低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議比較.doc

低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議比較無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（Wireless Sensor Network）是一種由傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)測、感知和采集節(jié)點(diǎn)周圍地點(diǎn)的特定信息（如光強(qiáng)、溫度、濕度、噪音和有害氣體濃度等），然后經(jīng)過嵌入式芯片對于這些數(shù)據(jù)的鑒別、處理，通過無線網(wǎng)絡(luò)將這些信息匯總處理，并發(fā)送給需要的人。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在公共安全、環(huán)境監(jiān)測、智能家居、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域都有著非常廣闊的發(fā)展前景。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，會(huì)有大量的傳感器組成網(wǎng)絡(luò)，這些傳感器將具有節(jié)點(diǎn)和路由的功能,傳感器之間通過無線通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)還有一定數(shù)量的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，這些網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通常會(huì)得到能量補(bǔ)充，但是無線傳感器本身由于數(shù)量眾多，常常通過自身電池維持，由于受到體積和成本等因素的制約，電池的容量有限，所以如何降低功耗就成為了提高無線傳感器網(wǎng)實(shí)用性，增加效率的重要因素。根據(jù)研究數(shù)據(jù)表明，目前無線傳輸?shù)陌l(fā)送和接收功率占用了無線傳感器將近80%的能耗，如果能降低無線傳輸中所需要的功耗，將會(huì)大大降低整體功耗。此次研究的主要以新一代的低功率和超低功率無線協(xié)議為主，其中有6LowPAN、Ipv6、RIME和IP這些較為領(lǐng)先的無線協(xié)議。本文將對以上幾種協(xié)議進(jìn)行概述以及初步的比較。一、6LowPAN1. 6LowPAN概述6LowPAN是基于IEEE 802.15.4實(shí)現(xiàn)IPv6通信的草案標(biāo)準(zhǔn)，6LowPAN因?yàn)槠渚哂械凸β蔬\(yùn)行的潛力，所以可以用于嵌入式設(shè)備中，同時(shí)，因?yàn)樗鼉?nèi)置支持AES-128加密，也為它強(qiáng)健的認(rèn)證和安全性打下了基礎(chǔ)。IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)利用運(yùn)行在2.4GHZ頻帶上的無線收發(fā)器傳送數(shù)據(jù)，和WIFI使用的頻帶相同，但是功率卻只有WIFI的1%，但是由于其低功耗的特性使得它的傳輸距離受到了限制。通常采用多臺(tái)設(shè)備接力逐跳傳送信息來延長傳距離或繞開障礙物。6LowPAN技術(shù)的底層是采用IEEE802.15.4規(guī)定的PHY層和MAC層，在網(wǎng)絡(luò)層采用的是IPv6協(xié)議。為了實(shí)現(xiàn)MAC層和網(wǎng)絡(luò)層的無縫連接，6LowPAN在MAC層和網(wǎng)絡(luò)層之間增加了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)適配層，用來完成包頭壓縮、片頭與重組以及網(wǎng)狀路由轉(zhuǎn)發(fā)等工作。圖為6LowPAN協(xié)議棧的參考模型。IETF 6LoWPAN工作組的任務(wù)是定義在如何利用IEEE 802.15.4鏈路支持基于IP的通信的同時(shí)，遵守開放標(biāo)準(zhǔn)以及保證與其他IP設(shè)備的互操作性。支持IP將消除對與多種網(wǎng)關(guān)和專用適配器以及網(wǎng)關(guān)安全管理程序的需要。但是IP的地址和包頭都很大，因?yàn)?02.15.4協(xié)議的數(shù)據(jù)包很小，所以6LoWPAN需要找到一種將IP包頭壓縮到只有必要內(nèi)容的小數(shù)據(jù)包的方法。