低功耗無線傳感器網絡路由協議比較.doc

低功耗無線傳感器網絡路由協議比較無線傳感器網絡WSN（Wireless Sensor Network）是一種由傳感器節(jié)點構成的網絡，能夠實時地監(jiān)測、感知和采集節(jié)點周圍地點的特定信息（如光強、溫度、濕度、噪音和有害氣體濃度等），然后經過嵌入式芯片對于這些數據的鑒別、處理，通過無線網絡將這些信息匯總處理，并發(fā)送給需要的人。無線傳感器網絡在公共安全、環(huán)境監(jiān)測、智能家居、工業(yè)生產等領域都有著非常廣闊的發(fā)展前景。在無線傳感器網絡中，會有大量的傳感器組成網絡，這些傳感器將具有節(jié)點和路由的功能,傳感器之間通過無線通信協議進行數據傳輸，同時網絡內還有一定數量的網關節(jié)點，這些網關節(jié)點通常會得到能量補充，但是無線傳感器本身由于數量眾多，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實用性，增加效率的重要因素。根據研究數據表明，目前無線傳輸的發(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議為主，其中有6LowPAN、Ipv6、RIME和IP這些較為領先的無線協議。本文將對以上幾種協議進行概述以及初步的比較。一、6LowPAN1. 6LowPAN概述6LowPAN是基于IEEE 802.15.4實現IPv6通信的草案標準，6LowPAN因為其具有低功率運行的潛力，所以可以用于嵌入式設備中，同時，因為它內置支持AES-128加密，也為它強健的認證和安全性打下了基礎。IEEE 802.15.4標準利用運行在2.4GHZ頻帶上的無線收發(fā)器傳送數據，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。通常采用多臺設備接力逐跳傳送信息來延長傳距離或繞開障礙物。6LowPAN技術的底層是采用IEEE802.15.4規(guī)定的PHY層和MAC層，在網絡層采用的是IPv6協議。為了實現MAC層和網絡層的無縫連接，6LowPAN在MAC層和網絡層之間增加了一個網絡適配層，用來完成包頭壓縮、片頭與重組以及網狀路由轉發(fā)等工作。圖為6LowPAN協議棧的參考模型。IETF 6LoWPAN工作組的任務是定義在如何利用IEEE 802.15.4鏈路支持基于IP的通信的同時，遵守開放標準以及保證與其他IP設備的互操作性。支持IP將消除對與多種網關和專用適配器以及網關安全管理程序的需要。但是IP的地址和包頭都很大，因為802.15.4協議的數據包很小，所以6LoWPAN需要找到一種將IP包頭壓縮到只有必要內容的小數據包的方法。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據和信息。IP包頭會從鏈路級802.15.4包頭的相關域里獲取這部分的信息。在最簡單的情況下，兩臺802.15.4設備之間通信，IPv6包頭有40字節(jié)，將被縮減為1個包頭壓縮字節(jié)和一個字節(jié)的“剩余跳數”。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)的用戶數據報協議傳輸包頭被壓縮為4個字節(jié)。2. 6LowPan技術優(yōu)勢1普及性：IP網絡應用廣泛，作為下一代互聯網核心技術的IPv6，也在加速其普及的步伐，在LRWPAN網絡中使用IPv6更易于被接受。2適用性：IP網絡協議棧架構受到廣泛的認可，LRWPAN網絡完全可以基于此架構進行簡單、有效地開發(fā)。3 更多地址空間：IPv6應用于LR-WPAN最大亮點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 網絡設備的需要。4 支持無狀態(tài)自動地址配置：IPv6中當節(jié)點啟動時，可以自動讀取MAC地址，并根據相關規(guī)則配置好所需的IPv6地址。這個特性對傳感器網絡來說，非常具有吸引力，因為在大多數情況下，不可能對傳感器節(jié)點配置用戶界面，節(jié)點必須具備自動配置功能。5易接入：LRWPAN使用IPv6技術，更易于接人其他基于IP技術的網絡及下一代互聯網，使其可以充分利用IP網絡的技術進行發(fā)展。6 易開發(fā)： 目前基于IPv6的許多技術已比較成熟，并被廣泛接受，針對LR-WPAN 的特性需進行適當的精簡和取舍，簡化協議開發(fā)的過程。由此可見，IPv6技術在LRWPAN 網絡上的應用具有廣闊發(fā)展的空間，而將LRWPAN接人互聯網將大大擴展其應用，使得大規(guī)模傳感控制網絡的實現成為可能。