6LowPand的学习总结

       6LowPan，即IPv6 over IEEE 802.15.4，为低速无线个域网标准。IPv6作为网络层互联方案，6LowPan技术引起了广泛的关注。为此，介绍基于6LowPan的技术，讨论技术优势，分析关键技术，重点介绍其在智能家居无线网络中的应用，对其应用前景进行展望。 
　　关键词：6LowPan；IEEE 802.15.4；低速无线个域网：IPv6 
　　 
　　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。 
　　 
　　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。