6lowpan简介

2022-12-08 18:11:16


  近年来集成了网络技术、嵌入式技术和传感器技术的低速率无线个域网(LR-WPAN)技术成为了研究热点。LR-WPAN是为短距离、低速率、低功耗无线通信而设计的网络,可广泛用于智能家电和工业控制等领域。IETF组织于2004年11月正式成立了IPv6 overLR-WPAN(简称6LowPan)工作组,着手制定基于IPv6的低速无线个域网标准,即IPv6over IEEE 802.15.4,旨在将IPv6引入以IEEE 802.15.4为底层标准的无线个域网。其出现推动了短距离、低速率、低功耗的无线个人区域网络的发展。IEEE 802.15.4是LR-WPAN的典型代表,其应用前景非常广阔,以其为基础的研究方兴未艾。


  但是,IEEE802 15.4只规定了物理层(PHY)和媒体访问控制(MAC)层标准,没有涉及到网络层以上规范,而IEEE 802 15.4设备密度很大,迫切需要实现网络化。同时为了满足不同设备制造商的设备间的互联和互操作性,需要制定统一的网络层标准。IPv6以其规模空前的地址空间及开放性,对LR-WPAN产生7极大的吸引力。


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  1、IEEE 882.15.4技术概述


  IEEE 802.15.4定义的是PHY和MAC层。

  IEEE802.15.4标准的主要特征:①低速率,对于2.4GHz、828MHz、915MHz 3个频段分别对应250Kb/s、20Kb/s和40Kb/s3种速率;②低功耗,在待机模式下可使用2节5号干电池驱动6个月以上;③低成本,一般采用硬件资源非常有限的底端嵌入式设备或更小的特殊设备;④短距离,节点信号覆盖范围有限,一般为10-100m;⑤低复杂度,比现有的标准低;⑥短帧长,最大帧长度为127字节;⑦多拓扑,网络拓扑结构丰富,支持星型拓扑和点对点拓扑2种基本拓扑结构及其混合组网。



2、6LowPan技术概述


  2.1 6LowPan技术简介

  6LowPan工作组的研究重点为适配层、路由、报头压缩、分片、IPv6、网络接入和网络管理等技术,目前已提出了适配层技术草案.其他技术还在探讨中。

  6LowPan技术底层采用IEEE 802.15.4规定的PHY层和MAC层,网络层采用IPv6协议。由于IPv6中,MAC支持的载荷长度远大干6LowPan底层所能提供的载荷长度,为了实现MAC层与网络层的无缝链接,6Low-Pan工作组建议在网络层和MAC层之间增加一个网络适配层,用来完成包头压缩、分片与重组以及网状路由转发等工作。


  2.2 6LowPan技术的优势

  (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。


  2.3 6LowPan关键技术分析

  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:

  (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LR-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IEEE802.15.4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。



  3、6LowPan在智能家居无线网络系统中的应用


  随着LR-WPAN的飞速发展及下一代互联网技术的日益普及,6LowPan技术将广泛应用于智能家居、环境监测等多个领域。使人们通过互联网实现对大规模传感器网络的控制、应用成为可能。例如:在智能家居中,可将6LowPan节点嵌入到家具和家电中。通过无线网络与因特网互联,实现智能家居环境的管理。

  以家庭为单位介绍此系统的设计和安装。每个家庭安装一个家庭网关、若干个无线通信6LowPan子节点模块。在家庭网关和每个子节点上都接一个无线网络收发模块(符合6LowPan技术标准的产品),通过这些无线网络收发模块,数据在网关和子节点之间进行传送。各部分结构及功能如下:

  (1)家庭网关的结构及功能:采用ARM构架的32位嵌入式RISC处理器和uClinux操作系统;通过门锁进行自动设防/解防;遇抢劫或疾病,按紧急按钮,自动向管理中心报警;每家每户配有自己的网页,通过网页显示小区通知、系统各部分工作状况及数据:水、电、气各表数据发给物业管理中心;通过以太网与小区管理中心通讯;通过网关上的无线6LowPan(IEEE802.15.4)模块与网络中各子节点进行通讯。

  (2)6LowPan无线通信子节点功能:2路脉冲量数据采集,可采集水、电、气3表数据;2路安防传感器开关量数据采集,可进行设防/撤防报警、安防报警(红外幕帘、门磁、窗磁、玻璃破碎等);1路模拟量数据采集;1路模拟量数据输出;1路继电器触点输出;通过无线通信IEEE802.15.4协议及家庭网关通信。



4、结语


  作为短距离、低速率、低功耗的无线个域网领域的新兴技术.6LowPan以其廉价、便捷、实用等特点,向人们展示了广阔的市场前景。凡是要求设备具有价格低、体积小、省电、可密集分布特征,而不要求设备具有很高传输率的应用,都可以应用6LowPan技术来实现。比如:建筑物状态监控、空间探索等方面。因此,6LowPan技术的普及,必将给人们的工作、生活带来极大的便利。


标签: 6lowpan
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