物聯(lián)網(wǎng)中輕量級(jí)IPv6協(xié)議實(shí)現(xiàn)技術(shù)概述

劉 剛

（白城師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，吉林 白城 137000）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)是在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上發(fā)展而形成的一種融合無(wú)線射頻識(shí)別（RFID）系統(tǒng)、傳統(tǒng)有線和無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)以及其他通信技術(shù)的新興網(wǎng)絡(luò)［1-3］。將IPv6引入到物聯(lián)網(wǎng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)端到端的通信與控制、兼容多種物理層協(xié)議的功能，同時(shí)由于IPv6地址資源巨大，節(jié)點(diǎn)間無(wú)需網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換即可進(jìn)行通信，因此更加適合大規(guī)模高密度的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)［4］。與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)終端系統(tǒng)相比，物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)具有低帶寬、低處理能力、小內(nèi)存、低功耗的特點(diǎn)。因?yàn)樘幚砟芰?、存?chǔ)能力、能量等方面的資源不足，所以要求運(yùn)行在物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)上的協(xié)議棧必須滿足占用資源較少、功能可重構(gòu)、協(xié)議輕量化以及一定的安全需求。所以，將IPv6技術(shù)應(yīng)用到無(wú)線傳感器網(wǎng)是當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)研究的一個(gè)熱點(diǎn)，越來(lái)越多的研究機(jī)構(gòu)投入物聯(lián)網(wǎng)輕量級(jí)TCP/IP協(xié)議棧的開發(fā)和實(shí)現(xiàn)，,這片領(lǐng)域研究前景相當(dāng)廣闊。

1 物聯(lián)網(wǎng)中輕量級(jí)IPv6協(xié)議實(shí)現(xiàn)技術(shù)概述

為了滿足物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)低能耗、協(xié)議精簡(jiǎn)的需求，近年來(lái)研究人員對(duì)物聯(lián)網(wǎng)不斷深入地研究，已取得了一些重要的成果。

2000年12月份IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)正式批準(zhǔn)并成立了802.15.4工作組，任務(wù)就是開發(fā)一個(gè)低數(shù)據(jù)率的WPAN標(biāo)準(zhǔn)[3]，它具有復(fù)雜度低、成本極少、功耗很小的特點(diǎn)，能在低成本的設(shè)備之間進(jìn)行低數(shù)據(jù)率的傳輸。Zigbee聯(lián)盟[4]基于802.15.4MAC層協(xié)議提出了一種新興的短距離、低速率、低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無(wú)線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案，擁有自己的無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)。

IETF于2004年11月正式成立了6LoWPAN工作組，著手制訂了基于IPv6的低速無(wú)線個(gè)域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，目的就是將IPv6引入以IEEE802.15.4作為底層標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線個(gè)域網(wǎng)中。目前，IETF的6LoWPAN工作組正計(jì)劃將IEEE802.15.4完善為支持IP通信連接，使其成為一類真正開放標(biāo)準(zhǔn)，最終完全實(shí)現(xiàn)與其它IP設(shè)備的互操作。2008年2月IETF成立了ROLL工作組。該工作組的目標(biāo)是使得公共的、可互操作的第3層路由能夠穿越任何數(shù)量的基本鏈路層協(xié)議和物理媒體。

為了推動(dòng)IP協(xié)議作為網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)用于連接傳感器節(jié)點(diǎn)或者其它的智能物體以便于信息的傳輸，2008年9月，Cisco、SAP和Sun等25家業(yè)界領(lǐng)先的技術(shù)公司聯(lián)合成立了IPSO聯(lián)盟。IPSO聯(lián)盟則致力于補(bǔ)充IEEE和IETF兩個(gè)組織的工作，大力倡導(dǎo)將傳感器網(wǎng)絡(luò)融合到IP技術(shù)體系中。2010年3月IETF成立了CoRE工作組[6]，主要任務(wù)是研究資源受限物體的應(yīng)用層協(xié)議，CoRE提供面向IP網(wǎng)絡(luò)資源受限資源的應(yīng)用程序框架。目前，IETF組織中的LWIPBOF組也在研究這個(gè)問(wèn)題，它的目標(biāo)是基于受限網(wǎng)絡(luò)制定出一個(gè)統(tǒng)一的輕量級(jí)IP協(xié)議棧。

