6LoWPAN调研报告 V4 - 图文

重庆邮电大学通信学院

题目：基于IPv6的6LoWPAN无线传感器

网络调研报告

调研人员： 李 晴 川

王 震 华

贺 力 军 方 正 波 陈 式

胡 燕 清 徐 孝 娜

指导导师： 雒 江 涛 教授

2011.9.23

重庆邮电大学 6LoWPAN调研报告

前言

无线传感器网络（WSN）集信息采集、信息传输、信息处理于一体，具有广阔的应用前景，是当前无线网络领域研究的热点之一。随着无线传感器网络的应用领域不断拓展，数量巨大的传感器节点接入Internet，使得地址空间逐渐耗尽的IPv4 协议难以满足无线传感器网络的需求。而IPv6 协议所具有的128位巨大地址空间、内建的安全机制、移动性、即插即用等优势能很好地解决这些问题。IPv6 协议与WSN 的结合必将极大地推动无线传感器网络的发展。

6LoWPAN 是一种研究如何使IPv6 协议在LoWPAN 设备上运行的技术。本次调研重点介绍6LoWPAN 的无线传感器网络技术，研究如何实现传感器网络节点与外部IPv6 网络直接通信。

本文首先阐述了6LoWPAN 低功耗无线个域网的基本概念、研究现状和发展趋势，然后深入研究了6LoWPAN 的技术基础：IPv6 技术和IEEE802.15.4 协议标准。参考6LoWPAN 发布的协议草案，对6LoWPAN 的核心技术：适配层的详细功能，适配层帧格式、适配层分片和重组、报头压缩、进行了研究，并且分析了6LoWPAN 地址分配技术、路由技术、网络接入技术、网络(拓扑)管理技术、邻居发现技术等。基于6LoWPAN 技术的庞大优势，最后讨论了它在智能家居、工业和环境控制等方面的应用及未来研究热点。

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目录

一、6LoWPAN概述 ................................................................................................................ 1

1.1、何为6LoWPAN ....................................................................................................... 1 1.2、6LoWPAN需求 ....................................................................................................... 2

1.2.1、LoWPAN 网络特点 ..................................................................................... 2 1.2.2、6LoWPAN 的需求 ...................................................................................... 2

二、IEEE 802.15.4协议技术介绍 .......................................................................................... 3

2.1、IEEE 802.15.4标准概述 ......................................................................................... 3 2.2、IEEE 802.15.4网络简介 ......................................................................................... 4 2.3、IEEE 802.15.4网络拓扑结构及形成过程 ............................................................. 5

2.3.1、星型网络的形成 ........................................................................................... 6 2.3.2、点对点网络拓扑结构的形成 ....................................................................... 6 2.4、IEEE 802.15.4结构 ................................................................................................. 8

2.4.1、物理层 ........................................................................................................... 9 2.4.2、介质访问控制层 ......................................................................................... 12

三、IPv6技术介绍 ................................................................................................................ 14

3.1、IPv6简介 ............................................................................................................... 14 3.2、IPv6的特点 ........................................................................................................... 15 3.3、IPv6的优势 ........................................................................................................... 15 3.4、IPv6数据包 .......................................................................................................... 16

3.4.1、IPv6数据包：包头 .................................................................................... 16 3.4.2、IPv6数据包：扩展包头 ............................................................................ 17 3.4.3、IPv6数据包：上层协议数据单元 ............................................................ 18 3.5、IPv6技术对管理网络应用程序的影响 ............................................................... 18 3.6、IPv6 编址 .............................................................................................................. 19 四、6LoWPAN关键技术 ...................................................................................................... 20

4.1、适配层功能介绍 .................................................................................................... 21 4.2、适配层报文格式 .................................................................................................... 23 4.3、分片与重组 ............................................................................................................ 25 4.4、报头压缩 ................................................................................................................ 27

4.4.1、HC1-IPv6报头压缩 ................................................................................... 27 4.5、组播支持 ................................................................................................................ 33 五、6LoWPAN邻居发现协议 .............................................................................................. 36

5.1、节点引导过程 ........................................................................................................ 36 5.2、消息和选项 ............................................................................................................ 37 六、6LoWPAN的应用与发展 .............................................................................................. 38

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一、6LoWPAN概述 1.1、何为6LoWPAN

6LoWPAN 是IPv6 over Low power Wireless Personal Area Network的简写，即基于IPv6的低速无线个域网。

IETF组织于2004年11月正式成立了IPv6 over LR_WPAN(6LoWPAN)工作组，着手制定基于IPv6的低速无线个域网标准，旨在将IPv6引入以IEEE802.15.4为底层标准的无线个域网。

工作组的研究重点为适配层、路由、包头压缩、分片、IPv6、网络接入和网络管理等技术。该工作组已经完成了两个RFC：《概述、假设、问题陈述和目标》（RFC4919：2007-08）和《基于IEEE802.15.4的IPv6报文传送》（RFC4944：2007-09）。

6LoWPAN技术是一种在IEEE 802.15.4标准基础上传输IPv6数据包的网络体系，可用于构建无线传感器网络。6LoWPAN规定其物理层和MAC层采用IEEE 802.15.4标准，上层采用TCP/IPv6协议栈，其与TCP/IP对比的参考模型如下图1.1所示。

图1.1 6LoWPAN与TCP/IP参考模型对比

6LoWPAN协议栈参考模型与TCP/IP的参考模型大致相似，区别在于6LoWPAN底层使用的IEEE 802.15.4标准，而且因低速无线个域网的特性，在6LoWPAN的传输层没有使用TCP协议。

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1.2、6LoWPAN需求

1.2.1、LoWPAN 网络特点

LoWPAN 网络是由符合802.15.4 标准的设备组成的，具有低速率、低功耗、低成本等特点，根据802.15.4 标准，LoWPAN 网络具有以下特点：

a) 传输报文小；

b) 支持 IEEE 16 比特短MAC 地址和64 比特扩展MAC 地址； c) 传输带宽窄；

d) 网络拓扑结构为网状或星型； e) 设备功耗低； f) 设备成本低； g) 设备数量大；

h) 设备位置不确定或不易到达； i) 设备可靠性差；

j) 设备可能长时间处于睡眠状态。

1.2.2、6LoWPAN 的需求

1)、 IP 连通性

LoWPAN 网络需要大量的网络地址，同时网络设备能够自动配置地址，并与其他IP 网络实现互通。如图1.2：

ApplicationLayerTransportLayerNetwork Layer(IPv6)802.3 MAC orother MAC802.3 MAC orother MACApplicationLayerTransportLayerNetwork Layer(IPv6)AdaptationLayer802.15.4 MAC orother MAC802.15.4 PHY orother PHYAdaptationLayer802.15.4 MAC orother MAC802.15.4 PHY orother PHY6LoWPAN网关Network Layer(IPv6)802.3 PHY orother PHY802.3 PHY orother PHYIPv6网络6LoWPAN网络

图1.2

2)、拓扑结构

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