6LoWPAN采用的是“pay as you go”式壓縮方法將包頭壓縮。這樣可以去除冗余的數(shù)據(jù)和信息。IP包頭會(huì)從鏈路級(jí)802.15.4包頭的相關(guān)域里獲取這部分的信息。在最簡單的情況下，兩臺(tái)802.15.4設(shè)備之間通信，IPv6包頭有40字節(jié)，將被縮減為1個(gè)包頭壓縮字節(jié)和一個(gè)字節(jié)的“剩余跳數(shù)”。源目的的IP地址可以由802.15.4中的16位短地址生成。8字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議傳輸包頭被壓縮為4個(gè)字節(jié)。2. 6LowPan技術(shù)優(yōu)勢1普及性：IP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用廣泛，作為下一代互聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)的IPv6，也在加速其普及的步伐，在LRWPAN網(wǎng)絡(luò)中使用IPv6更易于被接受。2適用性：IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧架構(gòu)受到廣泛的認(rèn)可，LRWPAN網(wǎng)絡(luò)完全可以基于此架構(gòu)進(jìn)行簡單、有效地開發(fā)。3 更多地址空間：IPv6應(yīng)用于LR-WPAN最大亮點(diǎn)就是龐大的地址空間，這恰恰滿足了部署大規(guī)模、高密度LR-WPAN 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的需要。4 支持無狀態(tài)自動(dòng)地址配置：IPv6中當(dāng)節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)，可以自動(dòng)讀取MAC地址，并根據(jù)相關(guān)規(guī)則配置好所需的IPv6地址。這個(gè)特性對傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，非常具有吸引力，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，不可能對傳感器節(jié)點(diǎn)配置用戶界面，節(jié)點(diǎn)必須具備自動(dòng)配置功能。5易接入：LRWPAN使用IPv6技術(shù)，更易于接人其他基于IP技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)及下一代互聯(lián)網(wǎng)，使其可以充分利用IP網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)進(jìn)行發(fā)展。6 易開發(fā)： 目前基于IPv6的許多技術(shù)已比較成熟，并被廣泛接受，針對LR-WPAN 的特性需進(jìn)行適當(dāng)?shù)木喓腿∩?，簡化協(xié)議開發(fā)的過程。由此可見，IPv6技術(shù)在LRWPAN 網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用具有廣闊發(fā)展的空間，而將LRWPAN接人互聯(lián)網(wǎng)將大大擴(kuò)展其應(yīng)用，使得大規(guī)模傳感控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)成為可能。二、IPv61. IPv6概述IPv6協(xié)議是IPv4協(xié)議的后繼版本，目前，IPv4網(wǎng)絡(luò)在世界上占據(jù)主導(dǎo)地位。促使IPv6協(xié)議取代IPv4協(xié)議的主要?jiǎng)恿κ荌Pv4的網(wǎng)絡(luò)地址即將枯竭，IPv6協(xié)議由互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF)提出，在RFC 2460中定義，于1998年首次發(fā)布。