上述所有的研究成果為基于IPv6的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議簡(jiǎn)化奠定了堅(jiān)實(shí)的研究基礎(chǔ)。要滿足物聯(lián)網(wǎng)的整體需求，必須對(duì)傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)中的計(jì)算機(jī)的協(xié)議進(jìn)行精簡(jiǎn)。對(duì)物聯(lián)網(wǎng)中運(yùn)行的現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行簡(jiǎn)化和修改，大多數(shù)的研究工作都遵循以下四個(gè)原則：

1）簡(jiǎn)化協(xié)議交互過(guò)程，以減少?zèng)]有必要的協(xié)商、握手和驗(yàn)證的環(huán)節(jié)；

2）簡(jiǎn)化協(xié)議數(shù)據(jù)包中無(wú)用或冗余的字段，以減少總體報(bào)文大小，從而有效地提高荷載比；

3）對(duì)無(wú)關(guān)乎特殊嚴(yán)格順序的協(xié)議協(xié)商過(guò)程中產(chǎn)生的多個(gè)數(shù)據(jù)包，可以進(jìn)行信息壓縮與聚合，使多個(gè)數(shù)據(jù)包的內(nèi)容整合到少數(shù)報(bào)文中，或?qū)?shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行無(wú)損壓縮，而在接收端進(jìn)行解析和還原，從而達(dá)到減少數(shù)據(jù)包的交互過(guò)程和提高有效載荷比的目的。

4）簡(jiǎn)化的協(xié)議應(yīng)不影響物聯(lián)網(wǎng)多協(xié)議網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議翻譯的實(shí)現(xiàn)，即能較容易地實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和互聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)協(xié)議的互通。

文獻(xiàn)[5]中設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)中輕量級(jí)的IPv6協(xié)議，為了保證每個(gè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)至少擁有一個(gè)IP地址，并且加入了針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景的路由協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層最大的改進(jìn)是引入了6LoWPAN協(xié)議，當(dāng)系統(tǒng)需要時(shí)，對(duì)報(bào)文進(jìn)行分片和報(bào)頭壓縮等。

文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)化的IPv6協(xié)議，簡(jiǎn)化方案主要根據(jù)上述原則2和原則3對(duì)其進(jìn)行輕量化。基本的思路是：省去IP版本號(hào)、流分類等冗余字段信息，同時(shí)進(jìn)一步壓縮載荷內(nèi)容。

文獻(xiàn)[7]著重闡述IPv6協(xié)議棧中幾個(gè)基本協(xié)議，在此基礎(chǔ)上，對(duì)協(xié)議棧進(jìn)行裁剪，給出數(shù)據(jù)處理流程，并詳細(xì)介紹協(xié)議棧各模塊的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

2 總結(jié)

IPv6巨大的地址空間使得每個(gè)嵌入式設(shè)備都具有獨(dú)立的IP地址，IPv6技術(shù)的出現(xiàn)解決了上述地址資源缺乏問(wèn)題，因此，在嵌入式設(shè)備上應(yīng)用IPv6地址是順應(yīng)時(shí)代發(fā)展需求的。針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)資源受限的特點(diǎn)，很多研究文獻(xiàn)提出了物聯(lián)網(wǎng)中輕量級(jí)IPv6協(xié)議的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，這些技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)中的IPv6及DHCPv6協(xié)議進(jìn)行了簡(jiǎn)化研究，使得簡(jiǎn)化后的協(xié)議不僅未影響原有協(xié)議的功能，還具有高效、節(jié)能和占用資源少等特點(diǎn)，從而整體上提高了物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)吞吐率。

［1］徐小濤，吳延林.無(wú)線個(gè)域網(wǎng)(WPAN)技術(shù)及其應(yīng)用[Ml.北京:人民郵電出版社，2009，12-13.

［2］ZigBeeAllianee[EB/OL」.http://www.zigbee.org.

［3］IPSOAllianee[EB/OL].http://www.iPso－allianee.org.

［4］孫利民，李建中，陳渝，等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2005，35-50.

［5］劉佳.精簡(jiǎn)的IPv6協(xié)議棧在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2009.

［6］劉昕，胡光武，陳文龍，徐恪.面向物聯(lián)網(wǎng)的IPv6協(xié)議簡(jiǎn)化[J].北京：清華大學(xué)學(xué)報(bào),2012,v(52)5：22-26.

［7］王毅敏.精簡(jiǎn)的IPv6協(xié)議棧在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2012.