二、IPv61. IPv6概述IPv6協議是IPv4協議的后繼版本，目前，IPv4網絡在世界上占據主導地位。促使IPv6協議取代IPv4協議的主要動力是IPv4的網絡地址即將枯竭，IPv6協議由互聯網工程任務組(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協議具有海量的地址空間，可以提供2128(約34i038)個網絡地址，這使得地址分配和網絡路由具有更好的靈活性，也使得網絡地址轉換(NAT)失去了存在的必要；IPv6協議引入了無狀態(tài)地址自動配置、有狀態(tài)地址自動配置等技術，使地址管理更加簡單；同時，IPv6協議也在網絡安全性方面做了很多改進。表1比較了IPv4和IPv6的一些區(qū)別。圖1為IPv6協議報頭的結構。1)版本(version)：用于指明IP協議的版本號。IPv6協議版本號=6。2)流量類型(traffic class)：用于區(qū)別不同IP包的優(yōu)先級。IPv6協議流量類型分為兩大類：非缺省質量服務(nondefault quality of service)和實時服務(real time service)。3)流標簽(flow label)：為實時應用而設立的，目前沒有使用。4)載荷長度(payload length)：指明IPv6協議數據包中除基本報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)下一報頭(next header)：指明緊接在基本報頭后面的擴展報頭的類型。6)跳數限制(hop limit)：源主機在生成IPv6協議數據報時，把該域設定為一個大于零的初始值，該數據報每經過一個路由器時，路由器將該域值減l。如果數據報在到達目的主機前，該域的值已經為0，則該數據包被丟棄。該域取代了IPv4協議報頭里的TTL域。7)源地址(source address)：指明源主機的IPv6地址。8)目的地址(destination address)：指明目的主機的IPv6地址。2. IPv6技術特點（1）大地址空間IPv6協議最大的特點就是具有非常巨大的地址空間，從IPv4協議的2弛提高到2128，2010年地球上約68億人，每人可以擁有51028個地址。IPv6協議具有2“個子網地址，其數目是IPv4協議整個地址空間的平方，因此，IPv6協議的子網地址的實際利用率可能是比較低的。但是，由于子網空間很大并采用了層次化的路由聚集機制，IPv6協議的網絡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)地址自動配置當IPv6主機接入網絡的時候，利用ICMPv6消息，它能自動配置自身的IP地址。當首次接入網絡時，主機向同一鏈路的路由器發(fā)送ICMP消息，請求自己的配置參數。如果配置成功，路由器返回一個宣告報文，其中包含了主機的網絡層配置參數r引。無狀態(tài)地址自動配置是IPv6協議的一個重要特性，它使用鄰居發(fā)現協議里面定義的路由器通告報文、鄰居請求報文和鄰居通告報文進行工作。主機也可以使用有狀態(tài)地址自動配置或者使用靜態(tài)配置，有狀態(tài)地址自動配置使用DHCPv6規(guī)程。無狀態(tài)和有狀態(tài)地址自動配置是彼此獨立的，并且主機可以同時使用無狀態(tài)和有狀態(tài)地址自動配置。（3）組播組播指來自一臺主機的同一個數據包可以有多個接收者。在IPv4協議里，組播是一個可選項，事實上，大部分實體(主機或者路由器)都沒有實現組播功能；但在IPv6協議里，組播是一個必須實現的基本特性E引。相反的，在IPv4協議里使用比較多的廣播，在IPv6協議里卻被舍棄了，這時可以向本地組播地址(FF02：1)發(fā)送組播報文，從而實現廣播的功能。IPv6協議的組播繼承了IPv4組播的一些基本特性，通過舍棄一些不太常用的需求，IPv6協議的組播性能得到了提高。RFC 3306中規(guī)定了一種動態(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絡的單播地址前綴，以達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用于標識組播組，這意味著每個子網自動擁有了232個全球可尋址地址來標識源網絡的組播地址，這在IPv4協議里是不可想象的。嵌入式RP是IPv6協議PIM中特有的RP發(fā)現機制，該機制使用內嵌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，從而簡化域內組播路由協議的部署。