重庆邮电大学 6LoWPAN调研报告
HC_ICMP编码具体格式如下：
★ Type(bit 0)
· 0：不压缩，在链路上传输
· 1：Type字段在HC_ICMP编码字段的Compressed Type字段中指出 ★ Code(bit 1)
· 0：不压缩，在链路上传输 · 1：Code字段为0 ★ Reserved(bit 2)
· 0：该32位被全部或部分使用，不压缩，在链路上传输 ·1：ICMPv6报文头部后面的头32位是保留的，在这里被省去 ★ Compressed(bit 3-7)
·bit 3指出当前是错误报文还是信息报文(错误报文的最高位为0，而信息报文的最高位为1，所以bit 3实际上对应ICMPv6头部Type字段的最高位)。bit 4到7则对应这ICMPv6 Type字段的低4位。若Type(bit 0)字段为0，bit 3到7为全0。
这样，可以将ICMP报文头压缩由四个字节压缩到三个字节。
4.5、组播支持
IPv6组播对IPv6协议特别是邻居发现协议有非常重要的作用。此外，WSN的一些应用也需要MAC层的广播功能。然而，IEEE 802.15.4 MAC层不支持组播仅提供有限的广播功能，这就需要适配层利用受控广播泛洪的方式来在整个LowPAN网络中传播IPv6组播报文。 1）适配层广播帧
6LowPAN使用适配层广播帧来封装IPv6组播报文或其它广播负载，格式如下所示。
在适配层广播帧中，适配层头部的B字段需要被置为1，并在适配层头部后添加一个Broadcast字段。其中Broadcast字段的S标志位指出Source Address字段使用的是EUI-64地址还是16-bits短地址，Broadcast Radius字段设置为本网络指定的最大广播跳数，Sequence Number字段设置为节点当前的广播序号计数值，Source Address设置为本源节点的MAC地址，负载报文将紧随在Broadcast字段之后。 2）受控广播泛洪算法
在介绍受控广播泛洪算法之前，需要先给出6LowPAN逻辑节点的概念。运
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行IEEE 802.15.4 MAC协议的无线节点可以从硬件功能上分成全功能节点FFD(Full Function Device)和部分功能节点RFD(Reduce Function Device)两类。为了从逻辑上划分各节点的不同协议行为，在适配层上将节点分为PAN Coordinator、Common Coordinator以及End Device三类逻辑节点。
? PANCoordinator：只能是全功能节点（FFD），在硬件上有着较为丰富的
资源，可以承担较为复杂的任务，是整个LowPAN网络的根节点。 ? Common Coordinator：也只能是全功能节点(FFD),同PAN Coordinator
相似，有着较为丰富的资源，可作为PAN内部在MAC层上的路由器，为其邻居节点转发数据。
? End Device：可以使用全功能节点(FFD)也可以使用部分功能节点
(RFD)，但是一般考虑到End Device节点通常不需要太多的计算资源，因此通常从节点能耗方面考虑采用部分功能节点(RFD)。
适配层使用的受控广播泛洪算法来发送适配层广播帧，其算法描述如下：源发节点或者中继节点转发适配层广播帧时，应该首先检查其适配层邻居缓存，并根据邻居缓存信息处理：
（1） 若该节点的所有邻居均为PAN Coordinator或者Common Coordinator，且均为该节点的子节点时，直接用IEEE 802.15.4 MAC层广播该适配层广播帧。特别的，若只有一个PAN Coordinator或者Common Coordinator的邻居且其为适配层广播帧的入口节点，不断转发适配层广播帧。
（2） 若该节点的部分邻居为End Device或者为该节点的父节点，并且不为适配层广播帧的入口节点时，除了执行(1)中的IEEE 802.15.4 MAC层广播以外，还要通过IEEE 802.15.4 MAC层广单播向该邻居发送该帧。
（3） 若该节点的邻居均为End Device或该节点的父节点，并且不为适配层广播帧的入口节点时，只通过IEEE 802.15.4 MAC层单播向其每个邻居发送该帧。
下图4.16即为使用受控广播泛洪算法时适配层广播帧在LowPAN网络中的传
播过程。需要注意的是该过程需要和广播风暴控制配合使用才能完成。
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图4.16 受控广播泛洪（1）
图4.16受控广播泛洪（2）
3）广播风暴控制
6LowPAN使用受控广播泛洪算法可以大大减少需要发送的适配层广播帧数量，但是若使用Mesh拓扑时，整个LowPAN网络拓扑中会存在大量环路。在这种存在环路的网络中，中继节点对广播帧的重复转发将会造成严重的广播风暴。 为了避免广播风暴，每个节点需要记录已经转发过和适配层广播帧。具体做法是节点维护一张广播记录表(BRT)，每张广播记录表中有若干个广播记录项(BRE)，每个广播记录项至少有Source Address、Sequence Number和Broadcast Valid Time(广播有效时间，BVT)三个字段，广播记录表的结构如下图4.17所示。
