[技术干货] 无线传感网络概要和zigbee开发实战(四)短距离无线通信技术之一6LoWPAN

这期就以zigbee为起点,介绍一种可以与zigbee网络技术可以参照的6LoWPAN技术,来方便大家的理解。

首先简介

  1. 简介

    n6LoWPAN -IPv6 over Low power Wireless Personal Area Network的简写,即基于IPv6的低速无线个域网。旨在将IPv6引入以IEEE802.15.4为底层标准的无线个域网,由IETF组织于2004年11月成立。

    IETF 6LoWPAN取得的突破是得到一种非常紧凑、高效的IP实现,消除了以前造成各种专门标准和专有协议的限制,这在工业协议(如BACNet协议、LonWorks协议、Modbus协议、IPX/SPX协议等)领域具有特别的价值。

  2. 适配层

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    为了更好地实现IPv6网络层与IEEE 802.15.4 MAC层之间的连接,所以在他们之间加入适配层以实现屏蔽底层硬件对IPv6网络层的限制。

  3. 体系结构

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技术优势

  1. (1)普及性:IP网络应用广泛,作为下一代互联网核心技术的IPv6,也在加速其普及的步伐,在LR-WPAN网络中使用IPv6更易于被接受。 
      (2)适用性:IP网络协议栈架构受到广泛的认可,LR-WPAN网络完全可以基于此架构进行简单、有效地开发。 
      (3)更多地址空间:IPv6应用于LR-WPAN最大亮点就是庞大的地址空间。这恰恰满足了部署大规模、高密度LR-WPAN网络设备的需要。 
      (4)支持无状态自动地址配置:IPv6中当节点启动时。可以自动读取MAC地址,并根据相关规则配置好所需的IPv6地址。这个特性对传感器网络来说,非常具有吸引力,因为在大多数情况下,不可能对传感器节点配置用户界面,节点必须具备自动配置功能。 
      (5)易接入:LR-WPAN使用IPv6技术,更易于接入其他基于IP技术的网络及下一代互联网,使其可以充分利用IP网络的技术进行发展。 
      (6)易开发:目前基于IPv6的许多技术已比较成熟,并被广泛接受,针对LR-WPAN的特性对这些技术进行适当的精简和取舍,简化了协议开发的过程。 
      由此看见,IPv6技术在LR-WPAN网络上的应用具有广阔发展的空间,而将LR-WPAN接入互联网将大大扩展其应用,使得大规模的传感控制网络的实现成为可能。

  2. 关键技术分析

  3. 对于IPv6和IEEE805.15.4结合的关键技术,6LowPan工作组进行了积极的研究与讨论,目前在IEEE 802.15.4上实现传输IPv6数据包的关键技术如下:

  4.    (1)IPv6和IEEE 802.15.4的协调。IEEE802.15.4标准定义的最大帧长度是127字节.MAC头部最大长度为25字节,剩余的MAC载荷最大长度为102字节。如果使用安全模式,不同的安全算法占用不同的字节数,比如AES-CCM-128需要21字节,AES-CCM-64需要13字节,而AES-CCM-32需要8字节。这样留给MAC载荷最少只有81个字节。而在IPv6中。MAC载荷最大为1280字节。IEEE 802.15.4帧不能封装完整的IPv6数据包。因此,要协调二者之间的关系,就要在网络层与MAC层之间引入适配层,用来完成分片和重组的功能。 
      (2)地址配置和地址管理。IPv6支持无状态地址自动配置,相对于有状态自动配置的来说,配置所需开销比较小,这正适合LR-WPAN设备特点。同时,由于LR-WPAN设备可能大量、密集地分布在人员比较难以到达的地方,实现无状态地址自动配置则更加重要。 
      (3)网络管理。网络管理技术对LR-WPAN网络很关键。由于网络规模大,而一些设备的分布地点又是人员所不能到达的,因此R-WPAN网络应该具有自愈能力,要求LR-WPAN的网络管理技术能够在很低的开销下管理高度密集分布的设备。由于在IEEE82.15.4上转发IPv6数据提倡尽量使用已有的协议,而简单网络管理协议(SNMP)又为lP网络提供了一套很好的网络管理框架和实现方法,因此,6LowPan倾向于在LR-WPAN上使用SNMPv3进行网络管理。但是,由于SNMP的初衷是管理基于IP的互联网,要想将其应用到硬件资源受限的LR-WPAN网络中。仍需要进一步调研和改进。例如:限制数据类型、简化基本的编码规则等。 
      (4)安全问题。由于使用安全机制需要额外的处理和带宽资源,并不适合LR-WPAN设备,而IEEE802.15.4在链路层提供的AES安全机制又相对宽松,有待进一步加强,因此寻找一种适合LR-WPAN的安全机制就成为6LowPan研究的关键问题之一。 
          作为当今信息领域新的研究热点,6Low-Pan还有非常多的关键技术有待发现和研究,比如:服务发现技术、设备发现技术、应用编程接口技术、数据融合技术等。

6.主要功能

    链路层的分片和重组,组播支持,头部压缩,网络拓扑结构构建和地址分配,mac层路由。

7.技术标准  

近年来,IETF组织也针对物联网制定了6Lowpan无线自组网技术体系,包括6Lowpan、IPv6、ROLL RPL组网路由、CoAP应用层标准,具有开放、免费、海量地址空间、与互联网无缝集成等优势,受到越来越多的关注,并且被SEP2.0(智能电网)、ETSI M2M、ISA100工业标准等采纳,发展迅速.比较两种技术标准:

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