点的通信性能分析

本研究在小型试验平台的辅助下检测相应节点的通信性能，例如传感器节点和IPv6节点等。在实验平台中，随机分布传感器节点11个，通信范围为22 in。在初始状态下，电池具有2 J的能量。实验数据源传输速率范围为128～1 024 b/s。本文通过实证分析确定了传感器节点平均延迟时间、数据包接收率、平均能量消耗。平均延迟时间是指数据发送方和接收方之间产生的时间间隔的平均值；数据包接收率是数据接收方成功接收的概率；平均能量消耗是在每个轮回中，传感器节点消耗能量的平均值，轮回指传感器节点的一个工作周期，包括初始化、稳定接收/传送数据、休眠。本实验中，每个轮回设定传感器传送/接收数据总量为5 120 B，见图5。

由图5可知，在本研究中，通过IPv6协议、IPv6节点和传感器节点能实现点到点的通信。平均延迟时间、数据包接收率表明，IPv6节点和传感器节点能保持通信连续性。平均能量消耗表明，IPv6节点的全IP通信通过传感器节点以较低功耗能得到实现；采用IPv6节点和IPv6协议，传感器节点能够发挥出全IP通信功能，不需要采取其他技术方法，就能实现效率的显著提升和能量消耗水平的降低。

3 结 论

本文基于低速6WPAN，对IPv6传输协议在无线传感器网络节点中的应用进行了研究。通过对基于6WPAN传感器节点方案的详细设计，分析讨论了传感器节点软件和硬件设计。本研究在小型试验平台的辅助下检测相应节点的通信性能，例如传感器节点和IPv6节点等，随机设置11个传感器节点，通信范围为22 in，电池具有2 J的能量，数据源传输速率范围为128～1 024 b/s。传感器节点平均延迟时间、数据包接收率、平均能量消耗分析结果表明，IPv6节点和传感器节点能实现点到点的通信。

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