由于采用了128 b的地址格式，IPv6協(xié)議具有海量的地址空間，可以提供2128(約34i038)個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址，這使得地址分配和網(wǎng)絡(luò)路由具有更好的靈活性，也使得網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(NAT)失去了存在的必要；IPv6協(xié)議引入了無狀態(tài)地址自動(dòng)配置、有狀態(tài)地址自動(dòng)配置等技術(shù)，使地址管理更加簡單；同時(shí)，IPv6協(xié)議也在網(wǎng)絡(luò)安全性方面做了很多改進(jìn)。表1比較了IPv4和IPv6的一些區(qū)別。圖1為IPv6協(xié)議報(bào)頭的結(jié)構(gòu)。1)版本(version)：用于指明IP協(xié)議的版本號(hào)。IPv6協(xié)議版本號(hào)=6。2)流量類型(traffic class)：用于區(qū)別不同IP包的優(yōu)先級(jí)。IPv6協(xié)議流量類型分為兩大類：非缺省質(zhì)量服務(wù)(nondefault quality of service)和實(shí)時(shí)服務(wù)(real time service)。3)流標(biāo)簽(flow label)：為實(shí)時(shí)應(yīng)用而設(shè)立的，目前沒有使用。4)載荷長度(payload length)：指明IPv6協(xié)議數(shù)據(jù)包中除基本報(bào)頭以外剩余部分的長度，單位是B。如果采用超大包，該域填0。5)下一報(bào)頭(next header)：指明緊接在基本報(bào)頭后面的擴(kuò)展報(bào)頭的類型。6)跳數(shù)限制(hop limit)：源主機(jī)在生成IPv6協(xié)議數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，把該域設(shè)定為一個(gè)大于零的初始值，該數(shù)據(jù)報(bào)每經(jīng)過一個(gè)路由器時(shí)，路由器將該域值減l。如果數(shù)據(jù)報(bào)在到達(dá)目的主機(jī)前，該域的值已經(jīng)為0，則該數(shù)據(jù)包被丟棄。該域取代了IPv4協(xié)議報(bào)頭里的TTL域。7)源地址(source address)：指明源主機(jī)的IPv6地址。8)目的地址(destination address)：指明目的主機(jī)的IPv6地址。2. IPv6技術(shù)特點(diǎn)（1）大地址空間IPv6協(xié)議最大的特點(diǎn)就是具有非常巨大的地址空間，從IPv4協(xié)議的2弛提高到2128，2010年地球上約68億人，每人可以擁有51028個(gè)地址。IPv6協(xié)議具有2“個(gè)子網(wǎng)地址，其數(shù)目是IPv4協(xié)議整個(gè)地址空間的平方，因此，IPv6協(xié)議的子網(wǎng)地址的實(shí)際利用率可能是比較低的。但是，由于子網(wǎng)空間很大并采用了層次化的路由聚集機(jī)制，IPv6協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)管理和路由處理具有更大的靈活性以及更高的效率。（2）無狀態(tài)地址自動(dòng)配置當(dāng)IPv6主機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候，利用ICMPv6消息，它能自動(dòng)配置自身的IP地址。當(dāng)首次接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，主機(jī)向同一鏈路的路由器發(fā)送ICMP消息，請求自己的配置參數(shù)。如果配置成功，路由器返回一個(gè)宣告報(bào)文，其中包含了主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)層配置參數(shù)r引。無狀態(tài)地址自動(dòng)配置是IPv6協(xié)議的一個(gè)重要特性，它使用鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議里面定義的路由器通告報(bào)文、鄰居請求報(bào)文和鄰居通告報(bào)文進(jìn)行工作。主機(jī)也可以使用有狀態(tài)地址自動(dòng)配置或者使用靜態(tài)配置，有狀態(tài)地址自動(dòng)配置使用DHCPv6規(guī)程。無狀態(tài)和有狀態(tài)地址自動(dòng)配置是彼此獨(dú)立的，并且主機(jī)可以同時(shí)使用無狀態(tài)和有狀態(tài)地址自動(dòng)配置。（3）組播組播指來自一臺(tái)主機(jī)的同一個(gè)數(shù)據(jù)包可以有多個(gè)接收者。