图4.17广播记录表(BRT)
当节点收到一个适配层广播帧后，首先检查Broadcast字段中的Source Address：
? 若是本地节点地址，直接丢弃；
? 若不是本地节点，根据Broadcast字段中的Source Address和Sequence
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Number来检查本节点维护的BRT：
? 若在BRT中找到匹配并且BVT不为0的BRE，则认为该帧已经被本
地节点收到或者转发过，丢弃该广播帧；
? 若没有找到，则认为是第一次收到该广播帧。节点需要为其新建一
个BRE(源发节点发送适配层广播帧时不需要在BRT中添加一个新的BRE)，并根据Broadcast字段初始化BRE的Source Address和Sequence Number两个字段，Broadcast Valid Time设置为本网络指定的广播有效时间值。同时，将Broadcast字段中的Broadcast Radius减1，若该值减到0则停止转发，否则使用受控广播泛洪算法继续转发该广播帧。最后，将新收到的适配层广播帧递交给上层是。特别的，对于End Device，可以选择不对收到的广播帧进行转发。
每个BRE中有一个Broadcast Valid Time字段，该值表示现一个适配层广播帧在网络中传播的有效时间。协议栈定时减小该值，若该值减小到0，则认为适配层广播帧已经过期并删除对应的BRE。若此后再收到Source Address和Sequence Number均相同的广播帧，节点将不再认为是重复的适配层广播帧，仍然需要为其新建BRE并进行比较。
五、6LoWPAN邻居发现协议
与传统网络不同，6LoWPAN网络具有高丢包、低功率等特点，传输帧的MAC层载荷小于100字节，包头压缩和分片使得载荷更小，并且6LoWPAN网络在链路层不支持组播，需要通过广播或单播复制来模拟出组播，而一些节点为了省电常处于休眠状态。这些都使得传统IPv6邻居发现协议中的NS消息组播传输，RA消息定期接收，以及需要节点处理的地址解析等功能不适合6LowPAN网络。6LoWPAN邻居发现(6LoWPAN Neighbor Discov—ery)协议优化了IPv6邻居发现的机制，定义了节点注册(NR)机制。
5.1、节点引导过程
图3所示的是节点引导过程。6LoWPAN 邻居发现协议定义了节点注册消息(NR，NodeRegistration)和节点确认消息(NC，Node Confirmation) 两个新的ICMP报文。NR消息是节点向路由器发送注册绑定信息，NC消息是路由器发送给注册节点的响应信息。
(1)一个节点首先根据自己的EUI一64地址或MAC地址生成接口标识，形
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成链路本地单播地址。节点通过广播路由器请求消息(RS，RouterSolicitation)，接收路由器发出的路由器通告消息(RA，Router Advertisemem)，加入一个6LoWPAN 网络。如果在RA消息中包含有效的地址前缀，主机节点将自动配置一个全局地址。
(2)节点向链路本地路由器发送NR消息，NR消息包含节点想注册的地址，也有可能请求路由器分配一个地址。在处理完地址并完成冲突地址检测后，路由器将回复NC消息，消息包含路由器确认的地址集合。由此，主机节点完成引导，可以使用6LoWPAN网络。节点可以向6LoWPAN 网内、外任一脚6地址发送报文，除了是链路本地地址，其余地址的报文都会转发到默认路由器，默认路由器的链路层地址解析在节点注册时已经完成。6LowPAN路由绑定表需要通过定期发送新的NR消息进行更新，如果主机移位或网络拓扑发生变化，现有的路由器不可用时，节点需要重新向另一个路由器进行注册。如果在同一个6LoWPAN 网络内，主机节点地址不变。如果主机节点移动到另一个6LoWPAN网络内，节点需要重新完成引导过程。
图5.1
5.2、消息和选项
6LoWPAN邻居发现协议新定义的NR和NC消息，使用了RFC4861中的RS和RA消息，还新增加了6LoWPAN 地址选项(6AO，6LoWPAN Ad&ess Option)，6LoWPAN 信息选项(6IO，6LoWPAN Infor—mationOption)，6LoWPAN 概要选项(6SO，6LoWPAN SummaryOption)和所有者接口标识选项(0I10，Owner InterfaceIdentifierOption)4个ICMPv6选项。NR 和NC 消息承载于标准的ICMPv6报文内，主要用于节点向路由器的注册过程，未注册节点向在线路由器的单播IPv6地址发送NR消息，在完成地址冲突检测后，路由器会向节点返回NS消息，完成注册过程。同时，需要节点周期性地发送NR消息，刷新路由器的地址绑定表，发送周期要小于绑定表项的生命周期。NR和NC消息注册选项目前主要有两种选项：6AO选项，包含主机节点想绑定到接口上的地址；6IO选项，NC消息可能用此选项携带LoWPAN前缀等信息。
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