(4) 網絡層安全在IPv4里，用于網絡層加密和認證的IPSec協議是可選的；而在IPv6里，IPSec協議作為1P協議的一部分，是強制安裝的，大大增強了IPv6協議的網絡層安全性。（5）簡化的路由處理IPv6協議精簡了IP報頭，簡化了IP報文的轉發(fā)，使路由器對報文的處理效率更高，也使得主機之間端到端的特性得到改善，特別表現在以下方面：1)通過把一些不常用的選項移到擴展頭，IPv6協議報頭比IPv4協議更簡單。盡管IP地址長度是原來的4倍，IPv6協議的標準報頭長度(40 B)只是IPv4(20 B)的2倍。2)IPv6協議的路由器并不進行報文分片。主機在發(fā)送IP報文前，必須確定路徑最大傳輸單元(PMTU)，然后在源主機進行報文分片。主機也可以直接發(fā)送報文，這時報文長度不能超過1 280 B，這是IPv6協議規(guī)定的每臺設備必須支持的MTU。3)IPv6協議的報頭沒有校驗和，因此，報頭的完整性依賴于鏈路層和傳輸層。因為省略了校驗和的計算，可以加快報文的轉發(fā)速度。4)IPv4協議中生存時間(TTL)域在IPv6協議中更名為Hop的limit，這個名稱更接近于事實，TTL表示的不是時間，而是路由器跳數。(6) 移動IP協議不同于IPv4協議，移動IPv6協議避免了三角路由問題，這使得移動IP協議和本地IP協議一樣具有相同的路由效率。IPv6甚至支持整個子網的移動性，當一個子網整體接人異地路由器時，子網里的主機并不需要重新編址，這一特性使整個子網的移動變得非常簡單。（7）IPv6協議擴展頭由于具有可選項，IPv4協議的報頭長度是不固定的。在IPv6協議里，可選項放入了擴展報頭中，因此，IPv6協議具有固定長度的標準報頭(40 B)，這非常有利于路由器的處理，加快報文的轉發(fā)速度。IPv6協議可以擁有多個擴展頭，這使得IPv6協議保持了良好的可擴展性。當增加新的功能，如QoS、安全性和移動1P等時，不需要修改IPv6基本協議。（8）超大數據包IPv4協議數據包最大長度是2161 B，而IPv6協議數據包最大可以達到2321 B。超大數據包是通過Jumbo Payload選項(選項類型為194)來實現的，此選項保存在IPv6協議擴展頭的逐跳選項。（9）鄰居發(fā)現IPv6協議引入了一個新規(guī)程，鄰居發(fā)現(neighbor discovery)協議解決同一鏈路上各結點之間的交互問題。該協議解決了以下八類問題：路由器發(fā)現、前綴發(fā)現、參數發(fā)現、地址解析、下一跳確定、鄰居不可達檢測、地址重復檢測和重定向。鄰居發(fā)現協議依靠ICMPv6報文實現。鄰居發(fā)現協議采用了一種新的地址配置方式：無狀態(tài)地址自動配置。通過接收路由器定時廣播的路由宣告消息，主機可以自動配置一個有效的IPv6協議全局地址。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絡前綴。鑒于主機可以直接從路由宣告消息的IP協議報頭里得到路由器的本地鏈路地址，無需額外的報文交換，主機就可以直接和路由器進行通信。主機將收到的網絡前綴和自己的接口標識符連接在一起，就得到了本主機的全局單播地址。主機將相關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。路由器對每個宣告的網絡前綴都附加了一個生存期，告訴主機每個前綴的失效時間。除了無狀態(tài)地址自動配置，IPv6協議通過DHCPv6協議,也支持有狀態(tài)地址自動配置，當然也可以進行手工配置。在給一個接口分配IPv6單播地址之前，不管地址的類型(作用范圍、配置方式)如何，必須進行重復地址檢測(DAD)。DAD過程使用鄰居請求報文和鄰居宣告報文。在檢測完成前，接口使用的地址被稱為臨時地址。如果在檢測過程中發(fā)現重復地址，臨時地址就不能分配給該接口。（10）多目主機多目主機(multihoming)是指一臺主機同時有多條可訪問的路徑。主機可能有多個接口，分別接到不同的網絡，也可能是主機所在的子網有多條連接到Internet的路徑。在IPv4協議里，一個接口只能有一個IP地址，而一個IPv6接口可以具有多個IP地址。比如，在一條鏈路同時接入兩臺路由器時，兩臺路由器分別廣播不同的網絡前綴，這時，鏈路里的主機就可以擁有三個IP地址(一個本地鏈路地址、兩個全局單播地址)。這臺主機既可以通過路由器1通信，也可以通過路由器2通信，或者同時和兩個路由器通信。三、RIME四、IP1. IP概述IP是專門為小設備編寫的一個小型TCP/IP協議棧，可以實現極小的代碼空間占用和執(zhí)行時間消耗。IP的代碼是開放的，這樣可以使開發(fā)者完整的了解這個協議棧，并能夠將其進行修改和