在IPv4協(xié)議里，組播是一個(gè)可選項(xiàng)，事實(shí)上，大部分實(shí)體(主機(jī)或者路由器)都沒有實(shí)現(xiàn)組播功能；但在IPv6協(xié)議里，組播是一個(gè)必須實(shí)現(xiàn)的基本特性E引。相反的，在IPv4協(xié)議里使用比較多的廣播，在IPv6協(xié)議里卻被舍棄了，這時(shí)可以向本地組播地址(FF02：1)發(fā)送組播報(bào)文，從而實(shí)現(xiàn)廣播的功能。IPv6協(xié)議的組播繼承了IPv4組播的一些基本特性，通過舍棄一些不太常用的需求，IPv6協(xié)議的組播性能得到了提高。RFC 3306中規(guī)定了一種動(dòng)態(tài)分配IPv6組播地址的方式基于單播前綴的IPv6組播地址。該IPv6組播地址中包含了其組播源網(wǎng)絡(luò)的單播地址前綴，以達(dá)到全局組播地址唯一的目的。該格式的組播地址還剩下32 b用于標(biāo)識(shí)組播組，這意味著每個(gè)子網(wǎng)自動(dòng)擁有了232個(gè)全球可尋址地址來標(biāo)識(shí)源網(wǎng)絡(luò)的組播地址，這在IPv4協(xié)議里是不可想象的。嵌入式RP是IPv6協(xié)議PIM中特有的RP發(fā)現(xiàn)機(jī)制，該機(jī)制使用內(nèi)嵌RP地址的IPv6組播地址，使得組播路由器可以直接從該地址中解析出RP的地址，從而簡化域內(nèi)組播路由協(xié)議的部署。(4) 網(wǎng)絡(luò)層安全在IPv4里，用于網(wǎng)絡(luò)層加密和認(rèn)證的IPSec協(xié)議是可選的；而在IPv6里，IPSec協(xié)議作為1P協(xié)議的一部分，是強(qiáng)制安裝的，大大增強(qiáng)了IPv6協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層安全性。（5）簡化的路由處理IPv6協(xié)議精簡了IP報(bào)頭，簡化了IP報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)，使路由器對報(bào)文的處理效率更高，也使得主機(jī)之間端到端的特性得到改善，特別表現(xiàn)在以下方面：1)通過把一些不常用的選項(xiàng)移到擴(kuò)展頭，IPv6協(xié)議報(bào)頭比IPv4協(xié)議更簡單。盡管IP地址長度是原來的4倍，IPv6協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)報(bào)頭長度(40 B)只是IPv4(20 B)的2倍。2)IPv6協(xié)議的路由器并不進(jìn)行報(bào)文分片。主機(jī)在發(fā)送IP報(bào)文前，必須確定路徑最大傳輸單元(PMTU)，然后在源主機(jī)進(jìn)行報(bào)文分片。主機(jī)也可以直接發(fā)送報(bào)文，這時(shí)報(bào)文長度不能超過1 280 B，這是IPv6協(xié)議規(guī)定的每臺(tái)設(shè)備必須支持的MTU。3)IPv6協(xié)議的報(bào)頭沒有校驗(yàn)和，因此，報(bào)頭的完整性依賴于鏈路層和傳輸層。因?yàn)槭÷粤诵ｒ?yàn)和的計(jì)算，可以加快報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)速度。4)IPv4協(xié)議中生存時(shí)間(TTL)域在IPv6協(xié)議中更名為Hop的limit，這個(gè)名稱更接近于事實(shí)，TTL表示的不是時(shí)間，而是路由器跳數(shù)。(6) 移動(dòng)IP協(xié)議不同于IPv4協(xié)議，移動(dòng)IPv6協(xié)議避免了三角路由問題，這使得移動(dòng)IP協(xié)議和本地IP協(xié)議一樣具有相同的路由效率。IPv6甚至支持整個(gè)子網(wǎng)的移動(dòng)性，當(dāng)一個(gè)子網(wǎng)整體接人異地路由器時(shí)，子網(wǎng)里的主機(jī)并不需要重新編址，這一特性使整個(gè)子網(wǎng)的移動(dòng)變得非常簡單。（7）IPv6協(xié)議擴(kuò)展頭由于具有可選項(xiàng)，IPv4協(xié)議的報(bào)頭長度是不固定的。在IPv6協(xié)議里，可選項(xiàng)放入了擴(kuò)展報(bào)頭中，因此，IPv6協(xié)議具有固定長度的標(biāo)準(zhǔn)報(bào)頭(40 B)，這非常有利于路由器的處理，加快報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)速度。IPv6協(xié)議可以擁有多個(gè)擴(kuò)展頭，這使得IPv6協(xié)議保持了良好的可擴(kuò)展性。當(dāng)增加新的功能，如QoS、安全性和移動(dòng)1P等時(shí)，不需要修改IPv6基本協(xié)議。（8）超大數(shù)據(jù)包IPv4協(xié)議數(shù)據(jù)包最大長度是2161 B，而IPv6協(xié)議數(shù)據(jù)包最大可以達(dá)到2321 B。超大數(shù)據(jù)包是通過Jumbo Payload選項(xiàng)(選項(xiàng)類型為194)來實(shí)現(xiàn)的，此選項(xiàng)保存在IPv6協(xié)議擴(kuò)展頭的逐跳選項(xiàng)。（9）鄰居發(fā)現(xiàn)IPv6協(xié)議引入了一個(gè)新規(guī)程，鄰居發(fā)現(xiàn)(neighbor discovery)協(xié)議解決同一鏈路上各結(jié)點(diǎn)之間的交互問題。該協(xié)議解決了以下八類問題：路由器發(fā)現(xiàn)、前綴發(fā)現(xiàn)、參數(shù)發(fā)現(xiàn)、地址解析、下一跳確定、鄰居不可達(dá)檢測、地址重復(fù)檢測和重定向。鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議依靠ICMPv6報(bào)文實(shí)現(xiàn)。鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議采用了一種新的地址配置方式：無狀態(tài)地址自動(dòng)配置。通過接收路由器定時(shí)廣播的路由宣告消息，主機(jī)可以自動(dòng)配置一個(gè)有效的IPv6協(xié)議全局地址。路由器宣告消息包括發(fā)送本消息的路由器接口的鏈路層地址以及本鏈路的網(wǎng)絡(luò)前綴。鑒于主機(jī)可以直接從路由宣告消息的IP協(xié)議報(bào)頭里得到路由器的本地鏈路地址，無需額外的報(bào)文交換，主機(jī)就可以直接和路由器進(jìn)行通信。主機(jī)將收到的網(wǎng)絡(luò)前綴和自己的接口標(biāo)識(shí)符連接在一起，就得到了本主機(jī)的全局單播地址。主機(jī)將相關(guān)路由信息加入路由表和鄰居緩存(neighbor cache)里。鄰居緩存類似于IPv4里的地址解析緩存(ARP cache)，是一張IP地址和鏈路層地址的映射表。路由器對每個(gè)宣告的網(wǎng)絡(luò)前綴都附加了一個(gè)生存期，告訴主機(jī)每個(gè)前綴的失效時(shí)間。除了無狀態(tài)地址自動(dòng)配置，IPv6協(xié)議通過DHCPv6協(xié)議,也支持有狀態(tài)地址自動(dòng)配置，當(dāng)然也可以進(jìn)行手工配置。在給一個(gè)接口分配IPv6單播地址之前，不管地址的類型(作用范圍、配置方式)如何，必須進(jìn)行重復(fù)地址檢測(DAD)。DAD過程使用鄰居請求報(bào)文和鄰居宣告報(bào)文。在檢測完成前，接口使用的地址被稱為臨時(shí)地址。如果在檢測過程中發(fā)現(xiàn)重復(fù)地址，臨時(shí)地址就不能分配給該接口。（10）多目主機(jī)多目主機(jī)(multihoming)是指一臺(tái)主機(jī)同時(shí)有多條可訪問的路徑。主機(jī)可能有多個(gè)接口，分別接到不同的網(wǎng)絡(luò)，也可能是主機(jī)所在的子網(wǎng)有多條連接到Internet的路徑。在IPv4協(xié)議里，一個(gè)接口只能有一個(gè)IP地址，而一個(gè)IPv6接口可以具有多個(gè)IP地址。比如，在一條鏈路同時(shí)接入兩臺(tái)路由器時(shí)，兩臺(tái)路由器分別廣播不同的網(wǎng)絡(luò)前綴，這時(shí)，鏈路里的主機(jī)就可以擁有三個(gè)IP地址(一個(gè)本地鏈路地址、兩個(gè)全局單播地址)。這臺(tái)主機(jī)既可以通過路由器1通信，也可以通過路由器2通信，或者同時(shí)和兩個(gè)路由器通信。三、RIME四、IP1. IP概述IP是專門為小設(shè)備編寫的一個(gè)小型TCP/IP協(xié)議棧，可以實(shí)現(xiàn)極小的代碼空間占用和執(zhí)行時(shí)間消耗。IP的代碼是開放的，這樣可以使開發(fā)者完整的了解這個(gè)協(xié)議棧，并能夠?qū)⑵溥M(jìn)行修改和